IC卡安全性研究与应用分析

刘永清

国家计算机网络应急技术处理协调中心江苏分中心

0 引言

IC卡在生活和工作中十分常见，广泛应用于公共交通、门禁、电子钱包等领域，具有携带方便、操作简单、使用灵活、一卡多用、抗干扰性能力强、可靠性高等优点。标准的IC卡为长方形，尺寸为85.6×53.98mm2，实际生活中使用的IC卡的外形却是各种各样，有卡片式和钥匙扣等样式。

IC卡不但外形各异，卡片的种类也是十分繁多。根据读卡方式可分为接触式、非接触式、双界面卡；根据工作频率可分为低频125kHz、高频13.56MHz、微波2.4GHz等；根据嵌入芯片可分存储卡、逻辑加密卡、CPU卡。

1 M1卡介绍

在众多种类IC卡中，Mifare 1（简称M1）系列IC卡价格便宜，使用最为广泛。M1卡是一种逻辑加密卡，工作频率为13.56MHz，读卡距离可达10cm，与读卡器的通信速率可达106kbps，因此，一次刷卡交易可以0.1秒内完成。M1卡中的无线智能卡芯片是Philips公司根据ISO/IEC 14443A标准开发，通讯层遵从ISO/IEC 14443A的第1、2、3部分，保密层使用经区域验证的Crypto-1流密码，对M1卡的通信数据进行加密。M1卡内置芯片有S50和S70两种型号，S50与S70主要不同在于卡片的扇区分布和容量不同，S50容量为1K字节，而S70的容量达到了4K字节。S50卡使用最广泛，本文将重点介绍。

1.1 M1卡的特点

（1）无线传送数据和能量

M1卡中芯片连接着几匝线圈，组成一个LC串联谐振电路，谐振频率13.56MHz。这些芯片及线圈嵌入到塑料中，这就形成了一张无源的无线智能卡，这种卡不需要电池。读卡器持续向外发出一组固定频率的电磁波，其频率与M1卡的谐振频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使谐振电容内有了电荷，当积累的电荷达到2V以上时，即可驱动芯片工作，此时M1卡的高速RF通讯接口就可以与读卡器传送数据。

(2)反冲突

智能反冲突（Anticollision loop）功能允许同一工作区域中有不止一张M1卡同时工作，反冲突算法每次只选择一张卡，确保对被选中的卡正确执行操作，而且同一区域中没有被选中的卡不会破坏数据，而是回到待机状态等待新的请求命令。

(3)安全性

M1卡的一个重要特点是保密，防止受到欺骗攻击。M1卡和读卡器之间通过三轮确认（Three Pass Authentication）进行相互认证，认证后的数据交互都进行了加密，使得IC卡应用系统具有一定的保密性。

1.2 M1卡数据存储

(1)存储结构

M1 S50卡存储空间为1K字节，分成16个扇区（Sector），每个扇区又分成4块（Block），每块有16个字节，数据的读写以块为存取单位。每个扇区有两套独立的48位的密钥（KeyA, KeyB）。如图1所示。

图1 M1卡存储结构图

(2)访问权限

除了0扇区外，每个扇区的0~2块为数据块，3块为区尾（Sector Trailer）。每个扇区的区尾包括6字节KeyA、4字节存储控制位、6字节KeyB。M1卡每个扇区的存取控制位初始值为FF078069，KeyA，KeyB初始密钥为FFFFFFFFFFFF。

数据块和区尾由3个存取控制位[C1XY, C2XY, C3XY]Y=0~3来定义其读写权限，这些存取控制位以取反（上划线表示）和不取反的形式保存在指定的区尾中，其中字节9保留未使用。数据块和区尾访问条件的定义如表1和表2所示。

表1 数据块访问条件（Y=0~2）

表2 区尾访问条件

（3）数据块

根据访问权限，经过密码验证后，就可以访问数据块。M1卡的数据块根据读写方式又分为两种类型：

①读写块

读写块用作为普通读写的16字节数据块，只能进行读块或写块。

②值块

值块主要用于电子钱包功能，可以读值、加值、减值、转存、恢复，值块中的数据包括符号位共4字节。为了提供检错纠错能力，数据被存储3次，其中原始数据保存2次，取反数据保存1次。剩余4字节用于保存存储段的地址，原始地址和取反地址各保存2次。

（4）厂商块

0扇区0块与其他数据块不同，称为厂商块，标准M1卡的厂商块是只读的，有的兼容M1卡的厂商块可以更改，这种卡称为UID卡。厂商块共16字节，各字节的定义如下：

0~3字节为序列号（UID, Unique IDentifier）。

4字节为校验字节（BCC, Byte Calculation Check），是0~3字节的异或值。

5字节为选择确认码（SAK, Select AcKnowledge），S50的SAK为08，S70的SAK为18，CPU卡的SAK为20，模拟CPU卡的SAK为28。

6~7字节为请求响应码（ATQA, Answer To reQuest, type A），S50的ATQA为0004，表示UID长度为4字节，遵守面向比特的防冲突机制，S70的ATQA为0002，有的CPU卡的ATQA为0344或0008等。

8~15字节为厂商数据。

1.3 M1卡通信过程

为近一步理解M1卡的工作原理，表3列出了文献中实验侦听的IC卡通信过程数据。

表3 读卡器与M1卡通信数据举例

通过分析表3的通信数据可以得出M1卡与读卡器的通信过程如下：

（1）读卡器轮询

①读卡器不停地发送REQA(Request Command, Type A)，以探测是否有A类型的IC卡靠近读卡器。

（2）IC卡响应

②IC卡中的LC谐振电路接收到读卡器的电磁波，因共振产生电荷，给IC卡芯片供电，IC卡复位后进入空闲状态，并侦听读卡器发出的命令。当收到读卡器的REQA命令后，IC卡回复ATQA码，并进入准备状态。

（3）防冲突循环检测

③读卡器发出SEL NVB(Select Number of Valid Bits)，以进行冲突检测，其中NVB = 20表示有效命令为2个字节。

④靠近读卡器的IC卡都会回应其UID + BCC，M1卡的UID一般为4字节，BCC是一字节的校验字，是UID的异或值。如果此时有多张IC卡同时回应，那么就可能出现冲突，此时读卡器就会再次发送SEL NVB命令，直到没有冲突出现。

（4）选择IC卡

⑤如果没有检测到冲突，那么读卡器就发出SEL NVB UID CRC_A，以选择指定UID的IC卡，此时NVB = 70表示有效命令为7个字节。

M1卡的CRC_A的计算公式在ISO/IEC 13239中定义，其生成多项式为x16+x12+x5+1，记为0x11021，但是16移位寄存器的初始值不是0xFFFF，而是0x6363。

⑥被选中的IC卡回应SAK CRC_A，此时IC卡转换为活动状态，没有选中的IC卡保持准备状态，等待新的请求命令。

（5）三轮确认认证

⑦读卡器发出Auth Addr CRC_A，指定要访问的数据块，并选择密钥A或密钥B进行认证，Auth若为60则表示选择密钥A认证，若为61则表示选择密钥B认证，然后进入三轮确认认证。

⑧IC卡从对应块的区尾读出密钥和存储控制位，判断读卡器是否为合法访问，若为非法访问，则卡片不会响应读卡器；否则发送一个4字节的随机数RB（第一轮确认）。

⑨读卡器将接收到随机数RB、自己生成的随机数RA以及其他附加信息利用未公开的Crypto-1算法进行加密，然后将密文发给IC卡（第二轮确认）。

⑩IC卡对接收到的密文进行解密得到RA, RB及附加信息，检查RB及附加信息是否正确，若检查正确，则IC卡对读卡器认证通过，然后将RA加密后发给读卡器（第三轮确认）。

（6）数据块读写

读卡器对接收到的密文进行解密得到RA等信息，与IC卡进一步确认了随机数RA。认证通过后，就可以对指定的数据块进行读写操作，后续的数据通信都是加密传输的。

由于每个扇区都有各自的密码，如果要对其他扇区进行操作，还需进行⑦至步的三轮确认认证。

2 M1卡破解方法

M1卡虽然有三轮确认认证及数据加密传输等安全手段，但是M1卡存在着众多先天不足的问题，比如：密钥长度只有48位、密钥核验错误次数没有限制等，可以通过不断地重试，对M1卡进行暴力破解。早期要破解M1卡不但要对M1卡有深刻的了解，而且还要有高深的计算机技术，现在网上有多种破解工具，可以轻松破解M1卡。

2.1 PN532

PN532是最廉价的破解方案，仅一块简易电路板，配合mfoc和mfcuk软件使用，就可以满足常规的M1卡的读写操作，适合有一定计算机技术的人员使用，可以用于破解M1S50卡，不能破解全加密卡（所有扇区都未使用改初始密钥和简单密钥），适合破解门禁等应用简单的IC卡。

2.2 ACR122U

ACR122U读写的主芯片也是PN532，配套有更加完善破解软件，使用稍微简单一些，但同样不能破解全加密卡，对于加密了部分扇区的S70卡也较难破解，性价比一般。

2.3 Proxmark3

Proxmark3是一款开源的研究平台，设计图被公布在Proxmark3官方网站，在网上可以找到配套的软件，另有社区可获取对应的固件及技术支持，可破解低频卡、S50和S70全加密卡及部分特殊卡，功能相当强大，但价格较贵。

3 M1卡应用案例分析

M1卡在工作与生活中使用非常广泛，某市的公共自行车卡就是选用了M1卡。

3.1 卡片破解

为了分析该公共自行车卡存储的数据，笔者用ACR122U对自行车卡进行了破解，破解操作界面如图2所示，破解完成后生成了二进制dump文件。

图2 ACR122U破解软件

3.2 数据分析

下面分析破解生成的dump文件，查看公共自行车卡的各个扇区分别存储了什么数据。

（1）0扇区数据

图3 0扇区数据

0扇区第0块数据块是厂商块，SAK=08, ATQA=0004（先传低字节后传高字节），由此进一步验证了该公共自行车卡是M1卡。第1块数据中“20160303”是制卡时间，其他字节功能未知，最后一个字节为校验字节，是0x33与当前块前15字节的异或值。不同自行车卡的第2块数据都相同，可能是公共自行车卡的标识。0区的密钥A为常用的密码“A0A1A2A3A4A5”，密钥B无明显特征，存取控制位为69678969。

（2）1扇区数据

图4 1扇区数据

1扇区第1块和第2块数据相同，是为了数据安全存储而进行的冗余存储，而且这两块数据是作为值块进行存储的，数据值为0x00001324，十进制为4900，即自行车卡的余额为49.00元。

（3）2扇区数据

2扇区第0块数据为自行车的卡号，采用ASCII编码。第1块数据为办卡时间；第2块数据为持卡人姓名，也是ASCII编码。前三块数据的最后一个字节也是校验字节。

卡片其他的扇区，存储数据的意义不明显，有的扇区没有存储数据，在此不再列举分析。

图5 2扇区数据

3.3 卡片克隆

破解了IC卡后，就可对卡片余额等数据进行修改，也可对IC进行复制，操作很简单，导入之前破解生成的dump文件，将该文件写入空白的UID卡中，即可实现IC卡克隆。笔者测试过，复制的公共自行车卡可以正常借车。

3.4 安全建议

通过对某市公共自行车卡的破解可以看出，由于M1卡的先天不足，导致M1卡很容易受到非法复制、恶意修改数据等攻击。那么如何提高M1卡的应用安全呢？有以下两种方案：

（1）将离线刷卡调整为在线刷卡，每次刷卡交易，读卡器都会将卡内数据与联网查询的后台数据进行比较，发现数据不一致时，将该卡列为黑名单禁止使用。正常刷卡时，在更新IC卡内数据时，也同步联网更新后台数据库数据。这种方式可以降低IC卡被非法破解使用的风险，但是也存在一定弊端，每次交易都要网络连接后台数据库，造成交易时长增加，客户体验下降，而且如果网络中断，那么刷卡交易将无法进行。

（2）将公共自行车卡由M1卡更换为安全性更高的CPU卡，这种方案能够彻底解决公共自行车卡的安全问题，但是所有客户都要重新换卡，自行车站点要更换CPU卡读卡器，整个公共自行车系统软件也要更新，工作量较大，需要财政投资升级系统。

图6 ACR122U复制UID卡软件

4 结束语

IC卡在生活和工作中普遍使用，本文首先根据使用方式、工作频率、嵌入芯片对IC卡进行了分类，引入了最为常见的非接触式13.56MHz的逻辑加密卡——M1卡，M1卡因价格便宜使用最为广泛；接着重点介绍了M1卡数据分区存储结构和数据通信过程，指出了当前市面上流行的破解M1卡的三种工具；最后以某市公共自行车卡作为M1的应用案例，对其进行了破解分析，并提出了改进建议。因此，可以说当前许多在用的基于M1卡的交易系统是不够安全的，随着CPU卡价格的下降，无论是政府还是企事业单位在新建IC卡应用系统时，建议使用CPU卡代替M1卡，以提高系统安全性。