高安全低成本RFID系统研究和标签基带设计

论文摘要

本论文首先介绍了RFID(Radio Frequency Identification)系统的基本知识,详细讨论了目前制约RFID发展的两个重要因素:安全和成本。介绍了现有的加强RFID系统安全性的各种方法和它们的不足。随后本论文提出了一种新的改进的RFID结构,该结构具有高安全和低成本两大优点,解决了目前困扰RFID发展的两大难题。本文随后对这个结构的安全性和执行效率进行了说明,并把它与其他的加强安全型的RFID结构进行对比,结果都证明本文提出的RFID结构的优越性。基于这个新的高安全和低成本的RFID结构,本论文进一步提出了一种改进的UHF(Ultra High Frequency)RFID协议,该协议是使用这个新的结构和广泛流行的UHF RFID协议EPC(Electronic Product Code)Gen2相结合而成。使用这个改进的协议设计的RFID系统将具有非常强的安全性和较低的成本,本文也把这个改进的协议跟EPC Gen2协议和其他的根据EPC Gen2改进的协议进行了对比,在对比中,本改进协议的优越性得到体现。根据这个改进的协议,本论文设计了适用于该RFID系统的标签基带,使用这个基带的标签仅仅发送随机数、商品分类号和经过单向hash函数加密的ID(Identification)码到读卡器,因此即使这些数据被非法截获,攻击者也无法获得有用的信息。我们也根据这个新的RFID结构的特点对标签基带进行简化,并在设计时利用各种方法降低标签的硬件资源消耗,使得相对于其它的一些加强安全型RFID标签基带,我们设计的标签基带所消耗的硬件资源较少。因此本文所设计的标签基带为高安全低成本的标签基带。最后通过FPGA(Field Programmable Gate Array)测试和验证,证明了我们的设计的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 RFID简介
• 1.2 RFID系统国内外发展现状以及前景
• 1.3 UHF RFID简介
• 1.4 本论文主要研究的课题和涉及的工作
• 第2章 RFID结构的研究和改进
• 2.1 RFID的结构以及基本工作原理
• 2.2 RFID系统的安全性分析
• 2.2.1 一个安全的RFID应当具备的特性
• 2.2.2 RFID系统面临的安全威胁
• 2.3 目前在增强RFID安全性上采取的措施
• 2.4 智能标签
• 2.4.1 散列函数锁存方法
• 2.4.2 重加密方法
• 2.4.3 二叉树方法
• 2.4.4 低复杂度的密码算法
• 2.5 设计新的高安全低成本RFID结构
• 2.5.1 详细的新的高安全低成本RFID结构
• 2.5.2 跟其他的RFID结构进行对比
• 2.5.3 数据库执行效率评估
• 2.6 本章小结
• 第3章 新的改进的RFID协议
• 3.1 EPC Gen2 RFID协议介绍
• 3.2 新的改进的RFID协议简介
• 3.2.1 高安全和低成本的RFID协议的解决思路
• 3.2.2 符合EPC Gen2协议的RFID系统的优缺点
• 3.2.3 大多数改进的EPC Gen2协议的优缺点
• 3.2.4 新的改进的RFID协议
• 3.3 本文提出的改进的RFID协议详细介绍
• 3.3.1 信号传输模式与编码
• 3.3.2 标签存储器
• 3.3.3 反冲撞机制
• 3.3.4 通话、盘存标记和选定标记
• 3.3.5 标签的状态
• 3.3.6 改进的协议的基本操作和命令系统
• 3.3.7 改进的协议的状态转换表
• 3.3.8 改进的协议的加密处理部分
• 3.3.9 改进的协议和EPC Gen2协议的执行流程和状态转换图
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于改进协议的高安全低成本标签基带硬件设计
• 4.1 所设计标签基带硬件框架
• 4.2 所使用的Hash加密函数以及该函数的硬件实现
• 4.2.1 NH函数简介
• 4.2.2 PH函数简介
• 4.2.3 PH函数在标签基带设计中的硬件实现
• 4.3 输入部分硬件设计
• 4.4 输出部分硬件设计
• 4.5 CRC校验模块设计
• 4.6 随机数产生器设计
• 4.7 ALOHA反冲撞模块设计
• 4.8 命令处理模块设计
• 4.9 为降低硬件资源所进行的优化
• 4.9.1 使用存储器代替寄存器暂存数据
• 4.9.2 寄存器和加法器的分时复用
• 4.9.3 使用资源耗费最小的算法
• 4.9.4 减少Hash加密模块的资源消耗
• 4.10 设计环境和验证
• 4.10.1 设计和验证环境
• 4.10.2 FPGA验证
• 4.10.3 Hash函数和伪随机数发生器的性能评估
• 4.10.4 硬件资源消耗评估
• 4.11 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文