基于标签物理指纹的可信射频识别安全认证协议研究

In information science research fields, following the trusted computing, trusted software and trusted network, trusted radio frequency identification (TRFID) became a hot spot of research with huge potentials. However, the research on TRFID is just in its infancy stage in both domestic and international ranges. Physical fingerprint extraction for integrated circuits is a novel technology with wide application prospects, there have been many publications in relevant areas worldwide. But none of them is related with TRFID. This project, "Research on Authentication Protocol for Trusted Radio Frequency Identification System Based on The Physical Fingerprint of Tag", will make a clear scientific definition for TRFID and specify the functions of trusted modules, as well as establishing the architecture of TRFID system and essential technologies for circuit implementation. There are three main topics in this project: (1) the physical fingerprint extraction mechanism for the tag; (2) research on authentication protocol based on physical fingerprint of tag; (3) the acceleration mechanism research for authentication protocol based on Bayesian estimation. The purpose of this project is building a preliminary theoretical framework for TRFID, improving its essential technologies, especially the physical fingerprint extraction technology, implementing low-cost circuit and designing novel authentication protocol. It will provide a theoretical and practical demonstration for domestic TRFID network establishment.

可信射频识别是继可信计算、可信软件、可信网络之后信息科学领域亟待大力研究的宏大课题，然而目前其研究在国际国内都还刚刚起步。芯片物理指纹提取技术是一项具有广泛应用前景的技术，国际上已经有研究成果发表，但是未见应用于可信射频识别领域。本项目"基于标签物理指纹的可信射频识别安全认证协议研究"，将明确可信射频识别的科学定义以及可信功能模块的作用，建立可信射频识别的系统架构以及保证电路实现的关键技术体系。项目分三个专题开展研究：（1）标签的物理指纹提取机制（2）基于标签物理指纹的可信射频识别安全认证协议研究（3）基于贝叶斯方法的安全认证加速机制研究。本项目将初步构建可信射频识别的理论框架，完善可信射频识别的基本关键技术，特别是标签的物理指纹提取技术、低成本的电路实现技术以及新的可信射频识别安全认证协议，可以为我国组建射频识别可信网络提供一定的理论依据和示范。

本项目的研究工作从标签的物理不可克隆机制入手，利用半导体工艺的随机性，通过设计物理指纹电路提取标签芯片的物理特征值，将其作为标签独一无二的物理指纹，从芯片物理层保证标签的唯一性，为标签芯片的可信建立硬件基础。首先，基于SRAM实现物理不可克隆电路，由于电压斜升、老化、特别是环境温度等都会对基于SRAM-PUF的密钥产生发生影响，为了提高SRAM-PUF的环境适应性以产生健壮的密钥，提出了权重参考补偿算法以抵消环境温度和电压斜升的影响，使SRAM-PUF的稳定性提高了近10%。其次，在Xilinx Virtex-II Pro XC2VP30的FPGA开发平台上对基于环形振荡器的物理不可克隆电路进行设计，利用环形振荡器在制造过程中的一些不可避免的工艺因素，生成多个特有的、不可预测的密钥，这些密钥以激励-响应对的形式只有在上电时才同时存在，很好地解决了传统密码学的密钥存储的问题。采用密钥模糊提取，有效地解决了基于环形振荡器的物理不可克隆电路稳定性和随机性不理想的问题。.在提取标签物理指纹的基础上，研究相应的安全认证机制，建立整个RFID系统的可信。针对标签、阅读器和后端服务器之间的三方安全认证协议开展研究，利用标签物理指纹电路和可信阅读器具有的硬件安全优势，探索轻量级的安全认证协议的实现方法。本项目提出的协议利用可信阅读器的完整性度量值作为阅读器的身份标识，可以有效避免攻击者在阅读器端加载恶意程序或非法窃取阅读器的核心数据；利用标签的物理指纹电路生成密钥，通过和可信阅读器同步密钥的方式完成交互认证，可以避免重放攻击、物理攻击、拒绝服务攻击和窃听攻击等攻击方式，从而达到保护标签使用者的安全和隐私的目的。.安全认证协议将为RFID系统带来极大的通信负担，为了增强协议的可扩展性，提高系统吞吐率，最后本项目研究了认证的加速机制，提出一种基于贝叶斯估计的动态帧时隙ALOHA算法，通过减少阅读器同步标签时产生的碰撞，增加系统吞吐率，提高标签的认证识别速度。.在本项目的资助下，发表论文17篇，其中SCI 收录8篇，EI 收录4篇。申请发明专利1项，培养硕士研究生9名。