（电路与系统专业论文）基于混沌加密的RFID系统的信息安全[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电人学硕十研究生学位论文摘要 摘要 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是从上世纪9 0 年代开始兴起的一项非 接触式的自动识别技术，在近几年以来得到了极大的发展，然而随着r f i d 系统的应用普 及，安全问题也受到了越来越多的关注和重视。 本文主要研究r f i d 系统的信息加密技术，基于混沌离散序列具有良好的轨道不可预 测性、对初始条件极端敏感性以及良好的伪随机等特性，在该方案中对每一个电子标签的 信息都用与之唯一对应的离散混沌序列进行加密，并提出了与之相适应的r f i d 系统的控 制机制与工作流程。论文的主要安排如下： 首先，介绍r f i d 系统的组成、工作原理并阐述了在r f i d 系统中针对电子标签信息安 全性和隐私性的威胁。 其次，介绍混沌理论和混沌系统的特征，并详细介绍了典型的混沌系统以及离散混沌 映射如l o g i s t i c 映射以及离散混沌序列的特点。 再次，提出了把混沌加密技术应用于r f i d 系统的信息保护的新方案，详细阐述了基 于l o g i s t i c 混沌映射的离散混沌序列的生成机制。 最后，提出了基于混沌加密技术的r f i d 系统的新的控制机制和工作流程。 关键词：r f i d 系统，读写器，电子标签。离散混沌序列 南京邮i 乜人学硕十研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) i s o n ek i n do fc o n t a c t l e s sa u t o i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yb o o m e df r o mt h en i n e t i e si n l a s tc e n t u r y , i th a sg o tg r e a td e v e l o p m e n ti nr e c e n t y e a r s t h es e c u r i t yp r o b l e mt or f i ds y s t e m sh a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na l o n gw i t ht h e w i d eu s eo fr f i ds y s t e m s t h ep a p e rs t u d i e st h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n i q u ei nr f i ds y s t e m s b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep s e u d o r a n d o m ，u n p r e d i c t a b i l i t yo fd i s c r e t ec h a o t i cs e q u e n c e sa n de x t r e m e s e n s i t i v i t yt ot h ei n i t i a lc o n d i t i o n s ，e a c hi u i dt a gi se n c r y p t e dw i t ht h eu n i q u ec o r r e s p o n d i n g d i s c r e t ec h a o t i cs e q u e n c e t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma n dw o r k i n gp r o c e s so ft h e n e wr f i ds y s t e ma r ea l s op r o p o s e d ： f i r s t ，ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fr f i ds y s t e mi sg i v e na l s ot h ea t t a c k sa n dt h r e a t sa g a i n s t i n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n dp r i v a c yi nr f i ds y s t e m sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，c h a o st h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h a o t i cs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ；o n et y p i c a l d i s c r e t ec h a o t i cm a ps u c ha sl o g i s t i cm a pi sd e t a i l e dd e s c r i b e da l o n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i s c r e t ec h a o t i cs e q u e n c e t h i r d ，an e ws c h e m eb a s e do nc h a o t i ce n c r y p t i o no fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yi ni 疆i ds y s t e mi s p r o p o s e d ，a l s ot h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ed i s c r e t ec h a o t i cs e q u e n c eb a s e do nl o g i s t i cm a p i sg i v e no u t f i n a l l y , t h en e wc o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma n dw o r k i n gp r o c e s so ft h en e wr f ds y s t e m a p p l i e dw i t hc h a o t i ce n c r y p t i o na r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：r f i ds y s t e m ，r e a d e r , t a g ，d i s c r e t ec h a o t i cs e q u e n c e 儿 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 一个 研究生签名： 盈 日期：兰! ! z ：竺! ：侈 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： j 矗 导师签名： 一乃 日期：型z ：! ! ：9 南京邮电人学硕一i ：研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 1 1r f i d 概述 第一章r f i d 系统概论 r f i d 是射频识别技术的英文( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 的缩写，射频识别技 术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合( 交 变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术到。埃森 哲实验室首席科学家弗格森认为r f i d 是一种突破性的技术：”第一，可以识别单个的非常 具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体：第二，其采用无线电射频，可以透 过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行 识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。 与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、磁卡、i c 卡等相比，射频识别技术 具有很多突出的优点：第一，非接触操作，长距离识别( 几厘米至几十米) ，因此完成识 别工作时无须人工干预，应用便利；第二，无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、 灰尘污染等恶劣的环境；第三，可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签；第四， 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；第五，数据安全方 面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；第六，读写器与标签 之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储驯。 r f i i ) 技术的应用自2 0 0 0 年以来，在沃尔玛、麦德隆等国际零售商巨头的大力推动下， 取得了极大的拓展，如下所述为r f i d 技术的典型应用领域n ”： 1 ) 物流：物流仓储是r f i d 最有潜力的应用领域之一，u p s ，d h l ，f e d e x 等国际物流 巨头都在积极试验r f i d 技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力。可应用 的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，港口应用， 邮政包裹，快递等。 2 ) 零售：由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的r f i d 应用，可以为零售业带来包 括降低劳动力成本、商品的可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商品 偷窃现象等等好处。可应用的过程包括：商品的销售数据实时统计，补货，防盗 等。 l 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 3 ) 制造业：应用于生产过程的生产数据实时监控，质量追踪，自动化生产，个性化 生产等。在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切。 4 ) 服装业：可以应用于服装的自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道 管理等过程，随着标签价格的降低，这一领域将有很大的应用潜力。但是在应用 时，必须得仔细考虑如何保护个人隐私的问题。 5 ) 医疗：可以应用于医院的医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗等领域。医疗 行业对标签的成本比较不敏感，所以该行业将是r f i d 应用的先锋之一。 6 ) 身份识别：r f i d 技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身 份识别证件。如现在世界各国现在开展的电子护照项目，我国的第二代身份证， 学生证等其它各种电子证件。 7 ) 防伪：r f i d 技术具有很难伪造的特性，但是如何应用于防伪还需要政府和企业的 积极推广。可以应用的领域包括：贵重物品( 烟，酒，药品) 的防伪，票证的防 伪等。 8 ) 资产管理：各类资产( 贵重的或数量大相似性高的或危险品等) 随着标签价格的 降低，几乎可以涉及到所有的物品。 9 ) 交通：高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等 已有不少较为成功的案例。应用潜力大。 l o ) 食品：水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理。由于食品，水果，蔬菜，生鲜上 含水份多，会影响正常的标签识别，所以该领域的应用将在标签的设计及应用模 式上有所创新。 1 1 ) 动物识别：训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理，动物的疾病追踪，畜牧牲口 的个性化养殖等。在国际上已有不少较为成功的案例。 1 2 ) 图书馆：书店，图书馆，出版社等应用。可以大大减少书籍的盘点，管理时间， 可以实现自动租，借，还书等功能。在美国，欧洲，新加坡等已有图书馆应用成 功案例。在国内有图书馆正在测试中。 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 1 3 ) 汽车：制造，防盗，定位，车钥匙。可以应用于汽车的自动化，个性化生产， 汽车的防盗，汽车的定位，可以做为安全性极高的汔车钥匙。国际上有成功案例。 1 4 ) 航空：制造，旅客机票，行李包裹追踪。可以应用于飞机的制造，飞机零部件的 保养及质量追踪，旅客的机票，快速登机，旅客的包裹追踪。 1 5 ) 军事：弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪。美国在伊拉克战争中已 有大量使用。美国国防部已与其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标识 与识别。 1 6 ) 其它：门禁，考勤，电子巡更，一卡通，消费，电子停车场等。 1 2r f i d 工作原理 r f i d 作为一种非接触式的自动识别技术，它是通过射频信号自动识别目标对象并获取 相关数据的，识别过程无须人工干预。r f i d 的工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到 阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品 信息( 即p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 即a c t i v e t a g ，有源标签或主动标签) ，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据 处理h 钉。在射频阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种方式： 电感耦合，即所谓的变压器模型，通过空间交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定 律。电磁感应方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有： 1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 和2 7 1 2 m h z 。识别作用距离小于1 m ，典型作用距离为l o 2 0 c m ， 市场占有率约为9 0 。 电磁电磁传播或者电磁反向散射( b a c ks c a t t e r ) 耦合，即所谓的雷达原理模型，发 射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规 律。电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的 工作频率有：4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。识别作用距离大于1 m ，典型作用距离 为3 - - 一l o m 。市场占有率约为1 0 。 南京邮i 乜大学硕十：研究生学位论文 第一币r f i d 系统概论 r f i d 系统主要包含b a c ke n dc o m p u t e r 后台电脑，r e a d e r 射频阅读器( 读写器) 和 t a g 电子标签三部分( 参见图i - 3 ) 。后台电脑主要负责要写入t a g 和从t a g 读回的数据的 应用处理等，r f i d 射频阅读器( 读写器) 通过天线与r f i d 电子标签进行无线通信，可以 实现对标签数据的读出或写入操作，典型的射频阅读器包含无线收发模块( 发送器和接收 器) 、控制单元和阅读器天线。电子标签是射频识别系统的数据载体，由标签天线和标签 专用芯片组成。r f i d 系统一般组成框图如图卜1 所示h ”： 1 3r f i d 系统的分类 图i - ir f i d 系统组成框图 根据不同的分类方式，r f i d 系统可以具有很多不同的分类方式，一般来讲，我们可 以按照如下的方式进行分类。 1 、根据标签的供电形式分为有源、无源和半有源系统 r f i d 系统可分为有源、无源以及半有源系统，主要是依据射频标签工作所需能量的 供给方式。有源系统的标签使用标签内部的电池来供电，主动发射信号，系统识别距离较 长，可达几十米甚至上百米，但其寿命有限并且成本较高，另外，由于标签带有电池，其 体积比较大，无法制成薄卡( 比如信用卡标签) 而且有源标签的成本较高。 无源射频标签不含有电池，利用阅读器发射的电磁波进行耦合来为自己提供能量，它 的重量轻、体积小，寿命可以非常长，成本低廉。可以制成各种各样的薄卡或者挂扣卡， 但它的识别距离受限制，一般是几十厘米到数十米，且需要有较大的阅读器发射功率。 4 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文 第一荦r f i d 系统概论 半有源系统的标签带有电池，但是电池只起到对标签内部电路供电的作用，标签本身 并不发射信号。 2 、根据标签的工作频率可以分为低频、高频、超高频、微波系统力 对一个r f i d 系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签 信号频率范围。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率， 直接决定系统应用的各方面特性。 射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理( 电感耦合还是电磁耦合) 、 识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。r f i d 应用占据的频段 或频点在国际上有公认的划分，即位于i s m 频段。典型的工作频率有1 2 5 k h z 、1 3 3 k h z 、 1 3 5 6 m h z 、2 7 1 2 m h z 、4 3 3 m h z 、9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。 按照工作频率的不同，r f i d 标签可以分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波 等不同种类。不同频段的r f i d 工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采用电磁 耦合原理，而u h f 及微波频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频 率分布于4 种波段，低频( 1 2 5 k h z ) 、高频( 1 3 5 4 m h z ) 、超高频( 8 5 0 m h z 9 1 0 m f z ) 和微 波( 2 4 5 g h z ) 。每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确应用就要先 选择合适的频率。 低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为3 0 k h z - - - 3 0 0 k h z 。典型工作频 率有1 2 5 k h z 和1 3 3 k h z 。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读 器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读 器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1 米。低频标签的典型应用 有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗( 带有内置应答器的汽车钥匙) 等。 中高频段射频标签的工作频率一般为3 m h z - - - 3 0 m h z 。典型工作频率为1 3 5 6 m h z 。该频 段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将 其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频， 所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频 标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会造成理解上的混乱。为了 便于叙述，我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低 气 南京邮电大学硕- ：研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 频标签一样，也是通过电感( 磁) 耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与 阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离 一般情况下也小于1 米。中频标签由于可方便地做成卡状，广泛应用于电子车票、电子身 份证、电子闭锁防盗( 电子遥控门锁控制器) 、小区物业管理、大厦门禁系统等。 超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有4 3 3 9 2 m h z 、 8 6 2 ( 9 0 2 ) m h z 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。 工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电 磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频 识别系统阅读距离一般大于1 m ，典型情况为4 m 6 m ，最大可达l o m 以上。阅读器天线一 般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读写。由于阅读距 离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签 同时读取的需求。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特 征。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动 收费系统中。 以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功的产品相对集中在9 0 2 m h z - - 9 2 8 m h z 工作频段上。2 4 5 g h z 和5 8 g h z 射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源 标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。微波射频标签的典型特点主要集中在 是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射 功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下 写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。微波射频标签的数据存储容 量一般限定在2 k b i t s 以内，再大的存储容量似乎没有太大的意义，从技术及应用的角度 来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接 触的识别过程。典型的数据容量指标有：1 k b i t s 、1 2 8 b i t s 、6 4 b i t s 等。由a u t o - i d c e n t e r 制定的产品电子代码e p c 的容量为9 0 b i t s 。微波射频标签的典型应用包括移动车 辆识别、电子闭锁防盗( 电子遥控门锁控制器) 、医疗科研等行业。 不同频率的标签有不同的特点，例如，低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透 废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体， 例如水果等；超高频作用范围广，传送数据速度快，但是比较耗能，穿透力较弱，作业区 南京邮电大学硕一l ：研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 域不能有太多干扰，适用于监测港口、仓储等物流领域的物品：而高频标签属中短距识别， 读写速度也居中，产品价格也相对便宜，比如应用在电子票证一卡通上。 目前，不同的国家对于相同波段，使用的频率也不尽相同。欧洲使用的超高频是 8 6 8 m h z ，美国则是9 1 5 m h z 。日本目前不允许将超高频用到射频技术中。 目前在实际应用中，比较常用的是1 3 5 6 m h z 、8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 等频段。近 距离r f i d 系统主要使用1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 等l f 和h f 频段，技术最为成熟：远距离r f i d 系统主要使用4 3 3 m h z 、8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 等u h f 频段，以及2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等微波频段， 目前还多在测试当中，没有大规模应用。 我国在l f 和h f 频段r f i d 标签芯片设计方面的技术比较成熟，h f 频段方面的设计技 术接近国际先进水平，已经自主开发出符合i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 、t y p eb 和i s 0 1 5 6 9 3 标准 的r f i d 芯片，并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等项目中。 3 、根据标签的可读写性分为只读、读写和一次写入多次读出 根据射频标签内部使用的存储器类型的不同可分成三种：可读写标签( r w ) 、一次写入 多次读出标签( w o r m ) 和只读标签( r 0 ) 。r w 标签一般比w o r m 标签和r 0 标签贵得多，如信 用卡等。w o r m 标签是用户可以一次性写入的标签，写入后数据不能改变，w o r m 标签比r w 标签要便宜。r 0 标签存有一个唯一的号码i d ，不能修改，这样提供了安全性，r 0 标签最 便宜。 只读标签内部只有只读存储器r o m ( r e a do n l y1 i | i e m o r y ) 和随机存储器r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 。r o m 用于存储发射器操作系统程序( p r o g r a m m in g ) 和安全性要求较高 的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元( l o g i c a lt r e a t m e n tu n i t ) 完成内部的操作 控制功能，如响应延迟时间控制，数据流控制，电源开关控制等。另外，只读标签的r o m 中还存储有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入r o m 中，也可 以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只 简单地代表二进制中的“0 或者“1 ”，也可以象二维条码那样，包含复杂的相当丰富的 信息。但这种信息只能是一次写入，多次读出。只读标签中的r a m 用于存储标签反应和数 据传输过程中临时产生的数据。另外，只读标签中除了r o m 和r a m 外，一般还有缓冲存储 器，用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章r f i d 系统概论 可读可写标签内部的存储器除了r o l l 、r a m 和缓冲存储器之外，还有非易失可编程记 忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下允许多次写入数据的 功能。非易失可编程记忆存储器有许多种，e e p r o m ( 电可擦除可编程只读存储器) 是比较 常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写 入。可写存储器的容量根据标签的种类和执行的标准存在较大的差异h 引。 1 4r f i d 的系统安全 1 4 1r fid 系统目前的安全状况 r f i d ( 无线射频识别) 技术目前广泛应用于企业的供应链中，包括美国军方也在使用 这项技术追踪军事物资，不过因为r f i d 的信息安全问题的存在，r f i d 技术的应用尚未普 及到至为重要的关键任务之中。由于目前r f i d 系统的主要应用领域对私密性要求不高， 对于安全和隐私问题的注意力太少，很多用户对r f i d 系统的安全问题尚处于比较漠视的 阶段。到目前为止，还没有人抱怨部署r f i d 可能带来的安全隐患，尽管企业和供应商都 意识到r f i d 的信息安全是个问题，但他们并没有把这个问题放到首要议程上，仍然把重 心放在了r f i d 的实施效果和采用r f i d 所带来的投资回报。然而，像r f i d 这种应用面很 广的技术，具有巨大的潜在破坏能力，如果不能很好地解决r f i d 系统的安全问题，随着 应用的扩展，未来遍布全球各地的r f i d 系统安全可能会像现在的网络安全难题一样考验 人们的智慧。 目前针对r f i d 系统的攻击主要集中于标签信息的截获和对这些信息的破解。在获得 了标签中的信息之后，攻击者可以通过伪造等方式对r f i d 系统进行非授权使用。有研究 结果表明，在不接触r f i d 设备的情况下，盗取其中信息也是可能的。另外，r f i d 的加密 并非绝对安全。r f i d 的安全保护主要依赖于标签信息的加密，但目前的加密机制所提供的 保护还不能让人完全放心。一个r f i d 芯片如果设计不良或没有受到保护，还有很多手段 可以获取芯片的结构和其中的数据。另外，单纯依赖r f i d 本身的技术特性也无法满足r f i d 系统安全要求。 安全厂商r s a 安全公司( r s as e c u r i t yi n c ) 研发中心r s a 实验室的首席科学家兼 主管巴特卡里斯基( b u r tk a l i s k i ) 认为，在标签、网络或者数据层面都有可能出现安 全隐患，如果执行现行的安全标准，会带来一些问题。其他的研究人员也发现很多r f i d 南京邮电大学硕。j ：研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 装置，从贴在商品上的芯片到读取标签信息并将信息传输到数据库的扫描仪都存在缺陷。 尽管许多公司都在它们的供应链系统中测试r f i d ，美国军方已经用它在跟踪物资供应，但 目前它还没有被广泛应用在人命关天的系统中。据研究人员称，标准的“第二代”r f i d 也 会受到破坏。 这些安全问题将会严重阻碍r f i d 系统的应用推广，因为公众害怕存放在r f i d 标签 上之资料，会被未经受权的第三者取得。而对这些r f i d 安全漏洞可能带来的危害，惠普 实验室负责r f i d 技术的首席技术官s a l i lp r a d h a n 做了一个形象的比喻：“使用条形码 好比行驶在城市街道上，就算撞上了人，危害也很有限。但使用r f i d 好比行驶在高速公 路上，你离不开这个系统，万一系统被攻击，后果不堪设想。 同时，随着r f i d 芯片的功能越来越复杂，它们受到攻击的危险也越高。 1 4 2r fid 技术的安全隐患 同任何一种高科技产品一样，r f i d 技术目前在安全方面也同样存在着隐患。主要有以 下几个方面： 隐患之一：标签 小小标签其实存在着极大隐患。首先，r f i d 标签容易被黑客、扒手或者满腹牢骚的员 工所操控。d n s y s t e m se n t e r p r i s ei n t e r n e ts o l u t i o n sg m b h 的顾问l u k a sg r u n w a l d 在 黑客安全大会上演示了这点。g r u n w a l d 使用自己开发的小程序r f d u m p 演示了如何读取、 篡改甚至删除标签上的信息。利用r f d u m p ，只需把一个廉价的插入式标签阅读器连接到运 行w i n d o w s 或者l i n u x 的手持设备、笔记本电脑或者台式电脑上，谁都可能破坏r f i d 标 签上的信息、更改贴有r f i d 标签的商品的价格、调换数据等等。这样，零售商为了准确 统计货物，只好进行费时的人工清点。 支持e p c g l o b a l 标准的“无源标签大多数只允许写入一次，但支持其他标准如i s o 的r f i d 标签却能够多次写入。市面上还将会出现大量支持多次写入功能符合e p c g l o b a l u h f 第二代协议的r f i d 标签。 9 南京邮电大学硕t ：i j f 究生学位论文第一章r f i d 系统概论 i t 咨询服务公司t h ea d v i s o r yc o u n c i l 声称，标签存在安全漏洞，是由于缺乏支持 点对点加密和p k i 密钥交换的功能( 用i s o1 4 4 4 3 d e s f i r e 等现有标准可以实现点对点加 密) 。甚至“抢劫货车的不法分子可以用r f i d 阅读器确定哪些货物值得他们下手。 在文口们中详细地阐述了针对t a g 的5 类不同危害程度的攻击方法： ( 1 ) p h y l l i s ：最严重的攻击行为。p h y l l i s 假定能物理上得到t a g 电子标签并在实 验室的环境下进行高级攻击行为。然而p h y l l i s 虽然危害程度最严重，但不可能在公开场 合或大规模的进行 ( 2 ) m a l l o r y ：m a l l o r y 不需要物理上拥有t a g ，但可以主动介入阅读器和标签之间的 通信协议或伪造电子标签、篡改标签信息。m a l l o r y 可以发起对t a g 的询问也可以响应阅 读器的询问。 ( 3 ) e v e ：被动式的攻击行为。它不能主动参与通信协议，只限于“偷听”，表面上看 来这类攻击没什么危害，然而通信中当阅读器和标签互相确认了对方的合法身份后，标签 开始发送数据时，所有的有效信息都能被e v e 收到，从而可以据此伪造标签。 ( 4 ) t r a c y ：危害程度弱于e v e ，t r a c y 不能读取信息的内容，但能够感测t a g 的存 在，这将会导致侵犯“l o c a t i o np r i v a c y 。 ( 5 ) d e n i s e ：危害最低的攻击，它既不能读标签的信息也不能探测标签的存在，只能 干扰信息的广播等。 隐患之二：网络 在零售店或货物运送过程中，不法分子有许多机会可以发现、篡改r f i d 标签上的数 据。同样，在公司的配送中心、仓库和商店中的网络的安全性同样很脆弱。不安全的无线 网络为窃听数据提供了机会。“围绕阅读器的一切系统都是非常标准的因特网基础设 施。r f i d 阅读器生产商t h i n g m a g i c 的营销副总裁k e v i na s h t o n 说，“所以你会遇到跟 在因特网上同样的安全问题。这包括竞争对手或者入侵者把非法阅读器安装在网络上，然 后把扫描来的数据发给别人。另一个问题是，有人劫持阅读器来读取数据。 1 0 南京邮电火学硕i ：研究生学位论文第一章r f i d 系统概论 隐患之三：数据 r f i d 的主要好处之一就是增加了供应链的透明度，但这给数据安全带来了新的隐患。 企业要确保所有数据非常安全，不仅指自己的数据安全，还指交易伙伴的相关数据的安全。 目前还没有决定使用哪些标准来保护e p c g l o b a ln e t w o r k 上的数据。比如， “验证仍是 e p c g l o b a l 在考虑的标准开发中的一部分。 随着更多公司加大供应链计划力度，开始彼此共享数据，拥有这些标准就很重要。弗 雷斯特调研公司的分析师c h r i s t i n eo v e r b y 说：“设想一下，沃尔玛使用e c pn e t w o r k 把有关尿布的供应链信息发回给宝洁公司和金佰利公司。宝洁和金佰利是这类产品的竞争 对手，所以宝洁要确保金佰利看不到它与沃尔玛的供应链关系，反之亦然。所以如果这些 信息通过公共网络一股脑儿传送出去，会很成问题。” 1 4 3r fid 组件的安全脆弱性 在r f i d 系统中，受到非授权攻击的数据可能保存在标签中、阅读器中、或者后端计 算机中，或者当数据在各个组件之间传输的时候。 标签中数据的脆弱性 通常每个标签包含一个i c ，本质上说是一个具有存储器的微芯片。在其中的数据受到 的威胁类似于计算机中保存的数据。非授权地通过阅读器或者其他手段读取标签中的数据 将使其丧失安全性：在可读写的标签情况下，甚至可能非授权地改写或者也删除标签中的 数据。 标签和阅读器之间的通信脆弱性 当标签传输数据给阅读器，或者阅读器询问标签的时候，数据是通过无线电波进行传 输的。在这种无线交换的方式中，数据安全性是脆弱的。利用这种脆弱性的攻击手段包括： 非授权的阅读器询问标签；非授权的阅读器截取数据；第三方阻塞或者欺骗数据通信；非 法标签发送数据。 南京邮电夫学硕卜研究生学位论文 第一章r f i d 系统概论 阅读器中的数据的脆弱性 当数据从标签出收集到阅读器中之后，在发送到后端系统之前，阅读器一般要进行一 些初步处理。在这种处理中，数据则受到和其他任何计算机安全脆弱性相似的问题。而且， 有两点特别需要注意，一些移动式阅读器需要特别关注：其次，阅读器多是专有的设备， 很难有公共接口进行安全加固。 后端系统的脆弱性 数据进入后端系统之后，则属于传统的网络安全、应用安全的范畴。在这一领域具有 比较强的安全基础，有很多手段来保证这一范畴的安全。 1 4 4r fid 系统安全的必要性 由于目前r f i d 主要应用领域对私密性要求不高，所以很多用户对r f i d 的安全问题尚 处于比较漠视的阶段。再加上r f i d 本身存在的隐含问题，使其内部的系统非常脆弱，有 效攻击r f i d 完全有可能。而且r f i d 系统的安全有着两个特殊的特点：首先，r f i d 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。通过了解r f i d 在信息安全方面的一些技术进展和 新闻消息，总体感觉r f i d 的信息安全问题现在是越来越重视，但还没有形成一个统一的 标准。目前多是用r f i d 设备来保证安全，涉及到r f i d 系统本身的安全技术和措施却很少： 关于r f i d 自身的安全性，很多组织也在争论中。 与计算机和网络的安全问题相比，r f i d 的安全问题要严峻得多。这不仅仅表现在由于 r f i d 产品的成本极大地限制了r f i d 的处理能力和安全加密措施，而且r f i d 技术本身就包 含了比计算机和网络中更多和更容易泄密的不安全节点唧1 。 r f i d 系统之所以非常容易遭受攻击，主要是因为r f i d 芯片本身，以及在读写数据的 过程中都很容易被黑客所利用，按照工业界的一些资料显示，r f i d 的这些弱点被发现已经 有一段较长的时间了。r f i d 在当初的设计中是完全丌放的，这是出现安全问题的根本原因 h 钉。虽然从芯片、标签制造商到国际上的r f i d 标准化组织( 一项用于保护r f i d 数据的新 标准已经在2 0 0 4 年6 月获得批准，这是e p c g o l b a l 发布的第二代r f i d 标准1 ) 针对r f i d 1 2 南京邮电大学硕1 ：研，生学位论义第一章r f i d 系统概论 系统的隐私性和安全性都做了一定程度的改进，然而这些改进都有明显的局限性，不是针 对某类领域的应用( 例如t e x a si n s t r u m e n t s 开发了带密码保护的h f 标签应用于医药领域 们等) 就是针对某个频段的r f i d 系统( e p c g l o b a l 发布的u h fg e n2 n 町) 的改进，并没有对 完全的r f i d 系统的安全性进行根本性的完善。 综上所述，r f i d 业界以及专家们都认为，在这项技术大规模应用之前有必要提自i 解 决预计出现的安全隐私问题。这也是为什么r f i d 行业呼吁建立安全机构的原因【4 0 1 。 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 第二章混沌及混沌系统概论 2 1 混沌概述 第二章混沌及混沌系统概论 混沌理论基本思想起源于2 0 世纪初，发生于2 0 世纪6 0 年代后，发展壮大于2 0 世纪 8 0 年代，混沌理论揭示了有序与无序的统一、确定性与随机性的统一，被认为是继相对论、 量子力学之后，2 0 世纪在科学领域中人类认识世界和改造世界的最富有创造性的第三次革 命。 第一次国际混沌会议主持人之一的物理学家j f o r d 指出：相对论消除了关于绝对空 间与时间的幻象，量子力学消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦，而混沌则消除了拉普 拉斯关于决定式可预测性的幻剧刭。 混沌理论的开端，最早可追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初法国数学家庞加莱所做的一系列 关于太阳系中三体问题的研究。庞加莱分析了一类简化的三体问题解的复杂性和高度不稳 定性，指出了混沌存在的可能性。之后，前苏联概率论大师a n k o l m o g o r o v 将香农 ( c e s h a n n o n ) 的信息论引入到混沌理论的研究中。1 9 6 3 年，气象学家e l o r e n z 在大 气科学杂志上发表了“决定性的非周期流”一文中，指出气候不能精确重演和长期天气 不可预测之间存在必然联系，这些研究清楚地描述了“对初始条件敏感性”这一混沌的基 本特征。这就是著名的“蝴蝶效应”。1 9 7 5 年，李天岩和美国数学家j y o r k 在a m e r i c a n e a t h e m a t j c s 上发表了“周期3 意味着混沌”的著名文章，深刻揭示了从有序到混沌的演 变过程，并把“c h a o s ( 混沌) ”一词引入到了现代科学词汇里。1 9 7 7 年在意大利召丌的 第一次国际混沌会议标志着混沌科学的诞生。在这之后，混沌开始不断与各学科相互渗透， 开始在现代科学技术上起着十分重要的作用d 1 。 电子工程领域的混沌理论研究自2 0 世纪8 0 年代起，在近2 0 多年间得到迅速发展， 经历了三个重要的突破性进展n ： 第一个进展是2 0 世纪8 0 年代初l 0 c h u a ( 蔡少棠) 发现简单的电路系统也可以产生 复杂的现象。他设计了一系列用于产生混沌现象的简单电路，这些电路后来被称为c h u a 电路。由于电路系统的可实现性，可分析性，使得混沌在电路系统中的研究迅速开展。1 9 8 7 1 4 南京邮电大学硕：t 研究生学位论文第- 二章混沌及混沌系统概论 年c h u a 主编了i e e e 关于混沌系统的专集，它标志着复杂性科学和混沌已经从数学的抽象 理论进入到电子工程领域的研究前沿。 第二个进展是2 0 世纪9 0 年代初p e r o c a 和c a r r o l l 通过实验证明了互相耦合的混沌 系统，在一定的条件下会出现同步现象。混沌同步的发现引发了研究人员开始将混沌信号 作为一种用来传送信息的载波。并在2 0 世纪9 0 年代激起了混沌通信的研究热潮。由于混 沌信号的表面随机性和不可预测性，使其在保密通信领域得到进一步的应用。混沌信号在 频谱上的宽带特性，也使其具有抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力。 第三个进展是在工程应用研究中，人们发现混沌系统同时兼有确定性和随机性的特 点，因此可以同时通过描述确定性的动力学方法和描述随机性的概率统计学方法对混沌系 统进行刻画，这为从工程角度分析，研究，设计非线性系统提高了一些定量的模型和工