第5章-數(shù)據(jù)的完整性與數(shù)據(jù)的安全性-1-2

物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用第5章

數(shù)據(jù)的完整性與數(shù)據(jù)的安全性點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用 RFID系統(tǒng)是一個開放的無線系統(tǒng)，外界的各種干擾容易使數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生錯誤，同時數(shù)據(jù)也容易被外界竊取，因此需要有相應(yīng)的措施，使數(shù)據(jù)保持完整性和安全性。點擊此處結(jié)束放映數(shù)據(jù)的完整性5.1數(shù)據(jù)的安全性5.2物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

點擊此處結(jié)束放映數(shù)據(jù)的完整性5.1在RFID系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾源嬖趦蓚€方面的問題：1、外界的各種干擾可能使數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生錯誤；2、多個應(yīng)答器同時占用信道使發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。運用數(shù)據(jù)檢驗（差錯檢測）和防碰撞算法可分別解決這兩個問題。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾源嬖谀男﹩栴}？物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用

在讀寫器與電子標(biāo)簽的無線通信中，存在許多干擾因素，最主要的干擾因素是信道噪聲和多卡操作。在RFID系統(tǒng)中，為防止各種干擾和電子標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)的碰撞，經(jīng)常采用差錯控制和防碰撞算法來分別解決這兩個問題。點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用5.1.2數(shù)據(jù)傳輸中的防碰撞問題

在RFID系統(tǒng)中，讀寫器的作用范圍經(jīng)常有多個電子標(biāo)簽同時要求通信，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常發(fā)生碰撞問題，因此需要對防碰撞進(jìn)行研究。點擊此處結(jié)束放映一、產(chǎn)生碰撞的原因

在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，因為多個讀寫器或多個標(biāo)簽，造成的讀寫器之間或標(biāo)簽之間的相互干擾，統(tǒng)稱為碰撞。1什么是碰撞1、標(biāo)簽碰撞2、讀寫器碰撞2碰撞的類型電子標(biāo)簽1電子標(biāo)簽2電子標(biāo)簽4電子標(biāo)簽3電子標(biāo)簽5電子標(biāo)簽1電子標(biāo)簽2電子標(biāo)簽4電子標(biāo)簽3電子標(biāo)簽5R1RrRrReader2Reader1讀寫器-讀寫器頻率干擾

R1為Reader1的干擾范圍

Rr為Reader1和Reader2的讀取范圍

從標(biāo)簽T反射到讀寫器Reader2的信號很容易被從Reader1發(fā)出的信號干擾。Tag讀寫器碰撞Tag3Tag2Tag1Reader1Reader2多讀寫器一標(biāo)簽干擾

標(biāo)簽1接收到的信息為兩個讀寫器發(fā)射信號的矢量和,是一個未知信號。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?/p>

（1）無線電廣播方式

讀寫器發(fā)送的信號同時被多個電子標(biāo)簽接收。點擊此處結(jié)束放映不需拆箱即可同時讀取多筆資料橘色參考書一本藍(lán)色字典一本灰色小說一本

如何解決碰撞的問題呢？無線通信技術(shù)中，通信碰撞的四種解決防碰撞方法：空分多址(SDMA)頻分多址(FDMA)碼分多址(CDMA)時分多址(TDMA)二、防碰撞機(jī)制的實現(xiàn)1、空分多址SDMA法空間分割多重存取ReaderTagTagTag

分離的空間范圍內(nèi)重新使用確定的資源（通信容量）1、自適應(yīng)SDMA，電子控制定向天線，天線的方向直接對準(zhǔn)某個標(biāo)簽2、減少單個讀寫器的作用范圍讀寫器Tag1Tag3Tag5Tag4Tag2閱讀器廣播命令閱讀器讀寫區(qū)域f1f2f3f4f52、頻分多址FDMA法RFID系統(tǒng)把不同載波頻率的傳輸通道分別提供給電子標(biāo)簽用戶

不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來區(qū)分，或者說，靠信號的不同波形來區(qū)分。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信號是互相重疊的。CDMA是利用不同的碼序列分割成不同信道的多址技術(shù)。

CDMA的頻帶利用率低，信道容量較小，地址碼選擇較難、接收時地址碼捕獲時間較長，其通信頻帶和技術(shù)復(fù)雜性在RFID系統(tǒng)中難以應(yīng)用。3、碼分多址(CDMA)

4、時間分割TDMAa’b’c’abcReaderTag1Tag2Tag3a’ab’bc’c

TDMA是把整個可供使用的信道容量按時間分配給多個同戶的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（2）多路存取方式

在這種工作方式中，讀寫器的工作范圍同時有多個電子標(biāo)簽，多個電子標(biāo)簽同時將數(shù)據(jù)傳送給讀寫器。點擊此處結(jié)束放映標(biāo)簽控制（驅(qū)動法）以電子標(biāo)簽為主控器，讀寫器對數(shù)據(jù)傳輸沒有控制。該方法控制很慢不靈活。閱讀器控制（詢問驅(qū)動法）所有標(biāo)簽同時由閱讀器進(jìn)行控制和檢測，通過一定算法，在所有標(biāo)簽中選擇其中一個標(biāo)簽，然后進(jìn)行相互通信（如鑒別、讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)）。為了選擇另一個標(biāo)簽，應(yīng)該解除原來的通信關(guān)系，因為在某一時間內(nèi)只能建立起唯一的通信關(guān)系，即單個標(biāo)簽占用信道通信，可以按時間順序快速地操作眾多標(biāo)簽。所以閱讀器控制的方法也稱作定時雙工傳輸法。三、防碰撞算法時分多路（TDMA）ALOHA算法二進(jìn)制樹型搜索算法物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用2.防碰撞算法

現(xiàn)有的RFID防碰撞算法都是基于TDMA算法，可劃分為Aloha防碰撞算法和基于二進(jìn)制搜索（BinarySearch，BS）算法兩大類。Aloha防碰撞算法有ALOHA算法、時隙ALOHA算法；BS防碰撞算法有二進(jìn)制樹型搜索算法、修剪枝的二進(jìn)制樹型搜索算法等。點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（1）ALOHA算法 Aloha是1968年美國夏威夷大學(xué)一項研究計劃的名字，Aloha網(wǎng)絡(luò)是世界上最早的無線電計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。ALOHA采用的是一種隨機(jī)接入的信道訪問方式。ALOHA算法因具有簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點而成為應(yīng)用最廣的算法之一。點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用（2）時隙ALOHA算法

幀時隙（FSA）ALOHA算法是基于通信領(lǐng)域的ALOHA協(xié)議提出的。在FSA中，幀(Frame)是由讀寫器定義的一段時間長度，其中包含若干個時隙(Slot)，電子標(biāo)簽在每個幀內(nèi)隨機(jī)選擇一個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。在幀時隙ALOHA算法中，信道的利用率有所提高。點擊此處結(jié)束放映1、ALOHA防碰撞算法

Aloha協(xié)議或稱Aloha技術(shù)、Aloha網(wǎng)，是世界上最早的無線電計算機(jī)通信網(wǎng)。Aloha網(wǎng)絡(luò)可以使分散在各島的多個用戶通過無線電信道來使用中心計算機(jī)，從而實現(xiàn)一點到多點的數(shù)據(jù)通信。第一個使用無線電廣播來代替點到點連接線路作為通信設(shè)施的計算機(jī)系統(tǒng)是夏威夷大學(xué)的ALOHA系統(tǒng)。該系統(tǒng)所采用的技術(shù)是地面無線電廣播技術(shù)，采用的協(xié)議就是有名的ALOHA協(xié)議，叫做純ALOHA(PureALOHA)。以后，在此基礎(chǔ)上，又有了許多改進(jìn)過的ALOHA協(xié)議被用于衛(wèi)星廣播網(wǎng)和其它廣播網(wǎng)絡(luò)。各種ALOHA算法：純ALOHA算法、時隙ALOHA算法、幀時隙ALOHA算法、動態(tài)幀時隙ALOHA算法。ALOHA算法的模型圖純ALOHA算法思想：只要用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就盡管讓他們發(fā)送

純ALOHA算法的標(biāo)簽讀取過程：（1）各個標(biāo)簽隨機(jī)的在某時間點上發(fā)送信息。（2）閱讀器檢測收到的信息，判斷是成功接收或者碰撞。（3）若判斷發(fā)生碰撞，則標(biāo)簽隨機(jī)等待一段時間再重新發(fā)送信息。純ALOHA存在的問題：（1）錯誤判決。即對同一個標(biāo)簽，如果連續(xù)多次發(fā)生碰撞，則將導(dǎo)致閱讀器出現(xiàn)錯誤判斷，認(rèn)為標(biāo)簽不在閱讀器作用范圍內(nèi)。（2）數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程中發(fā)生碰撞的概率很大。過多的碰撞導(dǎo)致吞吐量下降系統(tǒng)性能降低。

解決方向：減小碰撞發(fā)生次數(shù)縮短重發(fā)延時

存在的問題？？？吞吐率S---代表有效傳輸?shù)膶嶋H總數(shù)據(jù)率，即在觀察時間T0內(nèi)標(biāo)簽成功通信的平均次數(shù)輸入負(fù)載G---發(fā)送的總數(shù)據(jù)率，即觀察時間T0內(nèi)標(biāo)簽的平均到達(dá)次數(shù)S=G*Pe

其中Pe是到達(dá)的標(biāo)簽?zāi)艹晒ν瓿赏ㄐ诺母怕市阅芊治鲇筛怕收撝R：Pe=e-2G所以：純ALOHA算法的吞吐率為：S=G*e-2G

當(dāng)輸入負(fù)載G=0.5時，系統(tǒng)的吞吐率達(dá)到最大值0.184。由于純ALOHA算法中存在碰撞概率較大，在實際中，該算法僅適于只讀型的標(biāo)簽，即閱讀器只負(fù)責(zé)接收標(biāo)簽發(fā)射的信號，標(biāo)簽只負(fù)責(zé)向閱讀器發(fā)射信號的情況。時隙ALOHA算法在ALOHA算法的基礎(chǔ)上把時間分成多個離散時隙(slot)，并且每個時隙長度要大于標(biāo)簽回復(fù)的數(shù)據(jù)長度，標(biāo)簽只能在每個時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。每個時隙存在：

a空閑時隙：此時隙內(nèi)沒有標(biāo)簽發(fā)送

b成功識別時隙：僅一個標(biāo)簽發(fā)送且被正確識別

c碰撞時隙：多個標(biāo)簽發(fā)送，產(chǎn)生碰撞

時隙ALOHA算法的吞吐率為：S=G*e-G當(dāng)輸入負(fù)載G=1時，系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大值0.368，避免了純ALOHA算法中的部分碰撞，提高了信道的利用率。需要一個同步時鐘以使閱讀器閱讀區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽的時隙同步。時隙ALOHA算法示意圖FrameSlottedAloha(FSA)將N個時隙組成一幀，一幀中包含的時隙數(shù)固定，標(biāo)簽隨機(jī)選擇N個時隙中的一個與閱讀器通信，一旦碰撞則等待下一幀，重新選擇時隙重發(fā)信息。優(yōu)點：簡化了時隙Aloha的隨機(jī)退避機(jī)制。缺點：當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)大于N時，出現(xiàn)“餓死現(xiàn)象”；當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于N時，較多時隙空閑，產(chǎn)生浪費。固定幀時隙Aloha運用于RFID系統(tǒng)示意圖

幀時隙ALOHA算法動態(tài)幀時隙ALOHA算法（DFSA）

動態(tài)幀時隙Aloha運用于RFID系統(tǒng)示意圖當(dāng)系統(tǒng)待識別標(biāo)簽數(shù)較多時，動態(tài)增加幀長，可以降低時隙碰撞率，提高系統(tǒng)性能；當(dāng)系統(tǒng)待識別標(biāo)簽數(shù)較少時，動態(tài)減少幀長，可以降低空閑時隙比率，提高時隙利用率，提高系統(tǒng)性能；2、二進(jìn)制樹型搜索算法

沖突節(jié)點非沖突節(jié)點011011100101樹分叉算法基本思想是：將處于碰撞的標(biāo)簽分成左右兩個子集0和1，先查詢子集0，若沒有碰撞，則正確識別標(biāo)簽，若仍有碰撞則分裂，把1子集分成10和11兩個子集，直到識別子集1中所有標(biāo)簽。101100001110??????射頻卡1射頻卡2讀寫器譯碼

在二進(jìn)制搜索算法的實現(xiàn)中，起決定作用的是讀寫器所使用的信號編碼必須能夠確定碰撞的準(zhǔn)確比特位置。曼徹斯特碼(Mancherster)可在多卡同時響應(yīng)時，譯出錯誤碼字，可以按位識別出碰撞。這樣可以根據(jù)碰撞的位置，按一定法則重新搜索射頻卡。范例A:10100111B:10110101C:10101111D:10111101R:11111111R:11111111送REQUEST（11111111）命令，要求區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽應(yīng)答，根據(jù)曼徹斯特編碼，解碼數(shù)據(jù)為101??1?1,發(fā)生碰撞，算法做下如下，將碰撞的最高置0，其它碰撞位置1。得下次的REQUEST(10101111)???R表示閱讀器ImprovedAnti-collisionAlgorithm搜尋過程第一次搜尋第二次搜尋第三次搜尋第四次搜尋第五次搜尋發(fā)送序號接收序號TagATagBTagCTagD1010011110110101101011111011110111111111101??1?11010111110100111101011111010?1111010011110100111識別TagA10110101101011111011110111111111101??1?11010111110101111識別TagBImprovedAnti-collisionAlgorithm搜尋過程第六次搜尋第七次搜尋第八次搜尋第九次搜尋第十次搜尋發(fā)送序號接收序號TagATagBTagC

TagD1011010110111101111111111011?10110110101101101011011110110111101識別TagC識別TagD

射頻卡進(jìn)入讀寫器的工作范圍，讀寫器發(fā)出一個最大序列號讓所有射頻卡響應(yīng)；同一時刻開始傳輸它們的序列號到讀寫器的接收模塊。

讀寫器對比射頻卡響應(yīng)的序列號的相同位數(shù)上的數(shù)。出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象即有的序列號該位為0，而有的序列號該位為1

把有不一致位的數(shù)從最高位到低位依次置O再輸出系列號，即依次排除序列號大的數(shù)，至讀寫器對比射頻卡響應(yīng)的序列號的相同位數(shù)上的數(shù)完全一致時，說明無碰撞。選出序列號最小的數(shù)后，對該標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后使該卡進(jìn)入“無聲”狀態(tài)。YN二進(jìn)制搜索算法的工作流程是：TYPEA（位檢測防碰撞協(xié)議）幀有3種類型：短幀、標(biāo)準(zhǔn)幀和面向比特的防碰撞幀。四、ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)中的防碰撞協(xié)議

短幀標(biāo)準(zhǔn)幀43面向比特防碰撞幀加校驗位不加校驗位不加校驗位命令集

REQA/WUPA命令PCD給PICC發(fā)送查詢信息。這兩個命令為短幀。REQA編碼為26H（高半字節(jié)取3位），WUPA編碼為52H（高半字節(jié)取3位），

ATQA應(yīng)答

PCD發(fā)出REQA命令后，處于休閑狀態(tài)的PICC都應(yīng)同步地以ATQA應(yīng)答PCD，PCD檢查是否有碰撞備用經(jīng)營者編碼UID大小00：UID級長為101：UID級長為210：UID級長為3比特幀防碰撞方式，僅有1位設(shè)置成1UID結(jié)構(gòu)定義注：UID可以是一個固定的唯一序列號，也可以使由PICC動態(tài)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。CT：級聯(lián)標(biāo)志，編碼為88H命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

組成域SELNVBUIDCLnBCC說明1字節(jié)1字節(jié)0～4字節(jié)1字節(jié)命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

組成域SELNVBUIDCLnBCC說明1字節(jié)1字節(jié)0～4字節(jié)1字節(jié)PCD發(fā)送的字節(jié)數(shù)命令的非完整字節(jié)最后一位的位數(shù)命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

組成域SELNVBUIDCLnBCC說明1字節(jié)1字節(jié)0～4字節(jié)1字節(jié)BCC：是UIDCLn的校驗位，是UIDCLn的4個字節(jié)的異或。命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

組成域SELNVBUIDCLnBCC說明1字節(jié)1字節(jié)0～4字節(jié)1字節(jié)若NVB=70H，即指示其后有40個有效位，則應(yīng)添加CRC-A（2字節(jié)），此時為SELECT命令。若NVB指示其后少于40個有效位，則為ANTICOLLISION命令。命令集

SAK應(yīng)答

PCD發(fā)送SELECT命令后，與40位UID匹配的PICC以SAK作為應(yīng)答。UID不完整，還有未被確認(rèn)部分UID完整，PICC遵守ISO-14443-4標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議命令集

HALT命令PICC的狀態(tài)Power-off（斷電）狀態(tài)沒有足夠的載波能量，PICC沒有工作，也不能發(fā)送反射波。Idle（休閑）狀態(tài)

PICC已經(jīng)上電，能夠解調(diào)信號，并能夠識別有效的REQA和WAKE-UP命令。

Ready（就緒）狀態(tài)實現(xiàn)位幀的防碰撞算法或其它可行的防碰撞算法。

Active（激活）狀態(tài)

PCD通過防碰撞已經(jīng)選出了單一的卡。Halt（停止）狀態(tài)53防碰撞流程54TYPEB的防碰撞協(xié)議（時隙ALOHA算法）REQB/WUPB命令前綴APf=05H應(yīng)用簇標(biāo)識符，代表由PCD指定的應(yīng)用類型（見表4.8）=0為REQB命令=1為WUPB命令當(dāng)AFI匹配且N=1時，PICC應(yīng)答REQB/WUPB命令當(dāng)AFI匹配但N≠1時，PICC要選擇隨機(jī)時間片（在1～N之間），若N=1立即應(yīng)答；若N>1等待SLOT-MARKER命令來匹配時間片。55TYPEB的防碰撞協(xié)議SLOT-MARKER命令若多個PICC在同一時間進(jìn)行應(yīng)答發(fā)生碰撞時，PCD應(yīng)發(fā)出時間片SLOT-MARKER命令。PCD給出命令為第nnnn個時間片，當(dāng)PICC產(chǎn)生的隨機(jī)時間片等于nnnn時才應(yīng)答。56TYPEB的防碰撞協(xié)議ATQB應(yīng)答用于防碰撞期間區(qū)分PICC，它由PICC動態(tài)產(chǎn)生的數(shù)或各種固定的數(shù)，僅在Idle狀態(tài)改變其值協(xié)議信息：比特率、最大幀長、協(xié)議類型等AFI（1個字節(jié)）CRC-B（2個字節(jié)）應(yīng)用數(shù)量（1個字節(jié)）：指示在PICC中有關(guān)應(yīng)用的出現(xiàn)情況。PICC對REQB/WUPB命令和SLOT-MARKER命令的應(yīng)答都是ATQB57TYPEB的防碰撞協(xié)議ATTRIB命令PICC在ATQB應(yīng)答中PUPI值PCD接收到正確的ATQB應(yīng)答后發(fā)出ATTRIB命令。PICC發(fā)送副載波之前的最小延遲時間、PICC向PCD通信時是否需要SOF（幀開始）或EOF（幀結(jié)束）、最大幀長度、比特率等信息注：通過ATTRIB命令，PCD可以實現(xiàn)對某個PICC的選擇，使其進(jìn)入active狀態(tài)。高層信息，長度可為0字節(jié)，選用時用于傳送高層信息。58TYPEB的防碰撞協(xié)議對ATTRIB命令的應(yīng)答

對高層命令的響應(yīng)，長度可為0字節(jié)最大緩沖器容量索引。PICC通過該編碼告知PCD，PICC能夠接收的鏈接鏈的最大值。返回CID值，若PICC不支持CID，則其編碼為