發布日期：2022-05-20 點擊率：45
1 引言
射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID可廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理、圖書管理系統等眾多領域被列為本世紀十大重要技術之一。
RFID 技術在圖書館領域的應用實踐正在蓬勃發展之中：Molnar 2004年指出北美有超過130家圖書館使用RFID系統。在國內，廈門集美大學誠毅學院于2006年2月率先成為國內第一家使用RFID館藏管理系統的圖書館；隨后深圳圖書館新館也選擇RFID系統作為圖書館服務體系改進的技術手段．接著，武漢圖書館成為第三家研發并全線使用RFID智能館藏管理系統的圖書館。
保密和鑒別等安全問題是當前RFID 技術的研究熱點，而且不同的應用領域對RFID安全性的要求也不盡相同。為了保障圖書館應用環境下RFID 系統的安全性，有必要對安全需求進行系統的研究，并提出安全的解決辦法。
本文將針對RFID 技術在圖書館文獻管理中的應用，來探討其認證協議問題。本文首先分析了RFID系統的組成結構及安全協認證議研究現狀，在構建了圖書館RFID系統安全模型的基礎上，設計了一個保證圖書館RFID 系統安全通信的認證協議：PA-Lock協議，最后，對該PA—LOCK協議進行了安全性能分析并與其他協議做了比較。
2 RFID系統構成及安全協議現狀
本部分簡要介紹RFID系統的基本組成結構、通信模型和安全協議的研究現狀。
2．1 RFID系統組成
RFID系統一般由三大部分組成：RFID標簽(tag)、RFID讀寫器(reader)和后端數據庫(database，后端服務器)，如圖1所示。
1)RFID標簽：由芯片和耦合元件(天線)構成，芯片用于計算，天線用于無線通信，芯片的計算和存儲能力十分有限。每個標簽具有唯一的電子編碼。
2)RFID 讀寫器：由射頻接口和控制單元組成，其計算能力和存儲能力都比較大，RFID讀寫器通過射頻接口來獲取標簽中的數據，并將其傳遞給后端數據庫。RFID讀寫器和標簽之間的信道是不安全信道。
3)RFID后端數據庫：接收來自RFID讀寫器的數據，存儲有標簽的信息或關聯信息，RFID讀寫器和后端數據庫之間是安全信道。
2．2 RFID 安全認證協議研究現狀
RFID技術的無線傳輸、信號廣播以及標簽只具有很弱的計算能力等特征對RFID 系統安全機制的設計提出了特殊的要求，設計安全、高效、低成本的RFID協議一直是一個具有挑戰性的課題。
使用密碼學方法來設計RFID 安全認證協議是一種主要的研究方法。迄今為止，已經有許多RFID 安全認證協議被提出。這些協議大致可以分為兩類：一類是從協議的通用安全性方面著手設計， 如Hash-Lock協議、Hash鏈協議、基于雜湊的ID變化協議等，這些認證協議主要解決在標簽識別過程中的安全問題，如保密性、信息泄露、和不可追蹤性等：另一類是從應用領域的特殊性方面來著手設計RFID安全認證協議。通過詳細分析應用的特性過程，對RFID 安全問題作針對性的設計，使之滿足該應用領域的需求，如供應鏈環境下通用可組合安全的RFID通信協議，該協議就是通過對供應鏈管理領域中RFI D技術的安全機制進行深入的研究，從而設計出具有應用針對性的RFID安全認證協議。
與其他特定的RFID 應用領域一樣，圖書館文獻資源管理領域的特點也對RFID安全協議提出了特殊的需求。其特點主要表現在以下幾個方面：
1)圖書在整個流通期間具有兩個狀態：在館典藏狀態和外借狀態。圖書管理中對不同狀態的圖書具有不同的約束規則，如對于在館典藏狀態的圖書則不允許被帶出圖書館，而對于外借狀態的圖書則可以自由出入圖書館。
2)圖書的狀態變化具有周期性。每本圖書從在館典藏狀態開始，經外借狀態再回到在館典藏狀態，周而復始，循環變化。
3)圖書管理需要對圖書進行實時跟蹤、狀態定位以及統計分析。分析圖書的使用狀況及利用率。目前，還沒有針對圖書館文獻資源管理中RFID安全機制的深入研究成果。本文的重點是針對圖書館文獻資源管理中的各種主要流程，分析設計出對RFID標簽認證識別的安全認證協議，保證只有授權用戶才能夠識別特定標簽，同時攻擊者無法對這些標簽進行跟蹤。
3 圖書館RFID安全需求建模
設計RFID安全認證協議的一個重要前提就是需要定義RFID 系統的安全模型。安全模型又與系統的實際應用場景有著密切的聯系。因此，在設計圖書館RFID系統安全認證協議之前，首先要詳細分析圖書館RFID系統的應用模型、主要的安全威脅以及系統的安全需求等問題。
3．1圖書館RFID系統模型
通常情況下，圖書館RFID 系統有標簽、讀寫器和后臺數據庫三部分組成。由于讀寫器和后臺數據庫之間是安全信道，所以，我們在設計安全協議時，把這兩部分作為一個整體來考慮，因此，主要關心讀寫器和標簽兩部分。對于標簽，我們假設既有鑒定合法的標簽，也有惡意的標簽。而讀寫器主要有四類：標簽轉換器、排架器、自助借還機和安全檢測門。標簽轉換器主要用于實現從條碼到RFID 的快速轉換，負責相關信息的寫入操作。排架器通過對圖書RFID標簽進行掃描，結合層位標簽進行定位盤點，需要獲取的信息量較少。自助借還機對RFID 實施掃描，對圖書進行借還處理，還需要連接訪問后臺數據庫。安全檢測門對圖書進行識別，判定圖書是否處于借閱狀態。
在圖書館中使用的RFID標簽主要是工作頻率為1 3．56MHZ的被動式標簽。這種標簽存儲容量小，只能存儲書名、書架號等少量圖書信息；同時標簽的計算能力也很弱，只能進行兩個數比較大小、執行hash散列、產生隨機數、檢索自身的信息等簡單功能，這些功能在Class 1 Generation 2標準的標簽上容易實現。
3．2主要的安全威脅
結合圖書館RFID 系統應用模型的特征，可以做出以下重要假設：
假設：在圖書館內部發生的讀寫器與標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。
在此安全性假設的基礎上，圖書館RFID 系統所面臨的安全威脅主要包括以下幾種：
1)攻擊者作為一個正常的讀寫器具有掃描標簽的能力。
2)攻擊者具有克隆標簽的能力，即改寫標簽的內容。
3．3協議安全性要求
本文提出的RFID 安全認證協議是基于一個狀態鎖(Lock)的實現通信保密(Privacy)與身份鑒別(Authentication)的認證協議： Privacy and Authentication protocol based on a Lock，簡記PA-Lock協議。
安全認證協議PA-Lock試圖滿足兩個要求：保密性和鑒別性。保密性要求每一個標簽只能把保密信息發送給經過鑒別的讀寫器。鑒別性則要求標簽和讀寫器之間能實現相互鑒別，即標簽能夠鑒別讀寫器、讀寫器也能夠鑒別標簽。此外，鎖是一個圖書狀態位，表示圖書處于借出或者在館的狀態。
保密性和鑒別性也將作為本文分析PA-Lock協議安全性能的兩個指標，將在第5部分詳細討論。
4 PA-Lock協議描述
在PA-Lock協議中，RFID標簽具有一個偽隨機數發生器，具有hash計算及數值大小比較能力，所存儲的數據包括四部分：(1)標簽ID，此lD具有全球唯一性；(2)書目信息，包括圖書條碼號(圖書的唯一識別)、書名、架位號等；(3)圖書館RFID系統的共享密鑰k；(4)圖書狀態鎖bit(0表示在館狀態、1表示借出狀態)，在圖書典藏時設置bit值為0。RFID讀寫器具有一個偽隨機數發生器，能執行hash計算，能轉發后臺數據庫和標簽之間傳輸的數據。RFID后臺數據庫存儲著標簽ID與圖書條碼號之間的關聯信息，能執行hash計算、快速查找等能力。在該協議中，當狀態鎖為0時，采用不需保密與鑒別的方式通信：當狀態鎖為1時，通過先對私密信息進行hash加密然后再傳輸的措施實現保密功能，讀寫器通過共享密鑰k來鑒別標簽，標簽通過圖書的條碼號來鑒別讀寫器，從而實現讀寫器與標簽的雙向相互鑒別。PA—Lock協議中使用的參數如表1所示。
下面，按照圖書館RFID系統的三種應用場景來對PA-Lock協議做詳細的描述，三種應用場景分別是：排架、外借和自動還書。
4．1排架
由于排架工作發生在圖書館預覽室內部，有理由假設此時的通信是安全的，因此可以設計不需保密鑒別的認證協議，這樣有利于提高通信效率。協議的執行過程如圖2所示。
執行步驟說明如下：
1、Tag讀寫器向Tag發送Query認證請求：
2、如果bit值為0，Tag將標簽ID、圖書名、書架號發送給Tag讀寫器。
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