AFC系統(tǒng)中IC卡用芯片的安全

文章出處：http:// 作者：魏輝   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月23日

0 引言 

    北京市軌道交通線路自1971年發(fā)售車票接待乘客開始，已有的3條線路一直采用人工售檢票。2003年12月31日地鐵13號(hào)線(城鐵線)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的開通使用結(jié)束了北京軌道交通無自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的歷史，同時(shí)揭開了北京軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)全面發(fā)展的新篇章。2008年奧運(yùn)會(huì)的成功申辦為北京軌道交通的發(fā)展提供了機(jī)遇，新線建設(shè)和既有線通過改造將全部采用自動(dòng)售檢票系統(tǒng)，屆時(shí)將形成軌道交通網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)售檢票(AFC)系統(tǒng)。IC卡是軌道交通自動(dòng)售檢票(AFC)系統(tǒng)的車票介質(zhì)，而IC卡用芯片的安全性是IC卡安全性的基礎(chǔ)。 

1 IC卡安全機(jī)制 

    IC卡(Integrated Circuit Card)又稱集成電路卡或智能卡(Smart Card)，IC卡用芯片是一種集成電路芯片，其安全性是IC卡安全性的基礎(chǔ)，在芯片的設(shè)計(jì)階段應(yīng)提供完善的安全保護(hù)措施。一般來說，對(duì)IC卡用芯片的攻擊主要有以下幾種： 

    (1)通過電子顯微鏡對(duì)存儲(chǔ)器或芯片內(nèi)部邏輯進(jìn)行掃描，直接進(jìn)行分析讀??；
    (2)通過測(cè)試探頭讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容；
    (3)通過從外部獲取的接口直接對(duì)存儲(chǔ)器或處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)存?。?
    (4)再激活I(lǐng)C卡用芯片的測(cè)試功能。 

    IC卡用芯片的安全技術(shù)要從物理上防止以上攻擊，物理保護(hù)的實(shí)施強(qiáng)度以實(shí)施物理攻擊者所耗費(fèi)的時(shí)間、精力、經(jīng)費(fèi)等與其獲得的效益相比作為標(biāo)準(zhǔn)。在AFC系統(tǒng)中，安全問題主要包括以下幾個(gè)方面： 

    a．車票安全防止偽造、克隆、篡改、泄密、偷盜。
    b．設(shè)備安全防止偷盜后對(duì)車票進(jìn)行加值或復(fù)制；防止被攻擊改變業(yè)務(wù)程序；防止被改變重要參數(shù)及數(shù)據(jù)；
    c．?dāng)?shù)據(jù)安全 防止篡改、竊取、丟失、抵賴；
    d．系統(tǒng)安全防止攻擊、破壞，泄露重要信息。

    對(duì)于IC卡單程票，經(jīng)過BOM、TvM等發(fā)售到乘客手中，到出站閘機(jī)進(jìn)行回收。在整個(gè)使用過程中，IC卡處于兩種狀態(tài)：在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人員管理中，包括單程票的采購、初始化、發(fā)售、回收、循環(huán)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)；在乘客手中，從購買單程票到出站之間。對(duì)于IC卡儲(chǔ)值票，經(jīng)過BOM、TvM等設(shè)備發(fā)售到乘客手中后，將一直在乘客手中重復(fù)使用，直至被收回。兩種情況中，IC卡在乘客手中時(shí)有更大的不安全風(fēng)險(xiǎn)。但是整體而言，單程票處在安全范圍內(nèi)的比例要比儲(chǔ)值票大，尤其是儲(chǔ)值票，由于其儲(chǔ)值金額可能較大，所以被攻擊的可能性更大。

    IC卡的安全由三個(gè)不同層次的安全保障環(huán)節(jié)組成，一是芯片的物理安全技術(shù)；二是卡片制造的安全技術(shù)；三是卡的通信安全技術(shù)。這三個(gè)方面共同形成卡的安全體系，保證卡片從生產(chǎn)到使用的安全。公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI能夠使位于世界上任何地方的兩個(gè)人通過互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行通信，而且能夠保證通信雙方身份的真實(shí)性以及相互交換信息的安全性。IC卡和PKI之間的聯(lián)系在于密鑰及相關(guān)數(shù)字證書的存儲(chǔ)，卡片載有持卡人的數(shù)字證書和私有密鑰，可通過PKI技術(shù)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別和信息加密傳輸。這種技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能卡的安全交易提供了更多的選擇。具體方法如下： 

    (1)通過燒斷熔絲，使測(cè)試功能不可再激活；
    (2)高／低電壓的檢測(cè)；
    (3)低時(shí)鐘工作頻率的檢測(cè)；
    (4)防止地址和數(shù)據(jù)總線的截取；
    (5)邏輯實(shí)施對(duì)物理存儲(chǔ)器的保護(hù)；
    (6)總線和存儲(chǔ)器的物理保護(hù)層等。 

2 儲(chǔ)值IC卡票的安全保證 

    AFC系統(tǒng)的儲(chǔ)值票使用符合ISO 14443TYPE A標(biāo)準(zhǔn)的Mifare@ 1 IC卡。Mifare 1 IC智能(射頻)卡的核心是Philips公司的Mifare 1 ICS50(一01，一02，一03，一04)系列微模塊(微晶片)。它具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密和雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng)；卡片制造時(shí)具有唯一的卡片系列號(hào)；卡片上內(nèi)建8K EEPROM存儲(chǔ)容量并劃分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)劃分為4個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，每個(gè)扇區(qū)可由多種方式的密碼管理；卡片上還內(nèi)建有增值／減值的專項(xiàng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算電路，具有防重疊功能，模塊與卡片通信時(shí)數(shù)據(jù)加密，每個(gè)扇區(qū)設(shè)有3套密碼及其認(rèn)證和密碼存儲(chǔ)器。

    Mifare 1卡認(rèn)證過程是：由Mifare 1卡片向讀寫器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RB；讀寫器收到RB后向Mifare 1卡片發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB，其中包含了讀寫器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RA；Mifare 1卡片收到TOKEN AB 后，對(duì)TOKENAB的加密部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由(A)環(huán)中Mifare 1卡片發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)RB是否與(B)環(huán)中接收到的TOKEN AB中的RB相一致； 如果(C)環(huán)校驗(yàn)是正確的，則Mifare 1卡片向讀寫器發(fā)送令牌TOKEN BA給讀寫器；讀寫器收到令牌TOKEN BA后將對(duì)令牌TOKEN BA中的RB(隨機(jī)數(shù))進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由(B)環(huán)中讀寫器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)RA是否與(D)環(huán)中接收到的TOKEN BA中的RA相一致。如果上述的每一個(gè)環(huán)節(jié)都能正確通過驗(yàn)證，則讀寫器將對(duì)通過認(rèn)證的卡片上的這個(gè)扇區(qū)進(jìn)行下一步的操作。同樣，卡片中的其他扇區(qū)由于有各自的密碼，想對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的操作，也必須完成上述的認(rèn)證過程。每個(gè)扇區(qū)都通過認(rèn)證，整個(gè)過程才算完成。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，整個(gè)認(rèn)證將告失敗，必須重新開始。由于密碼的變化極其復(fù)雜，靠猜測(cè)密碼打開卡片上的一個(gè)扇區(qū)的可能性幾乎為零。上述過程充分地說明Mifare 1卡片的高度安全性與保密性。

    Mifare 1卡片的存儲(chǔ)容量為8192 BIT X 1位字長(zhǎng)，采用EEPROM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為16個(gè)扇區(qū)，編為扇區(qū)0～15，每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)塊，每個(gè)塊有16個(gè)字節(jié)，每個(gè)扇區(qū)的塊3(即第4塊)包含了該扇區(qū)的密碼A(6個(gè)字節(jié))、存取控制(4個(gè)字節(jié))、密碼B(6個(gè)字節(jié))，是一個(gè)特殊的塊。其余三個(gè)塊是一般的數(shù)據(jù)塊。但扇區(qū)0的塊0是特殊的，是廠商代碼，已固化，不可改寫。

    在對(duì)Mifare 1卡進(jìn)行讀寫時(shí)，相應(yīng)的軟件操作也同樣為卡片的安全性提供了保證。如在讀取Mifare 1卡片上的數(shù)據(jù)之前，必須證明它是被允許的，這個(gè)過程叫做認(rèn)證操作?？赏ㄟ^選擇秘密存儲(chǔ)在MCM中的RAM的密碼集中的一組密碼來進(jìn)行認(rèn)證而實(shí)現(xiàn)?？ㄆ鎯?chǔ)器的每一個(gè)塊都有指定的存取條件，這些存取條件根據(jù)密碼A或B(它們對(duì)整個(gè)扇區(qū)始終有效)而定。MCM能夠存儲(chǔ)3個(gè)密碼集KEYSET0，KEYSET1，KEYSET2，每一個(gè)KEYSET又包含了KEYA及KEYB等，以存取最高達(dá)32Kbit內(nèi)存容量的MIFARE卡片。用戶必須在KEYSTACON(0B H地址)寄存器中指定一套密碼。要想對(duì)此種IC卡進(jìn)行攻擊的話，必須要知道AFC Mifare 1 IC卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和密鑰，但這都不是很容易的。

3 單程IC卡票的安全保證 

    對(duì)于符合ISO14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)的Mifar Ultra Light IC卡作為軌道交通單程票使用是足夠安全的。用UID+密鑰防止偽造，用動(dòng)態(tài)MAC鎖定防止篡改，用密鑰系統(tǒng)保證密鑰安全。利用Mifare Ultra light卡的全球唯一序列號(hào)(該序列號(hào)是燒制在卡片的EPROM上的，是不可修改的)與密鑰通過運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)MAC，每次交易對(duì)MAC進(jìn)行認(rèn)證。產(chǎn)生MAC的密鑰保存在SAM上，這樣想要克隆一張車票就需要克隆其全球唯一序列號(hào)，并得到保存在sAM上的密鑰，同時(shí)還要知道計(jì)算方法。所以能得到MAC的機(jī)會(huì)幾乎是不存在的。這樣只要通過密鑰系統(tǒng)保護(hù)主密鑰不流失就可以保證車票不被偽造。采用動(dòng)態(tài)MAC方式，即SAM卡計(jì)算，動(dòng)態(tài)MAC與CRC相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)不被篡改。動(dòng)態(tài)MAC計(jì)算就是在交互過程中加入SAM卡作為計(jì)算主體(密鑰系統(tǒng)由主密鑰卡多級(jí)分散后得到交易密鑰卡SAM卡，SAM 卡通過密鑰分散因子以及三重DEA算法保證其安全性)，所有數(shù)據(jù)作為運(yùn)算項(xiàng)目，每次對(duì)票操作完成后由SAM產(chǎn)生一個(gè)MAC，并寫入票中，下次操作票時(shí)首先驗(yàn)證MAC是否可以通過。由于sAM可以認(rèn)為是安全的，MAC的計(jì)算可以放在SAM中，這樣可以認(rèn)為MAC是安全。參與MAC計(jì)算的數(shù)據(jù)包括車票的唯一編號(hào)、車票的金額以及CRC結(jié)果碼。這樣如果金額被修改，下次就無法通過MAC計(jì)算。但是SAM送人MAC的數(shù)據(jù)量是有限的，并且數(shù)據(jù)多了速度會(huì)受到比較大的影響，所以增加二級(jí)安全保護(hù)措施，即CRC運(yùn)算。當(dāng)車票操作完成時(shí)，對(duì)車票內(nèi)的所有數(shù)據(jù)(除MAC碼和CRC結(jié)果碼)進(jìn)行CRC運(yùn)算，并得到CRC結(jié)果碼，之后將CRC碼也作為MAC運(yùn)算的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一送人SAM卡進(jìn)行運(yùn)算。這樣票中的數(shù)據(jù)項(xiàng)目一旦被非法修改，CRC不會(huì)被通過，可以發(fā)現(xiàn)。如果CRC算法被攻擊或偽造，MAC也無法通過，因?yàn)镸AC由SAM計(jì)算得到，SAM是由密鑰系統(tǒng)保證安全的，故攻擊者無法篡改票中的數(shù)據(jù)。

    由于Ultra Light可直接修改數(shù)據(jù)內(nèi)容，所以無法防止車票中的數(shù)據(jù)被讀取，但是SAM中的數(shù)據(jù)及流程是無法讀取的，而且系統(tǒng)泄露個(gè)別車票的數(shù)據(jù)內(nèi)容不會(huì)帶來特別風(fēng)險(xiǎn)，如果攻擊者分析得到車票的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但有動(dòng)態(tài)MAC作安全保證，也無法獲得非法利益，所以可以不采用特別的保護(hù)措施。 

    作者簡(jiǎn)介：魏輝(1969- )，男，工程師，北京市遠(yuǎn)達(dá)建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，主要從事軌道交通AFC、ACC、TCC、OCC等的監(jiān)督及監(jiān)理工作。