卡口攻击及几种卡口防攻击电路比较

宁夏中卫供电局 韩嘉鹏

一、引言：IC卡卡口攻击

1.IC卡卡口的安全状况

现有的IC卡卡口线，主要有电源线(Vcc及GND)、信号线、时钟线、复位线等几类组成。在实际产品设计中，电源线一般直接引至产品电源、时钟线接至公共时钟源或接至单片机、信号线与复位线一般直接接至单片机或接口芯片。由于需要插入IC卡，故以上引线均接往IC卡座。而IC卡的卡口可插入一块简易PCB板将上述引线引出。这样上述引线将暴露在电表外壳之外，极易受到攻击。

2.IC卡卡口的攻击方法

要实现如何防止IC卡卡口攻击，首先应了解有哪几种卡口攻击方法。电表在实际挂网运行中主要有下四类卡口攻击：

a)高压静电攻击(例如使用煤气点火器)；

b)短路攻击(使用短路金属片插入卡口)；

c)高压直流攻击(往VCC输入高电压直流)；

d)高压交流(例如在任意两引线间加入交流220V)。

以上四类攻击方法如不采取有效的防护措施，都将会使电表单片机、电路、电源损坏而失去对消费对象的控制。而上述攻击是电攻击基本不会留下攻击证据而无法追究。攻击者攻击成功后可不付费而获得消费。

3.IC卡卡口防攻击的困难

仔细分析上述四类攻击，若要全部防护，实非易事。首先，抗攻击电路的耐压应极高，应在20KV以上，再者其反应速度应小于100ns否则保护动作时保护对象己损坏，第三成本需较低否则用户不能接受，第四是攻击撤消后应能快速恢复正常工作状态，最后还需要较小体积和极高可靠性。设计一个电子部件要同时满足上述要求，实属不易。

二、几种卡口防攻击电路比较

对预付费电能表来说，如何解决卡口抗攻击问题至关重要。针对我公司预付费电能表的发展历程，早期对卡口防攻击重要性认识不够，如今深刻认识到卡口能否防攻击关系到表计的性能，更关系到我公司在预付费电能表市场的占有率，因此需不断地对卡口防攻击电路加以改进，并优化。以下是几种不同的IC卡卡口防攻击电路。

1.第一种IC卡卡口防攻击电路

第一种IC卡卡口防攻击电路(我公司最早的防攻击电路)，主要采用IC卡卡口防攻击专用模块，再加上双开关二极管等器件组成。如图1所示：

图1 第一种IC卡卡口防攻击电路

①图1中的IC卡卡口防攻击专用模块PTCM5-05B301-501RM工作原理：在IC卡的正常读写状态之下，PTC热敏电阻相当于一串接于线路中的限流电阻。而在异常状态下(受到攻击)，将导致流过PTC热敏电阻的电流增大，使其阻值呈现阶跃性变化，快速上升4-5个数量级而呈断开状态(高阻态)，达到保护目的。

图2 防攻击专用模块说明：2.4.6.8.10脚为输入脚，1.3.5.7.9脚为输出脚，11脚为GND端

图3 防攻击模块原理图

PTCM5-05B301-501RM防攻击专用模块由上述五个完全相同的通道组成。

②PTCM5-05B301-501RM防攻击专用模块电气参数：

a)额定零功率电阻值：(300～500)Ω

b)稳压范围：5.6V

c)不动作电流：15mA

d)动作电流：50mA

③特点：

a)具有快速响应，快速自恢复

b)性能稳定

c)抗攻击范围广(DC2500V，AC600V，静电30000V)

④第一种IC卡卡口防攻击电路存在的问题：

a)通过专用引线板之引线，将外部220V交流电源叠加至卡座电源后，时间一长就会把双二极管烧掉(耐压不够)，使插卡不起作用(没有破坏卡座以外的电路)，没有起到防攻击效果。此电路设计不够合理，没必要使用双二极管，防攻击专用模块完全可以抵抗卡口攻击，存在质量隐患。

b)表计在高温下工作时，防攻击专用模块的热敏电阻阻值会变大，而此时用户去售电插卡，就有可能使卡座的电源被拉底，从而导致表计售电不成功。挂网运行的部分表计已经出现过此类情况，有些地区表计是挂在户外的，当中午太阳暴晒时去插卡，怎么插卡读卡都不能成功；而当早上或者天气凉快的时候去插卡，读卡就可以成功。另外一方面，每张IC卡存在其内阻不同的现象，有些内阻比较大的IC卡，也会使卡座的电源被拉底，导致插卡不成功。

2.第二种IC卡卡口防攻击电路

针对第一种IC卡卡口防攻击电路存在的问题，进行整改，经过测试验证，提出了第二种IC卡卡口防攻击电路，对其电路和防攻击模块都进行了优化。具体如图4所示：

图4 第二种IC卡卡口防攻击电路

第二种IC卡卡口防攻击电路，去掉了起不到防攻击效果的双二极管保护电路，并对防攻击模块进行优化，由原先的热敏电阻(300～500Ω)+稳压管(5.6V)五组完全相同的通道，更改为卡座电源采用热敏电阻(30～60Ω)+TVS管(6.8V)通道，其它四组通道与原先相同。

①PTCM5-05B301-501/300-600RM防攻击专用模块电气参数：

a)额定零功率电阻值：(300～500)Ω/(30～60)Ω

b)稳压范围：5.6V/6.8V

c)不动作电流：15mA/30mA

d)动作电流：50mA/200mA

②优点：

a)降低了成本。去掉了双二极管等器件，同时减小了卡板PCB面积。

b)能够抗击高压交流和直流攻击，短路攻击，静电攻击等。

c)卡座电源采用热敏电阻(30～60Ω)+TVS管(6.8V)通道方式，减小卡座电源的限流电阻，同时采用TVS管(电阻减小，使导通速度加快，通过TVS管瞬间吸收大电流，使表计内部电路不致于被破坏。)无论表计在高温下工作，还是IC卡自生内阻偏大，都能使表计正常售电读卡。

上述防攻击电路已经可以抵抗卡口受到的攻击，但对于不同的表计电路有可能还会使表计受到攻击损坏，因此还需对电路进行优化改进。下面是实践过程中碰到的问题，如图5所示。

图5 实践过程中碰到的问题

此电路的IC卡信号线是通过74HC08D与门芯片与防攻击专用模块相连。当瞬间对卡座电源加220V交流电压时，74HC08D芯片(CMOS管)很容易被击穿(其它信号线加220V交流电压，不会把芯片烧坏)。由于卡座电源端的热敏电阻减小到30～60Ω，虽然有TVS管保护，但瞬间还是有尖电压进去，击穿与门芯片。后来在卡座电源VAA上加一个0.1μF电容，在TVS管保护的同时增加电容的滤波功能，把尖脉冲滤掉，从而达到保护的效果。

3.第三种IC卡卡口防攻击电路

采用现有的防攻击专用模块电路价格有点偏高。如何在保证质量的前提下，设计一个电路与防攻击专用模块实现相同的功能，而价格又比较低。经过理论和实践论证，采用热敏电阻+稳压管(或TVS管)电路方式来取代防攻击专用模块。具体电路如图6所示。

图6 第三种IC卡卡口防攻击电路

此电路采用五组通道来防攻击，其中卡座电源通道采用热敏电阻(30～60Ω)+TVS管(6.8V)，其它四组通道采用热敏电阻(300～500Ω)+稳压管(5.1V)。经过试验，其防攻击效果与防攻击专用模块完全相同。

(1)两者的价格比较：

①防攻击模块的价格为：3.45元；②组合电路的价格为：热敏电阻0.34元×5个+TVS管0.45元+稳压管0.12元×4元=2.63元。

(2)优点：

a)价格低，第三种IC卡卡口防攻击电路比原来的电路价格低了0.8元左右。

b)性能符合卡口防攻击要求。

综上所述，预付费电能表已进入千家万户，先付费后用电模式是今后居民用电的发展趋势，而IC卡卡口防攻击电路对于预付费电能表的质量起到了至关重要的因素。现今的IC卡卡口防攻击技术已经满足预付费电能表的要求，从而为我公司预付费电能表进军全国市场和海外市场奠定基础。

[1]国际标准[Z].主要包括国际电工委员会(IEC),国际标准化组织(ISO)和国际法制计量组织(OIML).IEC62052-11:电能测量设备 通用要求、试验和试验条件;IEC62053-21:电能测量设备特殊要求21部分:1级和2级静止式有功电能表;IEC62053-22:电能测量设备特殊要求21部分:0.2S级和0.5S级静止式有功电能表.

[2]国家标准:由国家电工仪器仪表标准化技术委员会归口解释,国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布[Z].GB/T 17215.211-2006《交流电测量设备通用要求、试验和试验条件 第11部分 测量设备》;GB/T 17215.301-2007《多功能电能表 特殊要求》;GB/T 17215.322-2008《静止式有功电能表(0.2S级0.5S级)》.

[3]行业标准[Z].由电力行业电测量标准化技术委员会归口解释,国家发展和改革委员会发布;DL/T 645-2007《多功能电能表通信协议及备案文件》.

[4]企业标准[Z].由国家电网公司科技部归口,国家电网公司发布:Q/GDW XXX-2012《智能电能表功能、技术及型式规范》;Q/GDW 205-2008《电能计量器具条码》.