非接觸CPU智能卡技術

引 言
    隨著非接觸邏輯加密卡的不斷應用，其技術的不足之處也日益暴露，難以滿足更高的安全性和更復雜的多應用的需求。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)和弗吉尼亞大學計算機科學在讀博士卡爾斯滕·諾爾(Karsten Noh1)成功地破解了恩智浦半導體的Mirare經(jīng)典芯片的安全算法；德國Virginia大學和荷蘭Radboud大學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)務部大臣特霍斯特在接受媒體采訪時表示，全球多達10億張IC卡中所使用的一項技術可輕易破解。此次破解風波經(jīng)過國內(nèi)媒體的轉載報道后，在我國引起了軒然大波，城市公用事業(yè)IC卡應用作為非接觸式邏輯加密卡的應用大戶，不得不讓我們靜下心來認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，不法分子可以很低的經(jīng)濟成本對采用該芯片的各類“一卡通”、門禁卡進行非法充值或復制，這將帶來很大的社會安全隱患。因此，非接觸CPU智能卡技術正成為一種技術上更新?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，在非接觸卡應用領域占有全球80％的市場份額，是目前非接觸智能卡的工業(yè)標準，也成為ISO14443-A的工作草案。
    Mifare的安全認證依賴于每個扇區(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的校驗機制只能解決卡片對終端的認證，而無法解決終端對卡片的認證，即存在俗稱為“偽卡”的風險。
    Mifare的密鑰就是一個預先設定的固定密碼，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，就可以對被保護的數(shù)據(jù)進行讀寫操作。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，即復制一張一樣ID號的M1卡，就可以進行非法消費。現(xiàn)在的技術使用FPGA就可以完全復制?；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卡相當于一臺微型計算機，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的安全技術為CPU卡提供了雙重的安全保證；
    ②擁有獨立的CPU處理器和芯片操作系統(tǒng)；
    ③對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)要求較低，可實現(xiàn)脫機操作，可實現(xiàn)真正意義上的一卡多用，每個應用之間相互獨立，并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)；
    ④交易中自動保證數(shù)據(jù)的完整性(防拔)；
    ⑤可以更靈活地支持各種不同的應用需求，更安全的設計交易流程；
    ⑥獨立的保密模塊——使用相應的實體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證。
    非接觸CPU智能卡的優(yōu)勢是：
    ①先進性。CPU卡可以作為銀行的金融卡使用，代表當前IC卡應用的最高安全等級，正成為IC卡應用中的主流產(chǎn)品。
    ②規(guī)范性。支持符合ISO7816-3標準的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)卡應用規(guī)范》，支持符合銀行規(guī)范的電子錢包、電子存折功能。
    ③兼容性。由于有中國人民銀行的統(tǒng)一規(guī)范及嚴格檢測，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卡從卡結構到卡容量可以很容易擴展到多種應用，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。外部讀寫設備只能通過CPU與IC卡內(nèi)的EEP-ROM進行數(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。
    外部讀寫設備在與智能卡進行數(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)對指令進行解釋，并進行分析判斷。在確認讀寫設備的合法性后，允許外部讀寫設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備發(fā)出相應的指令，并用CPU對指令進行正確解釋，允許外部讀寫設備和智能卡中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)(RAM)進行數(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，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是復旦微電子股份有限公司設計的單界面非接觸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)和符合銀行標準的接觸式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；低壓檢測復位；高低頻檢測復位；EEPROM滿足10萬次擦寫指標和10年數(shù)據(jù)保存指標。
    FM1208典型處理時間：
    ◆識別一張卡時間為3 ms(包括復位應答和防沖突)；
    ◆EEPROM擦寫時間為2．4 ms；
    ◆典型交易過程<350 ms。
    FM1208的安全機制：
    ◆有反電源分析模塊；
    ◆有高低頻檢測復位模塊，芯片工作頻率超出檢測范圍自動復位；
    ◆ROM反逆向提取，存儲器數(shù)據(jù)加密。[!--empirenews.page--]FM1208功能框圖如圖1所示。

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用的特點，所以IC卡家族中CPU卡的使用范圍正日益擴大。類似一臺計算機，CPU卡內(nèi)也有CPU、存儲器和輸入輸出接口，所以在應用中CPU卡也必然需要操作系統(tǒng)。上海復旦微電子股份有限公司成功地開發(fā)了自主版權的CPU卡操作系統(tǒng)——FMCOS(FMSH Card Operating System)。該操作系統(tǒng)符合ISO7816系列標準及《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多應用領域，特別是在金融領域。
    FMCOS詳細規(guī)定了電子錢包、電子存折和磁條卡功能(Easy Entry)3種基本應用。
    FMCOS特點如下：
    ①支持Single 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)多個不同的應用：可建立三級目錄。
    ④支持電子錢包功能，錢包大小可由用戶自行設定。
    ⑤支持多種文件類型，包括二進制文件、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。
    ⑦滿足銀行標準：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恢復。
    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。
    ①傳輸管理：按ISO7816-3標準監(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)以文件形式存儲在EEP-ROM中，保證訪問文件時的快速性和數(shù)據(jù)安全性。
    ③安全體系：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限控制機制。
    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)行相應的操作。
 

5 系統(tǒng)開發(fā)基礎及芯片選型
    (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標準的CPU卡的讀寫，可以參考相關文檔。本設計主要以卡片為主，所以對于基站芯片的具體應用，可以參考相關文檔。
    ◆Philips系列芯片：RC500、RC522、RC531、RC632。
    ◆復旦系列芯片：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：價格低廉，入門簡單，貨源充足。
    ◆AVR單片機：價格適中，速度快，外設豐富。
    ◆ARM：功能強大，速度快，可運行RTOS。
    (3)ISO14443-3、ISO14443-4
    這兩部分是學習和操作非接觸CPU卡的核心。
    ①ISO／IEC14443-3規(guī)定了鄰近卡(PICCs)進入鄰近耦合設備(PCDs)時的輪尋，通信初始化階段的字符格式，幀結構，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
    這一部分是學習和操作，SAM的基礎，其中規(guī)定了：由接口設備至卡以及相反方向所發(fā)送的報文、命令和響應的內(nèi)容；在復位應答期間卡所發(fā)送的歷史字節(jié)的結構及內(nèi)容；當處理交換用的行業(yè)間命令時，在接口處所看到的文件和數(shù)據(jù)的結構；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)的權利的安全體系結構；安全報文交換的方法；訪問卡所處理算法的方法(本標準不描述這些算法)。
 

6 SAM卡在系統(tǒng)中的應用
    根據(jù)應用方式，SAM卡在系統(tǒng)中的應用可分為：
    ①硬密鑰，即在終端機具中安裝SAM卡座，所有的認證都是由安裝在SAM卡座中的SAM卡進行運算的。這樣在終端機具維修時，只要取出SAM卡座中的SAM卡，這臺終端機具就是空的了。所以，所有的銀行設備都采用SAM卡的認證模式。
    ②軟密鑰，即終端機具中沒有SAM卡座，這個密鑰的運算實際上是由終端機具完成的，這樣客戶的密鑰就等于存在終端機具中，廠家拿回終端機具維修時，極易造成密鑰流失。
 

結 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)及技術水平，才能有更高、更遠的發(fā)展，也才能為國家的信息發(fā)展作出貢獻。非接觸CPU卡智能卡技術正成為一種技術上更新?lián)Q代的選擇，用CPU卡替換邏輯加密卡的時代已到來。