FM1208非接觸CPU卡讀寫系統(tǒng)的研制

　　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(jì)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(gè)獨(dú)立研究小組分別證實(shí)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(shí)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(shí)表示，全球多達(dá)10億張IC卡中所使用的一項(xiàng)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(bào)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(duì)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(huì)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(shí)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(chǎng)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(gè)扇區(qū)獨(dú)立的KEYA和KEYB的校驗(yàn)，可以通過扇區(qū)控制字對(duì)KEYA和KEYB的不同安全組合，實(shí)現(xiàn)扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫安全控制。其個(gè)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(yàn)機(jī)制只能解決卡片對(duì)終端的認(rèn)證，而無法解決終端對(duì)卡片的認(rèn)證，即存在俗稱為“偽卡”的風(fēng)險(xiǎn)。 

　　Mifare的密鑰就是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的固定密碼，無論用什么方法計(jì)算密鑰，最后一定要和原先寫入的固定密碼一致，就可以對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸邏輯加密卡的解密。有種觀點(diǎn)認(rèn)為，只要是采用了一卡一密、實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)，或非接觸邏輯加密卡的ID號(hào)，就能避免密鑰被解密。其實(shí)，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(fèi)，即復(fù)制一張一樣ID號(hào)的M1卡，就可以進(jìn)行非法消費(fèi)?，F(xiàn)在的技術(shù)使用FPGA就可以完全復(fù)制?；谶@個(gè)原理，Mifare的門禁卡也是不安全的。

　　2 非接觸CPU卡的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 

　　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(chǔ)單元(包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM(Flash)、用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM)以及芯片操作系統(tǒng)COS。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)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(diǎn)： 

　?、傩酒虲OS的安全技術(shù)為CPU卡提供了雙重的安全保證；
　　②擁有獨(dú)立的CPU處理器和芯片操作系統(tǒng)；
　　③對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求較低，可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)操作，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的一卡多用，每個(gè)應(yīng)用之間相互獨(dú)立，并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)；
　　④交易中自動(dòng)保證數(shù)據(jù)的完整性(防拔)；
　?、菘梢愿`活地支持各種不同的應(yīng)用需求，更安全的設(shè)計(jì)交易流程；
　?、蕺?dú)立的保密模塊——使用相應(yīng)的實(shí)體SAM卡密鑰實(shí)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(shì)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(jí)，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?。由于有中國人民銀行的統(tǒng)一規(guī)范及嚴(yán)格檢測(cè)，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(shí)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(shí)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(shí)，也具備了數(shù)據(jù)分析處理能力，因此智能卡可以隨時(shí)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(yùn)算能力，還可以對(duì)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(shí)，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(huì)與IC卡的對(duì)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(gè)單元。 

　　外部讀寫設(shè)備在與智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先必須發(fā)指令給CPU，由CPU根據(jù)其內(nèi)部的ROM中存儲(chǔ)的卡片操作系統(tǒng)(COS)對(duì)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(duì)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(diǎn)與性能 

　　FM1208是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)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(diǎn)：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(chǔ)器32K×8位ROM；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8K×8位EEPROM；256×8位iRAM；384×8位xRAM；低壓檢測(cè)復(fù)位；高低頻檢測(cè)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(shí)間：
　　識(shí)別一張卡時(shí)間為3 ms(包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突)；
　　EEPROM擦寫時(shí)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(cè)復(fù)位模塊，芯片工作頻率超出檢測(cè)范圍自動(dòng)復(fù)位；
　　ROM反逆向提取，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)加密。 

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　　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(diǎn)，所以IC卡家族中CPU卡的使用范圍正日益擴(kuò)大。類似一臺(tái)計(jì)算機(jī)，CPU卡內(nèi)也有CPU、存儲(chǔ)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(xiǎn)、醫(yī)療保健、社會(huì)保障、公共事業(yè)收費(fèi)、安全控制、證件、交通運(yùn)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(diǎn)如下：

　?、僦С諷ingle DES、Triple DES算法，且可自動(dòng)根據(jù)密鑰的長度選擇Single DES、Triple DES算法。
　?、谥С志€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。
　?、壑С衷谝粡埧ㄉ蠈?shí)現(xiàn)多個(gè)不同的應(yīng)用：可建立三級(jí)目錄。
　?、苤С蛛娮渝X包功能，錢包大小可由用戶自行設(shè)定。
　　⑤支持多種文件類型，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。
　?、拗С諭SO7816-3：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》。
　　⑧防插拔功能：交易處理過程中非正常拔出的卡片自動(dòng)恢復(fù)。 

　　FMCOS由傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋4個(gè)功能模塊組成。 

　?、賯鬏敼芾恚喊碔SO7816-3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。
　　②文件管理：將用戶數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)在EEP-ROM中，保證訪問文件時(shí)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(duì)卡的鑒別與核實(shí)，以及對(duì)文件訪問時(shí)的權(quán)限控制機(jī)制。
　?、苊罱忉專焊鶕?jù)接收到的命令檢查各項(xiàng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)主要以卡片為主，所以對(duì)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(duì)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(diǎn)。
　　8051單片機(jī)：價(jià)格低廉，入門簡單，貨源充足。
　　AVR單片機(jī)：價(jià)格適中，速度快，外設(shè)豐富。
　　ARM：功能強(qiáng)大，速度快，可運(yùn)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(shí)的輪尋，通信初始化階段的字符格式，幀結(jié)構(gòu)，時(shí)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(shí)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(shí)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(bào)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(shí)，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(bào)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(yùn)算的。這樣在終端機(jī)具維修時(shí)，只要取出SAM卡座中的SAM卡，這臺(tái)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(gè)密鑰的運(yùn)算實(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)代已到來。