非接触式CPU智能卡技术

　　引 言

　　2008年，互联网上公布了破解Mifare Classic IC芯片(即M1芯片)密码的方法;德国研究员亨里克·普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亚大学计算机科学在读博士卡尔斯滕·诺尔(Karsten Noh1)成功地破解了恩智浦半导体的Mirare经典芯片的安全算法;德国Virginia大学和荷兰Radboud大学两个独立研究小组分别证实了Mi-fare芯片的易受攻击性。如果掌握了破解技术，不法分子可以很低的经济成本对采用该芯片的各类“一卡通”、门禁卡进行非法充值或复制，这将带来很大的社会安全隐患。因此，非接触CPU智能卡技术正成为一种技术上更新换代的选择，用CPU卡替换逻辑加密卡的时代已到来。

　　1 非接触逻辑加密卡Mifare卡的安全性问题

　　Philips公司(现NXP)的Mifare 1卡片，在非接触卡应用领域占有全球80%的市场份额，是目前非接触智能卡的工业标准，也成为ISO14443-A的工作草案。

　　Mifare的安全认证依赖于每个扇区独立的KEYA和KEYB的校验，可以通过扇区控制字对KEYA和KEYB的不同安全组合，实现扇区数据的读写安全控制。其个人化也比较简单，主要包括数据和各扇区KEYA、KEYB的更新，在其间所有敏感数据(包括KEYA和KEYB)都是直接以明文的形式更新的。

　　KEYA和KEYB的校验机制只能解决卡片对终端的认证，而无法解决终端对卡片的认证，即存在俗称为“伪卡”的风险。

　　Mifare的密钥就是一个预先设定的固定密码，无论用什么方法计算密钥，最后一定要和原先写入的固定密码一致，就可以对被保护的数据进行读写操作。因此无论是一卡一密的系统还是统一密码的系统，经过破解都可以实现对非接触逻辑加密卡的解密。有种观点认为，只要是采用了一卡一密、实时在线系统，或非接触逻辑加密卡的ID号，就能避免密钥被解密。其实，非接触逻辑加密卡被解密就意味着M1卡可以被复制，使用在线系统尽管可以避免被非法充值，但是不能保证非法消费，即复制一张一样ID号的M1卡，就可以进行非法消费。现在的技术使用FPGA就可以完全复制。基于这个原理，Mifare的门禁卡也是不安全的。

　　2 非接触CPU卡的特点与优势

　　非接触CPU卡，也称智能卡，卡内的集成电路中带有微处理器CPU、存储单元(包括随机存储器RAM、程序存储器ROM(Flash)、用户数据存储器EEPROM)以及芯片操作系统COS。装有COS的CPU卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。

　　非接触CPU智能卡与非接触逻辑加密卡相比，有以下特点：

　　①芯片和COS的安全技术为CPU卡提供了双重的安全保证;

　　②拥有独立的CPU处理器和芯片操作系统;

　　③对计算机网络系统要求较低，可实现脱机操作，可实现真正意义上的一卡多用，每个应用之间相互独立，并受控于各自的密钥管理系统;

　　④交易中自动保证数据的完整性(防拔);

　　⑤可以更灵活地支持各种不同的应用需求，更安全的设计交易流程;

　　⑥独立的保密模块——使用相应的实体SAM卡密钥实现加密、解密以及交易处理，从而完成与用户卡之间的安全认证。

　　非接触CPU智能卡的优势是：

　　①先进性。CPU卡可以作为银行的金融卡使用，代表当前IC卡应用的最高安全等级，正成为IC卡应用中的主流产品。

　　②规范性。支持符合ISO7816-3标准的T=0、T=1通信协议，符合《中国金融集成电路(IC)卡规范》、《中国金融集成电路(IC)卡应用规范》，支持符合银行规范的电子钱包、电子存折功能。

　　③兼容性。由于有中国人民银行的统一规范及严格检测，CPU卡具有很好的兼容性、安全性。芯片和COS的安全技术为CPU卡提供了双重的安全保证;支持DES、TripleDES等加密算法，支持线路加密、线路保密功能，防止通信数据被非法窃取或篡改，使用过程密钥实现加密、解密。

　　④可扩展性。卡片支持多种容量选择，如2 KB、4 KB、8 KB、16KB、32KB的EEPROM空间。CPU卡从卡结构到卡容量可以很容易扩展到多种应用，可以与银行联合，实现真正意义上的一卡多用。

　　⑤安全性。与逻辑加密卡相比，由于智能卡内部具有CPU芯片，在具有数据判断能力的同时，也具备了数据分析处理能力，因此智能卡可以随时区分合法和非法读写设备，并且由于有了CPU芯片，具备数据运算能力，还可以对数据进行加密解密处理，因此具有非常高的安全性。CPU卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将微处理器芯片(CPU)也封装在里面。这样，EEPROM的数据接口在任何情况下都不会与IC卡的对外数据线相连接。外部读写设备只能通过CPU与IC卡内的EEP-ROM进行数据交换，在任何情况下都不能再访问到EEP-ROM中的任何一个单元。

　　外部读写设备在与智能卡进行数据交换时，首先必须发指令给CPU，由CPU根据其内部的ROM中存储的卡片操作系统(COS)对指令进行解释，并进行分析判断。在确认读写设备的合法性后，允许外部读写设备与智能卡建立连接，之后的数据操作仍然要由外部读写设备发出相应的指令，并用CPU对指令进行正确解释，允许外部读写设备和智能卡中的数据存储区(RAM)进行数据交换。数据交换成功后，在CPU的控制下，利用智能卡中的内部数据总线，再将内部RAM中的数据与EEPROM中的数据进行交换。这样就实现了对智能卡EEPROM中数据的安全保护，因此具有非常高的安全性。

　　3 非接触CPU卡FM1208的特点与性能

　　FM1208是复旦微电子股份有限公司设计的单界面非接触CPU卡芯片，产品支持。ISO14443-A协议，硬件DES协处理器，内置8 KB的EEPROM。FM1208的特色是能够兼容现有广泛使用的非接触逻辑加密卡，将非接触逻辑加密卡(Mirare算法)和符合银行标准的接触式CPU卡的功能合二为一。

　　特点：通信协议为ISO14443-A;MCU指令兼容8051;支持106 kbps数据传输速率;Triple-DES协处理器;程序存储器32K×8位ROM;数据存储器8K×8位EEPROM;256×8位iRAM;384×8位xRAM;低压检测复位;高低频检测复位;EEPROM满足10万次擦写指标和10年数据保存指标。

　　FM1208典型处理时间：

　　◆识别一张卡时间为3 ms(包括复位应答和防冲突);

　　◆EEPROM擦写时间为2.4 ms;

　　◆典型交易过程<350 ms。

　　FM1208的安全机制：

　　◆有反电源分析模块;

　　◆有高低频检测复位模块，芯片工作频率超出检测范围自动复位;

　　◆ROM反逆向提取，存储器数据加密。

　　FM1208功能框图如图1所示。

　　

 

　　4 非接触CPU卡FM1208的COS

　　由于CPU卡具有很高的安全性及一张卡支持多种应用的特点，所以IC卡家族中CPU卡的使用范围正日益扩大。类似一台计算机，CPU卡内也有CPU、存储器和输入输出接口，所以在应用中CPU卡也必然需要操作系统。上海复旦微电子股份有限公司成功地开发了自主版权的CPU卡操作系统——FMCOS(FMSH Card Operating System)。该操作系统符合ISO7816系列标准及《中国金融集成电路(IC)卡规范》，适用于保险、医疗保健、社会保障、公共事业收费、安全控制、证件、交通运输等诸多应用领域，特别是在金融领域。

　　FMCOS详细规定了电子钱包、电子存折和磁条卡功能(Easy Entry)3种基本应用。

　　FMCOS特点如下：

　　①支持Single DES、Triple DES算法，且可自动根据密钥的长度选择Single DES、Triple DES算法。

　　②支持线路加密、线路保护功能，防止通信数据被非法窃取或篡改。

　　③支持在一张卡上实现多个不同的应用：可建立三级目录。

　　④支持电子钱包功能，钱包大小可由用户自行设定。

　　⑤支持多种文件类型，包括二进制文件、定长记录文件、变长记录文件、循环文件、钱包文件。

　　⑥支持ISO7816-3：T=0(字符传送)通信协议。

　　⑦满足银行标准：符合《中国金融集成电路(IC)卡规范》。

　　⑧防插拔功能：交易处理过程中非正常拔出的卡片自动恢复。

　　FMCOS由传输管理、文件管理、安全体系、命令解释4个功能模块组成。

　　①传输管理：按ISO7816-3标准监督卡与终端之间的通信，保证数据正确地传输，防止卡与终端之间通信数据被非法窃取和篡改。

　　②文件管理：将用户数据以文件形式存储在EEP-ROM中，保证访问文件时的快速性和数据安全性。

　　③安全体系：安全体系是FMCOS的核心部分，它涉及对卡的鉴别与核实，以及对文件访问时的权限控制机制。

　　④命令解释：根据接收到的命令检查各项参数是否正确，执行相应的操作。

　　5 系统开发基础及芯片选型

　　(1)射频基站芯片的选择和使用

　　基站芯片用于非接触射频卡与中央处理器之间的信息通信。以下芯片均可以实现对FM1208等符合ISO14443 TYPA标准的CPU卡的读写，可以参考相关文档。本设计主要以卡片为主，所以对于基站芯片的具体应用，可以参考相关文档。

　　◆Philips系列芯片：RC500、RC522、RC531、RC632。

　　◆复旦系列芯片：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)单片机的选择和使用

　　对于非接触射频卡的信息处理，根据功能和速度的要求，可以选择不同的方案。各种CPU芯片各有优缺点。

　　◆8051单片机：价格低廉，入门简单，货源充足。

　　◆AVR单片机：价格适中，速度快，外设丰富。

　　◆ARM：功能强大，速度快，可运行RTOS。

　　(3)ISO14443-3、ISO14443-4

　　这两部分是学习和操作非接触CPU卡的核心。

　　①ISO/IEC14443-3规定了邻近卡(PICCs)进入邻近耦合设备(PCDs)时的轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧结构，时序信息。REQ和ATQ命令内容，从多卡中选取其中一张的方法，初始化阶段其他必需的参数。这部分规定同时适用于A型PICCs和B型PICCs。

　　②ISO/IEC14443-4规定了非接触半双功块的传输协议，并定义了激活和停止协议的步骤。这部分传输协议同时适用于A型卡和B型卡。

　　(4)IS07816-4

　　这一部分是学习和操作，SAM的基础，其中规定了：由接口设备至卡以及相反方向所发送的报文、命令和响应的内容;在复位应答期间卡所发送的历史字节的结构及内容;当处理交换用的行业间命令时，在接口处所看到的文件和数据的结构;访问卡内文件和数据的方法;定义访问卡内文件和数据的权利的安全体系结构;安全报文交换的方法;访问卡所处理算法的方法(本标准不描述这些算法)。

　　6 SAM卡在系统中的应用

　　根据应用方式，SAM卡在系统中的应用可分为：

　　①硬密钥，即在终端机具中安装SAM卡座，所有的认证都是由安装在SAM卡座中的SAM卡进行运算的。这样在终端机具维修时，只要取出SAM卡座中的SAM卡，这台终端机具就是空的了。所以，所有的银行设备都采用SAM卡的认证模式。

　　②软密钥，即终端机具中没有SAM卡座，这个密钥的运算实际上是由终端机具完成的，这样客户的密钥就等于存在终端机具中，厂家拿回终端机具维修时，极易造成密钥流失。

　　结 语

　　Mifare算法的破解，给城市公用事业IC卡系统安全敲响了警钟。非接触CPU卡智能卡技术正成为一种技术上更新换代的选择，用CPU卡替换逻辑加密卡的时代已到来。