Abstract：
Key words :
關(guān)鍵字：身份識別 識別系統(tǒng) RFID技術(shù)
引言
RFID 是Radio Frequency Identification 的縮寫，即射頻識別技術(shù)[1]，俗稱電子標(biāo)簽。RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[2-3]，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。
埃森哲實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家弗格森認(rèn)為RFID 是一種突破性的技術(shù)：“第一，可以識別單個的非常具體的物體，而不是象條形碼那樣只能識別一類物體；第二，其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時對多個物體進(jìn)行識讀，而條形碼只能一個一個地讀。此外，存儲的信息也非常大。”
基于此，我們開發(fā)了一個無線身份識別系統(tǒng)，用于對進(jìn)出房間者進(jìn)行身份識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
1 RFID 系統(tǒng)的基本組成及特點(diǎn)
1.1 RFID 系統(tǒng)的基本組成
最基本的RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）三部分組成[4-5]。如圖1 所示。
1.2 RFID 系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢
RFID 技術(shù)的應(yīng)用包羅萬象，是近幾年來信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一。RFID 技術(shù)較多應(yīng)用于物流行業(yè)。傳統(tǒng)的物流信息采集工作方式是通過人工將貨物進(jìn)行核對并將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中。這一過程費(fèi)時費(fèi)力，并且可能由于人為過失造成數(shù)據(jù)輸入錯誤的存在，影響所采集信息的可靠性。而自動識別輸入技術(shù)，大大提高了物流信息采集的工作效率。RFID 技術(shù)的應(yīng)用是其它技術(shù)識別技術(shù)，如條碼、IC卡、光卡等無法企及的，如：讀取方便快捷、識別速度快、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改、安全性強(qiáng)、動態(tài)實(shí)時通信等。和傳統(tǒng)條形碼識別技術(shù)相比，RFID 有以下優(yōu)勢：
?、?nbsp;快速掃描；
② 體積小型化、形狀多樣化。RFID 在讀取上不受尺寸大小與形狀限制；
?、?nbsp;抗污染能力和耐久性。RFID 對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)有強(qiáng)抵抗性；
?、?nbsp;可重復(fù)使用。條碼印刷后無法更改，RFID 標(biāo)簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)可以方便的更新。
⑤ 穿透性和無屏障閱讀。電磁波能穿透的介質(zhì)，對RFID的識別都不會產(chǎn)生影響；
?、?nbsp;數(shù)據(jù)的記憶容量大；
?、?nbsp;安全性。經(jīng)過加密的RFID 數(shù)據(jù)，被竊取后被攻擊者讀出、復(fù)制的可能性很小。
2 RFID 身份識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，我們選擇TI 公司的CCS511 做為電子標(biāo)簽[6]，TI 公司的CC2511 是為無線通信應(yīng)用設(shè)計(jì)的低功耗2.4GHz 的SoC 芯片，CC2511 集成了TI 公司研發(fā)的被稱為業(yè)界最佳的RF 收發(fā)器，其實(shí)芯片特性如下：主處理器：增加8051；存儲單元：32 kB FLASH 用于數(shù)據(jù)和程序的存儲，4 kB 數(shù)據(jù)空間；安全組件：支持AES 對稱算法；接口支持：支持USB2.0 協(xié)議全速率12 Mb/s 工作模式；功耗：最低功耗模式下電流為300 nA；射頻：頻率范圍從2400～2483.5 MHz 可自由調(diào)節(jié)。
2.1.1 存儲數(shù)據(jù)防靜態(tài)分析設(shè)計(jì)
為保障存儲器中數(shù)據(jù)的安全， 在設(shè)計(jì)中我們使用CC2511 中的AES 模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后再存儲，密鑰存儲于CC2511 的片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)中中，在芯片第一次上電時隨機(jī)生成，不可讀出，這樣保證了存儲在EEPROM 中數(shù)據(jù)的靜態(tài)安全性。此外，為防止硬件上的安全隱患，即EEPROM 被人為替換。我們采取CC2511 與EEPROM 的ID 號匹配認(rèn)證的方式，以實(shí)現(xiàn)兩個芯片的一一對應(yīng)。具體的匹配流程如圖2 所示。
為了保證存儲在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)安全性，需要對訪問電子標(biāo)簽的讀卡器進(jìn)行身份認(rèn)證操作。為此，我們受到MifareOne[7]卡中存儲區(qū)按塊和扇區(qū)劃分的啟發(fā)。將該電子標(biāo)簽EEPROM 中連續(xù)的存儲空間映射成扇區(qū)的方式讀寫，并設(shè)置每一扇區(qū)有各自的讀寫權(quán)限。扇區(qū)又分為若干的塊，讀卡器操作時讀寫的最小單位為塊，一個塊有16 字節(jié)的空間?？ㄆ瑢⒆x卡器發(fā)來的扇區(qū)+塊的地址映射成扇區(qū)+偏移量的地址進(jìn)行讀卡。讀卡器發(fā)來讀寫卡的命令同時包含被讀寫扇區(qū)的權(quán)限密鑰。CC2511 此時就起到了數(shù)據(jù)加解密與訪問控制的作用，它是一種強(qiáng)制訪問控制方式。
2.2 身份識別系統(tǒng)認(rèn)證協(xié)議設(shè)計(jì)
為了保證讀卡器和電子標(biāo)簽之間的相互認(rèn)證和雙方通信數(shù)據(jù)的安全性，我們采用了不涉及到第三方的鑒別機(jī)制實(shí)現(xiàn)讀卡器和標(biāo)簽的認(rèn)證和密鑰協(xié)商。
2.2.1 不涉及到可信第三方的鑒別機(jī)制
這種鑒別機(jī)制中，Reader 和Card 在開始運(yùn)行鑒別機(jī)制之前應(yīng)共享一個公共的秘密鑒別密鑰K，并假設(shè)其是安全的。其機(jī)制流程如圖3 所示。
① Reade 廣播AUTHENTICATION 命令；
② Card 返回相應(yīng)信息ACK。
?、?nbsp;Reader 接收到ACK 后，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)A 公共密鑰加密和Card 的ID 號運(yùn)算用形成ERD 發(fā)送給Card；
④ Card 接收到ERD 與自己的ID 號比較，相同，解密隨機(jī)數(shù)A 并產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)B 運(yùn)算，用公共密鑰加密形成EDR發(fā)送給Reader；不相同，停止；
?、?nbsp;Reader 成功接收后將接收的EDR 再一次發(fā)送給Card，并用公共密鑰解密EDR，提取隨機(jī)數(shù)A′并與自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)A 對比，相同，Reader 方認(rèn)證成功；否則，認(rèn)證失??；
?、?nbsp;Card 成功接收EDR 后，用公共密鑰解密EDR，提取隨機(jī)數(shù)B′并與自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)B 對比，相同，Card 方認(rèn)證成功；否則，認(rèn)證失敗。這種鑒別機(jī)制中，唯一性/時間性是通過產(chǎn)生并檢驗(yàn)隨機(jī)數(shù)來控制的。在⑤中，Reader 再一次發(fā)送EDR 是為了給Card驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)B。
3 結(jié)語
RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)由于識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，而且由于2.4 GHz 的射頻距離可以從幾毫米到幾十米，因此作為門禁的身份識別技術(shù)非常合適，在這里我們用于實(shí)現(xiàn)了身份識別系統(tǒng)中的讀卡器和標(biāo)簽，并且根據(jù)身份識別的要求，給出了身份識別的認(rèn)證算法，以保證標(biāo)簽和讀卡器的安全性。2.4GRFID 的應(yīng)用非常廣泛，本文僅給出了其中的一個應(yīng)用，以供參考。
RFID 是Radio Frequency Identification 的縮寫，即射頻識別技術(shù)[1]，俗稱電子標(biāo)簽。RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[2-3]，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。
埃森哲實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家弗格森認(rèn)為RFID 是一種突破性的技術(shù)：“第一，可以識別單個的非常具體的物體，而不是象條形碼那樣只能識別一類物體；第二，其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時對多個物體進(jìn)行識讀，而條形碼只能一個一個地讀。此外，存儲的信息也非常大。”
基于此，我們開發(fā)了一個無線身份識別系統(tǒng)，用于對進(jìn)出房間者進(jìn)行身份識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
1 RFID 系統(tǒng)的基本組成及特點(diǎn)
1.1 RFID 系統(tǒng)的基本組成
最基本的RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）三部分組成[4-5]。如圖1 所示。
圖1 RFID 射頻識別系統(tǒng)基本組成部分
1.2 RFID 系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢
RFID 技術(shù)的應(yīng)用包羅萬象，是近幾年來信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一。RFID 技術(shù)較多應(yīng)用于物流行業(yè)。傳統(tǒng)的物流信息采集工作方式是通過人工將貨物進(jìn)行核對并將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中。這一過程費(fèi)時費(fèi)力，并且可能由于人為過失造成數(shù)據(jù)輸入錯誤的存在，影響所采集信息的可靠性。而自動識別輸入技術(shù)，大大提高了物流信息采集的工作效率。RFID 技術(shù)的應(yīng)用是其它技術(shù)識別技術(shù)，如條碼、IC卡、光卡等無法企及的，如：讀取方便快捷、識別速度快、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改、安全性強(qiáng)、動態(tài)實(shí)時通信等。和傳統(tǒng)條形碼識別技術(shù)相比，RFID 有以下優(yōu)勢：
?、?nbsp;快速掃描；
② 體積小型化、形狀多樣化。RFID 在讀取上不受尺寸大小與形狀限制；
?、?nbsp;抗污染能力和耐久性。RFID 對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)有強(qiáng)抵抗性；
?、?nbsp;可重復(fù)使用。條碼印刷后無法更改，RFID 標(biāo)簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)可以方便的更新。
⑤ 穿透性和無屏障閱讀。電磁波能穿透的介質(zhì)，對RFID的識別都不會產(chǎn)生影響；
?、?nbsp;數(shù)據(jù)的記憶容量大；
?、?nbsp;安全性。經(jīng)過加密的RFID 數(shù)據(jù)，被竊取后被攻擊者讀出、復(fù)制的可能性很小。
2 RFID 身份識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，我們選擇TI 公司的CCS511 做為電子標(biāo)簽[6]，TI 公司的CC2511 是為無線通信應(yīng)用設(shè)計(jì)的低功耗2.4GHz 的SoC 芯片，CC2511 集成了TI 公司研發(fā)的被稱為業(yè)界最佳的RF 收發(fā)器，其實(shí)芯片特性如下：主處理器：增加8051；存儲單元：32 kB FLASH 用于數(shù)據(jù)和程序的存儲，4 kB 數(shù)據(jù)空間；安全組件：支持AES 對稱算法；接口支持：支持USB2.0 協(xié)議全速率12 Mb/s 工作模式；功耗：最低功耗模式下電流為300 nA；射頻：頻率范圍從2400～2483.5 MHz 可自由調(diào)節(jié)。
2.1.1 存儲數(shù)據(jù)防靜態(tài)分析設(shè)計(jì)
為保障存儲器中數(shù)據(jù)的安全， 在設(shè)計(jì)中我們使用CC2511 中的AES 模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后再存儲，密鑰存儲于CC2511 的片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)中中，在芯片第一次上電時隨機(jī)生成，不可讀出，這樣保證了存儲在EEPROM 中數(shù)據(jù)的靜態(tài)安全性。此外，為防止硬件上的安全隱患，即EEPROM 被人為替換。我們采取CC2511 與EEPROM 的ID 號匹配認(rèn)證的方式，以實(shí)現(xiàn)兩個芯片的一一對應(yīng)。具體的匹配流程如圖2 所示。
圖2 存儲區(qū)與主芯片匹配流程
為了保證存儲在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)安全性，需要對訪問電子標(biāo)簽的讀卡器進(jìn)行身份認(rèn)證操作。為此，我們受到MifareOne[7]卡中存儲區(qū)按塊和扇區(qū)劃分的啟發(fā)。將該電子標(biāo)簽EEPROM 中連續(xù)的存儲空間映射成扇區(qū)的方式讀寫，并設(shè)置每一扇區(qū)有各自的讀寫權(quán)限。扇區(qū)又分為若干的塊，讀卡器操作時讀寫的最小單位為塊，一個塊有16 字節(jié)的空間?？ㄆ瑢⒆x卡器發(fā)來的扇區(qū)+塊的地址映射成扇區(qū)+偏移量的地址進(jìn)行讀卡。讀卡器發(fā)來讀寫卡的命令同時包含被讀寫扇區(qū)的權(quán)限密鑰。CC2511 此時就起到了數(shù)據(jù)加解密與訪問控制的作用，它是一種強(qiáng)制訪問控制方式。
2.2 身份識別系統(tǒng)認(rèn)證協(xié)議設(shè)計(jì)
為了保證讀卡器和電子標(biāo)簽之間的相互認(rèn)證和雙方通信數(shù)據(jù)的安全性，我們采用了不涉及到第三方的鑒別機(jī)制實(shí)現(xiàn)讀卡器和標(biāo)簽的認(rèn)證和密鑰協(xié)商。
2.2.1 不涉及到可信第三方的鑒別機(jī)制
這種鑒別機(jī)制中，Reader 和Card 在開始運(yùn)行鑒別機(jī)制之前應(yīng)共享一個公共的秘密鑒別密鑰K，并假設(shè)其是安全的。其機(jī)制流程如圖3 所示。
圖3 不涉及到可信第三方的鑒別機(jī)制
① Reade 廣播AUTHENTICATION 命令；
② Card 返回相應(yīng)信息ACK。
?、?nbsp;Reader 接收到ACK 后，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)A 公共密鑰加密和Card 的ID 號運(yùn)算用形成ERD 發(fā)送給Card；
④ Card 接收到ERD 與自己的ID 號比較，相同，解密隨機(jī)數(shù)A 并產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)B 運(yùn)算，用公共密鑰加密形成EDR發(fā)送給Reader；不相同，停止；
?、?nbsp;Reader 成功接收后將接收的EDR 再一次發(fā)送給Card，并用公共密鑰解密EDR，提取隨機(jī)數(shù)A′并與自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)A 對比，相同，Reader 方認(rèn)證成功；否則，認(rèn)證失??；
?、?nbsp;Card 成功接收EDR 后，用公共密鑰解密EDR，提取隨機(jī)數(shù)B′并與自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)B 對比，相同，Card 方認(rèn)證成功；否則，認(rèn)證失敗。這種鑒別機(jī)制中，唯一性/時間性是通過產(chǎn)生并檢驗(yàn)隨機(jī)數(shù)來控制的。在⑤中，Reader 再一次發(fā)送EDR 是為了給Card驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)B。
3 結(jié)語
RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)由于識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，而且由于2.4 GHz 的射頻距離可以從幾毫米到幾十米，因此作為門禁的身份識別技術(shù)非常合適，在這里我們用于實(shí)現(xiàn)了身份識別系統(tǒng)中的讀卡器和標(biāo)簽，并且根據(jù)身份識別的要求，給出了身份識別的認(rèn)證算法，以保證標(biāo)簽和讀卡器的安全性。2.4GRFID 的應(yīng)用非常廣泛，本文僅給出了其中的一個應(yīng)用，以供參考。
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