《物联网射频识别(rfid)核心技术教程》-ppt-10课件

物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 电 子 教 案 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 本书物联网-射频识别（RFID）核心技术教程由物联网-射频 识别（RFID）核心技术详解一书改编而来。物联网-射频识别（RFID）核 心技术详解2011年11月荣获陕西省普通高等学校优秀教材一等奖，2012年 12月修订出版第2版，2013年荣获陕西省高等教育教学成果二等奖。物联网- 射频识别（RFID）核心技术教程2016年出版，本书适合作为高校教材。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 第10章 数据的完整性与 数据的安全性 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 RFID系统是一个开放的无线系统，外界的各种干扰容易使 数据传输产生错误，同时数据也容易被外界窃取，因此需要有相 应的措施，使数据保持完整性和安全性。 点击击此处结处结 束放映 数据的完整性 10.1 数据的安全性 10.2 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 数据的完整性 10.1 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 在读写器与电子标签的无线通信中，存在许多 干扰因素，最主要的干扰因素是信道噪声和多卡操 作。在RFID系统中，为防止各种干扰和电子标签之间 数据的碰撞，经常采用差错控制和防碰撞算法来分别 解决这两个问题。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 在RFID系统中，数据传输的完整性存 在两个方面的问题： 1、外界的各种干扰可能使数据传输 产生错误； 2、多个应答器同时占用信道使发送 数据产生碰撞。 运用数据检验（差错检测）和防碰撞 算法可分别解决这两个问题。 数据传输的完整性存在哪些问题？ 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.1.1 差错控制 差错控制是一种保证接收数据完整、准确的方 法。在数字通信中，差错控制利用编码方法对传输中 产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的准确 性。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 1. 差错的分类 （1）随机错误 （2）突发错误 2. 差错的衡量指标 误码率（Bit Error Ratio，BER）是衡量在规定 时间内数据传输精确性的指标。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 3.差错控制的基本方式 差错控制编码可以分为检错码和纠错码。检错 码能自动发现差错的编码； 纠错码不仅能发现差错， 而且能自动纠正差错的编码。 （1）反馈纠错（ARQ） （2）前向纠错（FEC） （3）混合纠错 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 差错的控制方式 前向纠错接收端 通过纠错解码自 动纠正传输中出 现的差错，所以 该方法不需要重 传。这种方法需 要采用具有很强 纠错能力的编码 技术 。 检错重发中，在 发送端加入少量 的监督码元，在 接收端根据编码 规则对收到的信 号进行检查，当 发现有错码是， 即向发送端发出 询问信号，要求 重发。发送端收 到询问信号后， 立即重发，直到 信息正确接收为 止。 混合纠错是ARQ和 FEC的结合，设计 思想是对出现的 错误尽量纠正， 纠正不了则需要 通过重发来消除 差错。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 4.误码控制的基本原理 为了使信源代码具有检错和纠错的能力，应当 按照一定的规则在信源编码的基础上增加一些冗余码 元(又称为监督码元)，使这些冗余码元与被传送信息 码元之间建立一定的关系。在收信端，根据信息码元 与监督码元的特定关系，可以实现检错或纠错。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （1）信息码元与监督码元 信息码元又称为信息序列或信息位，这是发端 由信源编码得到的被传送的信息数据比特，通常以 表 示。监督码元又称为监督位或附加数据比特，这是为 了检纠错码而在信道编码时加入的判断数据位，监督 码元通常以 表示。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 检纠错码 信息码元与监督码元 信息码元 k 监督码元r 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （2）许用码组与禁用码组 （3）编码的效率 编码效率越高，信道中用来传送信息码元的有 效利用率就越高。编码效率的计算公式为 （4）码重与码距 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 5. 误码控制编码的分类 不同的编码建立在不同的数学模型基础上，具有 不同的检错与纠错特性。 （1）纠正随机错误码与纠正突发错误码 （2）线性码与非线性码 （3）分组码与卷积码 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 检纠错码的分类 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 6.奇偶校验码 奇偶校验码无论信息位有多少，监督码元只有一位。 （1） 偶数监督码 在偶数监督码中，它使码组中“1”的数目为偶数。 （2）奇数监督码 在奇数监督码中，它使码组中“1”的数目为奇数。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验方法。 实现方法: 在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位0或1, 若采用奇校验位, 只需把每个编码中1的个数凑成奇数; 若采用偶校 验位, 只要把每个编码中1的个数凑成偶数。 检验原理: 这种编码能发现1个或奇数个错, 但因码距较小, 不能实 现错误定位。 对奇偶校验码的评价:它能发现一位或奇数个位出错，但无错误定 位和纠错能力。尽管奇偶校验码的检错能力较低，但对出错概率 统计, 其中7080是1位错误, 另因奇偶校验码实现简单, 故它还 是一种应用最广泛的校验方法。 实际应用中, 多采用奇校验, 因奇校验中不存在全“0”代码, 在某 些场合下更便于判别。 00001 00010 00100 00111 01000 01011 01101 01110 10000 10011 10101 10110 11001 11010 11100 11111 RFID系统中的差错校验 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 奇偶校验的校验方程 设7位信息码组为C7C6C5C4C3C2C1, 校验码为C0 ,则对偶校验, 当满 足 C7C6C5C4C3C2C1C00 （1） 时, 为合法码; 对奇校验, 当满足 C7C6C5C4C3C2C1C0 1 （2） 时, 为合法码。这里的表示模2相加。 对于偶校验, 合法码字应满足 n CiC00 （3） i-1 对于奇校验, 合法码字应满足 n CiC01 （4） i-1 注意: 公式(1)(2)为奇偶校验位 的生成方程; 公式(3)(4)为校验方程。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 7.行列监督码 行列监督码是二维的奇偶校验码。行列监督码 的基本原理与奇偶校验码相似，不同的是每个码元要 受到纵和横的两次监督。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 8. CRC校验 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC） 是RFID常用的一种差错校验方法。循环码具有循环性 ， 即循环码中任意一个码组循环一位(将最右端的码移 至最左端)以后，仍为该码中的一个码组。 （1） CRC码的特点 （2）生成CRC码的原则 （3） CRC码的校验方法 （4）常用的CRC生成多项式 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check ,CRC) M(X)Xk G(X) Q(X)R(X)G(X) CRC码是一种检错、纠错能力很强的数据校验码, 主要用于网络、同步 通信及磁表面存储器等应用场合。 1循环冗余校验码的编码方法 循环冗余校验码由两部分组成, 左边为信息位, 右边为校验位。若信息 位为N位, 校验位为K位, 则该校验码被称为(NK, N)码。 编码步骤如下： (1)将待编码的N位有效信息位表示为一个n1阶的多项式M(X)。 (2)将M(X)左移K位, 得到M(X).Xk（K由预选的K1位的生成多项式G(X) 决定）。 (3)用一个预选好的K1位的G(X)对M(X).Xk作模2除法。 (4)把左移K位后的的有效信息位与余数作模2加法, 形成长度为NK 的CRC码。 M(X).XkR(X) Q(X).G(X) 信息位校验位 N位 K位 循环冗余校验码的格式 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 举例 例:选择生成多项式为G(X)X4X1(10011),请把8位有效信息 11110111编码成CRC码。 解： 步骤1：M(X) X7X6+ X5X4 + X2X1 +1 11110111 步骤2: M(X). X4 111101110000 ( 即左移4位） 步骤3：模2除，M(X)X4G(X) 111101110000 1001111100101 111110011，即R(X)1111 步骤4：模2加，得到循环冗余码为M(X)X4R(X) 111101110000 1111 111101111111 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 纠错原理 由于M(X).XkQ(X). G(X)R(X)，根据模2加的规则 M(X). Xk R(X)Q(X).G(X)R(X)R(X)Q(X).G(X) 上式表明, 合法的CRC码应当能被生成多项式整除。若CRC码不能 被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错。 4672616E7A 4672616E7AE580 E580 0 发送数据 接收数据 CRC CRC校验 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 生成多项式的选择 生成多项式被用来生成CRC码, 但并非任何一个K1位的多项式都能 作为生成多项式用, 它应满足下列要求： （1）任何一位出错都应使余数不为0。 （2）不同位出错应使余数不同。 （3）对余数继续作模2除法，应使余数循环。 生成多项式的选择主要靠经验，但已有3种多项式成为标准而被广泛 运用, 它们都具有极高的检错率, 分别是: CRC-12X12X11X3X2X1 CRC-16X16X15X21 CRC-CCITTX16X12X51 CRC-32= X32X26X23+ X22X16X12+ X11X10X8+ X7X5X4 +X2X1 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 多项式除法，可用除法电路来实现。除法电路的 主体由一组移位寄存器和模2加法器(异或单元)组 成。以CRC-ITU为例，它由16级移位寄存器和3个加法 器组成，见下图(编码/解码共用)。编码、解码前将 各寄存器初始化为“1“，信息位随着时钟移入。当信 息位全部输入后，从寄存器组输出CRC结果。 补充1： 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 补充2： 16位CRC适用于校验4000字节长的数据块的完整性 ，超过此长度，性能下降。 RFID中传输的数据块都比4000字节短，故也可用 12位或8位的CRC。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.1.2 数据传输中的防碰撞问题 在RFID系统中，读写器的作用范围经常有多个 电子标签同时要求通信，导致数据传输经常发生碰撞 问题，因此需要对防碰撞进行研究。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 不需拆箱即可同时读 取多笔资料 同时要求通信会发生 碰撞吗？ 橘色书一本 蓝色字典一本 灰色小说一本 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 在RFID系统应用中，因为多个读写器或多个标 签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰， 统称为碰撞。 ？ 什么是碰撞什么是碰撞 1、标签碰撞 2、读写器碰撞 ？ 碰撞的类型碰撞的类型 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 1.数据传输的工作方式 （1）无线电广播方式 读写器发送的信号同时被多个电子标签接收。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （2）多路存取方式 在这种工作方式中，读写器的工作范围同时有多 个电子标签，多个电子标签同时将数据传送给读写 器。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 电子标签1 电子标签2 电子标签4 电子标签3 电子标签5 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 电子标签1 电子标签2 电子标签4 电子标签3 电子标签5 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 R1 Rr Rr Reader2 Reader1 读写器-读写器频率干扰 Rr为Reader1和 Reader2的读取范围 从标签T反射到读写器 Reader2的信号很容易 被从Reader1发出的信 号干扰。 Tag 读写器碰撞 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 Tag3 Tag2 Tag1 Reader1 Reader2 多读写器一标签干扰 标签1接收到的信息为两个读写器发射信号 的矢量和,是一个未知信号。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 无线通信技术中，通信碰撞的四种解决防碰撞方法：无线通信技术中，通信碰撞的四种解决防碰撞方法： 空分多址空分多址(SDMA)(SDMA) 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA) 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA) 时分多址时分多址(TDMA)(TDMA) 二、防碰撞机制的实现 如何解 决碰撞的 问题呢？ 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 空分多址SDMA法 空间分割多重存取 Reader Ta g Tag Tag 分离的空间范围 内重新使用确定的 资源（通信容量） 1、自适应SDMA，电子控制 定向天线，天线的方向直 接对准某个标签 2、减少单个读写 器的作用范围 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 读 写 器 Tag1 Tag3 Tag5 Tag4 Tag2 阅读器广播命令 阅读器读写区域 f1 f2 f3 f4 f5 频分多址FDMA法 RFID系统把 不同载波频 率的传输通 道分别提供 给电子标签 用户 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 时间分割TDMA a b c abc Reader Ta g1 Ta g2 Ta g3 aa bb cc TDMA是把整个可供使用的信 道容量按时间分配给多个同户 的技术。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同 或时隙不同来区分，而是或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来用各自不同的编码序列来 区分区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从 频域或时域来观察，多个频域或时域来观察，多个CDMACDMA信号是互相重叠的。信号是互相重叠的。 CDMACDMA是利用不同的码序列分割成不同信道的多址技是利用不同的码序列分割成不同信道的多址技 术术 。 CDMACDMA的频带利用率低，信道容量较小，地址码的频带利用率低，信道容量较小，地址码 选择较难、接收时地址码捕获时间较长，其通信频选择较难、接收时地址码捕获时间较长，其通信频 带和技术复杂性在带和技术复杂性在RFIDRFID系统中难以应用。系统中难以应用。 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA) 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 标签控制（驱动法） 以电子标签为主控器，读写器对数据传输没有控制。该方法 控制很慢不灵活。 阅读器控制（询问驱动法） 所有标签同时由阅读器进行控制和检测，通过一定算法，在 所有标签中选择其中一个标签，然后进行相互通信（如鉴别、读 出或写入数据）。为了选择另一个标签，应该解除原来的通信关 系，因为在某一时间内只能建立起唯一的通信关系，即单个标签 占用信道通信，可以按时间顺序快速地操作众多标签。所以阅读 器控制的方法也称作定时双工传输法。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 2. 防碰撞算法 现有的RFID防碰撞算法都是基于TDMA算法，可划 分为Aloha防碰撞算法和基于二进制搜索（Binary Search，BS）算法两大类。Aloha防碰撞算法有ALOHA 算法、时隙ALOHA算法；BS防碰撞算法有二进制树型 搜索算法、修剪枝的二进制树型搜索算法等。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （1）ALOHA算法 Aloha是1968年美国夏威夷大学一项研究计划 的名字，Aloha网络是世界上最早的无线电计算机通 信网络。ALOHA采用的是一种随机接入的信道访问方 式。ALOHA算法因具有简单易实现等优点而成为应用 最广的算法之一。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （2）时隙ALOHA算法 帧时隙（FSA）ALOHA算法是基于通信领域的 ALOHA协议提出的。在FSA中，帧(Frame)是由读写器 定义的一段时间长度，其中包含若干个时隙(Slot)，电 子标签在每个帧内随机选择一个时隙发送数据。在帧 时隙ALOHA算法中，信道的利用率有所提高。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 ALOHA防碰撞算法 Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无 线电计算机通信网。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过 无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。 第一个使用无线电广播来代替点到点连接线路作为通信设施的计算 机系统是夏威夷大学的ALOHA系统。 该系统所采用的技术是地面无线电广播技术，采用的协议 就是有名的ALOHA协议，叫做纯ALOHA(Pure ALOHA)。以后，在此基 础上，又有了许多改进过的ALOHA协议被用于卫星广播网和其它广 播网络。 各种ALOHA算法：纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时隙 ALOHA算法、动态帧时隙ALOHA算法。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 ALOHA算法的模型图 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 纯ALOHA算法 思想：只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送 纯ALOHA算法的标签读取过程： （1）各个标签随机的在某时间点上发送信息。 （2）阅读器检测收到的信息，判断是成功接收或者碰撞。 （3）若判断发生碰撞，则标签随机等待一段时间再重新发送信息。 纯ALOHA存在的问题： （1）错误判决。即对同一个标签，如果连续多次发生碰撞，则将导致阅 读器出现错误判断，认为标签不在阅读器作用范围内。 （2）数据帧的发送过程中发生碰撞的概率很大。过多的碰撞导致吞吐 量下降系统性能降低。 解决方向： 减小碰撞发生次数 缩短重发延时 存在的问题？ ？ 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 吞吐率S-代表有效传输的实际总数据率，即在观察时 间T0内标签成功通信的平均次数 输入负载G-发送的总数据率，即观察时间T0内标签的 平均到达次数 S=G*Pe 其中Pe是到达的标签能成功完成通信的概率 性能分析 由概率论知识：Pe=e-2G 所以：纯ALOHA算法的吞吐率为：S=G*e-2G 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 当输入负载G=0.5时，系统的吞吐率达到最大值0.184。由于 纯ALOHA算法中存在碰撞概率较大，在实际中，该算法仅适于只 读型的标签，即阅读器只负责接收标签发射的信号，标签只负责 向阅读器发射信号的情况。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 时隙ALOHA算法 在ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙(slot)，并且每个 时隙长度要大于标签回复的数据长度，标签只能在每个时隙内发送数据。 每个时隙存在： a 空闲时隙：此时隙内没有标签发送 b 成功识别时隙：仅一个标签发送且被正确识别 c 碰撞时隙：多个标签发送，产生碰撞 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 时隙ALOHA算法的吞吐率为：S=G*e-G 当输入负载G=1时，系统的吞吐量达到最大值0.368，避免了纯 ALOHA算法中的部分碰撞，提高了信道的利用率。 需要一个同步时钟以使阅读器阅读区域内的所有标签的时隙同 步。 时隙ALOHA算法示意图 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 Frame Slotted Aloha(FSA) 将N个时隙组成一帧，一帧中包含的时隙数固定，标签随机选择N 个时隙中的一个与阅读器通信，一旦碰撞则等待下一帧，重新选择时隙重发信息。 优点：简化了时隙Aloha的随机退避机制。 缺点：当标签数远大于N时，出现“饿死现象”； 当标签数远小于N时，较多时隙空闲，产生浪费。 固定帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图 l 帧时隙ALOHA算法 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 动态帧时隙ALOHA算法（DFSA） 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 动态帧时隙Aloha运用于RFID系统示意图 n 当系统待识别标签数较多时，动态增加帧长，可以降低时隙碰撞率，提高系统性 能； n 当系统待识别标签数较少时，动态减少帧长，可以降低空闲时隙比率，提高时隙 利用率，提高系统性能； 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 二进制树型搜索算法 冲突节点 非冲突节点 0 1 10 11 100 101 树分叉算法 基本思想是：将处于碰撞的标 签分成左右两个子集0和1，先 查询子集0，若没有碰撞，则 正确识别标签，若仍有碰撞则 分裂，把1子集分成00和01两 个子集，直到识别子集1中所 有标签。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 1 01 1 0 00 0 11 1 0 ? 射频卡1 射频卡2 读写器译码 在二进制搜索算法的实现中，起决定作用的是读写器所 使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置。曼彻斯特码 (Mancherster)可在多卡同时响应时，译出错误码字，可以按位 识别出碰撞。这样可以根据碰撞的位置，按一定法则重新搜索射 频卡。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 范例 A:10100111 B:10110101 C:10101111 D:10111101 R:11111111 R:11111111 送REQUEST（11111111）命令，要求区域内 所有标签应答，根据曼彻斯特编码，解码 数据为101?1?1,发生碰撞，算法做下如下 ，将碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得 下次的REQUEST(10101111) ? R表示阅 读器 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 Improved Anti-collision Algorithm搜寻过程 第一次搜寻 第二次搜寻第三次搜寻第四次搜寻第五次搜寻 发送序号 接收序号 TagA TagB TagC TagD 10100111 10110101 10101111 10111101 11111111 101?1?1 10101111 10100111 10101111 1010?111 10100111 10100111 识别 TagA 10110101 10101111 10111101 11111111 101?1?1 10101111 10101111 识别 TagB 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 Improved Anti-collision Algorithm搜寻过程 第六次搜寻第七次搜 寻 第八次搜 寻 第九次搜 寻 第十次搜 寻 发送序号 接收序号 TagA TagB TagC TagD 10110101 10111101 11111111 1011?101 10110101 10110101 10111101 10111101 识别 TagC 识别 TagD 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 射频卡进入读写器的工作范围，读写器发出一个最大序列号让所有 射频卡响应；同一时刻开始传输它们的序列号到读写器的接收模块。 读写器对比射频卡响应的序列号的相同位数上的数。 出现不一致 的现象 即有的序列号该位 为0，而有的序列 号该位为1 把有不一致位的数从最高位到低位依次置O再输出系列号， 即依次排除序列号大的数，至读写器对比射频卡响应的序列号 的相同位数上的数完全一致时，说明无碰撞。 选出序列号最小的数后，对该标签进行数据交换，然后使该 卡进入“无声”状态。 Y N 二进制搜索算法的工作流程是： 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.1.3 RFID中数据完整性的实施策略 采用恰当的信号编码、调制与校检方法，并采 取信号防冲突控制技术，能显著提高数据传输的完整 性和可靠性。 1. 信号的编码、调制与校检 2. 信号防冲突 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 70 TYPE A （位检测防碰撞协议） 帧有3种类型：短帧、标准帧和面向比特的防碰撞 帧。 ISO/IEC 14443标准中的防碰撞协议 短帧 标准帧 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 面向比特 防碰撞帧 加校验位 不加校验位不加校验位 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 备用 经营者编 码 UID大小 00：UID级长为1 01：UID级长为2 10：UID级长为3 比特帧防 碰撞方式 ，仅有1 位设置成 1 l命令集 lREQA/WUPA命令 PCD给PICC发送查询信息。这两个命令为短帧。REQA编码为26H （高半字节取3位），WUPA编码为52H （高半字节取3位）， lATQA应答 PCD发出REQA命令后，处于休闲状态的PICC都应同步地以ATQA 应答PCD，PCD检查是否有碰撞 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 73 TYPE B的防碰撞协议（时隙ALOHA算法） REQB/WUPB命令 前缀 APf=05H 应用簇标识符，代表由PCD指定 的应用类型（见表4.8） =0为REQB命令 =1为WUPB命令 当AFI匹配且N=1时，PICC应答REQB/WUPB命令 当AFI匹配但N1时，PICC要选择随机时间片（在1 N之间），若N=1立即应答；若N1等待SLOT- MARKER命令来匹配时间片。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 74 TYPE B的防碰撞协议 SLOT-MARKER命令 若多个PICC在同一时间进行应答发生碰撞时，PCD 应发出时间片SLOT-MARKER命令 。 PCD给出命令为第 nnnn个时间片，当 PICC产生的随机时 间片等于nnnn时才 应答。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 TYPE B的防碰撞协议 ATQB应答 用于防碰撞期间区 分PICC，它由PICC 动态产生的数或各 种固定的数，仅在 Idle状态改变其值 协议信息：比 特率、最大帧 长、协议类型 等 AFI（1个字节） CRC-B（2个字节 ） 应用数量（1个字 节）：指示在PICC 中有关应用的出现 情况。 PICC对REQB/WUPB命令和SLOT-MARKER命令的应答都是ATQB 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 76 TYPE B的防碰撞协议 ATTRIB命令 PICC在 ATQB应答 中PUPI值 PCD接收到正确的ATQB应答后发出ATTRIB命令。 PICC发送副载波之前的最小延迟时 间、PICC向PCD通信时是否需要SOF （帧开始）或EOF（帧结束）、最大 帧长度、比特率等信息 注：通过ATTRIB命令，PCD可以实现对某个PICC的选择，使其进入active状态。 高层信息，长度可 为0字节，选用时用 于传送高层信息。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 TYPE B的防碰撞协议 对ATTRIB命令的应答 对高层命令的响应 ，长度可为0字节 最大缓冲器容量索 引。PICC通过该编码 告知PCD，PICC能够 接收的链接链的最大 值。 返回CID值，若PICC 不支持CID，则其编 码为0000 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 TYPE B的防碰撞协议 HLTB命令及应答 HLTB命令用于将PICC置于Halt状态，此时PICC除了接受WUPB 命令外，其它命令对它没有影响。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 TYPE B型PICC状态 转换图 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 TYPE B防碰撞过程示例 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.1.4 编解码电路和校验电路的FPGA设计 与ISE软件简介 FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一 种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 可以使ASIC的设计周期尽可能短，而且在实验室里就 能设计出合适的ASIC芯片，并且能够立即投入实际应 用之中。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 1. FPGA简介 现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是一类高度集成的可编程逻辑器件， 起源于美国的赛灵思（Xilinx）公司，该公司于1985 年推出了世界上第一块FPGA芯片。FPGA芯片从最初 的1200个可用门，到90年代几十万个可用门，发展到 目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，FPGA器 件的集成度提高到了一个新的水平。FPGA结合了微电 子技术、电路技术和EDA技术，是硬件描述语言自由 设计的一个数字系统。使用FPGA来开发数字电路，可 以大大缩短设计时间，提高系统的可靠性。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 2. ISE软件简介 ISE是Xilinx公司提供的集成化开发平台，ISE具 有界面良好、操作简单的特点，再加上Xilinx公司的 FPGA芯片占有很大的市场，使得ISE成为非常通用的 FPGA工具软件。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 3. ISO 18000-6编解码和校验简介 ISO 18000是现今RFID的最新国际标准，其中 ISO 180006是频率为860-960MHz的RFID标准，该标 准给出了读写器与电子标签之间通信的空中接口。 ISO 18000-6的编解码电路和校验电路可以采用FPGA进 行设计。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 数据的安全性 10.2 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 在RFID系统中，数据信息可能受到人为和自然原 因的威胁。数据的安全性主要解决消息认证和数据保密 的问题，以防止RFID系统非授权的访问，或企图跟踪、 窃取甚至恶意篡改电子标签信息的行为。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 (1)超市已构建RFID系统并实现仓储管理、出售商品的自动化收 费等功能，超市管理者使用的阅读器可以读写商品标签数据(写 标签数据时需要接人密钥)，考虑到价格调整等因素，标签数据 必须能够多次读写。 (2)移动RFID用户自身携带有嵌入在手机或PDA中的阅读器，该 阅读器可以扫描超市中商品的标签以获得产品的制造商、生产 日期和价格等详细信息。 RFID智能 收货 RFID智能 购物车 RFID智能 结算 未来商店 场景 一 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 (3)通过信道监听信息截获、暴力破解(利用定向天线和数字 示波器监控标签被读取时的功率消耗，确定标签何时接受了 正确的密码位)或其他人为因素，攻击者得到写标签数据所 需的接人密钥。 (4)利用标签的接人密钥，攻击者随意修改标签数据，更改 商品价格，甚至“kill”标签导致超市的商品管理和收费系统 陷入混乱以谋取个人私利。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 德州仪器（TI）公司制造了一种称为数字签名收发器（Digital Signature Transponder，DTS）的内置加密功能的低频 RFID 设备。DST 现已配备在数 以百万计的汽车上，其功能主要是用于防止车辆被盗。 DST 同时也被 SpeedPass 无线付费系统所采用，该系统现用在北美的成千 上万的ExxonMobil 加油站内。 DST 执行了一个简单的询问/应答（challenge-response）协议来进行工作. 阅读器的询问数据 C 长度为 40bits，芯片产生的回应数据 R 长度为 24bits ，而芯片中的密钥长度亦为 40bits。 密码破译者都知道，40bits 的密钥长度对于现在的标准而言太短了，这个长 度对于暴力攻击法毫无免疫力。 2004 年末，一队来自约翰霍普津斯大学和 RSA 实验室的研究人员示范了对 DST 安全弱点的攻击。他们成功的完全复制了 DST，这意味着他们破解了含有 DST 的汽车钥匙，并且使用它执行了相同的功能。 场景 二 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 在2006年意大利举行的一次学术会议上，就有研究者提 出病毒可能感染RFID芯片，通过伪造沃尔玛、家乐福这 样的超级市场里的RFID电子标签，将正常的电子标签替 换成恶意标签，即可进入他们的数据库及IT系统中发动 攻击。 2011年9月，北京公交一卡通被黑客破解，从而敲响了 整个RFID行业的警钟。黑客通过破解公交一卡通，给自 己的一卡通非法充值，获取非法利益2200元 2011年3月，业内某安全专家破解了一张英国发行的、 利用RFID来存储个人信息的新型生物科技护照。 2007年RSA安全大会上，一家名为IOActive的公司展示 了一款RFID克隆器，这款设备可以通过复制信用卡来窃 取密码 场景 三 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 RFIDRFID应用的隐私泄露问题应用的隐私泄露问题 因此，如何实现RFID系统的安全并保护电子标签持有 人隐私将是目前和今后发展RFID技术十分关注的课题。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 存在这么几个问题存在这么几个问题 1、RFID为什么会泄露个人隐私的 ？ 2、RFID的安全漏洞在哪,有哪些攻击方式？ 3、RFID有哪些安全解决方案 ？ 问题探究 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.2.1密码学基础 密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学， 密码技术是信息安全技术的核心。密码学主要由密码编 码技术和密码分析技术两个分支组成，密码编码技术的 主要任务是寻求产生安全性高的有效密码算法和协议； 密码分析技术的主要任务是破译密码或伪造认证信息。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 1. 加密模型 图10.8 加密模型 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 2. 密钥 密码学的真正秘密在于密钥。密钥是一种参数， 它是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输 入的数据。 3. 密码的体制 密码学目前主要有两大体制，即公钥密码与单钥 密码。其中，单钥密码又可以分为分组密码和序列密 码。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （1）公钥密码 1976年，Whitfield Diffie和Martin Hellman发表了 论文“New directions in cryptography”，提出了公共密钥密 码体制，奠定了公钥密码系统的基础。 公钥密码原理是加密密钥和解密密钥分离，这样 一个具体用户就可以将自己设计的加密密钥和算法公诸 于众，而只保密解密密钥。任何人利用这个加密密钥和 算法向该用户发送的加密信息，该用户均可以将之还 原。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （2）分组密码 单钥密码算法又称对称密钥算法，单钥密码的特 点是无论加密还是解密都使用同一个密钥。 所谓分组密码，就是数据在密钥的作用下，一组 一组、等长地被处理，且通常情况下是明、密文等长。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 （3）序列密码 序列密码的基本思想：加密的过程是明文数据与 密钥流进行叠加，同时解密过程就是密钥流与密文的叠 加。该理论的核心就是对密钥流的构造与分析，因此序 列密码学在一些文献中被称做流密码。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.2.2 RFID电子标签的安全设计 RFID电子标签自身都有安全设计，但RFID电子标 签能否足够安全，RFID电子标签的安全机制是如何设计 的，是目前RFID电子标签需要探讨的问题。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 1. 电子标签的分类 RFID电子标签按芯片的类型分为存储型、逻辑加 密型和CPU型标签。 2. 电子标签的安全设置 一般来说，安全等级中存储型最低、逻辑加密型 居中、CPU型最高。 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 3. 电子标签的安全机制 （1）存储型电子标签 （2）逻辑加密型电子标签 逻辑加密型电子标签的应用极其广泛，并且其中 还有可能涉及小额消费的功能，它的安全设计是极其重 要的。逻辑加密型电子标签内部存储区一般按块分布， 并有“密钥控制位”设置每个数据块的安全属性。 （3） CPU型电子标签 点击击此处结处结 束放映 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 首先，RFID标签和后端系统之间的通信是非接触和无 线的，使它们很易受到窃听; 其次，标签本身的计算能力 和可编程性，直接受到成本要求的限制。更准确地说，标 签越便宜，则其计算能力越弱，而更难以实现对安全威胁 的防护。 标签中数据的脆弱性 标签和阅读器之间的通信脆弱性 阅读器中的数据的脆弱性 后端系统的脆弱性 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 主动攻击： 对获得的标签实体，通过物理手段在实验室环境中去除芯片封装，使用 微探针获取敏感信号，进而进行目标标签重构的复杂攻击； 通过软件，利用微处理器的通用通信接口，通过扫描标签和响应读写器 的探询，寻求安全协议、加密算法以及它们实现的弱点，进行删除标签 内容或篡改可重写标签内容的攻击； 通过干扰广播、阻塞信道或其他手段，产生异常的应用环境，使合法处 理器产生故障，进行拒绝服务的攻击等。 被动攻击： 通过采用窃听技术，分析微处理器正常工作过程中产生的各种电磁特 征，来获得 RFID 标签和识读器之间或其它 RFID 通信设备之间的通信 数据（由于接收到阅读器传来的密码不正确时标签的能耗会上升，功率 消耗模式可被加以分析以确定何时标签接收了正确和不正确的密码位 ）。通过识读器等窃听设备，跟踪商品流通动态等； 注：美国 Weizmann 学院计算机科学教授 Adi Shamir 和他的一位学 生利用定向天线和数字示波器来监控 RFID 标签被读取时的功率消耗， 通过监控标签的能耗过程研究人员推导出了密码。 RFID受到的攻击 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 RFID存在3个方面的安全问题 (1)截获RFID标签：基础的安全问题就是如何防止对RFID标签 信息进行截获和破解，因为RFID标签中的信息是整个应用的核 心和媒介，在获取了标签信息之后攻击者就可以对RFID系统进 行各种非授权使用 (2)破解RFID标签：RFID标签是一种集成电路芯片，这意味着 用于攻击智能卡产品的方法在RFID标签上也同样可行。破解 RFID标签的过程并不复杂。使用40位密钥的产品，通常在一个 小时之内就能够完成被破解出来；对于更坚固的加密机制，则 可以通过专用的硬件设备进行暴力破解。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 点击击此处结处结 束放映 (3)复制RFID标签：即使能将加密机制设定得足够强壮，强壮 到攻击者无法破解RFID标签仍然面临着被复制的危险。特别 是那些没有保护机制的RFID标签，利用读卡器和附有RFID标签 的智能卡设备就能够轻而易举的完成标签复制工作。尽管目前 篡改RFID标签中的信息还非常困难，至少要受到较多的限制， 但是，在大多数情况下，成功的复制标签信息已经足以对RFID 系统完成欺骗。 物联网射频识别（RFID）核心技术教程 10.2.3RFID应用系统的安全设计 MIFARE卡是目前世界上使用数量最大的一种感应 式智能IC卡，它成功地将RFID技术和IC卡技术相结合，解 决了卡中无源(卡中无电源)和免接触的技术难题。2008年 2月，一个德国的学者和一个弗吉尼亚大学在读的博士破 解出MIFARE Classic的密钥，一时之间电子标签的安全再