隨著經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的深入和發(fā)展，商業(yè)智能(BI)系統(tǒng)逐步得到推廣。BI的基本流程是：采集商品原始信息，進(jìn)行分析與處理，并據(jù)此制定合理的商業(yè)決策。RFID(無線射頻識別)技術(shù)為商品信息采集的自動性、準(zhǔn)確性提供了技術(shù)支持，是實(shí)現(xiàn)商品信息自動識別與輸入的一種重要方法和手段。
1 RFID技術(shù)介紹
RFID屬于典型的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，要求被識別物體具有特定的電子標(biāo)簽作為載體。它利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。
一個(gè)完整的射頻識別系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(射頻卡)、閱讀器和后臺數(shù)據(jù)庫3部分構(gòu)成。電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，含有微處理器、E2PR0M及收發(fā)電路，其功能是實(shí)現(xiàn)智能讀寫與通信。閱讀器，主要由天線、收發(fā)控制模塊及接口電路組成，執(zhí)行主機(jī)的讀寫命令。后臺數(shù)據(jù)庫則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的存儲入管理、對卡進(jìn)行讀寫控制等。閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域時(shí)，通過電磁感應(yīng)其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流對內(nèi)部電容充電，在充電電壓支撐下標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送出含有自身編碼的信息。閱讀器接收到來自標(biāo)簽的載波信號后，對所接收的信號解調(diào)后送至主機(jī)處理。主機(jī)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號；標(biāo)簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成數(shù)據(jù)存儲等操作 。其工作原理見圖1。
圖1 RDIF工作原理示意圖
Fig．1 Schematic 0f RFID w0rking p rincip1e
RFID標(biāo)簽以其遠(yuǎn)距離傳輸、高存儲容量、支持批量處理、可重復(fù)使用、防水防磁等特性而逐漸取代條形碼，成為商品標(biāo)簽市場的主角。目前，RFID電子標(biāo)簽外形已可以做得很薄，并可附著在不干膠或其它的任意形態(tài)的包裝物品表面或內(nèi)部，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)自動化、物聯(lián)網(wǎng)、商品防偽等眾多領(lǐng)域。隨著RFID的深入推廣，其安全與隱私問題也日益突出。
閱讀器、標(biāo)簽、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都存在隱患，安全與隱私問題已成為制約RFID技術(shù)的主要因素之一。RFID系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。與網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)安全類似，RFID安全的主要目的是保證信息存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?nbsp;。其中，閱讀器與后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間通信安全因?qū)儆趥鹘y(tǒng)信息安全范疇這里就不再贅述，本文僅討論標(biāo)簽與閱讀器之間的通信安全問題。
2 RFID技術(shù)中的數(shù)據(jù)完整性問題及策略
閱讀器與射頻標(biāo)簽無線通信過程中，存在許多干擾因素，最主要的是信道噪聲和多卡操作。采用恰當(dāng)信道編碼和訪問控制技術(shù)，能顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒖煽啃浴?
2．1 信號編碼、調(diào)制與校檢
RFID系統(tǒng)基帶編碼方式有多種，與系統(tǒng)所用的防碰撞算法有關(guān)。一般采用Manchester編碼：半個(gè)bit周期中的負(fù)邊沿表示1，正邊沿表示o。若碼元片內(nèi)沒有電平跳變，則被識別為錯(cuò)誤碼元。這樣可以按位識別是否存在碰撞，易于實(shí)現(xiàn)閱讀器對多個(gè)標(biāo)簽的防碰撞處理。信號傳輸前先進(jìn)行降噪處理，去除信號中低頻分量和高頻分量，減少誤碼率，然后進(jìn)行載波調(diào)制。載波調(diào)制有AsK，F(xiàn)sK，PsK 3種制式，分別對應(yīng)于正弦波的幅度、頻率和相位傳遞數(shù)字基帶信號。為簡化設(shè)計(jì)、降低成本，大多系統(tǒng)采用AsK調(diào)制技術(shù)。此外，為減少信號傳輸過程中的波形失真問題，還應(yīng)使用校驗(yàn)碼對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制：鑒別是否發(fā)生錯(cuò)誤，進(jìn)而糾正錯(cuò)誤，甚至重新傳輸全部或部分消息。常用的校驗(yàn)方法有奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等。
2．2 信號沖突
為使閱讀器能順利完成其作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽識別、信息讀寫操作，防止碰撞，RFID主要采用TDMA 時(shí)分多路接入法，每個(gè)標(biāo)簽在單獨(dú)的某個(gè)時(shí)隙內(nèi)占用信道與閱讀器進(jìn)行通信。然而多閱讀器、多標(biāo)簽系統(tǒng)中，信號間沖突與干擾在所難免，導(dǎo)致信息疊混，嚴(yán)重影響RFID使用性能。沖突分為標(biāo)簽；中突和閱讀器沖突兩類。解決沖突的關(guān)鍵在于使用防碰撞算法。
1)標(biāo)簽沖突。多個(gè)電子標(biāo)簽處于同一個(gè)閱讀器作用范圍內(nèi)時(shí)，在沒有采取多址訪問控制機(jī)制情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致信息讀取失敗。
對于標(biāo)簽沖突，一般采用Aloha搜索算法。目前高頻段(HF)電子標(biāo)簽都使用A1oha法來處理。它在一個(gè)周期性的循環(huán)中將數(shù)據(jù)不斷發(fā)送給閱讀器，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間只占重復(fù)時(shí)間很小部分，傳輸間歇長，標(biāo)簽重復(fù)時(shí)間小，各標(biāo)簽可在不同時(shí)段上傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包傳送時(shí)不易發(fā)生碰撞。改進(jìn)型的Aloha算法還可對標(biāo)簽數(shù)量動態(tài)估計(jì)，并根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，自適應(yīng)選取延遲時(shí)間及幀長，顯著的提高了識別速度l5]。由于同類型的電子標(biāo)簽工作在同一頻率，共享同一通信信道，Al0ha算法中標(biāo)簽利用隨機(jī)時(shí)間響應(yīng)閱讀器命令，其延遲時(shí)間和檢測時(shí)間是隨機(jī)分布的，是一種不確定性算法。
除隨機(jī)性方案外，還有一種確定性解決方案，主要用于超高頻段(uHF)。其基本思想是：閱讀器將沖突區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽不斷劃分為更小的子集，根據(jù)標(biāo)簽ID的唯一性來選擇標(biāo)簽進(jìn)行通信。其中最典型的是樹型搜索算法：閱讀器發(fā)出請求命令，N個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)造成沖突后，檢測沖突位置，逐個(gè)通知不符合要求的標(biāo)簽退出沖突，最后一個(gè)標(biāo)簽予以響應(yīng)。余下的N一1個(gè)標(biāo)簽重復(fù)上述步驟，經(jīng)N一1次循環(huán)后所有標(biāo)簽訪問完畢。其缺點(diǎn)是標(biāo)簽識別速度較低。
2)閱讀器沖突。實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要近距離布局多個(gè)RFID閱讀器，從而導(dǎo)致閱讀器間相互干擾，一個(gè)標(biāo)簽同時(shí)接收到多個(gè)閱讀器命令。
閱讀器沖突有兩種：由多個(gè)閱讀器同時(shí)在相同頻段上運(yùn)行而引起的頻率干擾，以及由多個(gè)相鄰的閱讀器試圖同時(shí)與一個(gè)的標(biāo)簽通信而引起的標(biāo)簽干擾。最簡單的做法是對相鄰的閱讀器分配在不同頻率或時(shí)隙，而對物理上足夠分離的閱讀器分配在同一頻率或時(shí)隙。目前已提出的Colorwave算法提供一個(gè)實(shí)時(shí)、分布式的MAC協(xié)議為閱讀器分配頻率與時(shí)隙來減少閱讀器間的干擾。此外，分層Q學(xué)習(xí)算法采用網(wǎng)絡(luò)信息，在整個(gè)日寸間段動態(tài)分配頻率資源，以保證臨近的閱讀器之間不發(fā)生沖突。
在實(shí)際ETsI標(biāo)準(zhǔn)中，閱讀器在同標(biāo)簽通信前每隔100ms探測數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)，采用載波偵聽方式解決閱讀器沖突。在EPc標(biāo)準(zhǔn)中，在頻率譜上將閱讀器傳輸和標(biāo)簽傳輸分離開，這樣閱讀器僅與閱讀器發(fā)生；中突，標(biāo)簽僅與標(biāo)簽之間發(fā)生沖突，簡化了問題。
3 RFID技術(shù)中的數(shù)據(jù)保密問題及措施
為防止某些試圖欺騙射頻識別系統(tǒng)而進(jìn)行的非授權(quán)的訪問，或企圖跟蹤、竊取甚至惡意篡改標(biāo)簽信息，必須采取措施保障數(shù)據(jù)的有效性和隱私性。
3．1 密碼機(jī)制
1)消息認(rèn)證。交易進(jìn)行前，閱讀器和標(biāo)簽必須確認(rèn)對方的身份，即雙方在通信過程中互相檢驗(yàn)對方的密鑰，才能進(jìn)一步操作。圖2是基于相互對稱的消息認(rèn)證法：雙方具有相同的密鑰K，射頻空間只傳輸加密的隨機(jī)數(shù)而非密鑰本身，可使用任意算法對令牌加密，嚴(yán)格使用隨機(jī)數(shù)可有效防止重放攻擊。相互對稱的認(rèn)證簡單易于實(shí)現(xiàn)，但風(fēng)險(xiǎn)大，一旦密鑰被破解將直接導(dǎo)致所有標(biāo)簽無法完成加密保護(hù)。還有一種是導(dǎo)出密鑰的認(rèn)證方法，是對相互對稱認(rèn)證的改進(jìn)：每個(gè)射頻標(biāo)簽使用不同的密鑰來保護(hù)，并在生產(chǎn)過程中讀出其序列號，采用加密算法和主控密鑰K計(jì)算出該標(biāo)簽專用密鑰K ，完成初始化。消息認(rèn)證時(shí)，閱讀器請求標(biāo)簽的序列號，通過其特殊安全模塊sAM 計(jì)算出該標(biāo)簽專用密鑰K，，并進(jìn)行確認(rèn)。sAM 模塊通常用具有加密處理器的接觸式Ic卡制作，在提高安全系數(shù)的同時(shí)也增加了成本和復(fù)雜程度。
圖2 標(biāo)簽與閱讀器間互相認(rèn)證的過程
Fig．2 Tag and reader mutual
authentication pr0cess
2)信息加密。經(jīng)過身份認(rèn)證的標(biāo)簽，傳輸前使用密鑰K和加密算法對數(shù)據(jù)明文進(jìn)行處理，得到密文，接收方使用解密密鑰K 和解密算法將密文恢復(fù)成明文。根據(jù)K 和K 是否相同，加密算法有對稱密鑰和公鑰密鑰兩種。加密時(shí)，RFID系統(tǒng)大多采用流密碼方式，對每個(gè)符號單獨(dú)加密，為克服密鑰的產(chǎn)生和分配問題，按照 一次插入 原則創(chuàng)建流密碼，同時(shí)使用由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)序列來取代真正的隨機(jī)序列。此外，還可利用重加密方法，使用公鑰密碼機(jī)制，由外部代理設(shè)備對數(shù)據(jù)反復(fù)加密，使得攻擊者無從跟蹤和識別標(biāo)簽，從而保護(hù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)安全。
3．2 物理安全機(jī)制
密碼技術(shù)有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保密安全，但同時(shí)其復(fù)雜的算法和流程也大大提升了RFID系統(tǒng)的成本。對一些低成本標(biāo)簽，它們往往受成本嚴(yán)格限制而難以實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的密碼機(jī)制，此時(shí)可以采用一些物理方法限制標(biāo)簽功能，防止部分安全威脅。如：讀寫距離控制機(jī)制；主動干擾法；自毀機(jī)制，標(biāo)簽從閱讀器收到 Kill 命令后自動失效；休眠機(jī)制，標(biāo)簽暫時(shí)休眠后可再激活使用；靜電屏蔽法，將貼有標(biāo)簽的商品放入金屬罩網(wǎng)，暫日寸阻隔標(biāo)簽與閱讀器間通信；阻止標(biāo)簽等。
4 結(jié)語
本文就商品包裝中RFID標(biāo)簽與閱讀器之間的通信安全問題進(jìn)行了探討，全面分析了影響安全的各個(gè)環(huán)節(jié)及其解決辦法。隨著技術(shù)的深入與應(yīng)用的推廠，必將對RFID系統(tǒng)的安全性能提出更高要求。目前已有很多組織針對RFID系統(tǒng)的安全問題進(jìn)行了大量深入研究，建立了諸如防火墻、入侵檢測等設(shè)施，在一定程度上緩解了RFID的部分安全問題。但同日寸，由于數(shù)據(jù)源和訪問界面的擴(kuò)大化使得原有控制措施不能很好發(fā)揮作用，標(biāo)簽及讀寫器的移動性使得防火墻無法應(yīng)用等新問題也隨之出現(xiàn)。安全方案與技術(shù)方案的融合以及隱私性等困繞RFID安全的技術(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。
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