FM1208非接觸CPU卡讀寫系統(tǒng)的研制

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　引 言

　　隨著非接觸邏輯加密卡的不斷應(yīng)用,，其技術(shù)的不足之處也日益暴露,，難以滿足更高的安全性和更復(fù)雜的多應(yīng)用的需求。2008年,，互聯(lián)網(wǎng)上公布了破解Mifare Classic IC芯片(即M1芯片)密碼的方法,；德國研究員亨里克·普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亞大學(xué)計算機(jī)科學(xué)在讀博士卡爾斯滕·諾爾(Karsten Noh1)成功地破解了恩智浦半導(dǎo)體的Mirare經(jīng)典芯片的安全算法；德國Virginia大學(xué)和荷蘭Radboud大學(xué)兩個獨立研究小組分別證實了 Mi-fare芯片的易受攻擊性,，并發(fā)表了破解芯片加密算法的論文以及演示了實際操作芯片的破解過程,。

　　破解事件公開后，荷蘭內(nèi)務(wù)部大臣特霍斯特在接受媒體采訪時表示,，全球多達(dá)10億張IC卡中所使用的一項技術(shù)可輕易破解,。此次破解風(fēng)波經(jīng)過國內(nèi)媒體的轉(zhuǎn)載報道后，在我國引起了軒然大波,，城市公用事業(yè)IC卡應(yīng)用作為非接觸式邏輯加密卡的應(yīng)用大戶,，不得不讓我們靜下心來認(rèn)真思考城市公用事業(yè)IC卡系統(tǒng)的安全問題及未來走向,。如果掌握了破解技術(shù)，不法分子可以很低的經(jīng)濟(jì)成本對采用該芯片的各類“一卡通”,、門禁卡進(jìn)行非法充值或復(fù)制,，這將帶來很大的社會安全隱患。因此,，非接觸CPU智能卡技術(shù)正成為一種技術(shù)上更新?lián)Q代的選擇,，用CPU卡替換邏輯加密卡的時代已到來。

　　1 非接觸邏輯加密卡Mifare卡的安全性問題

　　Philips公司(現(xiàn)NXP)的Mifare 1卡片,，在非接觸卡應(yīng)用領(lǐng)域占有全球80％的市場份額,，是目前非接觸智能卡的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也成為ISO14443-A的工作草案,。

　　 Mifare的安全認(rèn)證依賴于每個扇區(qū)獨立的KEYA和KEYB的校驗,，可以通過扇區(qū)控制字對KEYA和KEYB的不同安全組合，實現(xiàn)扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫安全控制,。其個人化也比較簡單,，主要包括數(shù)據(jù)和各扇區(qū)KEYA、KEYB的更新,，在其間所有敏感數(shù)據(jù)(包括KEYA和KEYB)都是直接以明文的形式更新的,。

　　KEYA和KEYB的校驗機(jī)制只能解決卡片對終端的認(rèn)證，而無法解決終端對卡片的認(rèn)證,，即存在俗稱為“偽卡”的風(fēng)險,。

　　Mifare的密鑰就是一個預(yù)先設(shè)定的固定密碼，無論用什么方法計算密鑰,，最后一定要和原先寫入的固定密碼一致,，就可以對被保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。因此無論是一卡一密的系統(tǒng)還是統(tǒng)一密碼的系統(tǒng),，經(jīng)過破解都可以實現(xiàn)對非接觸邏輯加密卡的解密,。有種觀點認(rèn)為，只要是采用了一卡一密,、實時在線系統(tǒng),，或非接觸邏輯加密卡的ID號，就能避免密鑰被解密,。其實,，非接觸邏輯加密卡被解密就意味著M1卡可以被復(fù)制，使用在線系統(tǒng)盡管可以避免被非法充值,，但是不能保證非法消費,，即復(fù)制一張一樣ID號的M1卡，就可以進(jìn)行非法消費。現(xiàn)在的技術(shù)使用FPGA就可以完全復(fù)制,?；谶@個原理，Mifare的門禁卡也是不安全的,。

　　2 非接觸CPU卡的特點與優(yōu)勢

　　非接觸CPU卡,，也稱智能卡，卡內(nèi)的集成電路中帶有微處理器CPU,、存儲單元(包括隨機(jī)存儲器RAM,、程序存儲器ROM(Flash)、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPROM)以及芯片操作系統(tǒng)COS,。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺微型計算機(jī),，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能,。

　　非接觸CPU智能卡與非接觸邏輯加密卡相比,，有以下特點：

　　①芯片和COS的安全技術(shù)為CPU卡提供了雙重的安全保證,；
　?、趽碛歇毩⒌腃PU處理器和芯片操作系統(tǒng)；
　?、蹖τ嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求較低,，可實現(xiàn)脫機(jī)操作，可實現(xiàn)真正意義上的一卡多用,，每個應(yīng)用之間相互獨立,，并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)；
　?、芙灰字凶詣颖ＷC數(shù)據(jù)的完整性(防拔),；
　　⑤可以更靈活地支持各種不同的應(yīng)用需求,，更安全的設(shè)計交易流程；
　?、蕺毩⒌谋Ｃ苣K——使用相應(yīng)的實體SAM卡密鑰實現(xiàn)加密,、解密以及交易處理，從而完成與用戶卡之間的安全認(rèn)證,。

　　非接觸CPU智能卡的優(yōu)勢是：

　?、傧冗M(jìn)性。CPU卡可以作為銀行的金融卡使用,，代表當(dāng)前IC卡應(yīng)用的最高安全等級,，正成為IC卡應(yīng)用中的主流產(chǎn)品。
　?、谝?guī)范性,。支持符合 ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)的T=0,、T=1通信協(xié)議，符合《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》,、《中國金融集成電路(IC)卡應(yīng)用規(guī)范》,，支持符合銀行規(guī)范的電子錢包、電子存折功能,。
　?、奂嫒菪浴Ｓ捎谟兄袊嗣胥y行的統(tǒng)一規(guī)范及嚴(yán)格檢測,，CPU卡具有很好的兼容性,、安全性。芯片和COS的安全技術(shù)為CPU卡提供了雙重的安全保證,；支持DES,、TripleDES等加密算法，支持線路加密,、線路保密功能,，防止通信數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改，使用過程密鑰實現(xiàn)加密,、解密,。
　　④可擴(kuò)展性,?？ㄆС侄喾N容量選擇，如2 KB,、4 KB,、8 KB、16KB,、32KB的EEPROM空間,。CPU卡從卡結(jié)構(gòu)到卡容量可以很容易擴(kuò)展到多種應(yīng)用，可以與銀行聯(lián)合,，實現(xiàn)真正意義上的一卡多用,。
　　⑤安全性,。與邏輯加密卡相比,，由于智能卡內(nèi)部具有CPU芯片，在具有數(shù)據(jù)判斷能力的同時,，也具備了數(shù)據(jù)分析處理能力,，因此智能卡可以隨時區(qū)分合法和非法讀寫設(shè)備，并且由于有了CPU芯片，具備數(shù)據(jù)運算能力,，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密處理,，因此具有非常高的安全性。CPU卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時,，將微處理器芯片(CPU)也封裝在里面,。這樣，EEPROM的數(shù)據(jù)接口在任何情況下都不會與IC卡的對外數(shù)據(jù)線相連接,。外部讀寫設(shè)備只能通過 CPU與IC卡內(nèi)的EEP-ROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，在任何情況下都不能再訪問到EEP-ROM中的任何一個單元。

　　外部讀寫設(shè)備在與智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時,，首先必須發(fā)指令給CPU,，由CPU根據(jù)其內(nèi)部的ROM中存儲的卡片操作系統(tǒng)(COS)對指令進(jìn)行解釋，并進(jìn)行分析判斷,。在確認(rèn)讀寫設(shè)備的合法性后,，允許外部讀寫設(shè)備與智能卡建立連接，之后的數(shù)據(jù)操作仍然要由外部讀寫設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的指令,，并用CPU對指令進(jìn)行正確解釋,，允許外部讀寫設(shè)備和智能卡中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)(RAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換成功后,，在CPU的控制下,，利用智能卡中的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，再將內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)與EEPROM 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換,。這樣就實現(xiàn)了對智能卡EEPROM中數(shù)據(jù)的安全保護(hù),，因此具有非常高的安全性。

　　3 非接觸CPU卡FM1208的特點與性能

　　FM1208是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的單界面非接觸CPU卡芯片,，產(chǎn)品支持,。ISO14443-A協(xié)議，硬件DES協(xié)處理器,，內(nèi)置8 KB的EEPROM,。FM1208的特色是能夠兼容現(xiàn)有廣泛使用的非接觸邏輯加密卡，將非接觸邏輯加密卡(Mirare算法)和符合銀行標(biāo)準(zhǔn)的接觸式 CPU卡的功能合二為一,。

　　特點：通信協(xié)議為ISO14443-A,；MCU指令兼容8051；支持106 kbps數(shù)據(jù)傳輸速率,；Triple-DES協(xié)處理器；程序存儲器32K×8位ROM,；數(shù)據(jù)存儲器8K×8位EEPROM,；256×8位 iRAM；384×8位xRAM；低壓檢測復(fù)位,；高低頻檢測復(fù)位,；EEPROM滿足10萬次擦寫指標(biāo)和10年數(shù)據(jù)保存指標(biāo)。

　　FM1208典型處理時間：
　　識別一張卡時間為3 ms(包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突),；
　　EEPROM擦寫時間為2．4 ms,；
　　典型交易過程<350 ms。

　　FM1208的安全機(jī)制：
　　有反電源分析模塊,；
　　有高低頻檢測復(fù)位模塊,，芯片工作頻率超出檢測范圍自動復(fù)位；
　　ROM反逆向提取,，存儲器數(shù)據(jù)加密,。

　  FM1208功能框圖如圖1所示。


  圖一　FM1208功能框圖
　　4 非接觸CPU卡FM1208的COS

　　由于CPU卡具有很高的安全性及一張卡支持多種應(yīng)用的特點,，所以IC卡家族中CPU卡的使用范圍正日益擴(kuò)大,。類似一臺計算機(jī)，CPU卡內(nèi)也有CPU,、存儲器和輸入輸出接口,，所以在應(yīng)用中CPU卡也必然需要操作系統(tǒng)。上海復(fù)旦微電子股份有限公司成功地開發(fā)了自主版權(quán)的CPU卡操作系統(tǒng)——FMCOS(FMSH Card Operating System),。該操作系統(tǒng)符合ISO7816系列標(biāo)準(zhǔn)及《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》,，適用于保險、醫(yī)療保健,、社會保障,、公共事業(yè)收費、安全控制,、證件,、交通運輸?shù)戎T多應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在金融領(lǐng)域,。

　　FMCOS詳細(xì)規(guī)定了電子錢包,、電子存折和磁條卡功能(Easy Entry)3種基本應(yīng)用。

　　FMCOS特點如下：

　?、僦С諷ingle DES,、Triple DES算法，且可自動根據(jù)密鑰的長度選擇Single DES,、Triple DES算法,。
　　②支持線路加密,、線路保護(hù)功能,，防止通信數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改,。
　　③支持在一張卡上實現(xiàn)多個不同的應(yīng)用：可建立三級目錄,。
　?、苤С蛛娮渝X包功能，錢包大小可由用戶自行設(shè)定,。
　?、葜С侄喾N文件類型，包括二進(jìn)制文件,、定長記錄文件,、變長記錄文件、循環(huán)文件,、錢包文件,。
　　⑥支持ISO7816-3：T=0(字符傳送) 通信協(xié)議,。
　?、邼M足銀行標(biāo)準(zhǔn)：符合《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》。
　?、喾啦灏喂δ埽航灰滋幚磉^程中非正常拔出的卡片自動恢復(fù),。

　　FMCOS由傳輸管理、文件管理,、安全體系,、命令解釋4個功能模塊組成。

　?、賯鬏敼芾恚喊?ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督卡與終端之間的通信,，保證數(shù)據(jù)正確地傳輸，防止卡與終端之間通信數(shù)據(jù)被非法竊取和篡改,。
　?、谖募芾恚簩⒂脩魯?shù)據(jù)以文件形式存儲在EEP-ROM中，保證訪問文件時的快速性和數(shù)據(jù)安全性,。
　?、郯踩w系：安全體系是FMCOS的核心部分，它涉及對卡的鑒別與核實,，以及對文件訪問時的權(quán)限控制機(jī)制,。
　　④命令解釋：根據(jù)接收到的命令檢查各項參數(shù)是否正確,，執(zhí)行相應(yīng)的操作,。

　　5 系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)及芯片選型

　　(1)射頻基站芯片的選擇和使用

　　基站芯片用于非接觸射頻卡與中央處理器之間的信息通信。以下芯片均可以實現(xiàn)對FM1208等符合ISO14443 TYPA標(biāo)準(zhǔn)的CPU卡的讀寫,，可以參考相關(guān)文檔,。本設(shè)計主要以卡片為主,，所以對于基站芯片的具體應(yīng)用，可以參考相關(guān)文檔,。
　　Philips 系列芯片：RC500、RC522,、RC531,、RC632。
　　復(fù)旦系列芯片：FM1702N,、FM1702SL,，、FM1715N,、 FM1725N,。
　　TI公司的基站芯片：RI-R6C-001A、TRF7960,。
　　EM公司基站芯片：EM4094,、 EM4294。

　　(2)單片機(jī)的選擇和使用

　　對于非接觸射頻卡的信息處理,，根據(jù)功能和速度的要求,，可以選擇不同的方案。各種CPU芯片各有優(yōu)缺點,。
　　8051單片機(jī)：價格低廉,，入門簡單，貨源充足,。
　　AVR單片機(jī)：價格適中,，速度快，外設(shè)豐富,。
　　ARM：功能強(qiáng)大,，速度快，可運行RTOS,。

　　(3)ISO14443-3,、ISO14443-4

　　這兩部分是學(xué)習(xí)和操作非接觸CPU卡的核心。
　?、買SO／IEC14443-3規(guī)定了鄰近卡(PICCs)進(jìn)入鄰近耦合設(shè)備(PCDs)時的輪尋,，通信初始化階段的字符格式，幀結(jié)構(gòu),，時序信息,。REQ和ATQ命令內(nèi)容，從多卡中選取其中一張的方法,，初始化階段其他必需的參數(shù),。這部分規(guī)定同時適用于A型PICCs和B型PICCs,。
　　②ISO／IEC14443-4規(guī)定了非接觸半雙功塊的傳輸協(xié)議,，并定義了激活和停止協(xié)議的步驟,。這部分傳輸協(xié)議同時適用于A型卡和B型卡。

　　(4)IS07816-4

　　這一部分是學(xué)習(xí)和操作,，SAM的基礎(chǔ),，其中規(guī)定了：由接口設(shè)備至卡以及相反方向所發(fā)送的報文、命令和響應(yīng)的內(nèi)容,；在復(fù)位應(yīng)答期間卡所發(fā)送的歷史字節(jié)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容,；當(dāng)處理交換用的行業(yè)間命令時，在接口處所看到的文件和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),；訪問卡內(nèi)文件和數(shù)據(jù)的方法,；定義訪問卡內(nèi)文件和數(shù)據(jù)的權(quán)利的安全體系結(jié)構(gòu)；安全報文交換的方法,；訪問卡所處理算法的方法(本標(biāo)準(zhǔn)不描述這些算法),。

　　6 SAM卡在系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　根據(jù)應(yīng)用方式，SAM卡在系統(tǒng)中的應(yīng)用可分為：

　?、儆裁荑€,，即在終端機(jī)具中安裝SAM卡座，所有的認(rèn)證都是由安裝在SAM卡座中的SAM卡進(jìn)行運算的,。這樣在終端機(jī)具維修時,，只要取出SAM卡座中的SAM卡，這臺終端機(jī)具就是空的了,。所以,，所有的銀行設(shè)備都采用SAM卡的認(rèn)證模式。
　?、谲浢荑€,，即終端機(jī)具中沒有SAM卡座，這個密鑰的運算實際上是由終端機(jī)具完成的,，這樣客戶的密鑰就等于存在終端機(jī)具中,，廠家拿回終端機(jī)具維修時，極易造成密鑰流失,。

　　結(jié) 語

　　Mifare算法的破解,，給城市公用事業(yè)IC卡系統(tǒng)安全敲響了警鐘。在科技化,、信息化飛速發(fā)展的當(dāng)今時代,，只有不斷創(chuàng)新、不斷提高城市公用事業(yè)IC卡系統(tǒng)的安全系數(shù)及技術(shù)水平,，才能有更高,、更遠(yuǎn)的發(fā)展,，也才能為國家的信息發(fā)展作出貢獻(xiàn)。非接觸CPU卡智能卡技術(shù)正成為一種技術(shù)上更新?lián)Q代的選擇,，用CPU卡替換邏輯加密卡的時代已到來,。