發布日期：2022-05-20 點擊率：43
隨著經濟現代化的深入和發展，商業智能(BI)系統逐步得到推廣。BI的基本流程是：采集商品原始信息，進行分析與處理，并據此制定合理的商業決策。RFID(無線射頻識別)技術為商品信息采集的自動性、準確性提供了技術支持，是實現商品信息自動識別與輸入的一種重要方法和手段。
1 RFID技術介紹
RFID屬于典型的數據采集技術，要求被識別物體具有特定的電子標簽作為載體。它利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。
一個完整的射頻識別系統由電子標簽(射頻卡)、閱讀器和后臺數據庫3部分構成。電子標簽由耦合元件及芯片組成，含有微處理器、E2PR0M及收發電路，其功能是實現智能讀寫與通信。閱讀器，主要由天線、收發控制模塊及接口電路組成，執行主機的讀寫命令。后臺數據庫則負責數據信息的存儲入管理、對卡進行讀寫控制等。閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，標簽進入閱讀器工作區域時，通過電磁感應其天線產生感應電流對內部電容充電，在充電電壓支撐下標簽向閱讀器發送出含有自身編碼的信息。閱讀器接收到來自標簽的載波信號后，對所接收的信號解調后送至主機處理。主機根據邏輯運算判斷標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號；標簽的數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成數據存儲等操作 。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標簽以其遠距離傳輸、高存儲容量、支持批量處理、可重復使用、防水防磁等特性而逐漸取代條形碼，成為商品標簽市場的主角。目前，RFID電子標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的包裝物品表面或內部，廣泛應用于工業生產自動化、物聯網、商品防偽等眾多領域。隨著RFID的深入推廣，其安全與隱私問題也日益突出。
閱讀器、標簽、網絡和數據等各個環節都存在隱患，安全與隱私問題已成為制約RFID技術的主要因素之一。RFID系統實質上是一個計算機網絡應用系統。與網絡和計算機安全類似，RFID安全的主要目的是保證信息存儲和數據傳輸的安全 。其中，閱讀器與后臺數據庫系統之間通信安全因屬于傳統信息安全范疇這里就不再贅述，本文僅討論標簽與閱讀器之間的通信安全問題。
2 RFID技術中的數據完整性問題及策略
閱讀器與射頻標簽無線通信過程中，存在許多干擾因素，最主要的是信道噪聲和多卡操作。采用恰當信道編碼和訪問控制技術，能顯著提高數據傳輸的完整性、可靠性。
2．1 信號編碼、調制與校檢
RFID系統基帶編碼方式有多種，與系統所用的防碰撞算法有關。一般采用Manchester編碼：半個bit周期中的負邊沿表示1，正邊沿表示o。若碼元片內沒有電平跳變，則被識別為錯誤碼元。這樣可以按位識別是否存在碰撞，易于實現閱讀器對多個標簽的防碰撞處理。信號傳輸前先進行降噪處理，去除信號中低頻分量和高頻分量，減少誤碼率，然后進行載波調制。載波調制有AsK，FsK，PsK 3種制式，分別對應于正弦波的幅度、頻率和相位傳遞數字基帶信號。為簡化設計、降低成本，大多系統采用AsK調制技術。此外，為減少信號傳輸過程中的波形失真問題，還應使用校驗碼對可能或已經出現的差錯進行控制：鑒別是否發生錯誤，進而糾正錯誤，甚至重新傳輸全部或部分消息。常用的校驗方法有奇偶校驗、CRC校驗等。
2．2 信號沖突
為使閱讀器能順利完成其作用范圍內的標簽識別、信息讀寫操作，防止碰撞，RFID主要采用TDMA 時分多路接入法，每個標簽在單獨的某個時隙內占用信道與閱讀器進行通信。然而多閱讀器、多標簽系統中，信號間沖突與干擾在所難免，導致信息疊混，嚴重影響RFID使用性能。沖突分為標簽；中突和閱讀器沖突兩類。解決沖突的關鍵在于使用防碰撞算法。
1)標簽沖突。多個電子標簽處于同一個閱讀器作用范圍內時，在沒有采取多址訪問控制機制情況下，信息傳輸過程將產生干擾，導致信息讀取失敗。
對于標簽沖突，一般采用Aloha搜索算法。目前高頻段(HF)電子標簽都使用A1oha法來處理。它在一個周期性的循環中將數據不斷發送給閱讀器，數據的傳輸時間只占重復時間很小部分，傳輸間歇長，標簽重復時間小，各標簽可在不同時段上傳輸數據，數據包傳送時不易發生碰撞。改進型的Aloha算法還可對標簽數量動態估計，并根據一定的優化準則，自適應選取延遲時間及幀長，顯著的提高了識別速度l5]。由于同類型的電子標簽工作在同一頻率，共享同一通信信道，Al0ha算法中標簽利用隨機時間響應閱讀器命令，其延遲時間和檢測時間是隨機分布的，是一種不確定性算法。
除隨機性方案外，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：閱讀器將沖突區域內標簽不斷劃分為更小的子集，根據標簽ID的唯一性來選擇標簽進行通信。其中最典型的是樹型搜索算法：閱讀器發出請求命令，N個標簽同時響應造成沖突后，檢測沖突位置，逐個通知不符合要求的標簽退出沖突，最后一個標簽予以響應。余下的N一1個標簽重復上述步驟，經N一1次循環后所有標簽訪問完畢。其缺點是標簽識別速度較低。
2)閱讀器沖突。實際應用中，有時需要近距離布局多個RFID閱讀器，從而導致閱讀器間相互干擾，一個標簽同時接收到多個閱讀器命令。
閱讀器沖突有兩種：由多個閱讀器同時在相同頻段上運行而引起的頻率干擾，以及由多個相鄰的閱讀器試圖同時與一個的標簽通信而引起的標簽干擾。最簡單的做法是對相鄰的閱讀器分配在不同頻率或時隙，而對物理上足夠分離的閱讀器分配在同一頻率或時隙。目前已提出的Colorwave算法提供一個實時、分布式的MAC協議為閱讀器分配頻率與時隙來減少閱讀器間的干擾。此外，分層Q學習算法采用網絡信息，在整個日寸間段動態分配頻率資源，以保證臨近的閱讀器之間不發生沖突。
在實際ETsI標準中，閱讀器在同標簽通信前每隔100ms探測數據信道的狀態，采用載波偵聽方式解決閱讀器沖突。在EPc標準中，在頻率譜上將閱讀器傳輸和標簽傳輸分離開，這樣閱讀器僅與閱讀器發生；中突，標簽僅與標簽之間發生沖突，簡化了問題。
3 RFID技術中的數據保密問題及措施
為防止某些試圖欺騙射頻識別系統而進行的非授權的訪問，或企圖跟蹤、竊取甚至惡意篡改標簽信息，必須采取措施保障數據的有效性和隱私性。
3．1 密碼機制
1)消息認證。交易進行前，閱讀器和標簽必須確認對方的身份，即雙方在通信過程中互相檢驗對方的密鑰，才能進一步操作。圖2是基于相互對稱的消息認證法：雙方具有相同的密鑰K，射頻空間只傳輸加密的隨機數而非密鑰本身，可使用任意算法對令牌加密，嚴格使用隨機數可有效防止重放攻擊。相互對稱的認證簡單易于實現，但風險大，一旦密鑰被破解將直接導致所有標簽無法完成加密保護。還有一種是導出密鑰的認證方法，是對相互對稱認證的改進：每個射頻標簽使用不同的密鑰來保護，并在生產過程中讀出其序列號，采用加密算法和主控密鑰K計算出該標簽專用密鑰K ，完成初始化。消息認證時，閱讀器請求標簽的序列號，通過其特殊安全模塊sAM 計算出該標簽專用密鑰K，，并進行確認。sAM 模塊通常用具有加密處理器的接觸式Ic卡制作，在提高安全系數的同時也增加了成本和復雜程度。
圖2 標簽與閱讀器間互相認證的過程
Fig．2 Tag and reader mutual
authentication pr0cess
2)信息加密。經過身份認證的標簽，傳輸前使用密鑰K和加密算法對數據明文進行處理，得到密文，接收方使用解密密鑰K 和解密算法將密文恢復成明文。根據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，RFID系統大多采用流密碼方式，對每個符號單獨加密，為克服密鑰的產生和分配問題，按照 一次插入 原則創建流密碼，同時使用由偽隨機數發生器產生的偽隨機數序列來取代真正的隨機序列。此外，還可利用重加密方法，使用公鑰密碼機制，由外部代理設備對數據反復加密，使得攻擊者無從跟蹤和識別標簽，從而保護標簽數據安全。
3．2 物理安全機制
密碼技術有效的實現了數據的保密安全，但同時其復雜的算法和流程也大大提升了RFID系統的成本。對一些低成本標簽，它們往往受成本嚴格限制而難以實現上述復雜的密碼機制，此時可以采用一些物理方法限制標簽功能，防止部分安全威脅。如：讀寫距離控制機制；主動干擾法；自毀機制，標簽從閱讀器收到 Kill 命令后自動失效；休眠機制，標簽暫時休眠后可再激活使用；靜電屏蔽法，將貼有標簽的商品放入金屬罩網，暫日寸阻隔標簽與閱讀器間通信；阻止標簽等。
4 結語
本文就商品包裝中RFID標簽與閱讀器之間的通信安全問題進行了探討，全面分析了影響安全的各個環節及其解決辦法。隨著技術的深入與應用的推廠，必將對RFID系統的安全性能提出更高要求。目前已有很多組織針對RFID系統的安全問題進行了大量深入研究，建立了諸如防火墻、入侵檢測等設施，在一定程度上緩解了RFID的部分安全問題。但同日寸，由于數據源和訪問界面的擴大化使得原有控制措施不能很好發揮作用，標簽及讀寫器的移動性使得防火墻無法應用等新問題也隨之出現。安全方案與技術方案的融合以及隱私性等困繞RFID安全的技術還有待進一步改進。
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