汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的安全級(jí)別及可靠性研究

作者：周治國(guó)，李文印，李同，鄧春燕

引言

早在上世紀(jì)80年代初，射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequency Identification，I訊ID）就由美國(guó)國(guó)防部和世界第一大商品零售商沃爾瑪公司首先提出并進(jìn)行研究。這是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

目前，隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展，與RFID相關(guān)的應(yīng)用也大量涌現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸控制管理，汽車(chē)、火車(chē)等交通實(shí)時(shí)監(jiān)控，高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，物流管理，流水線(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，安全出入檢查，倉(cāng)儲(chǔ)管理，動(dòng)物管理，車(chē)輛防盜等諸多領(lǐng)域。目前應(yīng)用得最成功的領(lǐng)域是物流管理和商品流通領(lǐng)域。

但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，RFID的安全性問(wèn)題也開(kāi)始凸顯出來(lái)，由于RFID標(biāo)簽的安全問(wèn)題而導(dǎo)致的安全事件也在逐漸增多，為解決上述安全與隱私問(wèn)題，人們從技術(shù)上提出了多種方案，這些方法各有自己的特色和不足，必須針對(duì)不同應(yīng)用靈活選擇和組合。

本文在基于RFID的汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，在研究其他人提出的各種技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合該系統(tǒng)自身的特點(diǎn)提出了隱秘起始地址、隨機(jī)數(shù)初始化兩種新方法，而且還采用了MD5加密算法、標(biāo)簽鎖定等常規(guī)方法，并把這些方法有效地結(jié)合起來(lái)，從而保證系統(tǒng)中號(hào)牌數(shù)據(jù)的安全可靠。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行均表明本文所采用的方法切實(shí)可行且安全有效。進(jìn)一步研究可以保證號(hào)牌標(biāo)簽達(dá)到第二代身份證的安全級(jí)別。

1汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Vehicle Iden—tification，AⅥ），可準(zhǔn)確無(wú)誤地自動(dòng)識(shí)別并采集路網(wǎng)中運(yùn)行車(chē)輛的身份特征信息和法定管理信息，使車(chē)輛信息瞬時(shí)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，可為車(chē)輛及交通管理部門(mén)提供一個(gè)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的車(chē)輛信息采集平臺(tái)。本文采用了RFID技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件是由讀寫(xiě)單元（標(biāo)簽閱讀器）和標(biāo)簽號(hào)牌組成，閱讀器通過(guò)線(xiàn)路與計(jì)算機(jī)的RS32接口通信，其系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

程序通過(guò)計(jì)算機(jī)控制閱讀器來(lái)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作，閱讀器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)出電磁脈沖，標(biāo)簽接收到這些脈沖并發(fā)送已存儲(chǔ)的信息到閱讀器作為響應(yīng)，再由閱讀器將信號(hào)處理后傳給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)號(hào)牌在不同狀態(tài)（靜止、移動(dòng)，甚至惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識(shí)別和管理。

系統(tǒng)中的閱讀器采用了某廠(chǎng)商生產(chǎn)的8801型號(hào)的讀寫(xiě)器，該讀寫(xiě)器讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)，讀寫(xiě)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

標(biāo)簽包含了具有RFID射頻部分和一個(gè)超薄天線(xiàn)環(huán)路的RFID芯片的RFID電路，這個(gè)天線(xiàn)與一個(gè)塑料薄片一起嵌入到標(biāo)簽內(nèi)。標(biāo)簽一般為信用卡大小，因此可以集成到其他產(chǎn)品里面。該系統(tǒng)就把標(biāo)簽集成到汽車(chē)牌照中，構(gòu)成了標(biāo)簽號(hào)牌，這樣在收發(fā)端就無(wú)需增加任何其他硬件，也不會(huì)增加用戶(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。

系統(tǒng)軟件方面采用了VB編程，通過(guò)VB程序控制讀寫(xiě)器來(lái)讀取號(hào)牌標(biāo)簽中的號(hào)牌信息，并訪(fǎng)問(wèn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而完成號(hào)牌數(shù)據(jù)的判別。軟件系統(tǒng)框架如圖2所示。

該系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，受雨雪、冰雹、灰塵等影響小，可全天候工作，非接觸地完成自動(dòng)識(shí)別、跟蹤與管理，并且具有可穿透非金屬物體進(jìn)行識(shí)別，抗干擾能力強(qiáng)等主要優(yōu)點(diǎn)。

2系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安全問(wèn)題是管理系統(tǒng)的命脈，對(duì)于汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，安全尤為重要，由于汽車(chē)號(hào)牌是汽車(chē)最為明顯的標(biāo)識(shí)，現(xiàn)實(shí)中人們都是通過(guò)號(hào)牌識(shí)別違章車(chē)輛、肇事車(chē)輛，因此系統(tǒng)必須保證標(biāo)簽中的號(hào)牌數(shù)據(jù)不能被隨意讀取甚至篡改。但標(biāo)簽本身的安全又很薄弱，因此必須采用合理有效的方法才能保證系統(tǒng)的安全。

集成的RFID系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，因此安全問(wèn)題類(lèi)似于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題，但由于RFID系統(tǒng)的兩個(gè)特點(diǎn)：首先RFID標(biāo)簽和后端系統(tǒng)之間的通信是非接觸和無(wú)線(xiàn)的，使它們很易受到竊聽(tīng)；其次標(biāo)簽本身的計(jì)算能力和可編程性，直接受到成本要求的限制。因此RFID的安全威脅除了與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有相同之處外，還包括以下三種：

（1）通信鏈路上的安全威脅

標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)通信鏈路是無(wú)線(xiàn)通信鏈路，無(wú)線(xiàn)信號(hào)本身是開(kāi)放的。這就給非法用戶(hù)的偵聽(tīng)?zhēng)?lái)了方便。常見(jiàn)的威脅有：黑客非法截取通信數(shù)據(jù)（非授權(quán)獲取數(shù)據(jù)）、業(yè)務(wù)拒絕式攻擊（非法用戶(hù)通過(guò)發(fā)射干擾信號(hào)來(lái)堵塞通信鏈路，使得閱讀器過(guò)載，無(wú)法接收正常的標(biāo)簽數(shù)據(jù)）、標(biāo)簽的冒名頂替、發(fā)射特定電磁波破壞標(biāo)簽等。

（2）閱讀器的安全威脅

物理方式偵測(cè)或修改閱讀器的硬件；修改閱讀器的配置參數(shù)，使其誤報(bào)、少報(bào)標(biāo)簽數(shù)據(jù)或者把標(biāo)簽數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他應(yīng)用系統(tǒng)；竊聽(tīng)或干擾閱讀器與計(jì)算機(jī)之間的通信。

（3）標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的安全威脅

由于成本的限制，標(biāo)簽本身很難具備能夠足以保證安全的能力。因此非法用戶(hù)可以利用合法的閱讀器或者自構(gòu)一個(gè)閱讀器，直接與標(biāo)簽進(jìn)行通信。這樣就可以很容易地獲取標(biāo)簽內(nèi)所存數(shù)據(jù)。而對(duì)于讀寫(xiě)式標(biāo)簽，還面臨數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于通信安全和閱讀器的安全問(wèn)題，人們研究得非常多，而且也提出很多行之有效的方法，這些方法包括：采用安全的通信協(xié)議或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議，如Hash2Lock協(xié)議、Hash鏈協(xié)議、基于雜湊的ID變化協(xié)議、詢(xún)問(wèn)。響應(yīng)認(rèn)證協(xié)議、再次加密機(jī)制等等。使用探測(cè)器探測(cè)其他RFID閱讀器的存在，并發(fā)送干擾信號(hào)，以防標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)被暴露；為標(biāo)簽編程，使其只可能與已授權(quán)的RFID閱讀器通信；對(duì)標(biāo)簽和閱讀器采用更強(qiáng)的加密及安全功能；此外還提出了Kill標(biāo)簽、法拉第網(wǎng)罩、智能標(biāo)簽、阻止標(biāo)簽等方法。這些方法均很成熟，并各有自己的特色和不足，必須針對(duì)不同的應(yīng)用靈活選擇和組合。

而對(duì)于標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)安全，日常應(yīng)用都是采用加密的方法。然而不同的加密算法復(fù)雜程度不同，對(duì)硬件性能的要求也不同，其安全級(jí)別也不同。

為了保證汽車(chē)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的安全，在通信和閱讀器方面系統(tǒng)采用相應(yīng)的高安全措施，對(duì)于標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)除了采用部分常規(guī)的加密方法，還綜合衡量標(biāo)簽中可讀寫(xiě)的空間大小，讀寫(xiě)效率以及讀寫(xiě)誤差等因素，提出了新的安全設(shè)計(jì)，這種多層次的安全措施足夠保證標(biāo)簽中的號(hào)牌數(shù)據(jù)不能被隨意讀取甚至篡改。

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