非接触IC卡的安全性问题带来的挑战和机会

    一、关于Mifare卡安全问题的分析 

    1、Mifare卡安全问题的背景介绍

   Mifare Classic 非接触IC卡（下简称Mifare卡）。Mifare是NXP公司（原Philips半导体MIKON）于上世纪90年代推出的非接触逻辑加密IC卡。Mifare卡在全球交通、门禁、识别等领域得到了广泛的使用，中国是Mifare卡最大的市场。

    针对Mifare卡的安全性攻击从未停止，2008年出现了高效的攻击手段，并在网络上公布了攻击细节。Mifare卡的安全性问题引起了国内外的广泛的重视和担忧。

    2、Mifare卡的安全机制

    读写器和卡之间需要通过相互认证，认证后，读写器和卡之间的通讯加密。对EEPROM的操作有逻辑权限加以控制。引入伪随机数保证每次认证的过程不重复。 

    3、Mifare卡安全机制分析

    读写器和卡之间相互认证借鉴了ISO9798-2中的三次相互认证的协议，是最为关键的安全机制。相互认证方案和加解密过程是保密的，包括：认证的加密算法细节、认证过程中的运算细节和伪随机数产生的细节。在认证过程中，可知道的是双方都：采用了相同的对称加密算法和用同一密钥来进行认证和加密。

    4、对Mifare卡的安全性攻击

    随着安全研究者和攻击者不断针对Mifare 卡的攻击和分析，其认证相关的所有细节被完全公布：版图逆向分析的手段获得卡内伪随机数产生电路和加密算法电路；通过试验的方法找出认证中数据的规律，从而分析出完整的认证细节。

    安全性机制弱点主要在于：伪随机数只有16位，周期太短；48位密钥强度不够，加密算法结构简单，加密函数缺陷明显。

    5、两种主要的攻击手段

    A、针对卡内基于16位LFSR的随机数方案弱点的重放攻击，攻击效果和系统应用的流程相关。

    B、针对序列密码算法设计缺陷的攻击，倒推获取卡的密钥，这是比较彻底的攻击。

    6、单卡攻击的主要方式

    原卡复制即多次伪造出与原卡一模一样的卡片，使读卡机器无法识别伪卡

    1、获取“读”密钥（一般即消费密钥）

    2、找到UID号可改写的相同产品的空卡或FPGA仿真卡

    原卡充值即攻破充值密钥后，可以私自非法对原卡充值

    1、攻破充值密钥

    2、了解应用数据结构

    原卡恢复即先将原卡数据完整拷贝出来备份，待其中钱消费快结束时，再将备份数据写回原卡，完成对原卡的数值回复和再充值

    1、攻破充值密钥

    2、攻破“读”（消费）密钥

    3、原卡的交易流程设计中，支持数据回写

    7、Mifare卡安全性问题的分析

    Mifare卡的安全性问题是真实存在的。随着攻击细节的公布，攻击门槛大大降低，出现首个攻击事件只是个时间问题。目前对Mifare的攻击是针对单卡而言，批量复制和针对完整的应用系统的攻击仍是很难的，而完善的应用系统设计可大幅提高攻击的难度。Mifare卡用户应重视当前的安全性问题，针对自身的实际应用情况进行安全性评估，积极应对。

    二、国内Mifare卡用户的应对策略

    1、国内企业如何应对

    A、已运行项目

    通过完善管理和处罚（包括刑事）手段，对潜在攻击者形成震慑。缩短交易数据上传和分析处理时间，尽量做到实时处理。终端设备支持黑名单下载，尽量增大黑名单容量和更新能力。调整数据结构或交易流程，增加系统的安全，一定程度弥补卡片的安全漏洞。尽快向非接触CPU卡等高安全产品升级。

    B、新项目直接采用非接触CPU卡等高安全产品。

    2、一步到位的升级选择

    非接触CPU卡是非接触IC卡市场和技术的发展趋势，也是Mifare卡升级的首要选择，CPU卡芯片安全性高、功能强大、存储容量大。COS有公开、统一的可遵循国际或国家标准，CPU卡得到建设部等国家部门的大力推动。国产芯片已成熟、价格也趋于合理。至2008年初起，在建设部的领导下，许多城市的公交卡已经开始了Mifare卡到非接触CPU卡的升级试点。2008年以来国家密码管理部门开展了一系列的密码安全标准制定工作，提出各种应用的密码安全方案。

    3、非接触CPU卡的COS

    非接触CPU卡的指令等操作都是通过卡片操作系统COS来完成。芯片和COS的安全技术为CPU卡提供了双重的安全保证。自带操作系统的CPU卡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应用，每个应用之间相互独立，并受控于各自的密钥管理系统，甚至可以实现多种COS应用的一卡共用。

    4、非接触CPU卡的安全性优势

    CPU卡采用3DES加密算法，它使用3次64位的单DES加密算法对数据进行三次加密，密钥长度为128位，多年来，它在对付强力攻击时是比较安全的，进一步将可采用128位密钥长度的国家商用密码算法SM1替代3DES算法进行加密操作。

    CPU卡由于支持卡片锁定和应用锁定/解锁功能，应用商可以根据要求设定密钥尝试次数比如三次，超过次数限制，则卡片锁定或者应用锁定。

    CPU卡支持密文传输，密钥是不在线路上以明文出现的，它每次的送出都是经过随机数加密的，而且因为有随机数的参加，确保每次传输的内容不同。

    CPU卡支持密钥专用，不同的应用可以设定不同的密钥，从而使攻击者不容易得手。

    5、非接触CPU卡易用性更佳

    CPU卡有深入、全面的国际/国内标准（如PBOC2.0）规范可以遵循，可实现更好的兼容性和功能扩展性。

    CPU卡由COS保证了卡上数据的完整性。当写操作或其交易过程中异常中断时，COS负责恢复异常的数据，使交易过程不出现不确定的中间状态，大大简化了交易终端的异常处理程序，统一交易终端的交易处理流程。

    CPU具有使用对称或非对称算法对交易数据进行签名（TAC）的功能，终端或通道无法伪造出交易数据的数字签名，因此无法伪造交易数据。

    6、Mifare卡升级到非接触CPU卡所需的工作

    充值、发卡体系、密钥管理系统以及后台软件系统的改造升级（安全技术要求需要符合国家密码管理部门的审批要求）。

    消费POS机改造（通常只需升级软件）。

    卡片升级：Mifare卡一次性直接替换成为CPU卡；逐步替换存量Mifare卡，新发卡用能兼容Mifare的CPU卡，达到平稳过渡，平滑升级的效果。

    三、复旦微电子的全面解决方案

    1、RFID/IC卡产品线简介

     自1999年推出第一个IC卡芯片以来，目前已开发了20多款产品，芯片出货量累计超过4亿片。拥有国内最全、出货量最大的RFID/IC卡产品线，涵盖：存储卡 / 逻辑加密卡 / CPU 卡、接触 / 非接触、IC卡芯片 / 读写器芯片等等。

    2、挑战与机会

    复旦微电子是目前国内非接触IC卡产品出货量最大的芯片供应商（不包括二代证）。Mifare卡安全性问题对复旦微电子来说，既是挑战，也是机遇。我们已经准备好全面的技术解决方案来满足客户向CPU卡升级的需求

    3、复旦微电子完善的CPU卡产品

    复旦微电子拥有完善的CPU卡产品线，主要有三大系列，一是FM1208系列 （兼容M1卡），专为城市交通卡向CPU卡升级打造；二是FM1216系列 （兼容非接存储卡）；三是FM1920系列（SMAP应用）。

    4、非接触CPU卡芯片--FM1208 

    单界面非接触CPU卡芯片，符合《建设部非接触CPU卡芯片技术要求》，支持ISO14443-A通讯标准；8位CPU内核；8Kbyte EEPROM；硬件DES加密算法；能兼容所有的主流非接触存储卡；可支持COS开发以符合《建设部非接触CPU卡COS技术要求》《PBOC2.0电子钱包/电子存折》。 

    FM1208应用模式-1

    标准的非接触CPU卡模式（FM1208）：

    卡片不支持兼容非接触存储卡，只是作为标准的非接触CPU 卡来应用；

    适合于原来没有应用非接触存储卡而新开展非接触CPU 卡的应用领域；

    典型应用：合肥城市通卡，安全门禁卡。 

    FM1208应用模式-2

    复合卡模式（FM1208M01）：

    独立的非接触存储卡钱包和非接触CPU卡钱包和应用，相当于在一个芯片上实现复合卡的功能；

    适合与应用模式比较简单的一卡多用领域；

    典型应用：重庆长江掌中行。 

    FM1208应用模式-3

    共享钱包模式（FM1208SH01/FM1208M01）： 

    非接触存储卡和非接触CPU卡共用一个钱包，两种接口共享数据；

    COS能在支持CPU卡应用的同时能实现对存储卡功能和数据的处理，保证两个接口操作的数据同步； 

    典型应用：上海公共交通。 

    双界面CPU卡-- FM1216

    双界面CPU卡芯片，符合《建设部非接触CPU卡芯片技术要求》；

    支持ISO14443-A非接触接口；

    支持ISO7816接触接口；

    8位MCU处理器；

    支持DES、国密SM1和RSA加密算法；

    数据EEPROM为16Kbyte；

    能兼容所有的主流非接触存储卡。

    FM17xx、FM1920读写器芯片

    非接触读写器芯片FM17系列是复旦微电子最成功的产品之一，至今已销售超过300万颗，国内市场份额超过50%。

    FM1920是继FM17系列之后推出智能读写器芯片；

    内置8位CPU、硬件DES协处理器、大容量EEPROM存储器；

    支持ISO14443、ISO15693协议；

    嵌入式软件支持PBOC规范、方便POS开发；

    良好用户编程接口，操作全面兼容FM17系列；

    低功耗、接口种类丰富。

    四、总结

    Mifare非接触逻辑加密卡的安全性问题确实存在，对于卡片供应商，系统商和用户需要积极应对提高应用系统的安全性，采用更高安全和多应用特性的CPU卡是较好的选择。

    复旦微电子已经准备好从芯片、机具到系统应用的全面技术解决方案来满足客户向CPU卡升级的需求，愿与卡片供应商，终端提供商，系统集成商合作共同为最终用户提供安全，可靠，满足用户需求的IC卡解决方案。 

    (文/上海复旦微电子股份有限公司)