1 引言射頻識(shí)別(RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),。RFID可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化,、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理,、圖書管理系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域被列為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,。 RFID 技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐正在蓬勃發(fā)展之中：Molnar 2004年指出北美有超過130家圖書館使用RFID系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi),，廈門集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院于2006年2月率先成為國(guó)內(nèi)第一家使用RFID館藏管理系統(tǒng)的圖書館,；隨后深圳圖書館新館也選擇RFID系統(tǒng)作為圖書館服務(wù)體系改進(jìn)的技術(shù)手段．接著，武漢圖書館成為第三家研發(fā)并全線使用RFID智能館藏管理系統(tǒng)的圖書館,。 保密和鑒別等安全問題是當(dāng)前RFID 技術(shù)的研究熱點(diǎn),，而且不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)FID安全性的要求也不盡相同。為了保障圖書館應(yīng)用環(huán)境下RFID 系統(tǒng)的安全性,，有必要對(duì)安全需求進(jìn)行系統(tǒng)的研究,，并提出安全的解決辦法,。 本文將針對(duì)RFID 技術(shù)在圖書館文獻(xiàn)管理中的應(yīng)用,，來(lái)探討其認(rèn)證協(xié)議問題。本文首先分析了RFID系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及安全協(xié)認(rèn)證議研究現(xiàn)狀,，在構(gòu)建了圖書館RFID系統(tǒng)安全模型的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了一個(gè)保證圖書館RFID 系統(tǒng)安全通信的認(rèn)證協(xié)議：PA-Lock協(xié)議，最后,，對(duì)該P(yáng)A—LOCK協(xié)議進(jìn)行了安全性能分析并與其他協(xié)議做了比較,。 2 RFID系統(tǒng)構(gòu)成及安全協(xié)議現(xiàn)狀 本部分簡(jiǎn)要介紹RFID系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)、通信模型和安全協(xié)議的研究現(xiàn)狀,。 2．1 RFID系統(tǒng)組成 RFID系統(tǒng)一般由三大部分組成：RFID標(biāo)簽(tag),、RFID讀寫器(reader)和后端數(shù)據(jù)庫(kù)(database，后端服務(wù)器),，如圖1所示,。
2)RFID 讀寫器：由射頻接口和控制單元組成,，其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都比較大,，RFID讀寫器通過射頻接口來(lái)獲取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，并將其傳遞給后端數(shù)據(jù)庫(kù),。RFID讀寫器和標(biāo)簽之間的信道是不安全信道,。 3)RFID后端數(shù)據(jù)庫(kù)：接收來(lái)自RFID讀寫器的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)有標(biāo)簽的信息或關(guān)聯(lián)信息,，RFID讀寫器和后端數(shù)據(jù)庫(kù)之間是安全信道,。 2．2 RFID 安全認(rèn)證協(xié)議研究現(xiàn)狀 RFID技術(shù)的無(wú)線傳輸、信號(hào)廣播以及標(biāo)簽只具有很弱的計(jì)算能力等特征對(duì)RFID 系統(tǒng)安全機(jī)制的設(shè)計(jì)提出了特殊的要求,，設(shè)計(jì)安全,、高效、低成本的RFID協(xié)議一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題,。 使用密碼學(xué)方法來(lái)設(shè)計(jì)RFID 安全認(rèn)證協(xié)議是一種主要的研究方法,。迄今為止，已經(jīng)有許多RFID 安全認(rèn)證協(xié)議被提出,。這些協(xié)議大致可以分為兩類：一類是從協(xié)議的通用安全性方面著手設(shè)計(jì),， 如Hash-Lock協(xié)議、Hash鏈協(xié)議,、基于雜湊的ID變化協(xié)議等,，這些認(rèn)證協(xié)議主要解決在標(biāo)簽識(shí)別過程中的安全問題，如保密性,、信息泄露,、和不可追蹤性等：另一類是從應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性方面來(lái)著手設(shè)計(jì)RFID安全認(rèn)證協(xié)議。通過詳細(xì)分析應(yīng)用的特性過程,，對(duì)RFID 安全問題作針對(duì)性的設(shè)計(jì),，使之滿足該應(yīng)用領(lǐng)域的需求，如供應(yīng)鏈環(huán)境下通用可組合安全的RFID通信協(xié)議,，該協(xié)議就是通過對(duì)供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域中RFI D技術(shù)的安全機(jī)制進(jìn)行深入的研究,，從而設(shè)計(jì)出具有應(yīng)用針對(duì)性的RFID安全認(rèn)證協(xié)議。 與其他特定的RFID 應(yīng)用領(lǐng)域一樣,，圖書館文獻(xiàn)資源管理領(lǐng)域的特點(diǎn)也對(duì)RFID安全協(xié)議提出了特殊的需求,。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1)圖書在整個(gè)流通期間具有兩個(gè)狀態(tài)：在館典藏狀態(tài)和外借狀態(tài)。圖書管理中對(duì)不同狀態(tài)的圖書具有不同的約束規(guī)則,，如對(duì)于在館典藏狀態(tài)的圖書則不允許被帶出圖書館,，而對(duì)于外借狀態(tài)的圖書則可以自由出入圖書館。 2)圖書的狀態(tài)變化具有周期性,。每本圖書從在館典藏狀態(tài)開始,，經(jīng)外借狀態(tài)再回到在館典藏狀態(tài)，周而復(fù)始，循環(huán)變化,。 3)圖書管理需要對(duì)圖書進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,、狀態(tài)定位以及統(tǒng)計(jì)分析。分析圖書的使用狀況及利用率,。目前,，還沒有針對(duì)圖書館文獻(xiàn)資源管理中RFID安全機(jī)制的深入研究成果。本文的重點(diǎn)是針對(duì)圖書館文獻(xiàn)資源管理中的各種主要流程,，分析設(shè)計(jì)出對(duì)RFID標(biāo)簽認(rèn)證識(shí)別的安全認(rèn)證協(xié)議,，保證只有授權(quán)用戶才能夠識(shí)別特定標(biāo)簽，同時(shí)攻擊者無(wú)法對(duì)這些標(biāo)簽進(jìn)行跟蹤,。 3 圖書館RFID安全需求建模 設(shè)計(jì)RFID安全認(rèn)證協(xié)議的一個(gè)重要前提就是需要定義RFID 系統(tǒng)的安全模型,。安全模型又與系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景有著密切的聯(lián)系。因此,，在設(shè)計(jì)圖書館RFID系統(tǒng)安全認(rèn)證協(xié)議之前,，首先要詳細(xì)分析圖書館RFID系統(tǒng)的應(yīng)用模型、主要的安全威脅以及系統(tǒng)的安全需求等問題,。 3．1圖書館RFID系統(tǒng)模型 通常情況下,，圖書館RFID 系統(tǒng)有標(biāo)簽、讀寫器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成,。由于讀寫器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)之間是安全信道,，所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)安全協(xié)議時(shí),，把這兩部分作為一個(gè)整體來(lái)考慮,，因此，主要關(guān)心讀寫器和標(biāo)簽兩部分,。對(duì)于標(biāo)簽,，我們假設(shè)既有鑒定合法的標(biāo)簽,，也有惡意的標(biāo)簽,。而讀寫器主要有四類：標(biāo)簽轉(zhuǎn)換器、排架器,、自助借還機(jī)和安全檢測(cè)門,。標(biāo)簽轉(zhuǎn)換器主要用于實(shí)現(xiàn)從條碼到RFID 的快速轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)相關(guān)信息的寫入操作,。排架器通過對(duì)圖書RFID標(biāo)簽進(jìn)行掃描,，結(jié)合層位標(biāo)簽進(jìn)行定位盤點(diǎn)，需要獲取的信息量較少,。自助借還機(jī)對(duì)RFID 實(shí)施掃描,，對(duì)圖書進(jìn)行借還處理，還需要連接訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。安全檢測(cè)門對(duì)圖書進(jìn)行識(shí)別,，判定圖書是否處于借閱狀態(tài),。 在圖書館中使用的RFID標(biāo)簽主要是工作頻率為1 3．56MHZ的被動(dòng)式標(biāo)簽。這種標(biāo)簽存儲(chǔ)容量小,，只能存儲(chǔ)書名,、書架號(hào)等少量圖書信息；同時(shí)標(biāo)簽的計(jì)算能力也很弱,，只能進(jìn)行兩個(gè)數(shù)比較大小,、執(zhí)行hash散列、產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),、檢索自身的信息等簡(jiǎn)單功能,，這些功能在Class 1 Generation 2標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽上容易實(shí)現(xiàn)。 3．2主要的安全威脅 結(jié)合圖書館RFID 系統(tǒng)應(yīng)用模型的特征,，可以做出以下重要假設(shè)： 假設(shè)：在圖書館內(nèi)部發(fā)生的讀寫器與標(biāo)簽之間的通信是安全的,，可以采用明文傳輸；在圖書館外的通信存在安全威脅,，需要采用保密和鑒別措施,。 在此安全性假設(shè)的基礎(chǔ)上，圖書館RFID 系統(tǒng)所面臨的安全威脅主要包括以下幾種： 1)攻擊者作為一個(gè)正常的讀寫器具有掃描標(biāo)簽的能力,。 2)攻擊者具有克隆標(biāo)簽的能力,，即改寫標(biāo)簽的內(nèi)容。 3．3協(xié)議安全性要求 本文提出的RFID 安全認(rèn)證協(xié)議是基于一個(gè)狀態(tài)鎖(Lock)的實(shí)現(xiàn)通信保密(Privacy)與身份鑒別(Authentication)的認(rèn)證協(xié)議： Privacy and Authentication protocol based on a Lock,，簡(jiǎn)記PA-Lock協(xié)議,。 安全認(rèn)證協(xié)議PA-Lock試圖滿足兩個(gè)要求：保密性和鑒別性。保密性要求每一個(gè)標(biāo)簽只能把保密信息發(fā)送給經(jīng)過鑒別的讀寫器,。鑒別性則要求標(biāo)簽和讀寫器之間能實(shí)現(xiàn)相互鑒別,，即標(biāo)簽?zāi)軌蜩b別讀寫器、讀寫器也能夠鑒別標(biāo)簽,。此外,，鎖是一個(gè)圖書狀態(tài)位，表示圖書處于借出或者在館的狀態(tài),。 保密性和鑒別性也將作為本文分析PA-Lock協(xié)議安全性能的兩個(gè)指標(biāo),，將在第5部分詳細(xì)討論。 4 PA-Lock協(xié)議描述 在PA-Lock協(xié)議中,，RFID標(biāo)簽具有一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,，具有hash計(jì)算及數(shù)值大小比較能力，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括四部分：(1)標(biāo)簽ID,，此lD具有全球唯一性,；(2)書目信息,，包括圖書條碼號(hào)(圖書的唯一識(shí)別)、書名,、架位號(hào)等,；(3)圖書館RFID系統(tǒng)的共享密鑰k；(4)圖書狀態(tài)鎖bit(0表示在館狀態(tài),、1表示借出狀態(tài)),，在圖書典藏時(shí)設(shè)置bit值為0。RFID讀寫器具有一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,，能執(zhí)行hash計(jì)算,，能轉(zhuǎn)發(fā)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。RFID后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著標(biāo)簽ID與圖書條碼號(hào)之間的關(guān)聯(lián)信息,，能執(zhí)行hash計(jì)算,、快速查找等能力。在該協(xié)議中,，當(dāng)狀態(tài)鎖為0時(shí),，采用不需保密與鑒別的方式通信：當(dāng)狀態(tài)鎖為1時(shí)，通過先對(duì)私密信息進(jìn)行hash加密然后再傳輸?shù)拇胧?shí)現(xiàn)保密功能,，讀寫器通過共享密鑰k來(lái)鑒別標(biāo)簽,，標(biāo)簽通過圖書的條碼號(hào)來(lái)鑒別讀寫器，從而實(shí)現(xiàn)讀寫器與標(biāo)簽的雙向相互鑒別,。PA—Lock協(xié)議中使用的參數(shù)如表1所示,。
4．1排架 由于排架工作發(fā)生在圖書館預(yù)覽室內(nèi)部,，有理由假設(shè)此時(shí)的通信是安全的,，因此可以設(shè)計(jì)不需保密鑒別的認(rèn)證協(xié)議，這樣有利于提高通信效率,。協(xié)議的執(zhí)行過程如圖2所示,。
1、Tag讀寫器向Tag發(fā)送Query認(rèn)證請(qǐng)求： 2,、如果bit值為0,，Tag將標(biāo)簽ID、圖書名,、書架號(hào)發(fā)送給Tag讀寫器。 |
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