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輕量級(jí)安全的RFID電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文檔作者：周振柳１李豐鵬１鄭安剛２文檔來源：１．沈陽工程學(xué)院信息學(xué)院２．中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月21日
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第３０ 卷 第２ 期
· ３０４· 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)
JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION
Vol.３０ No.２
２０１６ 年２ 月
收稿日期： ２０１５-１０ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｄａｔｅ： ２０１５-１０
*基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金（２０１５０２００２０）、遼寧省百千萬人才工程培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)（２０１３９２１０５１）資助項(xiàng)目
ＤＯＩ： １０．１３３８２／ｊ．ｊｅｍｉ．２０１６．０２．０１８
輕量級(jí)安全的RFID 電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*
周振柳１ 李豐鵬１ 鄭安剛２
（１．沈陽工程學(xué)院信息學(xué)院 沈陽 １１０１３６；
２．中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量中心 北京 １００１９２）
摘 要：智能計(jì)量封印在電力智能計(jì)量設(shè)備自動(dòng)化檢定和管理中起著關(guān)鍵作用。同傳統(tǒng)的鉛封及二維碼封印相比較，基于
ＲＦＩＤ 的計(jì)量封印能提供的智能化和自動(dòng)化程度更高，安全性更好。設(shè)計(jì)了ＲＦＩＤ 電能計(jì)量封印的數(shù)據(jù)格式，使用ＳＭ７ 算法
芯片實(shí)現(xiàn)了一種輕量級(jí)ＲＦＩＤ 雙向安全認(rèn)證協(xié)議，認(rèn)證過程中流加密的密鑰隨機(jī)產(chǎn)生，只使用對(duì)稱加密運(yùn)算，加密認(rèn)證計(jì)算
量小，認(rèn)證過程速度快，適合于低成本的ＲＦＩＤ。這種新型ＲＦＩＤ 電能計(jì)量封印方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)采集，能夠提供數(shù)據(jù)
完整性和機(jī)密性保護(hù)功能，具備很好的防偽性能。
關(guān)鍵詞： 電能計(jì)量封印；安全協(xié)議；射頻識(shí)別；數(shù)據(jù)格式
中圖分類號(hào)： ＴＰ２３ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： Ａ 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼： ４１３．１０
Design and implementation about lightweight secure RFID electricity metering sealing
Ｚｈｏｕ Ｚｈｅｎlｉｕ１ Ｌｉ Ｆｅｎｇｐｅｎｇ１ Ｚｈｅｎｇ Ａｎｇａｎｇ２
（１．Ｃｏllｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１３６， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， Ｃｈｉｎａ Ｅlｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｅａlｉｎｇ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ lｏｃａｔｉｏｎ， ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｔｏ
ｅlｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｅlｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｅａlｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＦＩＤ ｔａｇ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍｏｒｅ ｉｎｔｅllｉｇｅｎｔ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｅｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａl lｅａｄ ｓｅａlｉｎｇ ａｎｄ ｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａl ｃｏｄｅ ｓｅａlｉｎｇ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｅｃｕｒｅ．
Ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ＲＦＩＤ ｅlｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｅａlｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ａｎｄ ａ lｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｅｃｕｒｅ ｍｕｔｕａl ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ
ｐｒｏｔｏｃｏl ｕｓｉｎｇ ＳＭ７ ａlｇｏｒｉｔｈｍ ｃｈｉｐ ｓｕｉｔａｂlｅ ｆｏｒ lｏｗ-ｃｏｓｔ ＲＦＩＤ ｔａｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅａｍ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ
ｋｅｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｒａｎｄｏｍlｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ， ａｎｄ ｏｎlｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ， ｔｈｕｓ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ
ｏｆ ｃａlｃｕlａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｐｅｅｄｅｄ ｕｐ．Ｔｈｉｓ ｎｅｗ ＲＦＩＤ ｓｅａlｉｎｇ ｆａｃｉlｉｔａｔｅｓ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ
ｐｏｗｅｒ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ， ｃａｎ ｐｒｅｖｅｎｔ ｆｒｏｍ ｕｎａｕｔｈｏｒｉｚｅｄ ａｃｃｅｓｓ ａｎｄ ｔａｍｐｅｒｉｎｇ， ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅａｕｔｉｆｕl ａｎｔｉ-ｆａlｓｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．
Keywords： ｅlｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｅａlｉｎｇ； ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｔｏｃｏl； ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
1 引 言
國(guó)家電網(wǎng)公司提出對(duì)計(jì)量設(shè)備“自動(dòng)化檢定、
智能化倉(cāng)儲(chǔ)、物流化配送”以及計(jì)量業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)管理
的需求，隨著計(jì)量集約化和省級(jí)計(jì)量中心建設(shè)工作
的推進(jìn)，計(jì)量封印的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)加封系統(tǒng)效率問
題已成為制約因素。目前，在封印類型方面，不同
封印產(chǎn)品在型式、材質(zhì)、自鎖結(jié)構(gòu)及編碼方式上差
異較大，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。為了促進(jìn)計(jì)量封印的
標(biāo)準(zhǔn)化，提高計(jì)量封印產(chǎn)品的質(zhì)量和防竊電水平，
適應(yīng)省級(jí)集中自動(dòng)化檢定需要，有必要對(duì)計(jì)量封印
開展應(yīng)用研究［１］ 。ＲＦＩＤ 射頻識(shí)別是一種非接觸式
第２ 期輕量級(jí)安全的 ＲＦＩＤ 電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) · ３０５· 的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(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)別工作無須人工干預(yù)，可工
作于各種惡劣環(huán)境。ＲＦＩＤ 技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物
體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。標(biāo)簽與
閱讀器之間按照工作頻率分為低頻、中高頻、超高
頻等，現(xiàn)有的標(biāo)簽絕大多數(shù)工作在１３．５６ ＭＨｚ，而
工作在９１５ ＭＨｚ 的無源超高頻射頻識(shí)別（ＵＨＦ
ＲＦＩＤ）技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、高速度和低成本的優(yōu)勢(shì)，
已經(jīng)成為ＲＦＩＤ 技術(shù)的研究熱點(diǎn)，并將成為未來信
息社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)在無線數(shù)據(jù)采集和智
能識(shí)別領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［２-５］ 。文獻(xiàn)［６］對(duì)采用電子標(biāo)
簽ＲＦＩＤ 封印從原理和實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行了初步探
討，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)上尚未達(dá)到實(shí)用階段，也沒有考
慮使用安全問題。本文研究的對(duì)象是超高頻射頻
標(biāo)簽，采用的射頻標(biāo)簽為符合ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６
Ｔｙｐｅ Ｃ 空中接口要求的無源后向散射標(biāo)簽。
如果缺乏可靠的安全機(jī)制，ＲＦＩＤ 系統(tǒng)無法有
效地保護(hù)射頻標(biāo)簽中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。如果標(biāo)
簽中存儲(chǔ)的信息被竊取，甚至被惡意修改，將可能
帶來非常巨大的損失。另外，不具有可靠的信息安
全機(jī)制的射頻標(biāo)簽還存在著易向鄰近的閱讀器泄
漏敏感信息、易被干擾和易被跟蹤等隱患［７-８］ 。電
能智能計(jì)量封印對(duì)安全性要求很高，涉及到電能數(shù)
據(jù)的完整真實(shí)可信性，防止竊電篡改或擾亂數(shù)據(jù)，
防止偽造封印。安全認(rèn)證協(xié)議和隱私保護(hù)是當(dāng)前
ＲＦＩＤ 系統(tǒng)使用的兩個(gè)關(guān)鍵安全問題。許多ＲＦＩＤ
認(rèn)證協(xié)議被提出，典型的包括Ｈａｓｈ 系列協(xié)議及數(shù)
字圖書館協(xié)議［９-１０］ ，基于雜湊的ＩＤ 變化協(xié)議［１１］ ，
分布式ＲＦＩＤ 詢問-響應(yīng)協(xié)議［１２］ ，基于密鑰陣列的
協(xié)議［１３］ ，基于ＬＰＮ 問題的協(xié)議［１４］ ，上述協(xié)議設(shè)計(jì)
重點(diǎn)在于防止隱私泄漏和對(duì)ＲＦＩＤ 標(biāo)簽的跟蹤，
雙向認(rèn)證安全度不高，運(yùn)算量較大，對(duì)ＲＦＩＤ 計(jì)算
能力要求較高。一些適合低成本ＲＦＩＤ 的隱私保
護(hù)和認(rèn)證機(jī)制［１５-１６］ 也被提出，但在電能計(jì)量應(yīng)用
中，還不符合國(guó)電系統(tǒng)對(duì)加密技術(shù)的使用規(guī)范和
要求。
本 研究討論了使用ＲＦＩＤ 技術(shù)的智能計(jì)量封
印的設(shè)計(jì)要求，給出了符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的智能計(jì)
量封印的數(shù)據(jù)格式，重點(diǎn)針對(duì)低成本超高頻射頻標(biāo)
簽提出并實(shí)現(xiàn)了一種安全的輕量級(jí)雙向認(rèn)證協(xié)議，
采用國(guó)密ＳＭ７ 算法芯片提高認(rèn)證效率和安全性，
滿足國(guó)電系統(tǒng)加密安全規(guī)范要求。最后對(duì)比總結(jié)
了該智能計(jì)量封印同當(dāng)前其他計(jì)量封印比較的優(yōu)
缺點(diǎn)及進(jìn)一步需要改進(jìn)的問題。
2 智能電能計(jì)量封印設(shè)計(jì)要求
電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)是在滿足電力系統(tǒng)現(xiàn)有
功能和業(yè)務(wù)需求的前提下，從實(shí)用、高效、可靠性等
方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。
１）實(shí)用性
從實(shí)用性角度設(shè)計(jì)新型計(jì)量封印，滿足現(xiàn)有業(yè)
務(wù)需求，降低計(jì)量封印采購(gòu)成本和管理成本，為計(jì)
量封印的大規(guī)模生產(chǎn)和集中招標(biāo)采購(gòu)奠定良好的
基礎(chǔ)，保障計(jì)量封印的順利實(shí)施和推廣應(yīng)用。
２）高效性
以往穿線式封印難以實(shí)現(xiàn)加封的自動(dòng)化或者
自動(dòng)化加封效率低下、成功率不高，不能滿足現(xiàn)有
自動(dòng)化檢定流水線節(jié)拍的需要，因此新型計(jì)量封印
和自動(dòng)加封機(jī)的設(shè)計(jì)都需克服以往傳統(tǒng)封印的缺
點(diǎn)，在不影響流水線節(jié)拍的前提下提高計(jì)量封印自
動(dòng)加封的效率和成功率，滿足省級(jí)計(jì)量中心自動(dòng)化
檢定、智能化倉(cāng)儲(chǔ)和物流化配送的需要。
３）可靠性
計(jì)量封印事關(guān)重大，封印的可靠性設(shè)計(jì)直接影
響到計(jì)量設(shè)備的使用，可靠的封印設(shè)計(jì)對(duì)于防竊電
意義重大，尤其是端子尾蓋上的封印。
４）安全性
封印的安全性設(shè)計(jì)是將電子防偽技術(shù)應(yīng)用到
計(jì)量封印上，提高封印的防偽性，提升防竊電水平，
提高計(jì)量封印的安全等級(jí)和智能化水平，為用電檢
查提供有效保障，尤其是無線的計(jì)量數(shù)據(jù)的采集環(huán)
節(jié)的安全。在檢定、安裝、用檢、報(bào)廢等環(huán)節(jié)，電子
封印相比傳統(tǒng)封印應(yīng)具有更好的可控性，可滿足計(jì)
量中心對(duì)封印實(shí)行集中管理、統(tǒng)一采購(gòu)、統(tǒng)一發(fā)放
的管理要求，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印的全壽命周期管理。本
研究重點(diǎn)討論ＲＦＩＤ 計(jì)量封印用于遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)
采集的安全性問題。
3 智能電能計(jì)量封印數(shù)據(jù)格式
設(shè)計(jì)
用于電能計(jì)量的射頻標(biāo)簽的內(nèi)存區(qū)包括６４ 位
的保留區(qū)（Ｒｅｓｅｒｖｅｄ 區(qū)）、不少于１２８ 位的物品標(biāo)識(shí)
區(qū)（ＥＰＣ 區(qū)）、６４ 位的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)區(qū)（ＴＩＤ 區(qū)）和不少
· ３０６· 電 子 測(cè) 量 與 儀 器 學(xué) 報(bào) 第３０ 卷 于５１２ 位的用戶數(shù)據(jù)區(qū)（Ｕｓｅｒ 區(qū)）。射頻標(biāo)簽的數(shù)
據(jù)格式列表如表１ 所示。
表1 射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式
Table 1 Data form of RFID
區(qū)域長(zhǎng)度（Ｂｙｔｅｓ）
保留區(qū)（ＲＥＳＥＲＶＥＤ） ８ 物品標(biāo)識(shí)區(qū)（ＥＰＣ） ≥１６ 標(biāo)簽標(biāo)識(shí)區(qū)（ＴＩＤ） ８ 用戶數(shù)據(jù)區(qū)（ＵＳＥＲ） ≥６４ 射頻標(biāo)簽支持ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６ Ｔｙｐｅ Ｃ 的所
有強(qiáng)制指令和訪問（Ａｃｃｅｓｓ）指令。射頻標(biāo)簽滿足
ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６ Ｔｙｐｅ Ｃ 的多標(biāo)簽防沖突要求。
3．1 保留區(qū)
保留區(qū)用于存儲(chǔ)標(biāo)簽的滅活（Ｋｉll）密碼和訪
問（Ａｃｃｅｓｓ）密碼，滅活密碼和訪問密碼用于銷毀、
讀寫標(biāo)簽時(shí)提供安全認(rèn)證；射頻標(biāo)簽的上述密碼做
到一簽一密，密碼由國(guó)家電網(wǎng)公司用電信息密鑰管
理系統(tǒng)產(chǎn)生。
保留區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)遵循ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６
Ｔｙｐｅ Ｃ 的有關(guān)要求。
3．2 物品標(biāo)識(shí)區(qū)
物品標(biāo)識(shí)區(qū)用于存儲(chǔ)統(tǒng)一的計(jì)量設(shè)備編碼。
修改該區(qū)域數(shù)據(jù)必須提供訪問密碼認(rèn)證。計(jì)量設(shè)
備編碼的存儲(chǔ)采用壓縮ＢＣＤ 編碼方式，存儲(chǔ)的起
始地址為２０ ｈ。物品標(biāo)識(shí)區(qū)詳細(xì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)見
表２。
表2 射頻標(biāo)簽物品標(biāo)識(shí)區(qū)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
Table 2 Storage structure of EPC
代碼段名稱
物品標(biāo)識(shí)區(qū)
內(nèi)存地址
定義
編碼版本標(biāo)識(shí)最后兩位
標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在該區(qū)的
計(jì)量設(shè)備編碼的版本號(hào)。
計(jì)量設(shè)備編碼２０ ｈ 及以上
符合公司制定的計(jì)量
設(shè)備編碼規(guī)范的有關(guān)要求。
協(xié)議控制１０ ｈ-１ Ｆｈ 符合ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６
Ｔｙｐｅ Ｃ 標(biāo)準(zhǔn)。
ＣＲＣ-１６ ００ ｈ-０ Ｆｈ 數(shù)據(jù)校驗(yàn)，符合ＩＳＯ／ＩＥＣ
１８０００-６ Ｔｙｐｅ Ｃ 標(biāo)準(zhǔn)。
3．3 標(biāo)簽標(biāo)識(shí)區(qū)
標(biāo)簽標(biāo)識(shí)區(qū)用于存儲(chǔ)標(biāo)簽自身的編號(hào)。該編
號(hào)全球唯一，永久不可更改。
標(biāo)簽標(biāo)識(shí)區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)遵循ＩＳＯ／ＩＥＣ
１８０００-６ Ｔｙｐｅ Ｃ 的有關(guān)要求。
3．4 用戶數(shù)據(jù)區(qū)
用戶數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲(chǔ)計(jì)量設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及
其相關(guān)信息。瀏覽、修改該區(qū)域數(shù)據(jù)必須提供訪問
密碼認(rèn)證。存儲(chǔ)的計(jì)量設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息采用壓
縮ＢＣＤ 編碼方式，起始地址為３０ ｈ。
用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容使用表３ 的要求。
表3 射頻標(biāo)簽用戶數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
Table 3 Storage structure of user data
代碼段名稱
用戶數(shù)據(jù)區(qū)
內(nèi)存地址
定義
業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)３０ｈ 及以上
計(jì)量設(shè)備的業(yè)務(wù)
數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息。
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)２０ｈ-２Ｆｈ 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效長(zhǎng)度。
ＭＡＣ ００ｈ-１Ｆｈ 防篡改安全驗(yàn)證信息。
ＭＡＣ 段存儲(chǔ)防篡改安全驗(yàn)證信息，由國(guó)家電
網(wǎng)公司用電信息密鑰管理系統(tǒng)自動(dòng)生成。
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)段存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)信息，
由１６ 位二進(jìn)制數(shù)標(biāo)識(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位（ｂｉｔ）數(shù)。
業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)段可存儲(chǔ)計(jì)量設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其
相關(guān)信息。
3．5 安全防護(hù)
射頻標(biāo)簽具備必要的安全防護(hù)功能，物品標(biāo)識(shí)
區(qū)、用戶數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)進(jìn)行完整性、機(jī)密性保護(hù)，避免非
授權(quán)人的非法寫入、篡改和識(shí)別，確保標(biāo)簽具備很
好的防偽性能。
射頻標(biāo)簽具備訪問密碼可鎖定、解鎖功能，同
時(shí)具備標(biāo)簽滅活功能，符合ＩＳＯ／ＩＥＣ １８０００-６ Ｔｙｐｅ
Ｃ 的相應(yīng)要求。
4 RFID 電能計(jì)量封印的輕量級(jí)
雙向認(rèn)證安全協(xié)議
用于電能計(jì)量封印的ＲＦＩＤ 屬于低成本射頻
第２ 期輕量級(jí)安全的 ＲＦＩＤ 電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) · ３０７· 標(biāo)簽，未來大規(guī)模應(yīng)用每個(gè)標(biāo)簽成本要求低于１ 元
錢，標(biāo)簽自身計(jì)算能力非常有限，因此對(duì)標(biāo)簽的安
全性設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。標(biāo)簽用于遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)采
集時(shí)，采集系統(tǒng)的安全性應(yīng)該從以下幾個(gè)方面來
考慮：
１）采用標(biāo)簽與閱讀器相互認(rèn)證的機(jī)制，防止
非法的閱讀器獲取標(biāo)簽信息或修改標(biāo)簽數(shù)據(jù)，或者
偽造的標(biāo)簽哄騙閱讀器。
２）通信過程中避免使用明文傳輸，由于ＲＦＩＤ
標(biāo)簽受成本低、功耗小、資源少的限制，應(yīng)該選取合
適的加密算法。
３）除了閱讀器與標(biāo)簽之間的通信，后臺(tái)數(shù)據(jù)
庫的管理在ＲＦＩＤ 系統(tǒng)的安全中也起到了至關(guān)重
要的作用。該部分如果受到攻擊將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中
大量標(biāo)簽的數(shù)據(jù)、密鑰等信息泄漏，造成巨大的損
失，所以應(yīng)該加強(qiáng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理。
ＲＦＩＤ 射頻標(biāo)簽通過內(nèi)置天線與ＲＦＩＤ 閱讀器
進(jìn)行通信。因此把防偽標(biāo)簽的天線與防偽商品中
某些具有金屬性質(zhì)的包裝進(jìn)行巧妙的連接，使
ＲＦＩＤ 標(biāo)簽與防偽產(chǎn)品形成一體。通過在生產(chǎn)環(huán)節(jié)
的加工工藝使得防偽商品與防偽標(biāo)簽不可分離，這
樣把商品的易于偽造性轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽芯片的不易偽
造性。新型電能計(jì)量封印外觀設(shè)計(jì)如圖１ 所示。
圖１ 具有ＲＦＩＤ 電子標(biāo)簽的智能計(jì)量封印
Ｆｉｇ．１ Ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｅａlｉｎｇ ｗｉｔｈ ＲＦＩＤ
在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，標(biāo)簽與閱讀器的雙向
認(rèn)證安全是關(guān)鍵。由于低成本標(biāo)簽自身計(jì)算能力
有限，復(fù)雜的加密和認(rèn)證算法（比如非對(duì)稱加密、
ＰＫＩ 認(rèn)證系統(tǒng)等）在這里并不適用。需要針對(duì)這種
低成本的ＲＦＩＤ 標(biāo)簽設(shè)計(jì)高效的輕量級(jí)安全認(rèn)證
協(xié)議和加密算法。認(rèn)證中采用了ＳＭ７ 加密算法。
該算法是國(guó)家密碼管理局認(rèn)可的，為電子標(biāo)簽專門
設(shè)計(jì)的商用密碼算法，其密匙長(zhǎng)度為１２８ 位。該算
法在使用中通過雙向認(rèn)證形式保證了計(jì)量封印的
安全性和唯一性。
4．1 雙向認(rèn)證流程
使用ＳＭ７ 算法進(jìn)行雙向認(rèn)證時(shí)，電子封印與
讀寫器的相互認(rèn)證分為兩次通訊。第一次通訊，讀
寫器發(fā)送認(rèn)證指令，電子封印返回隨機(jī)數(shù)ＲＴ；第二
次通訊，讀寫器發(fā)送密文Ｔｏｋｅｎ１，電子封印解密
Ｔｏｋｅｎ１，并比較ＲＴ 正確后發(fā)送密文Ｔｏｋｅｎ２，讀寫
器解密Ｔｏｋｅｎ２，并比較ＲＲ 正確后認(rèn)證完成，流程
如圖２ 所示。
圖２ 認(rèn)證流程
Ｆｉｇ．２ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
具體流程分為如下步驟：
１）讀寫器發(fā)送認(rèn)證指令。
２）電子封印發(fā)送由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的３２ 位
隨機(jī)數(shù)ＲＴ。
３）讀寫器收到ＲＴ 后產(chǎn)生３２ 位隨機(jī)數(shù)ＲＲ，之
后進(jìn)行第一次ＳＭ７ 分組加密，加密的明文為ＲＲ｜｜
ＲＴ，加密結(jié)束后發(fā)送密文Ｔｏｋｅｎ１（低位先發(fā)）。
４）電子封印接收Ｔｏｋｅｎ１ 之后用ＳＭ７ 算法解
密，得到明文的高３２ ｂｉｔ 內(nèi)容為ＲＲ′，低３２ ｂｉｔ 內(nèi)容
為ＲＴ′。比較ＲＴ′與ＲＴ，如果ＲＴ′與ＲＴ 一致，電子
封印產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)ＲＴ″，并進(jìn)行第一次ＳＭ７ 分組
加密，加密的明文為ＲＴ″｜｜ＲＲ′，加密結(jié)束后發(fā)送
密文Ｔｏｋｅｎ２ （低位先發(fā)），同時(shí)以Ｔｏｋｅｎ２ 為ＩＶ，以
當(dāng)前認(rèn)證所用密鑰ＫＥＹ 進(jìn)行ＳＭ７ 分組加密產(chǎn)生
流加密所需密鑰流Ci。如果ＲＴ’與ＲＴ 不一致，則
認(rèn)證不通過。
５）讀寫器接收到Ｔｏｋｅｎ２ 后用ＳＭ７ 算法解密，
得到明文的低３２ ｂｉｔ 內(nèi)容為ＲＲ″。比較ＲＲ″和ＲＲ，
如果ＲＲ″與ＲＲ 一致，認(rèn)證通過，讀寫器以Ｔｏｋｅｎ２
為ＩＶ，以當(dāng)前認(rèn)證所用密鑰ＫＥＹ 進(jìn)行ＳＭ７ 分組加
密產(chǎn)生流加密所需密鑰流Ｃｉ。如果ＲＲ″與ＲＲ 不
一致，則認(rèn)證不通過。
· ３０８· 電 子 測(cè) 量 與 儀 器 學(xué) 報(bào) 第３０ 卷 4．2 SM7 算法利用分組密碼產(chǎn)生流密碼的方法
利用ＳＭ７ 算法模塊產(chǎn)生密鑰流，使用加密算
法進(jìn)行計(jì)算：
１） 第一次計(jì)算： P０ = ＩＶ，C０ = ＲＦＩＤＳＦ _ Ｅ
［ＫＥＹ］（P０）
其中ＩＶ 為使用ＳＭ７ 算法進(jìn)行雙向認(rèn)證所產(chǎn)
生的認(rèn)證數(shù)據(jù)的最后一個(gè)分組Ｔｏｋｅｎ２。
其中的ＫＥＹ 是使用ＳＭ７ 算法進(jìn)行該次雙向
認(rèn)證時(shí)所使用的１２８ 位密鑰。
２）第二次以及以后的計(jì)算：Pi =Ci -１ ，Ci =
ＲＦＩＤＳＦ_Ｅ［ＫＥＹ］（Pi ） （i≥１）
序列Ci （ｉ≥０）即為分組算法產(chǎn)生的加解密需
要的密鑰流。
３）流加密的計(jì)算：Ei =Ci ⊕ Di
使用流密碼加密時(shí)用明文Di 異或Ci 即得到
密文Ei ，序列Ci 的低位先用。
４）流解密的計(jì)算：Di′=Ci ⊕ Ei
使用流密碼解密時(shí)用密文Ei 異或Ci 即得到
明文Di′， Di′=Di ，序列Ci 的低位先用。
電子封印與讀寫器應(yīng)使用相同的序列Ci ，并
保持i 的同步。如加密通信發(fā)生錯(cuò)誤，則應(yīng)停止使
用當(dāng)前密鑰流Ci ，直至重新啟用新的密鑰流Ci ’。
4．3 使用SM7 算法的加密芯片
使用ＳＭ７ 算法進(jìn)行流加密通信時(shí)，對(duì)應(yīng)用
ＩＳＯ１４４４３ ＴｙｐｅＡ 的芯片可采用以下兩種方式：
１）對(duì)所有物理層通信數(shù)據(jù)進(jìn)行流加密處理，
包括有效數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)位、ＣＲＣ 校驗(yàn)碼等。
２）僅對(duì)通信過程中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行流加密處
理，其它物理層數(shù)據(jù)不做流加密處理，包括奇偶校
驗(yàn)位、ＣＲＣ 校驗(yàn)碼等。
兩種方式的選擇通過Ｓｅlｅｃｔ 指令的返回值
ＳＡＫ 字節(jié)的最高位控制：如果為０，采用第一種方
式；如果為１，采用第二種方式。
使用ＳＭ７ 算法進(jìn)行流加密通信時(shí)，對(duì)應(yīng)用
ＩＳＯ１４４４３ ＴｙｐｅＢ 的芯片可采用以下兩種方式：
１）對(duì)所有物理層通信數(shù)據(jù)進(jìn)行流加密處理，
包括有效數(shù)據(jù)、ＣＲＣ 校驗(yàn)碼等。
２）僅對(duì)通信過程中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行流加密處
理，其它物理層數(shù)據(jù)不做流加密處理，包括ＣＲＣ 校
驗(yàn)碼等。
兩種方式的選擇通過ＲＥＱＢ／ＷＵＰＢ／Ｓlｏｔ-
ＭＡＲＫＥＲ 指令的返回ＡＴＱＢ 的Ｐｒｏｔｏｃｏl 域的Ｐｒｏｔｏｃｏl_
Ｔｙｐｅ 半字節(jié)的最高位控制：如果為０，采用第一
種方式；如果為１，采用第二種方式。
當(dāng)流加密通信建立后，如果需要再次認(rèn)證，則
認(rèn)證的第一條指令仍應(yīng)采用流加密傳輸，而從該指
令的響應(yīng)到認(rèn)證完成之間的所有通信數(shù)據(jù)均不采
用流加密傳輸。
5 RFID 電能計(jì)量封印應(yīng)用情況
與安全特點(diǎn)分析
基于ＲＦＩＤ 的電能計(jì)量封印，目前在部分地區(qū)
（山東、南京、武漢）已經(jīng)開始應(yīng)用，主要作用有三
個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；二是發(fā)揮
封印作用實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備的防竊電保護(hù)；三是
通過提供實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和
實(shí)現(xiàn)防竊電智能分析發(fā)現(xiàn)功能。山東地區(qū)將５３ 萬
專變用戶作為試點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)試點(diǎn)運(yùn)行分析，共分析
專變用戶５３ 萬戶，到１４ 年７ 月份發(fā)現(xiàn)２ ９７４ 戶竊
電嫌疑用戶，其中包含變壓器低負(fù)載運(yùn)行事件５８
起，變壓器超負(fù)荷運(yùn)行事件６７２ 起，計(jì)量失壓事件
７７５ 起，三相電流不平衡事件７ 起，電表示數(shù)下降
事件６７ 起，ＣＴ 回路異常事件３０４ 起，日用電量劇
烈下降事件５５２ 起，異常事件時(shí)間序列關(guān)聯(lián)事件
５６４ 起。充分發(fā)揮了系統(tǒng)作用。
ＳＭ７ 是國(guó)家密碼管理局認(rèn)可的，為電子標(biāo)簽專
門設(shè)計(jì)的商用密碼算法，安全性優(yōu)于市場(chǎng)上常見的
用于電子標(biāo)簽的密碼算法，并且應(yīng)用結(jié)果表明，其
硬件的算法實(shí)現(xiàn)比常見的其他電子標(biāo)簽的密碼算
法運(yùn)算速度更快，整體認(rèn)證效率更高，加密運(yùn)算速
度達(dá)到２８ ＭＢ／ｓ。在認(rèn)證協(xié)議及整體安全性上具
有下述特點(diǎn)：
１）整個(gè)認(rèn)證過程只采用ＳＭ７ 對(duì)稱加密運(yùn)算，
且采用硬件加密芯片實(shí)現(xiàn)加密算法，加密認(rèn)證速度
快，計(jì)算量小，完全符合低成本輕量級(jí)ＲＦＩＤ 應(yīng)用
要求；
２）認(rèn)證過程中協(xié)商產(chǎn)生用于數(shù)據(jù)傳輸通信加
密所采用的流加密密鑰，每次認(rèn)證過程產(chǎn)生的流加
密密鑰是隨機(jī)的，更好地保障了數(shù)據(jù)傳輸通信過程
的數(shù)據(jù)機(jī)密性；
３）對(duì)ＲＦＩＤ 中存儲(chǔ)的物品標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的修改操
作提供訪問密碼驗(yàn)證，對(duì)ＲＦＩＤ 中存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)
第２ 期輕量級(jí)安全的 ＲＦＩＤ 電能計(jì)量封印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) · ３０９· 區(qū)數(shù)據(jù)提供ＭＡＣ 驗(yàn)證，提供了更好的ＲＦＩＤ 數(shù)據(jù)
完整性保護(hù)；
４）標(biāo)簽中存儲(chǔ)的全球唯一，永久不可更改的
ＴＩＤ 可用于ＲＦＩＤ 標(biāo)簽的防偽識(shí)別，防偽性能高于
鉛封、條碼封印和二維碼封印；
５）更方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集過
程安全有保障，實(shí)現(xiàn)了智能化用電和智能防竊電。
6 結(jié) 論
該種基于ＲＦＩＤ 的智能計(jì)量封印既能夠用于
防偽封印，起到目前鉛封的作用，又能夠方便智能
電能表的管理，滿足流水線檢定要求和具有防竊電
功能，但是其價(jià)格因素是目前影響其廣泛應(yīng)用的關(guān)
鍵因素。另外，用于智能計(jì)量封印的該種射頻標(biāo)簽
雖然具備了完整性、機(jī)密性保護(hù)功能，能夠避免非
授權(quán)人的非法寫入、篡改和識(shí)別，但是在對(duì)付對(duì)于
射頻標(biāo)簽的物理克隆方面（包括對(duì)射頻標(biāo)簽ＴＩＤ
的克隆，雖然這樣做代價(jià)很高，但仍然存在可能
性），目前仍然沒有合適的解決辦法。
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作者簡(jiǎn)介
周振柳，１９７１ 年出生，１９９４ 年于沈陽航空航天大學(xué)獲
得學(xué)士學(xué)位，２０００ 年于沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所獲得碩士學(xué)
位，２００８ 年于中國(guó)科學(xué)院研究生院獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為沈
陽工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全。
Ｅ-ｍａｉl： ｚｈｏｕｚl＠ｓｉｅ．ｅｄｕ．ｃｎ
Zhou Zhenliu ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ １９７１．Ｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｂ．Ｓｃ．
ｆｒｏｍ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ １９９４， Ｍ．Ｓｃ．ｆｒｏｍ
Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｉｎ ２０００ ａｎｄ Ｐｈ．Ｄ．ｆｒｏｍ
Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｉｎ ２００８，
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅlｙ．Ｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ａ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ｉｎ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．
Ｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｍａｉｎlｙ ｉｎｃlｕｄｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ
ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．
李豐鵬， １９８２ 年出生，２００５ 年于東北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)
位，２００８ 年于英國(guó)桑德蘭大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為沈陽工
程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)管理。
Ｅ-ｍａｉl： Ｌｉｆｐ＠ｓｉｅ．ｅｄｕ．ｃｎ
Li Fengpeng ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ １９８２．Ｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｂ．Ｓｃ．ｆｒｏｍ
Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ ２００５ ａｎｄ Ｍ．Ｓｃ．ｆｒｏｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｕｎｄｅｒlａｎｄ， ＵＫ， ｉｎ ２００８， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅlｙ．Ｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ａ lｅｃｔｕｒｅｒ
ｉｎ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ
ｍａｉｎlｙ ｉｎｃlｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏlｏｇｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．
鄭安剛， １９７６ 年出生， １９９９ 年于武漢水利電力大學(xué)獲
得學(xué)士學(xué)位，２０１４ 年于北京郵電大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為
中國(guó)電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏I(yíng)
銷計(jì)量及用電信息采集。
Ｅ-ｍａｉl： ｚｈｅｎｇａｎｇａｎｇ＠ｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ
Zheng Angang ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ １９７６．Ｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｂ．Ｓｃ．
ｆｒｏｍ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕlｉｃ ａｎｄ Ｅlｅｃｔｒｉｃａl Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｉｎ １９９９ ａｎｄ Ｍ．Ｓｃ．ｆｒｏｍ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅlｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
ｉｎ ２０１４， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅlｙ．Ｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ａ ｓｅｎｉｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅlｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｍａｉｎlｙ ｉｎｃlｕｄｅ ｅlｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｍａｒｋｅｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．

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