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新一代無線射頻標籤(Gen2v2)之創新與挑戰
簡宏宇
國立暨南國際大學資管系 [email protected]
摘要
無線射頻辨識在現在生活中已被普遍應用，但也因其設計時的限制使得其市場上的 發展似乎並不如預期的順利。這眾多因素包括：讀取距離、讀取穩定度、安全功能、隱 私保護、及彈性化檔案管理等等。在過去無線射頻辨識的發展歷史中，不同的應用有不 同的功能需求及安全需求，也因此發展出不同規格的無線射頻辨識的標準及卡片。EPC Global 為整合上訴需求及改善之前規格的弱點特發展新的 EPC Class 2 Generation 2
version 2(簡稱Gen2v2) ，試圖以單一標準滿足多樣的功能需求；然而其功能複雜且彈性
也讓非專業人員難以理解及應用。本論文旨在介紹 Gen2v2 標準、功能、指令，並討論 其挑戰，希望透過這些介紹提供相關學界及業界一些參考並一起為此一新領域共同努 力。
關鍵字：無線射頻辨識, Gen2, 認證, 隱私。
The Innovations and Challenges of a New RFID- EPC Class 2 Generation 2 Version 2
Abstract
Radio Frequency IDentification (RFID) has been one of the universal technologies applied in our daily life, and some weaknesses and limitations have blocked its penetration and application. These obstacles include reading distance, stead-ability of reading, security functions, privacy protection and flexible file management. Before various RFID standards and products have been ratified and produced to different market sectors. EPC Global then designs a new RFID standard- EPC Glass 2 Generation 2 Version 2 (Gen2v2 for short) - to integrate all the requirements and improve the weaknesses of existent standards. However, the new standard is powerful, flexible but quite complicated so that even the related industries find it difficult to comprehend and apply. This report tries to introduce the new standards, the commands, and the memories, and discuss the challenges. I hope this could introduce thie standard to the academia and industry.
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Keywords: RFID, authentication, privacy, EPC global.
壹、 前言
RFID是無線射頻辨識(Radio Frequency Identification)，是一種無線通訊技術，經由標 籤、讀取器、後端資料庫和伺服器這些系統架構所組成。RFID 的讀取器所發送的電波 可依頻率區大致區分為：低頻(Low Frequency)簡稱LF、高頻(High Frequency)簡稱HF、
超高頻(Ultra High Frequency)簡稱UHF和微波(Microwave )共4種。市場上常見的標準 化的RFID產品包括MIFARE、ISO 15693、EPC Gen 2 [2] 三種類型。MIFARE系列是
荷蘭商PHILIP公司所設計、開發的非接觸式智慧卡，其設計是遵循ISO 14443A規格；
此類產品的特點包括高頻、具一系列不同等級的標籤記憶體保護，最常見的應用是身分 辨識卡、悠遊卡等等；它的安全功能範圍極廣:從簡單的密碼或沒保護一直到橢圓密碼系 統、數位簽章等等。ISO15693標準定義了工作在13.56Mhz下智慧標籤和讀寫器的空氣 介面及數據通信規範，符合此標準的標籤最遠識讀距離達到2公尺即可擁有較多的記憶 體；以往常用在圖書館管理等等；安全保護只有最簡單的記憶體鎖定功能。EPC Global 設計了一系列的 RFID標準，其中最廣為人知的是 EPC Class 2 Generation 2 Version 1
(Gen2)，它採用超高頻段(UHF) 860M～960MHz頻寬工作，並能在十公尺距離每秒讀取
多達一千個標籤，且傳輸速率較快，因此被視為物流應用的最佳技術；但讀取不穩定、
隱私及安全保護弱一直是它的致命傷。
原本EPCglobal所推出的Gen2 (簡稱Gen2v1)[2]是針對物流辨識的應用所設計，但由
於其大量、快速及提供較遠讀取距離等優異特性，使得 Gen2v1已被大量用在其他產業，
如零售、身份辨識、票卡、資產管理、圖書館及醫療等[16] [17][18][19][20][21]；這些應 用也因此突顯出原本 Gen2v1 規格功能、安全及隱私保護上的不足[5]。因此，在 2013 年11月EPCglobal公布了新的Gen2規格，即Gen2 version 2(簡稱Gen2v2)[6]，以因應
Gen2v1在眾多產業應用上安全及隱私保護的不足。
Gen2v2 功能包括新的安全架構及指令以支援各項隱私保護及安全機制的設計，以及
新的檔案管理與存取權限等等。新的架構非常有彈性、功能強大且複雜，目前學界及產 業界極缺乏相關的安全機制設計及應用設計參考；因此時至 2014 年市面上仍無相關產 品，2015年開始有少許產品宣稱符合 Gen2v2，但只支援其最簡單的指令及功能。面對 此新的規格、指令及架構，再加上許多指令及功能都是選項 (標準中列為選項，廠商得 自由選擇是否實作)，不僅學界及工業界不知如何發揮其功能及如何正確應用，連傳統 標籤製造商也面臨不知如何組合那些功能選項生產以滿足市場需求；因此本報告旨在介 紹其功能架構及指令，並討論其挑戰； 希望更多學界及工業界人士能投入此一領域以
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期趕上國際上下一波的創新機會。
由於Gen2v2標準相當複雜，本文將著重在資安人士較關心的記憶體管理及指令部分，
有興趣的讀者可以參考標準文件以了解更多細節。以下本報告組織如下：第二節介紹
Gen2v2 記憶體，第三節介紹指令，第四節介紹幾個現有商品，第五節是個人對其推廣
的觀察，最後第六節是我們的結論。
圖 1： Gen2v2 記憶體架構
貳、 EPC Gen2 V2 記憶體介紹 [1][7][8][9][12]
Gen2v2的記憶體分配在邏輯上分為四個BANK：Reserved memory (BANK00)、EPC
memory (BANK01)、TID memory (BANK10)、User memory (BANK11)。Reserved memory 存放著kill password及access password，以用於對標籤執行kill指令、lock指令及安全 存取指令；此部分為選項，沒有實作此部分的標籤視同為 zero-value access password 或 zero-value kill password。
EPC memory 分成三 個 必 要部分 以 及 一個選 項 。 三個必要 部分包括 CRC-16、
PC(Protocol-Control)及產品電子碼 (EPC)；選項為 第一 XPC word 及第二XPC word。
CRC-16 部分主要是當標籤 power up 或更新其 EPC 碼 (EPC code)時計算及儲存其 對應之錯誤檢查碼。PC word 編碼主要是區分為 GS1 Global 計畫編碼及非 GS1 Global 計畫編碼。XPC word 是選項，其中與安全及隱私相關的部分包括: U bit 以控制是否可 被追蹤，K bit 以控制標籤是否可被銷毀，NR bit 控制標籤是否可從被貼物件上移除，
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H bit 代表是否貼在危險物品上等等。
TID memory 的編碼分兩類。若類別辨識碼 (class identifier)是E0 則儲存唯一的標籤 ID，包含8 bits的類別碼(class-identifier value)、12 bits的標籤製造商代碼(manufacturer identifier)及48 bits的標籤製造商定義的標籤序號。若類別辨識碼 (class identifier)是E2 則依照 ISO/IEC 15963 編碼。
User memory 則是允許使用者自行定義、儲存資料和使用記憶體。User memory
(BANK11)可以分割成零個、一個或數個Files，如果只有一個 File 則為 File_0，若有數
個Files則可支援File_N，N >0。File-management存取指令也是選擇性的指令，分別為 FileOpen, FileList, FileSetup, and FilePrivilege，File數量最多可以擴充到1023個files (0 to 1022)，而每個file可以1023 blocks(0–1022)，每個block可以有1–1024 words，所以整 個File最多有1.996MB可以使用。
Gen2v2 與 Gen2v1 主要不同之處包括: (1) User memory 允許更彈性的檔案管理
(可建置許多檔案以及各個檔案可以依不同的 key 來決定不同的存取權限)，(2)各個
Banks 可以設定不同的隱藏設定 (可依讀取器權限來設定可讀取段落)。
參、 EPC Gen2 V2 指令介紹
Gen2v2可簡化看成是以前所有的 RFID標準的大整合，所以一些個別 RFID標準的
特性或長處在 Gen2v2 都看的到，尤其是長距離讀取及安全與隱私保護的加強；但因為 很多功能都是選項，這使得生產及應用相對很複雜。本節我們從它的基本功能架構介紹 起，再介紹其選項功能及指令。Gen2v2延續 Gen2v1的存取架構：原本 Gen2v1指令旨 在支援標籤讀取的三個階段：Select、Inventory、以及 Access [2][3][10][11]。Select 階 段主要目的在設定那些標籤進入被選定狀態，Inventory 階段旨在取得個標籤的唯一識 別碼以進行下階段的存取，最後是 Access 階段對個別標籤做存取。Gen2v1 指令包括:
Select、Query、QueryRep、QueryAdjust、Req_RN、read、write、 kill, Lock、Access、
BlockWrite、BlockErase；基於篇幅考量我們在此略過這些基本指令的介紹。新的 Gen2v2
延續了原先的三階段操作架構也繼承了原先的指令，但也擴充了三方面的指令：(1)安全 部分- Challenge, BlockPermalock, Authenticate, AuthComm, SecureComm, Keyupdate, TagPrivilege, ReadBuffer；(2) 隱 私 保 護 部 分: Untraceabe；(3)檔 案 管 理 部 分 ： File-management: FileOpen, FileList, FilePrivilege, FileSetup。本文將針對與隱私保護及檔 案讀取有關的指令做進一步介紹。
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3.1安全及隱私保護相關指令
Challenge
Challenge 指令主要用來讓讀取器指示標籤先行計算與安全套件所標示之密碼計算
並儲存在暫存區以利後續的認證協定運行。Challenge指令是一個廣播指令，可讓讀卡 機一次向多個標籤發出請求，藉由標籤的回應來得知該標籤是否擁有對應密鑰，
Challenge指令至少包含48位元與一個message欄位，message欄位用於存放認證所需
要的參數。
表 1： Challenge Command (Table 6.31 of [6])
Authenticate
Authenticate 指令是一個單一 (singlulated)指令，非廣播指令；主要功能為讓讀卡機
與標籤相互進行身份認證，Authenticate 指令至少包含 64 位元與一個 message 欄位，
message欄位用於存放認證所需要的參數。
表 2： Authenticate (Table 6.58 of [6])
而SecureComm和AuthComm 指令主要目的為建立溝通的通道；SecureComm的功
能為加密標籤的訊息；AuthComm 則是用來認證標籤的訊息；Keyupdate 的功能為允許 讀卡機寫入或修改儲存在標籤內的金鑰。
Untraceable
Untraceable指令可以：
1. 對標籤EPC memory選擇是否隱藏全部的EPC或是部分的EPC；對TID memory 可以選擇不隱藏、隱藏一部分及隱藏全部的TID；對User memory可以不隱藏 及隱藏全部。
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2. 對沒有Untraceable權限的讀取器隱藏所有資料。
3. 減少標籤的讀取距離；範圍有三種，依序為 normal, toggle temporarily 及 reduced。
Untraceable指令為選擇性指令，在EPCglobal的規格書中，若讀取器及標籤皆有實
做Untraceable指令，就必須依照下表實作 (細部參數說明請參考 [6])：
表3： Untraceable指令
Command RFU U EPC TID User Range RN CRC
# of
bits 16 2 1 6 2 1 2 16 16
descri ption
11100010 00000000
00 0: Deassert U 1: Assert U
MSB:
0: show memory above EPC 1: hide memory above EPC LSB: 5 bits
00: hide none 01: hide some 10: hide all 11: RFU
0: view 1: hide
00: normal 10: toggle
temporarily 10: reduced 11: RFU
Handle CRC-16
Keyupdate
Keyupdate 的功能為允許讀卡機寫入或修改儲存在標籤內的金鑰。
ReadBuffer
ReadBuffer 指令主要是為讀取器可以讀取之前標籤所計算及儲存之密碼計算以便
做相關的認證(或其它密碼協定)之進行。
3.2 檔案管理相關指令
User memory (BANK 112)可以分割成零個、一個或數個 Files，如果只有一個 File 則為File_0，若有數個Files則可支援File_N，N >0。File-management存取指令也是選 擇性的指令，分別為FileOpen, FileList, FileSetup, and FilePrivilege，File數量最多可以擴 充到1023個files (0 to 1022)，而每個file可以1023 blocks(0–1022)，每個block可以有1–
1024 words，所以整個File最多有1.996MB可以使用。
File-management支援的指令包括：(1) FileOpen：開啟一個檔案，每一次只能開啟
一個，開啟後的檔案才能做讀取、寫入等功能； (2) FileList：列出檔案的類型、大小、
可讀取的權限；(3) FileSetup：設置檔案的類型、大小；(4) FilePrivilege：設置檔案的讀 取權限。
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肆、 EPC Gen2V2 現有商品
雖然 Gen2v2 標準在 2013年年底已公布，但相關商品至 2014年底及 2015才有少 量的發表。 個人認為與其彈性及複雜的指令架構有關係。目前國際上支援 Gen2v2 產 品包括幾個大 RFID 晶片設計商:MicroElectronic、 NXP 與 Impiji。
EM MicroElectronic 的 EM4423是 NFC 與 Gen2v2 雙頻晶片，其對 Gen2v2 的支 援160-bit or 64-bit USER memory bank 與 32-bit access password[13]。
NXP 的 UCode 7 IC- SL3S1204 支援 Gen2v2 128-bit EPC 碼，沒有 User Bank，支 援 32位元 Access password 與 32 位元 Kill password [14]。
Impiji 也宣稱支援 Gen2v2，但迄今無法取得其相關產品的資料。Tagmaster 是一家
RFID系統商，主要專精於長距離之交通工具辨識。 TagMaster 宣稱系統方案中將採用 符合 NXP UCODE DNA tag IC 之讀取器 [15]。
伍、 討論
從上節介紹中我們約略可見雖然 Gen2v2 功能強大可支援各式應用，但廠商產品仍 只支援極少數的 Gen2v2功能及指令。這現象與其複雜性有關析，工業界及學界對其指 令的理解及掌握仍需要一段時間的努力，因而系統商須仰賴晶片製造商的支援，晶片製 造商的生產需仰賴市場的反應需求及系統商的系統開發。然而使用者及系統商仍需一段 時間去消化吸收這些技術。
個人認為另外一件挑戰 Gen2v2 推廣的因素是製造商如何選擇那些功能來設計及 生產晶片。傳統製造商製造的晶片或產品就算是有些功能是選項，但選項都只佔規格功 能的極少部分；但在 Gen2v2 規格中卻是佔極大部分，因此在生產時到底應選擇那些選 項設計生產是項極大挑戰；這些關係到成本、目標應用市場、相容性等等。因此從業界、
使用者及學界需要就潛力之應用去設計規畫可能的指令組合及應用[4]。當某些代表性應 用被設計開發出來時，相對之指令組合產品才能被規劃與量產[4]。有了量產與相容性保 證也才有助於產品價格被一般市場所接受。
EPC Global 到目前只規範了功能架構及指令，但後續的認證協定及其它密碼協議機
制仍待發展、討論、及規範；從市面上產品也看出此一發展的落後，這部分亟待相關產 業及學界的努力；但到目前為止，國際上只有極少數學界研究投入此一挑戰 [3][22]。
依據相關新聞稿 EPC Global 預定於 2015年底制定部分的密碼協議標準，但依據過去 密碼技術研發的歷史來看，資訊的透通及透過更多人的努力才能使穩定及安全的機制能 夠更快被發展出來。
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陸、 結論
本報告已介紹新的 Gen2v2 標準中主要功能及相關指令：記憶體規劃、安全指令、
隱私保護指令、檔案管理指令；我們也粗淺的討論市場相關產品及可能面對的挑戰。由 於這些新功能強大且有彈性，可以取代現有 RFID 標準以開發相關的應用及一些潛在的 新應用。然而，也因為其功能選項組合頗為新穎且複雜，目前學術界及工業界尚無法掌 握其功能以開發相關應用；利用相關的功能組合以設計生產合適的晶片以符合各主要應 用之市場需求是另一項亟待解決的問題；最後，利用 Gen2v2 功能架構及指令設計各種 密碼協議也需更多學界及工業界一起努力。
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