一种有效的基于物理不可克隆函数的防伪新方法
【技术领域】
[0001] 本本发明涉及产品的防伪领域，尤其是涉及到一种有效的基于物理不可克隆函数 的防伪新方法，利用物理不可克隆函数（PUF)实现RFID的防伪。
【背景技术】
[0002] 众所周知，防伪技术的目的是为了达到产品的防伪，这需要采取一定的应对措施， 如果此类措施能够有效地检验产品的真伪，并且同时难以被没有授权的攻击者伪造或者复 制，这便实现了对合法商品的保护，也就是达到了所谓的防伪。比较传统的防伪技术有：水 印技术、条形码技术、隐形图像防伪技术和序列号技术等，这些技术经过多年使用，目前存 在的问题已然很多，不法分子利用一些随处可见的手段，比如回收利用、再包装等方式进行 大批次地复制和伪造，以此牟取暴利。为此急需一些新的防伪技术来解决此类问题从而维 护消费者的权益。
[0003] 后来出现的包括指纹技术和虹膜技术在内的高等技术。此类技术主要集中在利用 高科技的工具来生成难以复制或伪造的标识，以实现验证者的合法性，在达不到同等技术 的前提下是难以伪造的。虽然如此，但是此类技术的便利性不足，验证过程虽然简便，快捷， 但是需要唯一身份的个体才能实现验证，有很大的局限性，所以不能大量地投入到市场。同 时，随着科技的发展和进步，此类防伪方式安全性随之变弱，难以抗击能力较强的攻击者， 防伪技术慢慢地趋向于向网络化、自动化、安全化发展。
[0004] 射频识别（RFID)，又称电子标签或者无线射频识别，是一种通信技术，同时也是一 种信息读取快速、实时、采集与处理信息准确的技术。具有难以伪造性、独立性、廉价性等优 点，此技术虽然类似于条形码技术，但是功能却更加强大，标签内可以存储更多的数据，并 且一些标签也具有一定的计算能力，在体积上，更加轻便；在价格上，更加便宜。目前RFID 技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。一般来说，最基本的RFID系统包括 三个组成部分：电子标签、阅读器和服务器，阅读器通过安全连接与服务器联系。
[0005] 物理不可克隆函数（PUF)技术是近年来在RFID领域中较多应用的一个新工具。 PUF是一个基于消息挑战应答模式的物理装置。它依据物理系统的内在属性和自身结构而 设计。PUF的输出与其内部结构和它被制造的环境和过程相关，被看做芯片的DNA，具有唯 一性和不可伪造性，且造价低廉。在2001年，Pappu等人在Physical One-way Functions 文章中首次正式地提出PUF的概念，并利用光学PUF实现认证，接着，较多基于RFID或PUF 技术的防伪方法被学者提出，Karthikeyan等人提出了通过异或运算异或，随机数生成器， 循环冗余校验等较简单的运算构成的协议，运算量虽然得到了极大地降低，但是被人指出 其存在非法读写器扫描与非法位置跟踪等带来的隐私泄露隐患，不能很好的保护标签位置 等隐私信息。然而，Tuyls和Batina在国际会议CT-RSA 2006上发表的文章"RFID-Tags for Anti-Counterfeiting"中所采用的技术是PUF和签名认证，利用PUF的挑战和应 答模式，查询效率较低，已然达不到现在的安全要求；Bolotnyy和Robins在国际会议 Pervasive Computing and Communications 2007上发表了文章"Physically Unclonable Function-Based Security and Privacy in RFID Systems"。此文章中，服务器需要保存 大量的PUF挑战和应答对，在验证过程中，而且读卡器要读取相关信息并反馈给服务器来 完成认证，这是需要很大的计算量的，同时，这样的方案没有实现离线验证，便利性不足； Young Sil Lee等人在2012 26th International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops 中发表的 Mutual Authentication Protocol for Enhanced RFID Security and Anti-Counterfeiting 中提到利用 PUF和哈希函数以及 OTP实现标签与服务器的双向认证，实现不了离线验证，虽然作者自己假设了种种可能受到 的攻击，并--说明自己的安全性，但是却没有详细说明session ID是如何更新的。而且 此方案中的PUF仅仅是起到了输出响应的作用。并没有实质性地保护或者隐藏某些关键的 信息。基于RFID的方法主要利用RFID的存储和计算能力，以及其较为高效和方便的读写 能力。但是目前的方法对于所存储的内容保护强度不足，在认证过程中还有很大的障碍，存 在克隆攻击，或者直接复制出来最关键的信息，以完成验证。如申请号201010603543. 4的 中国专利是直接将商品的信息存储在RFID内部，通过读卡器的调用，进而与数据库的服务 器通信来完成商品的认证。此专利的方法不能抗击克隆攻击，攻击者也可以很容易地完成 克隆攻击；又例如申请号为201110094865. 5的中国专利提供了读卡器和标签的双向认证， 可以抵御非法位置跟踪攻击，过程简单快捷，但是读卡器和标签主要通过共享密文Kr，两者 交换Rr和Rtag来实现验证，这样一来很容易被攻击者窃取并复制相应地内容以完成克隆 攻击，并且读卡器识别标签ID的时候，并不代表此ID能在数据库中找到就能证明这个标 签的合法性，复制标签是很容易做到的；再比如申请号为201210390940. 7的中国专利，是 一种基于线性反馈移位寄存器、物理不可克隆函数和映射数组技术的RFID双向认证协议， 可以防止标签的隐私数据被非法用户盗取，而且还能够有效的抵御系统内外的恶意用户攻 击，但是标签需要存储身份识别码、当前会话的密钥、标签的当前伪装ID、长度为m的数组。 而后台数据库也要存储RFID标签的唯一身份识别码、RFID标签的当前会话密钥、RFID标 签的当前伪装ID、当前通信RFID标签的前次会话密钥、当前通信RFID标签的前次伪装ID， 这极大地增加了存储复杂度和计算复杂度；再看申请号为201210361508. 5的中国专利可 以实现双向认证，抵御常见的外部攻击，而且能实现阅读器和标签时钟同步，但是却没有实 现离线验证，且没有类似于PUF的物理结构来隐藏核心私钥，容易被攻击者窃取相关信息； 再例如201310304948. 1的中国专利，虽然抗克隆和抗复制能力较强，可以抵御很强的攻 击，基本满足安全认证的要求，但是过程繁琐，计算代价和计算复杂度有点偏大，并且SHA-1 也早已过时；再例如申请号201410566735. 0的中国专利，利用物理不可克隆函数实现标签 信息的不可复制性，采用轻量级的密码学算子进行身份认证，提高了标签数据的防篡改性， 但是整个方案计算过程步骤太多，复杂度较高，数据库需要存储的内容较多，存储复杂度较 大，很多数据没有得到充分地利用，PUF几乎只是实现了激励与响应的作用，并没有保护某 些核心的关键信息；且没有实现离线验证的可能性，在这些方面，我们提出了更为简单，高 效，实用的发明。利用硬件安全模块的思想，学者们提出了更加具有抗击克隆攻击的RFID， 即RFID中有硬件安全模块HSM。硬件安全模块通过在可靠且防篡改的设备中安全地管理、 处理和保存加密密钥，已成为世界上具有最高安全意识的组织保护加密基础设施的信赖起 点。
[0006] 综上所述，如果仅仅用RFID来构造防伪方案是根本难以抗击克隆攻击的，若采用 公钥技术、RFID和PUF设计的防伪方案虽然服务器的存储复杂度不高，但数据库端的公钥 计算成本很高，也是不易实现的。而采用简单的挑战和应答模式的防伪方案中，服务器需要 存储每个产品的挑战和应答数据对，不仅安全性不够，而且此类方案中服务器的存储复杂 度较高，服务器的查询也需要较高的计算量。所以如果有一种方案的存储复杂度不高，计算 复杂度不高，查询效率较高，安全性较强的话，那便是我们所追求的，所向往的。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种有效的基于物理不可克隆函数的防 伪新方法，此方法的优势在于服务器的存储复杂度较低，查询效率较高，验证过程简单快 捷，计算代价较小，不容易被恶意克隆，关键信息很难被窃取等方面。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] 本发明采用PUF技术来抗击标签的克隆攻击，利用消息验证码技术来完成产品合 法性的认证，另外利用辅助数据的存储来降低电子标签端的存储复杂度，利用阅读器存储 主密钥和指令C实