CC BY
39
УДК 004.056
Д. А. Ковалев, С. В. Беззатеев
ЗАЩИТА ПРОТОКОЛОВ УЛЬТРАЛЕГКОЙ АУТЕНТИФИКАЦИИ
ОТ АТАК НА LSB
Предложен подход к улучшению версии протокола взаимной аутентификации LMAP++ путем замены стандартной операции сложения по модулю 2m на операцию сложения по модулю 2m-1 и использованием только простейших арифметических операций. Проведено сравнение сложности предложенной версии со сложностью известных методов повышения надежности протокола LMAP++.
Ключевые слова: RFID, ультралегкие протоколы, LMAP++, аутентификация.
Введение. Ультралегкие протоколы аутентификации для RFID построены на простейших арифметических операциях. Такие протоколы предназначены для сфер, требующих массового использования RFID-меток.
Ультралегкая RFID-метка имеет существенные ограничения по вычислительным возможностям и памяти, поэтому такие распространенные криптографические решения по обеспечению безопасности, как RSA, DES, AES, не могут быть реализованы в криптографических функциях, используемых в ультралегких протоколах, в них применяется следующий набор операций [1]:
— 0 XOR — поразрядная операция ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ,
— v OR — поразрядное логическое ИЛИ,
— л AND — поразрядное логическое И,
— + — сложение m-битных чисел с игнорированием переполнения (сложение по модулю 2 ).
Несмотря на существенные ограничения по вычислительным возможностям, к безопасности ультралегких RFID-меток предъявляются достаточно высокие требования:
— анонимность метки,
— взаимная аутентификация между RFID-считывателем и меткой при минимальном числе сообщений, которыми они обмениваются.
В ультралегких протоколах можно выделить следующие основные этапы.
1. Считыватель посылает некоторую, инициализирующую протокол, команду метке. На этот запрос RFID-метка всегда отвечает своим динамическим идентификатором.
2. Считыватель находит в базе ключи и статический идентификатор метки по полученному динамическому идентификатору. Далее считыватель генерирует случайные числа и использует их и ключ метки для создания сообщения, которое на следующем шаге будет использоваться для взаимной аутентификации.
3. Считыватель и метка обмениваются сообщениями аутентификации.
4. Обновляются ключи и динамический идентификатор на считывателе и метке.
В 2006 г. P. Peris-Lopez предложил несколько ультралегких протоколов взаимной аутентификации — LMAP [2], EMAP [1], M2AP [3], но в них было обнаружено множество уязви-мостей [4, 5]. В 2007 г. Li и Wang предложили улучшенную версию протокола LMAP: SLMAP, в которой также были найдены слабые места [6, 7]. В 2008 г. Tieyan Li улучшил свой протокол и назвал его LMAP++ [8], улучшенная версия также имела недостатки [9, 10].
Основные уязвимости протоколов аутентификации ультралегких радиочастотных идентификаторов. Большинство атак на ультралегкие протоколы используют идентичность операции сложения по модулю 2m и операции XOR (0) для наименее значимых битов (LSB)
[a + b]0 = a о 0 b0, [a - b]0 = a о 0 b0 .
Для представления старших битов используется следующая формула:
[a + b] = ai 0 bi 0 s(a, b, i -1),
[a - b]i = ai 0 b 01(a, b, i -1) , где 0<i <m, а s(a, b, i) = ([a]i л [b]i) v ([a]i 0 [b]i л s(a, b, i -1)) определяет, происходит ли перенос единицы в старший бит при сложении a^ и bu s(a,b,i) =1 означает наличие переноса единицы из младших битов в старшие.
Аналогичным образом определяется параметр t(a,b,i) — заем единицы из старших битов при вычитании ai из bi.
На такой особенности соотношения операций арифметического сложения и сложения по модулю два построено большинство атак на ультралегкие протоколы. Эти атаки приводят к рассинхронизации информации, хранящейся на считывателе и метке, раскрытию секретной информации о метке, а также к возможности отслеживать метку даже после ее успешной аутентификации на считывателе.
Способы противодействия атакам, использующим уязвимости LSB. Для предотвращения проведения атак, построенных на уязвимости LSB, в некоторых протоколах предлагается использовать следующие операции. В протоколе ULAP [11], Gossamer [12] предлагается использовать легкую хэш-функцию MixBits. В ULAP динамический идентификатор передается не в открытом виде, а в виде хэш-функции от него. Для этого считыватель генерирует случайное число и отсылает его метке вместе с сообщением, которое служит командой инициализации протокола. Метка отвечает значением IDSULAp (рис. 1), вычисляемым по алгоритму:
IDSulap=IDS;
for(i=0;i<32;i++)
{
IDSulap = (IDSulap >>1) + IDSulap + IDSulap +n;
}
где IDSULAp >>1 — сдвиг вектора IDSULAp на 1 бит вправо.
"hello"||n
Считыватель — Метка
idsulap
Рис. 1
В протоколах ЦМА-КРГО [13], 8Л81 [14], БиЬМА [15] при создании сообщений для взаимной аутентификации используется операция Яо1(х,у), т.е. циклический сдвиг влево вектора х, на ^(у) позиций, где ^ — вес Хемминга.
В протоколе ЯАРР [16] при создании сообщений используется операция перестановки Рег(х,у) битов в векторе х в соответствии со значениями битов в векторе у.
Перестановка Рег(х,у) выполняется следующим образом. Предположим, что х и у — два 96-битных числа, где
х = Хо Х2...Х95, х е {0,1}, 1 = 0,1,2,...,95, У = УоУ2...У95, Уi е {0,1}, 1 = 0,1,2,...,95, и вес Хемминга вектора у равен т (0<т<95), при
Укх = ^ = ... = Укт = 1, Пт = Укт+1 = ... = Л95 = 0,
где 0 < к1 < к2 <... < кт < 95 и 0 < кт+1 < кт+2 <... < к95 < 95. Тогда перестановка Рег(х,у)=
Хк1 Хк2 ... Хкт Хк95 ... Хкт+2 Хкт+1 .
В протоколе ЕМАР [1 ] при обновлении ключей и динамического идентификатора метки используется операция Тр(а) при т=96, вектор а будет разбит на 24 блока по 4 бита, и для каждого блока будет вычисляться бит четности.
Пусть а = а0, аь «2,..., 095, тогда
Бр(а) = (а0 Фа1 Ф а2 Ф а3, а4 Ф а5 Ф а6 Ф а7,..., а92 Ф а93 Ф а94 Ф а95) .
Использование операции сложения по модулю 2т—1. Для устранения возможности проведения атак, построенных на уязвимости ЬББ, предлагается заменить операцию сложения по модулю 2т на операцию сложения по модулю 2т-1. Реализовать эту операцию можно с помощью элементарных арифметических операций и архитектуры сумматора (рис. 2).
— XOR — OR — ^ Рис. 2
Сложение по модулю 2m -1 для чисел A и B можно провести за 5 шагов.
Шаг 1. C' =A+B mod 2m, flag=1 если A+B > 2m-1 и flag=0 — в противном случае.
Шаг 2. C'=C'+0+flag mod 2m.
Шаг 3. D=C mod 2m
Шаг 4. D=D+1 mod 2m, flag=1, если D=2m-1, и flag=0 — в противном случае.
Шаг 5. C=C'+0+flag mod 2m.
Таким образом, результатом сложения чисел A и B по модулю 2m-1 будет число C.
При использовании операции сложения по модулю 2m-1 исключаются уязвимости, существовавшие ранее вследствие идентичности операций сложения по модулю 2m и XOR для LSB, так как равенства [a + Щ0 = a 0 ©¿0 и [a - b]0 = a 0 ©¿0 не выполняются для операций арифметического сложения и вычитания по модулю 2m-1.
В таблице сравниваются параметры операций, использовавшихся для предотвращения атаки по LSB.
Операции Сложность в логических вентилях при m=96
MixBits 8120
Rot (x,y) 480
Permutation ~45794
Fp 468
Сложение по mod 2m-1 173
Выводы. Предложена операция, предотвращающая атаки LSB, которая менее требовательна к вычислительным возможностям RFID-метки, чем предлагавшиеся ранее операции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Peris-Lopez P., Hernandez-Castro J. C., Estevez-Tapiador J. M., Ribagorda A. EMAP: An Efficient Mutual Authentication Protocol for Low-cost RFID Tags // OTM Federated Conf. and Workshop: IS Workshop (IS'06). Montpellier, France: Springer-Verlag, 2006. Vol. 4277 of LNCS. P. 352—361.
2. Peris-Lopez P., Hernandez-Castro J. C., Estevez-Tapiador J. M., Ribagorda A. LMAP: A Real Lightweight Mutual Authentication Protocol for Low-cost RFID tags // Workshop on RFID Security (RFIDSec'06). Graz Austria, 2006.
3. Peris-Lopez P., Hernandez-Castro J. C., Estevez-Tapiador J. M., Ribagorda A. M2AP: A Minimalist mutual authentication protocol for low-cost RFID tags // 3rd Intern. Conf. on Ubiquitous Intelligence and Computing (UIC'06). 2006. Vol. 4159. P. 912—923.
4. BaraszM., Boros B., Ligeti P., Loja K., Nagy D. A. Breaking LMAP // Proc of RFIDSec. 2007. P. 11—16.
5. Li T., Wang G., Deng R. H. SecurityAnalysisona Family of Ultra-lightweight RFID Authentication Protocols // J. of Software. 2008. Vol. 3. P. 1—10.
6. Safkhani M., Bagheri N., Naderi M., Sanadhya S. K. Security Analysis of LMAP++, an RFID Authentication Protocol // 6th Intern. Conf. Internet Technology and Secured Transactions. 2011. P. 689—694.
7. Hernandez-Castro J. C., Tapiador J. E., Peris-Lopez P., Clark J. A., Talbi E. Metaheuristic Traceability Attack against SLMAP, an RFID Lightweight Authentication Protocol // Intern. J. Foundations of Computer Science. 2009. P. 543—553.
8. Li T. Employing Lightweight Primitiveson Low-Cost RFID Tags for Authentication // Vehicular Technology Conf. 2008. P. 770—776.
9. Wangand S.-H., Zhang W.-W. Passive Attack on RFID LMAP++ Authentication protocol // CANS. 2009. P. 185—193.
10. Hernandez-Castro J. C., Tapiador J. E., Peris-Lopez P., Clark J. A., Talbi E. Metaheuristic Traceability Attackagainst SLMAP, an RFID Lightweight Authentication Protocol // IPDPS'09. Proc. of the 2009 IEEE Intern. Symp. Parallel & Distributed Processing. 2009. P. 1—5.
11. Tanenbaum A. S. Structured Computer Organization. 2001.
12. BaraszM., Boros B., Ligeti P., Loja K., Nagy D. A. Breaking EMAP // SecureComm. 2007. P. 514—517.
13. Li T., Wang G. Security Analysis of Two UltraLightweight RFID Authentication Protocols // IFIPSEC'07. 2007. P. 109—120.
14. Yu H. SASI: A New Ultralightweight RFID Authentication Protocol Providing Strong Authentication and Strong Integrity // Dependable and Secure Computing. IEEE Transact. on Date of Publication. 2007.
15. Kianersi M., Gardeshi M., Arjmand M. SULMA: A Secure Ultra Light-Weight Mutual Authentication Protocol for Lowcost RFID Tags // Intern. J. of UbiComp. 2011. Vol. 2. P. 17.
16. Peris-Lopez P., Hernandez-Castro J. C., Tapiador J. M. E., Ribagorda A. Advances in Ultralightweight Cryptography for Low-cost RFID Tags: Gossamer Protocol // Workshop on Information Security Applications. 2008. Vol. 5379. P. 56—68.
Сведения об авторах
Данил Александрович Ковалев — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра технологий защиты информации; E-mail: iostreamawm@gmail.com Сергей Валентинович Беззатеев — д-р техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра технологий защиты информации; заведующий кафедрой; E-mail: bsv@aanet.ru
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
№ 51 безопасности информационных систем 0l.02.13 г.
