基于AES的超高频RFID安全标签芯片的研究与开发

论文摘要

射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术已经在社会生活的物流管理、门禁、智能识别等方面有着广泛的应用,极大地便利了人们的生活。然而随着RPID技术的不断发展,其带来的安全威肋和隐私问题也越来越引起更多的关注。RFID安全问题已被公认为是阻碍这项技术进一步发展的最大瓶颈之一。本文针对RFID标签的安全性进行分析和研究,提出了增强ISO 18000-6C协议安全性的安全方案,并完成了标签芯片的电路实现、流片和测试验证。在协议层,分析了现有ISO 18000-6C协议,指出其在新的应用中可能面临的安全威胁；并提出了基于相应的安全方案；该方案中的标签/读写器双向认证协议能够有效防止跟踪、伪造、非法访问和篡改等风险,基于第三方的密钥分配管理方案可以有效地提高整个系统的安全性；读写器和标签之间的数据通信采用了基于改进的分组密码输出反馈模式（OFB）的加密机制,不仅提高了数据流的加密效率,还实现了密码算法模块的复用以达到降低芯片成本的目的。在电路设计方面,选择了适合低成本、低功耗应用的状态机架构,并进行了时序和功耗方面的优化：标签安全模块以一个低功耗、低成本的AES算法模块为核心,为标签安全协议提供可靠的硬件支持。在系统实现方面,本文对标签安全基带进行了FPGA功能验证,并在SMIC0.13 EE工艺上完成了整个标签芯片的ASIC实现和流片（包括射频部分）。芯面积为1×1.2mm2,其中数字基带的面积为0.7×0.3mm2。仿真和验证结果表明该标签芯片能实现标准ISO 18000-6C协议功能和安全性增强的ISO 18000-6C协议功能,达到了预期目标。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 论文的贡献
• 1.3 论文组织结构
• 第二章 RFID安全方案研究
• 2.1 RFID系统安全性分析
• 2.1.1 RFID面临的安全威胁
• 2.1.2 RFID安全研究现状
• 2.1.3 标签安全特征
• 2.2 超高频RFID通信协议
• 2.2.1 ISO 18000-6C协议简介
• 2.2.2 ISO 18000—6C协议安全性分析
• 2.3 基于ISO 18000-6C的安全协议设计
• 2.3.1 设计目标及考虑
• 2.3.2 认证协议
• 2.3.3 加密算法工作模式
• 2.4 本章小结
• 第三章 RFID安全标签芯片设计
• 3.1 超高频RFID标签架构
• 3.2 RFID安全标签设计需求分析
• 3.2.1 面积约束
• 3.2.2 时间约束
• 3.2.3 功耗约束
• 3.3 RFID安全标签数字基带架构
• 3.3.1 数据链路层
• 3.3.2 协议处理层
• 3.3.3 数字基带架构
• 3.4 数字基带设计时序优化
• 3.5 数字基带的低功耗设计考虑
• 3.5.1 数字电路的功耗
• 3.5.2 门控时钟设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 低功耗AES算法电路设计
• 4.1 RFID标签安全算法选择
• 4.2 AES算法简介
• 4.3 低功耗AES算法硬件实现
• 4.3.1 S盒硬件实现
• 4.3.2 高效列混合运算的实现
• 4.3.3 数据通路
• 4.3.4 AES算法实现结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 电路实现和验证
• 5.1 系统实现
• 5.2 仿真与验证
• 5.2.1 功能验证
• 5.2.2 功耗仿真
• 5.2.3 FPGA验证
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文和专利
• 致谢