《硅谷》雜志：計(jì)算機(jī)應(yīng)用之無線射頻探析

　　隨著科技的不斷發(fā)展，NFC技術(shù)開始越來越多的走入我們的生活。坐公交時(shí)刷公交卡、購物時(shí)刷NFC手機(jī)，讓我們的生活更加便捷。然后便捷的同時(shí)，也帶來了一定的安全隱患。從本質(zhì)上講，NFC是一種無線通信技術(shù)，只要有合適的設(shè)備，就可以很容易的進(jìn)行竊聽。如何保證RFID使用的安全性，也成為了安全領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

1什么是無線射頻

　　無線射頻譯自英文RadioFrequencyIdentification，簡稱為RFID，是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻技術(shù)（RFID）相對于傳統(tǒng)的磁卡及IC卡技術(shù)具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點(diǎn)。無線射頻技術(shù)在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點(diǎn)和具有防沖突功能，能同時(shí)處理多張卡片。

　　我們?nèi)粘Ｊ褂玫臒o線射頻技術(shù)主要涉及到以下兩個(gè)概念。進(jìn)場通信技術(shù)（NearFieldCommunication，NFC）是一種短距離的無線通訊技術(shù)，可允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對點(diǎn)資料傳輸。射頻識(shí)別技術(shù)使用無線通信技術(shù)識(shí)別特定目標(biāo)，NFC技術(shù)就是在RFID的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

　　早期的RFID卡功能簡單，僅包含目標(biāo)表示，所以又稱為標(biāo)簽（tag），其外形也不固定，常用于物聯(lián)網(wǎng)等需要進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤等場合。而日常生活中使用的信用卡大小的RFID卡，本文稱之為非接觸智能卡，功能更加強(qiáng)大，也是本文主要探析的對象。

　　射頻技術(shù)主要用于生產(chǎn)流水線管理、倉儲(chǔ)管理、銷售管理、商品防偽、證件防偽、汽車防盜、物品防盜、包裹管理、物品跟蹤、運(yùn)輸工具和貨架識(shí)別等。如香港的車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用的就是無線射頻技術(shù)，當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的車輛通過裝有射頻掃描器的專用隧道、橋梁、高速公路、停車場時(shí)，無需停車?yán)U費(fèi)，大大提高了行車速度，提高了運(yùn)輸效率。

　　典型的無線射頻技術(shù)系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器、數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)等組成。電子標(biāo)簽也叫射頻卡，具有發(fā)射、接收無線信號(hào)的功能并帶有可擦除只讀存儲(chǔ)器的小芯片，有智能讀寫和加密通信的功能。讀寫器由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路組成，基本功能提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。而車載MP3就是在普通的MP3上加一個(gè)無線射頻。

　　無線射頻的工作流程主要是閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。目前常用的非接觸智能卡分為存儲(chǔ)卡（MemoryCard）和CPU卡；前者又分為無加密型和有邏輯加密型兩種。

2存儲(chǔ)卡安全性

　　為了保護(hù)卡里的信息不被惡意讀取或篡改，邏輯加密卡加入了密鑰認(rèn)證這一步驟。邏輯加密卡加入了密鑰認(rèn)證這一步驟。MiFareclassic卡是較常見的一種邏輯加密卡，在國際市場上占有和使用率很高，但是它也有它自身的缺陷。

　　2.1MiFareclassic卡介紹及其缺陷

　　MIFAREclassic（以下簡稱mfc卡）卡是目前世界上使用量最大、技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、內(nèi)存容量最大的一種感應(yīng)式智能IC卡。

　　MIFARE經(jīng)常被認(rèn)為是一種智能卡的技術(shù)，這是因?yàn)樗梢栽诳ㄆ霞婢咦x寫的功能。事實(shí)上，MIFARE僅具備記憶功能，必須搭配處理器卡才能達(dá)到讀寫功能。

　　MIFARE的非接觸式讀寫功能是設(shè)計(jì)來處理大眾運(yùn)輸系統(tǒng)中的付費(fèi)交易部分，其與眾不同的地方是具備執(zhí)行升冪和降序的排序功能，簡化資料讀取的過程。盡管接觸性智能卡也能夠執(zhí)行同樣的動(dòng)作，但非接觸性智能卡的速度更快且操作更簡單，而且卡片閱讀機(jī)幾乎不需要任何維修，卡片也較為耐用。

　　MIFARE非接觸智能卡之卡片閱讀機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)讀卡距離是1.0吋至3.9吋（亦即2.5至10公分）。在北美，由于FCC（電力）的限制，讀卡距離則在2.5公分左右。

　　mfc卡的存取區(qū)分為數(shù)個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)結(jié)尾保存有兩個(gè)6字節(jié)的密鑰，用于對本扇區(qū)的讀寫操作。mfc卡結(jié)構(gòu)簡單，讀寫速度快，市場普及率很高，舊版北京公交卡使用的就是這個(gè)卡。

　　mfc卡的加密算法是私有的，只有硬件實(shí)現(xiàn)，在2008年遭到逆向破解。研究組織通過對硬件的逆向分析，將加密算法還原。算法包括一個(gè)“線性反饋移位寄存器”（linearfeed-backshiftregister，LFSR）和非線性濾波器f。

　　當(dāng)讀卡器需要讀取mfc卡的內(nèi)容時(shí)，其認(rèn)證過程首先是讀卡器（Reader）首先發(fā)送認(rèn)證命令（auth）給卡片（tag），卡片生成隨機(jī)數(shù)nT并發(fā)送給讀卡器。讀卡器回復(fù)加密后nT（aT），同時(shí)也發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)nR。最后卡片根據(jù)nR回復(fù)應(yīng)答（aR）給讀卡器。通過對加密算法的分析，發(fā)現(xiàn)通過nT、aT、nR和aR就能還原出加密算法使用的密鑰。

　　由于存在安全問題，目前mfc卡已逐漸退出有安全要求的消費(fèi)領(lǐng)域。MiFare的設(shè)計(jì)廠商也該改進(jìn)了原有的卡設(shè)計(jì)，推出了使用公開加密算法的升級版MiFare系列。同時(shí)一種新型的智能卡----CPU卡也開始被越來越多的使用。

　　2.2無加密存儲(chǔ)卡

　　無加密的存儲(chǔ)卡由于安全性較低，現(xiàn)在使用的并不多。還有一種和無加密存儲(chǔ)卡類似的卡片，也就是低頻門禁卡。這種卡通常只能一次性寫入，多次讀取，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較小，主要用于目標(biāo)標(biāo)識(shí)。就安全性而言，對卡中的數(shù)據(jù)可直接讀取，克隆卡也十分容易。使用pM3，只需要輸入若干命令即可。

3　Proxmark3

　　3.1Proxmark3功能簡介

　　Proxmark3（PM3）是有JonathanWesthues設(shè)計(jì)并且開發(fā)的開源硬件，可以在高頻（13.56MHz）以及低頻（125K-134KHZ）波段工作，主要有RFID的嗅探、讀取以及克隆等功能。

　　以SVN528般般的firmware為例，PM3的主要功能如下表所示：

　　低頻（lf） 讀取/解調(diào)/模擬EM4X，F(xiàn)lexPass，Indala，VeriChip

　　高頻（hf） 讀取/竊聽/模擬ISO14443A，ISO14443B；讀取/模擬ISO15693；讀取LEGICRFID

　　數(shù)據(jù)分析 ASK、FSK、Manchester解調(diào)，畫圖、數(shù)據(jù)保存等。

　　PM3的強(qiáng)大之處在于其分析能力，當(dāng)拿到一個(gè)位置的非接觸卡時(shí)，可以通過PM3來判斷是高頻卡還是低頻卡，然后在嘗試相應(yīng)的命令來分析卡的具體種類。

　　3.2PM3模擬低頻卡

　　以用的門卡為例，通過“hwtune”命令可以確認(rèn)門卡為低頻卡。然后輸入命令

　　Proxmark3>ifread

　　Proxmark3>datasamples1024

　　Proxmark3>dataplot

　　運(yùn)行的結(jié)果可以得出，dt=128，即64個(gè)采樣。PM3的采樣率為載波頻率即125kHZ，于是dt=64*1/（125k）=0.000512s。從后面相鄰的部分波形可以才出512μs可能是4bit，也就是128μs/bit，每個(gè)16個(gè)采樣1bit。

　　使用indala卡模式解調(diào)：

　　Proxmarks>ifindalademod

　　得到門卡的64bitUID；然后用PM3模擬門禁卡；

　　Proxmarks>ifsim

　　等PM3的指示燈常亮后，就可以拿著PM3刷門禁了。

　　3.3PM3破解mfc卡

　　PM3也提供了對mfc卡的破解工具。首先使用PM3對讀卡器和卡之間的交互進(jìn)行嗅探，命令如下：proxmark3>hf14asnoop，然后嗅探得到數(shù)據(jù)的命令如下：Proxmarks>hf14alist，然后在使用PM3的小工具就可以破解mfc卡的密鑰并且復(fù)制出來。

4小結(jié)

　　從上述內(nèi)容不難看出，非接觸只能卡并非如我們想象的那樣安全，尤其是對于低頻卡和mfc卡，在使用像PM3這樣的工具時(shí)，嗅探、克隆，都是很簡單的事情。國外更是有研究者對各個(gè)層次的RFID攻擊進(jìn)行了分類。目前和消費(fèi)有段的非接觸卡大都已經(jīng)采用CPU卡，就是為了應(yīng)對邏輯加密卡易于被克隆的風(fēng)險(xiǎn)。雖然目前暫時(shí)還沒有公開發(fā)現(xiàn)CPU卡的安全漏洞，但是還是希望大家養(yǎng)成良好的用卡習(xí)慣，尤其不要外接自己的門禁卡或飯卡，以免被克隆復(fù)制。