何飛等

摘 要： RFID技術因其遠距離識別、存儲量大、標簽惟一編碼標識、環(huán)境適應性強等技術優(yōu)勢，逐步在酒類溯源防偽領域取得了應用和推廣。在此對RFID技術在酒類溯源防偽領域的應用情況進行了研究，對現(xiàn)有基于RFID技術的酒類溯源防偽系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行了分析和總結(jié)。結(jié)合酒類溯源防偽應用的實際需求，設計了一套基于帶密碼算法的高頻15693 RFID標簽芯片的酒類溯源防偽系統(tǒng)。

關鍵詞： RFID； 密碼算法； 溯源； 防偽

中圖分類號： TN911?34； TP391.44 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0099?04

Research and application of RFID?based anti?counterfeiting system tracing to

source of liquor merchandise

HE Fei1， MA ji?feng2， LIANG Hao2， CUI Zhe1

（1. Kweichow Moutai Company Limited， Renhuai 564501， China； 2. CEC Huada Electronic Design Co.， Ltd.， Beijing 100102， China）

Abstract： The radio frequency identification （RFID） technology has been adopted gradually in the fields of liquor source tracing and anti?counterfeiting due to its advantages of remote identification， large memory space， tag unique ID and strong environment adaptability. The application situation of RFID technology in existing liquor source tracing and anti?counterfeiting systems is analyzed， and the merits and drawbacks of these systems are summarized in this paper. In combination with the application requirements of liquor source tracing and anti?counterfeiting， a liquor source tracing and anti?counterfeiting system with ISO 15693 RFID chip based on cryptographic algorithm was designed.

Keywords： radio frequency identification； cryptographic algorithm； source tracing； anti?counterfeiting

0 引 言

傳統(tǒng)的酒類防偽技術包括物理破壞、易碎標簽、激光防偽、3D立體防偽和代碼電話查詢等[1]。這些防偽技術在應用初期也曾取得一定的效果，但很快就被造假者所掌握并復制，難以從根本上杜絕假酒。

隨著信息技術的發(fā)展與成熟，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術因其具有標簽標識惟一、防復制能力強等特點，被各大酒商作為未來酒類商品溯源防偽管理的重要手段之一?；赗FID技術的酒類溯源防偽系統(tǒng)不僅可以對假冒偽劣產(chǎn)品進行有效抵制，還可以提高企業(yè)生產(chǎn)、物流的效率，提升企業(yè)整體管理水平，從而增強消費者信心，提升企業(yè)品牌。

本文將重點探討如何提升RFID酒類溯源防偽系統(tǒng)的安全等級。在研究現(xiàn)有基于RFID技術的酒類溯源防偽系統(tǒng)的基礎上，設計了一套基于帶安全機制的高頻15693 RFID標簽芯片的酒類溯源防偽系統(tǒng)。

1 RFID技術與酒類溯源防偽

RFID技術是一種通過射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術。RFID技術能夠?qū)崿F(xiàn)多目標同時識別、運動目標識別，因此，廣泛運用于物品的識別、跟蹤和管理。借助于單個RFID電子標簽的惟一標識，可輕松實現(xiàn)單品級的溯源管理。因此，相比于傳統(tǒng)技術，采用RFID技術進行商品溯源管理具備明顯的優(yōu)勢。

RFID電子標簽根據(jù)工作方式的不同，可分為有源、無源和半有源3種類型。酒類溯源防偽應用中，基于防偽標簽成本、壽命以及環(huán)境適應性的考慮，通常選擇無源電子標簽作為酒類商品的防偽手段。

無源RFID技術主要是低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）3個工作頻率。其中，LF RFID技術環(huán)境適應性最強，但由于其通信速率低、工作距離近的特點，LF RFID技術通常用于動物管理、門禁等系統(tǒng)[2]。目前，被應用于酒類溯源防偽領域的RFID技術主要集中在HF和UHF兩個頻段[3]。

由表1可以看出，高頻14443 RFID技術支持豐富的安全機制，常用于證卡、支付類應用，其安全技術足以滿足酒類商品防偽應用的需求。但其工作距離近、防沖突能力弱的特點，無法有效滿足酒類商品的溯源管理應用需求。

高頻15693 RFID技術具備一定的防沖突能力，且能夠達到1 m級別的識讀距離，因此能夠滿足酒類溯源管理應用的需求。同時，業(yè)界也有部分帶安全機制的高頻15693 RFID標簽芯片產(chǎn)品推出，能夠滿足酒類商品防偽應用的需求。UHF RFID技術擁有優(yōu)越的防沖突能力及識讀性能，被認為是智能物流領域的最好解決方案，因此，完全可以滿足酒類商品溯源管理的應用需求。但在安全機制方面，UHF RFID技術有所欠缺，難以完全滿足酒類商品防偽應用的需求[4]。雖然最新發(fā)布的《信息技術射頻識別800M/900M空中接口協(xié)議》（GB/T 29768）國家標準中定義了安全機制，由于其發(fā)布時間尚短，業(yè)界還未有帶安全機制的符合國家標準的產(chǎn)品推出。將RFID技術成功應用于酒類溯源防偽領域，除了選擇合適的RFID空口技術外，還需要解決以下幾個關鍵問題：

（1） RFID電子標簽的防轉(zhuǎn)移問題[5]：防偽標簽需在酒類商品使用后被徹底毀壞，無法再次使用。

針對該問題，目前業(yè)界多采用的是易碎防偽標簽工藝。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過手工粘貼或機械粘貼的方式將防偽標簽粘貼在瓶蓋上下部分結(jié)合的位置。當酒類商品被使用時，通過特殊背膠和易碎基材破環(huán)標簽，可以有效的防止防偽標簽被非法轉(zhuǎn)移和二次利用。

（2） RFID電子標簽的防復制問題[6～7]。

目前已有應用都是基于RFID電子標簽惟一標識（UID）的惟一性以及UID出廠后無法更改的特性來實現(xiàn)電子標簽的防復制。雖然標簽UID出廠后無法更改，但是由于標簽UID能夠被通用的RFID閱讀器輕易獲取，攻擊者可以復制一張存儲相同內(nèi)容的電子標簽進行攻擊。因此，該手段無法有效防止復制攻擊，存在安全隱患。復制攻擊是RFID系統(tǒng)面臨的一種主要安全風險，基于密碼學的知識，采用密碼算法和安全認證機制是解決這一問題的有效手段。針對商品防偽類應用，RFID系統(tǒng)中應該具備讀寫器對電子標簽的挑戰(zhàn)響應鑒別機制。

（3） 為消費者提供可靠、易行的驗偽手段。

隨著信息技術的發(fā)展，智能手機越來越普及，將消費者驗偽手段和智能手機結(jié)合，不僅能夠大幅提升消費者的接受程度及使用率，還減少了企業(yè)投入成本。同時，也有助于提升企業(yè)品牌形象和拉近企業(yè)與消費者距離。HF 15693 RFID電子標簽工作頻率為13.56 MHz，能夠被支持近場通信（Near Field Communication，NFC）功能的智能手機識別，因此，消費者可以直接使用帶NFC功能的智能手機對15693防偽標簽進行查驗，大大提升了最終消費者的接受程度。

綜上所述，雖然HF 15693RFID技術在識別距離及防沖突性能上不及UHF RFID技術，但是其在防復制、消費者驗偽兩方面都具備較為明顯的優(yōu)勢。因此，認為帶安全機制的15693 RFID電子標簽更適合于酒類溯源防偽應用。

2 基于安全芯片的酒類溯源防偽系統(tǒng)

從信息安全的角度出發(fā)，用作商品防偽的RFID系統(tǒng)，應至少具備以下幾個密碼安全要素[8]：讀寫器對于電子標簽的單向身份鑒別、對稱密碼算法以及密鑰管理系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)中采用的高頻15693 RFID標簽芯片應具備以下特征：64 b惟一標識符、對稱密碼算法、支持讀寫器對標簽的單向身份鑒別，存儲器結(jié)構(gòu)應符合商務部《基于射頻識別的瓶裝酒追溯與防偽標簽技術要求》的行業(yè)標準。其中，芯片鑒別密鑰在芯片應用全生命周期中均不可讀出，從根本上防止芯片被克隆。本系統(tǒng)旨在解決酒類商品生產(chǎn)、物流以及防偽應用中的問題，通過將該系統(tǒng)應用到企業(yè)管理的各個環(huán)節(jié)（生產(chǎn)加工，流通環(huán)節(jié)，產(chǎn)品銷售以及終端消費），以全面提升企業(yè)的供應鏈管理水平，并真正實現(xiàn)酒類單品的溯源管理。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)包括后臺管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、銷售管理系統(tǒng)及消費者驗偽系統(tǒng)等幾個核心子系統(tǒng)。

2.1.1 后臺管理系統(tǒng)

承擔整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的角色，由應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、密鑰管理服務器等核心部件組成。后臺管理系統(tǒng)同其他子系統(tǒng)連接，酒類商品從生產(chǎn)、流通到最終消費的全生命周期信息均同步到后臺管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

2.1.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

主要負責防偽標簽發(fā)行工作。在酒類商品生產(chǎn)過程中，完成防偽標簽發(fā)行以及同酒類商品單品的信息綁定工作。標簽發(fā)行流程可以概括成以下幾個關鍵環(huán)節(jié)：防偽標簽制作（通常使用易碎標簽，酒品開封即被破壞）、貼標（防偽標簽和酒類單品綁定）、信息寫入校驗及鎖定、信息回傳。其中，寫入到防偽標簽的信息包括酒類單品的信息以及防偽標簽的鑒別密鑰。

2.1.3 銷售管理系統(tǒng)

酒類商品流通環(huán)節(jié)管控的一個重要子系統(tǒng)。各個經(jīng)銷商通過銷售管理系統(tǒng)進行銷售相關的業(yè)務操作，采用固定或者手持設備完成商品庫存、銷售管理。在完成業(yè)務操作的同時，相關信息通過互聯(lián)網(wǎng)同步傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng)，形成商品完整的溯源管理記錄。

2.1.4 消費者驗偽系統(tǒng)

主要基于消費者帶NFC功能的智能手機和后臺管理系統(tǒng)。通過從官方渠道下載專門的手機應用APP，消費者可以隨時隨地對酒類單品進行驗偽及溯源查詢。

2.2 系統(tǒng)安全機制

通過NFC手機對電子標簽身份鑒別來判定防偽標簽的合法性，是本系統(tǒng)的核心防偽機制。配套的密鑰管理系統(tǒng)以及基于NFC手機驗偽APP，是保障該系統(tǒng)能夠有效運行的根本。

2.2.1 密鑰管理體系

依據(jù)酒類防偽應用的安全需求，整個密鑰管理系統(tǒng)采用基于對稱密碼算法的二級密碼分散體制實現(xiàn)。 “一簽一密”，保證每個防偽標簽中的密鑰都不相同。本系統(tǒng)中，密鑰層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，根密鑰由密鑰管理系統(tǒng)產(chǎn)生，存儲在密碼機內(nèi)部。鑒別主密鑰由根密鑰通過酒類型代碼（一級分散因子）分散而成，存儲在密碼機內(nèi)部。分散算法為對稱密碼算法（如SM1）。不同類型的酒產(chǎn)品對應不同類型的鑒別主密鑰，以便滿足酒類企業(yè)后續(xù)業(yè)務擴展需要。

標簽鑒別密鑰：由鑒別主密鑰通過標簽UID（二級分散因子）分散而成。標簽初始發(fā)行時，發(fā)行管理系統(tǒng)將酒類型代碼映射成密鑰索引，將密鑰索引和標簽鑒別密鑰一同寫入到標簽。

2.2.2 基于NFC手機驗偽機制

通過讀寫器對標簽的單向身份鑒別來實現(xiàn)對標簽身份的認證，如圖3所示?；谔魬?zhàn)響應的單向身份鑒別流程如下：

（1） 讀寫器發(fā)送帶有隨機數(shù)Nr的鑒別請求指令。

（2） 標簽接收到鑒別指令后，產(chǎn)生隨機數(shù)Nt，使用標簽鑒別密鑰通過對稱密碼算法（如SM7）將Nr和Nt進行加密得到Token。并將Token發(fā)送給讀寫器。

（3） 讀寫器使用同樣的標簽鑒別密鑰對Token進行解密，得到Nr′和Nt′。如果Nr′和Nr一致，則鑒別通過，否則，則鑒別失敗。

NFC手機驗偽是完成一次讀寫器對電子標簽身份鑒別過程。整個過程中，NFC手機僅作為透傳通道，由后臺管理系統(tǒng)完成對電子標簽的身份認證。這樣設計既減少對NFC手機的開發(fā)需求，后臺管理系統(tǒng)能同步自動生成查詢記錄，提高企業(yè)的管理效率。整個驗偽流程設計如圖4所示。如圖4所示，整個過程中，NFC手機僅作為透傳通道，用來獲取電子標簽的UID、密鑰索引以及鑒別響應（Token）等關鍵數(shù)據(jù)，并將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺管理系統(tǒng)。后臺調(diào)用密鑰管理系統(tǒng)完成對標簽的鑒別工作：通過NFC手機上傳的密鑰索引找到標簽對應鑒別主密鑰，并根據(jù)UID分散出標簽鑒別密鑰，再對Token進行解密，比對隨機數(shù)的正確性，完成對標簽的身份鑒別。

采用華大電子推出的帶國產(chǎn)SM7算法的高頻15693標簽芯片產(chǎn)品，按照上述方案進行了NFC手機驗偽系統(tǒng)的開發(fā)與實測。在網(wǎng)絡穩(wěn)定的情況下，完成整個驗偽查詢實測時間小于2S（3G和WiFi環(huán)境下），具備較好的安全性及用戶體驗。

3 結(jié) 語

RFID技術應用于酒類溯源防偽領域已經(jīng)取得了一定的基礎。本文在對現(xiàn)有應用方案的研究和分析的基礎上，設計了一套基于帶密碼算法的15693 RFID標簽芯片的酒類溯源防偽系統(tǒng)，能夠有效解決當前應用系統(tǒng)中在防復制、消費者驗偽查詢體驗方面存在的缺陷。其中，基于NFC手機的驗偽系統(tǒng)在實際網(wǎng)絡環(huán)境下的測試結(jié)果能夠支撐良好的用戶體驗，具備很好的應用推廣前景。

參考文獻

[1] 李清楊.防偽原理及防偽技術的發(fā)展趨勢[J].安防科技，2003（1）：19?20.

[2] 孫洵.射頻識別（RFID）技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].金卡工程，2007（7）：37?40.

[3] CHOI S H， POON C H. An RFID?based anti?counterfeiting system [J]. LAENG International Journal of Computer Science， 2008， 35： 1?12.

[4] 王燦明.基于RFID產(chǎn)品防偽追溯系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2009.

[5] 韓彪，袁海，徐昌彪，等.基于RFID技術的包裝防偽應用系統(tǒng)[J].重慶工學院學報：自然科學版，2008，22（2）：104?107.

[6] JUELS A. RFID security and privacy： a research survey [R]. Bedford， MA， USA： RSA laboratories， 2005.

[7] GJOHNSTON R. An anti?counterfeiting strategy using numeric tokens [J]. International Journal of Pharmaceutical Medicine. 2005， 19（3）： 163?171.

[8] 馬紀豐，梁浩.物聯(lián)網(wǎng)感知層信息安全分析與建議[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（19）：76?78.