0 引言

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種高效而實用的識別技術，它通過無線電波在讀寫器和標簽之間傳遞信息，實現對物體的跟蹤和識別。RFID系統主要由標簽、讀寫器和后端數據庫系統構成。標簽可接收數據，也可將數據發送給讀寫器。讀寫器負責處理并捕捉標簽的數據，并將數據傳送給后端數據庫系統。讀寫器在標簽和后端系統中發揮中介作用。這種非接觸性技術在帶來便利的同時，也存在很多安全隱患，如物體的位置跟蹤及標簽信息泄露等。RFID安全保密問題日益備受關注，很多學者提出了安全認證協議，如基于密鑰矩陣的RFID安全協議、Key值更新隨機Hash鎖對RFID安全隱私的加強、基于輕量級加密技術建立物聯網感知層信息安全的解決方案等。這些算法在一定程度上可抵御攻擊，有一定的安全性，但也存在同步問題及運算量大、對重放攻擊不具有免疫性等缺陷。

視覺密碼VCS（Visual Cryptography Scheme）是一種新型的密碼技術，具有解密簡單、計算量小、滿足無條件安全等優勢。它由Naor和Shamir在1994年的歐洲密碼學會議上提出［1］。其基本思想是將秘密圖像編碼到n個影子圖像（分享圖像）中，并將影子圖像分別賦給n個參與者，解密時只需k（k≤n）個參與者將影子圖像疊加起來，就可通過視覺辨認出秘密信息［1-3］。文獻［4］提出了一個基于布爾操作的（2， n）門限視覺密碼方案，加密時將秘密圖像分享為n個分享圖像，解密時取任意兩個分享圖像進行異或運算即可恢復秘密圖像。文獻［5］分析了物聯網架構中感知層存在的安全漏洞，提出了視覺密碼的身份認證方案。該方案雖采用了視覺密碼運算簡單的特點，但其在認證過程中只實現了單向認證，即對標簽的認證，而沒有實現對讀寫器的認證。另外，由于認證過程中認證信息始終不變，所以方案不能抵御位置跟蹤、重放等攻擊。文獻［6］利用視覺密碼實現了雙向身份認證，然而在認證過程中以明文傳送，算法很難抵御假冒攻擊，一旦被俘獲算法也不能保證前向性安全。鑒于現有認證協議的缺陷，本文利用視覺密碼構造一種新的RFID認證協議，使用視覺密碼實現標簽與讀寫器間的認證，并在認證后更新標簽中的影子圖像，彌補現有認證協議運算量大、安全性差的不足。

1 視覺密碼

1.1 基本原理

（k，n）的視覺密碼方案將一幅秘密圖像P加密成n幅影子圖像，解密時只需將k（k≤n）個影子圖像重疊起來就能恢復秘密信息。加密基本原理是對秘密圖像P中的每個像素進行n次處理，P中每個像素在影子圖像中對應m個黑白子像素（m稱為像素擴展度），對P中所有像素都作此處理后就得到n幅影子圖像。若為P中每個像素的加密構建一個n*m的布爾矩陣A=（Aij）n*m，則Aij=0表示對于秘密圖像中某一個像素，它在第i個分享者的第j個子像素的顏色為白色;Aij=1表示它在第i個分享者的第j個子像素的顏色為黑色。矩陣A的第i行為秘密圖像p中一個像素在影子圖像中對應的子像素。對A中第j列的所有元素作或運算，其值W（v）稱為該像素塊的漢明重量。

解密時將k個影子圖像重疊，計算每個像素塊的漢明重量，當W（v）≥d時，圖像中該像素點為黑色;W（v）　　1.2 二值圖像的（2，2）視覺密碼分解

以一幅黑白二值圖像p分解為2幅影子圖像為例來說明視覺密碼方案的基本原理，分解時用公式（1）作加密矩陣（H0和H1分別表示秘密圖像中白色像素和黑色像素的加密矩陣），像素擴展度m=2。具體步驟如下：（1）對于P中的每一個像素pxy進行擴展，擴展方法：若pxy為白色，則從集合H0中等概率挑出一個矩陣來對該像素加密;矩陣中的一行即為像素pxy在影子圖像中對應的像素塊。若pxy為黑色，則從集合H1中等概率挑出一個矩陣來對該像素進行加密。

（2）重復上述操作，直至P中所有像素都被加密為止。

解密步驟如下：

①選擇參數d和a;疊加2個影子圖像，計算疊加圖像中每個像素塊的漢明重量W（v）;

②漢明重量W（v）≥d時，恢復圖像中該像素點為黑色;W（v）　　③重復上述過程即可得恢復圖像。

2 基于視覺密碼的RFID認證協議

2.1 預置信息

在基于視覺密碼的RFID認證協議中，后臺數據庫為每個標簽存儲一條記錄（ID、S1、Rr、Pointer），ID是標簽的唯一標識符，Rr是系統生成的隨機數，由Rr構造一幅黑白二值圖像P;S1是對P作（2，2）視覺密碼分解所得的影子圖像。Pointer是數據記錄關聯指針，其作用是保證認證過程中的同步安全。標簽中存儲ID標識符和標簽對應的另一個影子圖像S2。讀寫器含有隨機數發生器，并為每個標簽存儲一條記錄（Hash（ID||R）、ID），Hash（ID||R）是標簽ID與隨機數的哈希值。后端系統和標簽共用Hash（）和Ard（），Hash（）是哈希函數，Ard（）為貓臉變換函數，用來對影子圖像進行加密與恢復。 　　初始化時，為每個標簽隨機生成一幅二值圖像P，使用視覺密碼將P分解為影子圖像S1和S2，將這些信息分別存入后臺系統和標簽中，如圖1所示。

2.2 協議認證過程

（1）讀寫器向標簽發送認證請求Query和隨機數R后，更新讀寫器中記錄的Hash（ID||R）值。

（2）標簽計算Hash（ID||R），對影子圖像S2加密，將信息Hash（ID||R）和EN（S2）發送給讀寫器。

（3）讀寫器以Hash（ID||R）為索引搜索表中的記錄，若找到則將記錄中的ID和EN（S2）轉發給后端系統;否則，會話結束。

（4）后臺以ID為索引搜索數據庫。若找到，取出記錄中的S1與解密后的S2作視覺密碼運算得到恢復圖像P`，系統檢測P`中的信息與Rr是否一致，一致則對標簽通過認證。后端系統隨機生成新的隨機數Rrnew和對應的二值圖像Pnew，對Pnew作視覺密碼分解得到新的影子圖像S1new、S2new，生成隨機數R，并計算Hash（ID||R），將Hash（ID||R）、R和EN（S2new）發送給讀寫器。讀寫器收到后轉發給標簽。若P`中檢測的信息與Rr的信息不一致，則會話結束。

（5）數據庫檢查當前記錄j中的Pointer值，若Pointer=0，則再添加一條新的記錄k：（ID、S1new、Rrnew、j），并將記錄j中的Pointer值改為k。若Pointer！=0，則找到第Pointer所指的記錄，將其內容修改為（ID、S1new、Rrnew、j）。

（6）標簽收到Hash（ID||R）、R和EN（S2new）后，標簽計算Hash（ID||R），并與收到的Hash（ID||R）進行比對，比對成功則讀寫器認證通過，標簽對EN（S2new）解密后更新影子圖像S2，否則會話結束。標簽與讀寫器間的認證過程如圖2所示。

3 協議安全性分析

3.1 雙向身份驗證分析

標簽與讀寫器間的雙向身份驗證是設計安全協議時需考慮的首要問題，本文只有合法的標簽才擁有正確的影子圖像S2，S2與其對應的S1重疊后恢復的信息才與Rr的信息吻合;若標簽是偽造的，則其恢復的信息與Rr的信息不一致。所以利用S2可實現讀寫器對標簽身份的認證。協議中S2以密文的方式傳送，所以即便傳送的信息泄露，攻擊者也無法得到S2的任何信息。此外，當后端系統通過對標簽的認證時，協議會生成新的影子圖像S2new、計算標簽ID與隨機數R的哈希值，并將Hash（ID||R）、R和EN（S2new）發送給標簽，標簽通過Hash（ID||R）的計算比較，實現標簽對閱讀器的認證。最后，在整個協議過程中，ID不在讀寫器和標簽間傳輸，所以攻擊者無法獲得正確的ID，除非標簽從物理上被攻破。認證時標簽要發送Hash（ID）、EN（S2），僅持有正確的Hash（ID）是毫無用處的。總體來講，協議能夠安全可靠地實現讀寫器與標簽間的雙向認證。

3.2 不可跟蹤性分析

射頻識別認證協議必須考慮的另一個問題是標簽的位置跟蹤。本協議含有反位置跟蹤設計。每次認證獲通過后，標簽都會更新影子圖像S2，且隨機數R的值也在更新變化，所以標簽對讀寫器的每次回答（Hash（ID||R）和EN（S2））是不同的，從而實現了標簽的反跟蹤。

3.3 前向性和同步性安全分析

假設某標簽被攻擊者攻破并獲得密鑰，攻擊者將得到正在使用的影子圖像S2。但由于每次驗證通過后，系統都會隨機產生二值圖像P來更新標簽中的影子圖像S2，這些影子圖像間無任何關聯，所以即使當前S2被竊取，也無法從現有的值推算出之前的S2，不可獲得標簽的歷史活動記錄。

協議對標簽的認證獲通過后，數據庫為更新的S2new建立新記錄，同時保留舊的S2對應的記錄。若S2new更新不成功，標簽仍能使用舊的S2實現與讀寫器的身份驗證，這樣就防止了S2更新時可能出現的異常情況。

3.4 其它性能分析

標簽中只存儲標簽ID和影子圖像S2，一次認證過程需2次哈希運算和1次加密、解密運算，降低了標簽的存儲空間、運算復雜度。因此這在低成本的標簽上較易實現。每次認證時后臺數據庫在2N（N為標簽的個數）條記錄中搜索，進行1次哈希運算，產生2個隨機數，作一次視覺密碼的加、解密運算，且視覺密碼的加解密運算量較小，所以本方法延時短、速度快，效率高。

3.5 與其它協議性能比較

表1為本協議與文獻［5］、［6］協議的比較。表中VCS為視覺密碼加密或解密，H表示哈希運算，R表示產生隨機數操作的次數，EN為對稱加密算法，DE為對稱解密算法。

4 結語

本協議通過對隨機二值圖像作視覺密碼分解，把分解后的影子圖像分別存儲在標簽和后臺系統中，認證時對影子圖像作視覺密碼解密，然后用提取的恢復圖像信息與Rr作比較，若信息一致，則標簽的認證通過，否則會話結束。視覺密碼的加密、解密過程簡單，運算量小，標簽端存儲的數據少、運算量不大，復雜運算主要在運算能力和存儲能力較強的后臺數據庫和讀寫器中進行。該算法具有成本低，延時短，安全性高等特點，在實現雙向認證的基礎上能有效抵御位置跟蹤、竊聽、非法讀取等攻擊。

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