Reducing RFID Reader Load with the Meet-in-the-Middle Strategy

In almost any RFID system, a reader needs to identify, and optionally authenticate, a multitude of tags. If each tag has a unique secret, identification and authentication are trivial, however, the reader (or a back-end server) needs to perform a brute-force search for each tag-reader interaction. In this paper, we suggest a simple, efficient and secure technique that reduces reader computation to $O(\sqrt N \cdot \log N)$. Our technique is based on the well-known ``meet-in-the-middle\u27\u27 strategy used in the past to attack certain symmetric ciphers

Security and Performance Analysis for RFID Protocols

Radio Frequency Identification (RFID) is an advanced object identification technology that has already been applied in various industries. However, the insecure nature of the communication channel between readers and tags makes RFID systems vulnerable to various kinds of attacks. In recent years, many new methods have been proposed to improve the security of RFID systems, such as disabling tags, agent management and establishing cryptographic protocols. Among them, we focus on the last approach, which is more economic and convenient in certain cases. The first part of our work is to categorize typical existing RFID protocols according to their security levels. The result is vitally important to RFID system administrators who need to find different protocols to be implemented in their systems. The trade-off to be made in decision is that higher security level typically implies worse performance. We examine the performance in two aspects: the look-up cost in RFID reader’s back-end database and the tag-related cost. The tag-related cost includes the cryptographic operation cost (cryptographic computation cost along with access operatio

Privacy in rfid and mobile objects

Los sistemas RFID permiten la identificación rápida y automática de etiquetas RFID a través de un canal de comunicación inalámbrico. Dichas etiquetas son dispositivos con cierto poder de cómputo y capacidad de almacenamiento de información. Es por ello que los objetos que contienen una etiqueta RFID adherida permiten la lectura de una cantidad rica y variada de datos que los describen y caracterizan, por ejemplo, un código único de identificación, el nombre, el modelo o la fecha de expiración. Además, esta información puede ser leída sin la necesidad de un contacto visual entre el lector y la etiqueta, lo cual agiliza considerablemente los procesos de inventariado, identificación, o control automático. Para que el uso de la tecnología RFID se generalice con éxito, es conveniente cumplir con varios objetivos: eficiencia, seguridad y protección de la privacidad. Sin embargo, el diseño de protocolos de identificación seguros, privados, y escalables es un reto difícil de abordar dada las restricciones computacionales de las etiquetas RFID y su naturaleza inalámbrica. Es por ello que, en la presente tesis, partimos de protocolos de identificación seguros y privados, y mostramos cómo se puede lograr escalabilidad mediante una arquitectura distribuida y colaborativa. De este modo, la seguridad y la privacidad se alcanzan mediante el propio protocolo de identificación, mientras que la escalabilidad se logra por medio de novedosos métodos colaborativos que consideran la posición espacial y temporal de las etiquetas RFID. Independientemente de los avances en protocolos inalámbricos de identificación, existen ataques que pueden superar exitosamente cualquiera de estos protocolos sin necesidad de conocer o descubrir claves secretas válidas ni de encontrar vulnerabilidades en sus implementaciones criptográficas. La idea de estos ataques, conocidos como ataques de “relay”, consiste en crear inadvertidamente un puente de comunicación entre una etiqueta legítima y un lector legítimo. De este modo, el adversario usa los derechos de la etiqueta legítima para pasar el protocolo de autenticación usado por el lector. Nótese que, dada la naturaleza inalámbrica de los protocolos RFID, este tipo de ataques representa una amenaza importante a la seguridad en sistemas RFID. En esta tesis proponemos un nuevo protocolo que además de autenticación realiza un chequeo de la distancia a la cual se encuentran el lector y la etiqueta. Este tipo de protocolos se conocen como protocolos de acotación de distancia, los cuales no impiden este tipo de ataques, pero sí pueden frustrarlos con alta probabilidad. Por último, afrontamos los problemas de privacidad asociados con la publicación de información recogida a través de sistemas RFID. En particular, nos concentramos en datos de movilidad que también pueden ser proporcionados por otros sistemas ampliamente usados tales como el sistema de posicionamiento global (GPS) y el sistema global de comunicaciones móviles. Nuestra solución se basa en la conocida noción de k-anonimato, alcanzada mediante permutaciones y microagregación. Para este fin, definimos una novedosa función de distancia entre trayectorias con la cual desarrollamos dos métodos diferentes de anonimización de trayectorias.Els sistemes RFID permeten la identificació ràpida i automàtica d’etiquetes RFID a través d’un canal de comunicació sense fils. Aquestes etiquetes són dispositius amb cert poder de còmput i amb capacitat d’emmagatzematge de informació. Es per això que els objectes que porten una etiqueta RFID adherida permeten la lectura d’una quantitat rica i variada de dades que els descriuen i caracteritzen, com per exemple un codi únic d’identificació, el nom, el model o la data d’expiració. A més, aquesta informació pot ser llegida sense la necessitat d’un contacte visual entre el lector i l’etiqueta, la qual cosa agilitza considerablement els processos d’inventariat, identificació o control automàtic. Per a que l’ús de la tecnologia RFID es generalitzi amb èxit, es convenient complir amb diversos objectius: eficiència, seguretat i protecció de la privacitat. No obstant això, el disseny de protocols d’identificació segurs, privats i escalables, es un repte difícil d’abordar dades les restriccions computacionals de les etiquetes RFID i la seva naturalesa sense fils. Es per això que, en la present tesi, partim de protocols d’identificació segurs i privats, i mostrem com es pot aconseguir escalabilitat mitjançant una arquitectura distribuïda i col•laborativa. D’aquesta manera, la seguretat i la privacitat s’aconsegueixen mitjançant el propi protocol d’identificació, mentre que l’escalabilitat s’aconsegueix per mitjà de nous protocols col•laboratius que consideren la posició espacial i temporal de les etiquetes RFID. Independentment dels avenços en protocols d’identificació sense fils, existeixen atacs que poden passar exitosament qualsevol d’aquests protocols sense necessitat de conèixer o descobrir claus secretes vàlides, ni de trobar vulnerabilitats a les seves implantacions criptogràfiques. La idea d’aquestos atacs, coneguts com atacs de “relay”, consisteix en crear inadvertidament un pont de comunicació entre una etiqueta legítima i un lector legítim. D’aquesta manera, l’adversari utilitza els drets de l’etiqueta legítima per passar el protocol d’autentificació utilitzat pel lector. Es important tindre en compte que, dada la naturalesa sense fils dels protocols RFID, aquests tipus d’atacs representen una amenaça important a la seguretat en sistemes RFID. En aquesta dissertació proposem un nou protocol que, a més d’autentificació, realitza una revisió de la distància a la qual es troben el lector i l’etiqueta. Aquests tipus de protocols es coneixen com a “distance-boulding protocols”, els quals no prevenen aquests tipus d’atacs, però si que poden frustrar-los amb alta probabilitat. Per últim, afrontem els problemes de privacitat associats amb la publicació de informació recol•lectada a través de sistemes RFID. En concret, ens concentrem en dades de mobilitat, que també poden ser proveïdes per altres sistemes àmpliament utilitzats tals com el sistema de posicionament global (GPS) i el sistema global de comunicacions mòbils. La nostra solució es basa en la coneguda noció de privacitat “k-anonymity” i parcialment en micro-agregació. Per a aquesta finalitat, definim una nova funció de distància entre trajectòries amb la qual desenvolupen dos mètodes diferents d’anonimització de trajectòries.Radio Frequency Identification (RFID) is a technology aimed at efficiently identifying and tracking goods and assets. Such identification may be performed without requiring line-of-sight alignment or physical contact between the RFID tag and the RFID reader, whilst tracking is naturally achieved due to the short interrogation field of RFID readers. That is why the reduction in price of the RFID tags has been accompanied with an increasing attention paid to this technology. However, since tags are resource-constrained devices sending identification data wirelessly, designing secure and private RFID identification protocols is a challenging task. This scenario is even more complex when scalability must be met by those protocols. Assuming the existence of a lightweight, secure, private and scalable RFID identification protocol, there exist other concerns surrounding the RFID technology. Some of them arise from the technology itself, such as distance checking, but others are related to the potential of RFID systems to gather huge amount of tracking data. Publishing and mining such moving objects data is essential to improve efficiency of supervisory control, assets management and localisation, transportation, etc. However, obvious privacy threats arise if an individual can be linked with some of those published trajectories. The present dissertation contributes to the design of algorithms and protocols aimed at dealing with the issues explained above. First, we propose a set of protocols and heuristics based on a distributed architecture that improve the efficiency of the identification process without compromising privacy or security. Moreover, we present a novel distance-bounding protocol based on graphs that is extremely low-resource consuming. Finally, we present two trajectory anonymisation methods aimed at preserving the individuals' privacy when their trajectories are released

Desarrollo de un sistema exportable de confianza corporativa: Aplicación a entornos de trazabilidad de productos

Cada vez es más habitual que en los procesos de fabricación participen diversos fabricantes y empresas. Por otro lado, una característica de los productos muy valorada hoy en día por los consumidores, es la calidad. Ya no es suficiente con producir barato, sino que cada vez es más importante producir con calidad, siendo ésta un factor diferenciador de las manufacturas que se realizan bajo las diversas marcas. La calidad se está integrando cada vez más en las empresas y en sus procesos productivos y de gestión, como un valor añadido y diferenciador del producto. Es habitual encontrar diversos controles de calidad a lo largo de los procesos de fabricación. Lo que ya no es tan habitual es que se pueda identificar a los operarios encargados del control de calidad. A lo sumo, el encargado del control de calidad final deja algún tipo de identificación (por ejemplo un pequeño adhesivo o etiqueta con un número impreso), pero esta identificación carece de sentido en cuanto el producto entra en otra cadena de producción o llega al comprador. En este escenario, aparece otro factor importante como es la confianza. En los actuales sistemas productivos se deben establecer relaciones de confianza entre las empresas encargadas de las diferentes fases de producción (todas esperan que las demás hagan su trabajo según lo acordado). Además, los agentes designados para verificar la adecuación de los productos a lo esperado en las diversas fases de producción, son depositarios de la confianza de la empresa a la que pertenecen. El objetivo principal de la tesis es el desarrollo de un modelo de confianza corporativa exportable, que sea sencillo y económico de implementar. Para ello, se ha propuesto un sistema confiable de identidad digital de los productos. Es decir, cada producto posee un conjunto de atributos que definen su identidad digital, que lo hace único, pero además, cada uno de estos atributos está avalado por el agente de control que lo verificó, por tanto se puede afirmar que es una identidad de calidad. Con este planteamiento, y con una infraestructura mínima, se pueden integrar en el sistema todos los procesos y compañías involucrados en la cadena de producción, bajo un sello de calidad común: la identidad de calidad del producto. Para comprobar la validez de esta propuesta, se ha realizado una prueba de concepto, integrando este sistema de identidad de calidad en un entorno de trazabilidad alimentaria basada en RFID (identificación por radiofrecuencia). Este prototipo, que sirve para securizar la trazabilidad de un producto cárnico elaborado, se ha realizado sobre la tecnología de etiquetado basada en RFID. Con esta tecnología, y para las condiciones ambientales donde se ha desarrollado el proceso de producción de las piezas a controlar en este caso concreto, el tipo de etiquetas idóneo dispone de una cantidad de memoria extremadamente reducida. Además, debido a que anualmente deben utilizarse cientos de miles de etiquetas, el coste de estas etiquetas debe ser sumamente bajo, por lo que sólo es posible utilizar etiquetas muy sencillas (y por tanto sin capacidades de cálculo). Para poder utilizar este tipo de etiquetas, se ha planteado que las operaciones criptográficas no sean realizadas en la etiqueta, sino en un sistema externo basado en una Infraestructura de Clave Pública (PKI), de manera que la etiqueta sólo sirve como soporte de datos en texto plano (sin cifrar), pero firmados electrónicamente. Para resolver el problema del poco espacio de memoria disponible para las firmas de los diferentes agentes de control, se ha recurrido a la utilización de firmas agregadas. Además, al trabajar con criptografía de curvas elípticas, el tamaño de la firma es notablemente menor, para un mismo nivel de seguridad, que el de otros sistemas. Adicionalmente, el sistema propuesto permite transferir la confianza entre las compañías implicadas en un proceso de producción (basta compartir las claves públicas de los firmantes y sus nombres), y se adapta a cualquier entorno productivo. Por todo ello, el sistema propuesto resuelve de forma eficaz la integración de diversas empresas en el proceso de fabricación de un producto, con escaso coste, y permitiendo una verificación de la identidad digital en cualquier parte del proceso, incluida la fase de comercialización

Design and Analysis of Security Schemes for Low-cost RFID Systems

With the remarkable progress in microelectronics and low-power semiconductor technologies, Radio Frequency IDentification technology (RFID) has moved from obscurity into mainstream applications, which essentially provides an indispensable foundation to realize ubiquitous computing and machine perception. However, the catching and exclusive characteristics of RFID systems introduce growing security and privacy concerns. To address these issues are particularly challenging for low-cost RFID systems, where tags are extremely constrained in resources, power and cost. The primary reasons are: (1) the security requirements of low-cost RFID systems are even more rigorous due to large operation range and mass deployment; and (2) the passive tags' modest capabilities and the necessity to keep their prices low present a novel problem that goes beyond the well-studied problems of traditional cryptography. This thesis presents our research results on the design and the analysis of security schemes for low-cost RFID systems. Motivated by the recent attention on exploiting physical layer resources in the design of security schemes, we investigate how to solve the eavesdropping, modification and one particular type of relay attacks toward the tag-to-reader communication in passive RFID systems without requiring lightweight ciphers. To this end, we propose a novel physical layer scheme, called Backscatter modulation- and Uncoordinated frequency hopping-assisted Physical Layer Enhancement (BUPLE). The idea behind it is to use the amplitude of the carrier to transmit messages as normal, while to utilize its periodically varied frequency to hide the transmission from the eavesdropper/relayer and to exploit a random sequence modulated to the carrier's phase to defeat malicious modifications. We further improve its eavesdropping resistance through the coding in the physical layer, since BUPLE ensures that the tag-to-eavesdropper channel is strictly noisier than the tag-to-reader channel. Three practical Wiretap Channel Codes (WCCs) for passive tags are then proposed: two of them are constructed from linear error correcting codes, and the other one is constructed from a resilient vector Boolean function. The security and usability of BUPLE in conjunction with WCCs are further confirmed by our proof-of-concept implementation and testing. Eavesdropping the communication between a legitimate reader and a victim tag to obtain raw data is a basic tool for the adversary. However, given the fundamentality of eavesdropping attacks, there are limited prior work investigating its intension and extension for passive RFID systems. To this end, we firstly identified a brand-new attack, working at physical layer, against backscattered RFID communications, called unidirectional active eavesdropping, which defeats the customary impression that eavesdropping is a ``passive" attack. To launch this attack, the adversary transmits an un-modulated carrier (called blank carrier) at a certain frequency while a valid reader and a tag interacts at another frequency channel. Once the tag modulates the amplitude of reader's signal, it causes fluctuations on the blank carrier as well. By carefully examining the amplitude of the backscattered versions of the blank carrier and the reader's carrier, the adversary could intercept the ongoing reader-tag communication with either significantly lower bit error rate or from a significantly greater distance away. Our concept is demonstrated and empirically analyzed towards a popular low-cost RFID system, i.e., EPC Gen2. Although active eavesdropping in general is not trivial to be prohibited, for a particular type of active eavesdropper, namely a greedy proactive eavesdropper, we propose a simple countermeasure without introducing extra cost to current RFID systems. The needs of cryptographic primitives on constraint devices keep increasing with the growing pervasiveness of these devices. One recent design of the lightweight block cipher is Hummingbird-2. We study its cryptographic strength under a novel technique we developed, called Differential Sequence Attack (DSA), and present the first cryptanalytic result on this cipher. In particular, our full attack can be divided into two phases: preparation phase and key recovery phase. During the key recovery phase, we exploit the fact that the differential sequence for the last round of Hummingbird-2 can be retrieved by querying the full cipher, due to which, the search space of the secret key can be significantly reduced. Thus, by attacking the encryption (decryption resp.) of Hummingbird-2, our algorithm recovers 36-bit (another 28-bit resp.) out of 128-bit key with $2^{68}$ ($2^{60}$ resp.) time complexity if particular differential conditions of the internal states and of the keys at one round can be imposed. Additionally, the rest 64-bit of the key can be exhaustively searched and the overall time complexity is dominated by $2^{68}$. During the preparation phase, by investing $2^{81}$ effort in time, the adversary is able to create the differential conditions required in the key recovery phase with at least 0.5 probability. As an additional effort, we examine the cryptanalytic strength of another lightweight candidate known as A2U2, which is the most lightweight cryptographic primitive proposed so far for low-cost tags. Our chosen-plaintext-attack fully breaks this cipher by recovering its secret key with only querying the encryption twice on the victim tag and solving 32 sparse systems of linear equations (where each system has 56 unknowns and around 28 unknowns can be directly obtained without computation) in the worst case, which takes around 0.16 second on a Thinkpad T410 laptop

Privacy-preserving E-ticketing Systems for Public Transport Based on RFID/NFC Technologies

Pervasive digitization of human environment has dramatically changed our everyday lives. New technologies which have become an integral part of our daily routine have deeply affected our perception of the surrounding world and have opened qualitatively new opportunities. In an urban environment, the influence of such changes is especially tangible and acute. For example, ubiquitous computing (also commonly referred to as UbiComp) is a pure vision no more and has transformed the digital world dramatically. Pervasive use of smartphones, integration of processing power into various artefacts as well as the overall miniaturization of computing devices can already be witnessed on a daily basis even by laypersons. In particular, transport being an integral part of any urban ecosystem have been affected by these changes. Consequently, public transport systems have undergone transformation as well and are currently dynamically evolving. In many cities around the world, the concept of the so-called electronic ticketing (e-ticketing) is being extensively used for issuing travel permissions which may eventually result in conventional paper-based tickets being completely phased out already in the nearest future. Opal Card in Sydney, Oyster Card in London, Touch & Travel in Germany and many more are all the examples of how well the e-ticketing has been accepted both by customers and public transport companies. Despite numerous benefits provided by such e-ticketing systems for public transport, serious privacy concern arise. The main reason lies in the fact that using these systems may imply the dramatic multiplication of digital traces left by individuals, also beyond the transport scope. Unfortunately, there has been little effort so far to explicitly tackle this issue. There is still not enough motivation and public pressure imposed on industry to invest into privacy. In academia, the majority of solutions targeted at this problem quite often limit the real-world pertinence of the resultant privacy-preserving concepts due to the fact that inherent advantages of e-ticketing systems for public transport cannot be fully leveraged. This thesis is aimed at solving the aforementioned problem by providing a privacy-preserving framework which can be used for developing e-ticketing systems for public transport with privacy protection integrated from the outset. At the same time, the advantages of e-ticketing such as fine-grained billing, flexible pricing schemes, and transparent use (which are often the main drivers for public to roll out such systems) can be retained