458 计算机学报 2013年 正好满足了这一需求.RFID是一种非接触式的自 为数据管理提供基本的安全保障，能够有效地实现 动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并 认证并且保护用户隐私，实现RFID数据管理的可 获取相关数据，识别工作无须人工干预.作为一种简 信性；对RFID系统进行性能评测与分析，其目的在 单的无线系统，RFID系统只有两个基本器件，一个 于验证在真实环境下物理层的关键因素对系统识别刷 是阅读器，另一个是标签.其基本工作原理是：阅读器 性能的影响，确保数据管理的可靠性.深入探究三者 以广播方式连续向周围发送携带能量的基准信号， 之间的联系，我们发现任一研究问题均对其余二者 感应到能量的标签通过调制电路信号以反射的方式 产生影响：防冲突算法能够提供最根本的数据传输 向阅读器返回自身携带的数据，阅读器对接收到的 支持，安全协议能够实现必要的安全保障，性能评测 数据进行解码，并传给主机进行处理.通过上述方 能够验证在真实环境下的系统运行性能.上述三方 式，RFID系统能够提供有效的身份信息(Identity) 面研究问题与RFID系统协议栈的对应关系如图1 和地址信息(Location).相比于其它智能系统， 所示，可以看到三者之间相互联系，又各有侧重. RFID系统具有如下鲜明特点：(1)能够实现非接触 RFD数据管理 式的快速自动识别；(2)标签内能够永久存储一定 可靠性 高效性 可信性 大小的数据：(3)标签内含一定数目的逻辑门能够 价 进行简单的逻辑处理；(4)标签具有普通无线设备 性能 防冲突 安全 的物理属性：(5)标签成本低廉，可以大量部署.因 评测 算法 协议 此，作为物联网感知识别层面的一项关键技术， RFID技术能够使得物联网中的每一个物体被唯一 物理层 媒体访问 控制层 应用层 地识别，并且能够携带规范而具有互用性的信息，在 RFID系统协议栈 无源的情况下有效实现“被动智能”，为“物-物相联” 提供根本保障。 图1各研究问题之间的逻辑层次关系 在物联网环境下，RFID系统被部署和应用的 本文第2节主要介绍RFID的标签识别协议与 根本目的是：针对具体的应用需求，对被标识的物理 防冲突算法，着重阐述RFID标签识别机制、数目估 对象进行合理有效的信息收集，为上层应用提供最 算机制以及轮询机制方面的研究工作：第3节主要 基本的数据支持.因此，任何一种具体的RFD应用 介绍RFID的认证与隐私保护协议，对RFID的安 都依赖于对RFID数据实现有效的数据管理.所谓 全与隐私问题进行探讨与分析，并对RFID安全方 数据管理是指结合RFID系统的应用需求实现有效 面的三类主流技术进行总结；第4节对真实环境下 且有针对性的数据收集、分析挖掘以及数据安全保 RFID系统性能的评测与分析方面的研究工作进行 障等操作.在现有的物联网体系架构中，数据管理起 介绍；第5节对RFID数据管理相关的其它开放性 着承上启下的关键作用：一方面，物联网需要从感知 问题的研究进展进行总结；第6节展望RFID未来 到的海量原始数据中提取有效信息并进行管理，为 的研究方向；最后对全文进行总结 上层的特定应用提供数据支撑；另一方面，物联网需 要结合具体的数据管理需求来组织感知识别层面的 2RFID标签识别协议与防冲突算法 众多节点，在网络层面进行优化调度与资源配置，以 更有效地指导下层协议与算法的设计实现. 2.1RFID的标签识别协议 基于上述认识，本文关注RFID数据管理问题， 在通常的RFID应用中，大量的RFID标签往 以数据管理的核心技术为切入点，分别从RFID的 往被广泛地部署在指定区域中.为了能够快速有效 防冲突算法、RFID的认证与隐私保护协议以及真 地识别这些标签，阅读器需要在RFID标签识别协 实环境下RFID系统数据收集的性能评测与分析 议中使用一套有效的防冲突算法来逐一读取这些标 3个方面对RFID数据管理技术的研究与进展进行 签.在无线通信环境下，普通的无线设备主要基于载 分析与讨论.图1展示了上述3个方面研究问题之 波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的竞争机 间的逻辑层次关系.其中，研究防冲突算法的目的是 制来实现多个设备之间的通信，如802.11协议.与 为MAC层提供一套快速的标签识别机制，实现 普通的无线节点不同，RFID标签是极为简单的无 RFID数据管理的高效性；研究安全协议的目的是 线设备，标签上的资源极其有限，不能够自发地通过458 计 算 机 学 报 正 好满 足 了这 一 需 求 ．RFID是 一 种 非 接 触 式 的 自 动 识别 技术 ，它 通 过 射频 信 号 自动 识 别 目标 对 象 并 获 取相 关 数据 ，识别 工作 无 须人 工干 预．作 为 一种 简 单 的无 线 系 统 ，RFID 系统 只有 两 个 基 本 器件 ，一 个 是 阅读器 ，另 一个是标 签．其基本 工作原 理是 ：阅读 器 以广播方式连续向周 围发送携带能量 的基准信号 ， 感应到能量的标签通过调制 电路信号以反射的方式 向阅读 器 返 回 自身 携 带 的数 据 ，阅读 器 对 接 收 到 的 数据进行解码 ，并 传给 主机进行处理．通过 上述方 式 ，RFID 系统 能够 提 供 有 效 的身 份 信 息 (Identity) 和地 址 信 息 (Location)．相 比 于 其 它 智 能 系 统 ， RFID 系统 具有 如下 鲜 明特点 ：(1)能 够实 现 非 接触 式 的快速 自动识 别 ；(2)标 签 内能 够 永 久 存 储 一 定 大小 的数 据 ；(3)标 签 内含 一 定 数 目的逻 辑 门能 够 进行 简单 的逻 辑处 理 ；(4)标 签 具 有 普 通 无 线 设 备 的物理 属性 ；(5)标 签 成 本 低 廉 ，可 以 大 量 部 署 ．因 此 ，作 为 物 联 网感 知 识 别 层 面 的 一 项 关 键 技 术 ， RFID技术能够使得物联 网中的每一个物体被 唯一 地识 别 ，并且 能 够携 带规 范而 具有 互用 性 的信 息 ，在 无 源 的情况 下有 效 实现 “被动 智 能”，为 “物一物相 联 ” 提 供根 本保 障 ． 在 物联 网环 境 下 ，RFID 系 统 被 部 署 和 应 用 的 根 本 目的是 ：针 对具 体 的应用 需 求 ，对 被标 识 的物 理 对象进行合理有效 的信息收集 ，为上层应用提供最 基本的数据支持．因此 ，任何一种具体的 RFID应用 都 依赖 于 对 RFID 数 据 实 现 有 效 的数 据 管 理 ．所 谓 数据管理是指结合 RFID系统的应用需求实现有效 且 有 针对 性 的数据 收 集 、分 析挖 掘 以及 数 据 安 全 保 障等操 作 ．在 现有 的物 联 网体 系架构 中 ，数据 管理 起 着承 上启 下 的关键 作 用 ：一 方 面 ，物 联 网需要 从感 知 到 的海量 原始 数 据 中 提 取有 效 信 息 并 进 行 管 理 ，为 上层 的特 定应 用 提供 数据 支撑 ；另 一方 面 ，物联 网需 要结 合具 体 的数 据管 理需 求来 组织 感 知识 别层 面 的 众 多节 点 ，在 网络 层 面进 行优 化调 度 与资 源配 置 ，以 更有效地指导下层协议与算法 的设计实现． 基 于上 述认识 ，本文关 注 RFID数 据 管 理 问题 ， 以数据管理的核心技术为切入点 ，分别从 RFID的 防 冲突算 法 、RFID 的认 证 与 隐私 保 护 协 议 以及 真 实 环境 下 RFID 系 统 数 据 收 集 的 性 能 评 测 与 分 析 3个 方 面对 RFID数据 管 理 技术 的研 究 与 进 展进 行 分 析 与讨论 ．图 1展 示 了上 述 3个 方 面 研 究 问题 之 间的逻辑层次关系．其中，研究防冲突算法的目的是 为 MAC层 提供 一套 快 速 的标 签识 别 机 制，实 现 RFID数 据管 理 的 高 效 性 ；研 究 安 全 协 议 的 目的 是 为数据 管 理提供 基 本 的安 全 保 障 ，能 够 有 效地 实 现 认 证并 且保 护 用 户 隐 私 ，实 现 RFID数 据 管 理 的 可 信 性 ；对 RFID 系统 进行 性能 评测 与 分 析 ，其 目的 在 于验证 在 真实 环境 下物 理层 的关 键 因素对 系统 识 别 性能 的影 响 ，确保数 据 管理 的可 靠性 ．深入 探究 三 者 之 间的联 系 ，我们 发 现 任 一研 究 问题 均 对 其 余 二 者 产生 影 响 ：防冲突 算 法 能 够 提供 最 根 本 的数 据 传 输 支持 ，安全 协 议能 够实 现必 要 的安全 保 障 ，性 能评 测 能够 验证 在 真实 环境 下 的 系统 运 行 性 能．上 述 三 方 面研 究 问题 与 RFID 系统 协 议 栈 的对 应 关 系 如 图 1 所示 ，可 以看 到 三者 之间相 互 联系 ，又各 有侧 重． 图 1 各研 究 问 题 之 I司的逻 辑 层 次 关 系 本 文第 2节 主要 介 绍 RFID的标 签 识别 协 议 与 防冲 突算法 ，着 重 阐述 RFID标签 识 别 机制 、数 目估 算 机制 以及 轮 询机 制 方 面 的研究 工 作 ；第 3节 主 要 介 绍 RFID 的认 证 与 隐私 保 护 协 议 ，对 RFID 的 安 全 与 隐私 问题 进 行 探 讨 与 分 析 ，并 对 RFID 安 全 方 面 的三类 主 流技术 进 行 总 结 ；第 4节 对 真 实 环 境 下 RFID 系统性 能 的评 测 与 分析 方 面 的研 究 工 作 进 行 介 绍 ；第 5节 对 RFID 数 据 管 理 相 关 的 其 它 开 放 性 问题 的研 究 进展 进 行 总 结 ；第 6节 展 望 RFID 未 来 的研 究方 向 ；最后 对全 文进 行 总结 ． 2 RFID标签识别协议 与防冲突算 法 2．1 RFID的标 签识 别协 议 在 通常 的 RFID 应 用 中 ，大 量 的 RFID 标 签 往 往被广泛地部署在指定区域 中．为了能够快速有效 地 识别 这些 标 签 ，阅读 器 需 要 在 RFID标 签 识 别 协 议 中使用一套有效的防冲突算法来逐一读取这些标 签 ．在 无线 通信 环境 下 ，普通 的无 线设 备 主要基 于载 波侦听多路访 问／冲突避免 (CSMA／CA)的竞争机 制来实现多个设备之间的通信 ，如 802．11协议．与 普通的无线 节点不 同，RFID 标签是极为简单 的无 线 设备 ，标 签 上 的资源极 其 有 限 ，不 能够 自发 地通 过