Mifare卡地算法破解和应用刘欣凯.docx
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Mifare卡地算法破解和应用刘欣凯
智能卡技术学习报告
——Mifare卡的算法破解和应用
某某:
X欣凯
专业:
信息安全2班
学号:
20101003356
指导教师:
杨帆
一、论文摘要.............................................................................3
二、Mifare卡的简单介绍.........................................................4
三、Mifare卡的构造与其功能模块.........................................6
四、Mifare卡的破解................................................................12
五、确保Mifare卡安全应用的新方案...................................18
六、Mifare的应用....................................................................22
七、参考文献...........................................................................24
一、论文摘要
Mifare是近年来被广泛应用的一种智能卡。
但是随着其广泛应用以与人们对其研究的加深,一度被认为非常安全的mifare卡也存在被破解的危险。
针对此现象,我们对mifare的构造进展了深入的了解,并提出了mifare卡安全应用的新的方法,使其能够安全的继续应用在各种领域。
关键词:
mifare卡、算法破解、安全应用、SM7国密算法
一、Abstract
Mifarecardhasbeenusedinmanyfrontier.Withthedevelopmentofthemifarecard,peoplehaveafurtherresearchonitthanbefore.Themifarecardwasconsideredsafeinsomeyearsyet.Butinnowadays,ithasbeencracked.Aimingatthephenomenon,wehaveastudyontheconstructofthemifarecard.Andatthesametime,weputforwardanewmethodtoinsureitssafety.Inthisway,themifarecardcanstillbeusedinmanyfrontierinsafe.
Keywords:
Mifarecard、Algorithmcrack、Securityapplications、SM7algorithm
二、Mifare卡的简单介绍
1、Mifare1卡领导了非接触式IC卡的革命
Mifare1非接触式IC卡是1994年由荷兰NXP半导体公司(简称NXP公司)发明。
它成功地将射频识别技术和lC卡技术相结合,解决了无源(卡中无电源〕和免接触的技术难题,是电子科技领域的技术创新的成果。
Mifare1卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定的一种感应式智能lC卡。
其具有如下优点:
(1)操作简单、快捷:
由于采用射频无线通讯,使用时无须插拔卡且不受方向和正反面的限制,所以非常方便用户使用。
,大大提高了每次使用的速度。
既适用于一般场合,又适用于快速、高流量的场所。
(2)抗干扰能力强:
Mifare1卡中有快速防冲突机制。
在多卡同时进入读写X围内时,能有效防止卡片之间出现数据干扰。
读写设备可一一对卡进展处理,提高了应用的并行性与系统工作的速度。
(3)可靠性高:
Mifare1卡与读写器之间没有机械接触。
防止了由于接触读写而产生的各种故障;而且卡中的芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中,进一步提高了应用的可靠性和卡的使用寿命。
(4)安全性好:
Mifare1卡的序列号是全球唯一的,不可以更改;读写时卡与读写器之间采用三次双向认证机制.,互相验证使用的合法性。
而且在通讯过程中所有的数据都加密传输;此外.卡片各个分区都有自己的读写密码和访问机制,卡内数据的安全得到了有效的保证。
(5)适合于一卡多用:
Mifare1卡的存贮结构与特点使其能应用于不同的场合或系统,尤其适用于政府机关、公用设施、学校、企事业单位、智能小区的身份识别、门禁控制、停车场管理、考勤签到、食堂就餐、娱乐消费、图书管理等多方面的综合应用。
有很强的系统应用扩展性.,可以真正做到“一卡通〞。
(6)本钱低:
随着Mifarel卡的广泛应用,中国不但成为全球最大的卡片生产基地.,而且芯片生产技术也为多家国内的厂家掌握,使得Mifare1与其兼容卡的出厂价格大幅下降,大大降低了用户的投资。
2、Mifare1非接触式IC卡的构造简介
Mifarel非接触式IC卡(又称Mifare1射频卡,以下简称M1卡)采用先进的芯片制造工艺制作,内建有高速的CM0SEEPROM、MCU等。
它的核心是Philips公司的Mifare1ICS50(一01,一02,一03,一04)系列微模块(微晶片),该模块确定了卡片的特性以与卡片读写器的诸多性能。
卡片上除了IC微晶片与一副高效率天线外,无任何其它元件。
卡片上无源(无任何电池),工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能,一般可达2V以上,供卡片上IC工作。
工作频率13.56MHz。
M1卡所具有的独特的MIFARERF非接触式接口标准已被制定为国际标准:
IS0/IEC14443TYPEA标准。
M1卡的标准操作距离与读写器的读写电路模块有关,当采用McM500作为读写器的读写模块时,操作距离为100mm;当采用MCM200时,操作距离为25mm。
M1卡具有先进的数据通信加密与双向验证系统,且具有防冲突机制,能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距离内的多X重叠的卡片,支持多卡操作。
卡片制造时具有惟一的卡片系列号(32位),没有重复一样的两XM1卡。
M1卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议,卡片上有高速的CRC协处理器,符合CCITT标准。
射频卡与读写器的通信速率高达106Kbit/s。
卡片上内建8K位EEPROM存储区,并划分为16个扇区,每个扇区分为4个块,并以块为存取单位。
每个扇区可分别设置各自的密码,并以多种方式进展管理,互不干预。
因此,每个扇区可以独立地应用于一个应用场合,整个卡片非常适合于各种“一卡通〞应用系统。
卡片上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路,非常适合公交/地铁等行业的检票/收费系统。
典型的检票交易时间最长不超过100ms(0.1秒)。
卡片上的数据可改写10万次以上,读无限次;数据保存期可达10年以上,且卡片抗静电保护能力达2KV以上。
ISO14443即是以Mifare卡的技术标准为草案形成的。
根据NXP公司提供的数据,全球超过50个国家、650个城市在使用Mifare方案,且几乎都是使用Mifarel卡。
市场上已经使用的Mifare1卡的数量超过10亿X。
我国140多个城市的公共交通领域在使用Mifare1卡,市场占有率超过70%。
同时,众多的Mifare1卡读写机具的生产厂商也为用户提供了便利、廉价、与时的服务。
三、Mifare1的构造与其功能模块
1、Mifare1非接触式IC卡的工作原理
M1卡片的电气局部只由一个天线和一个微模块组成。
天线是只有几组绕线的线圈,很适于封装到ISO卡片中,微模块由一个高速的RF射频接口电路和数字电路局部组成。
其工作原理是:
读写器向卡片发一组固定频率的电磁波,卡片内有一个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率一样,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可做为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。
2、Mifare1非接触式IC卡功能组成
M1卡核心微模块ICS50的功能组成如图1所示。
整个模块主要由两个局部组成:
RF射频接口电路和数字电路局部。
〔1〕RF射频接口电路
在RF射频接口电路中,主要包括有波形转换模块、调制/解调模块、电压调节模块和POR模块。
波形转换模块可将卡片读写器上的13.56MHz的无线电调制信号接收,一方面送调制/解调模块进展解调,另一方面进展波形转换,将正弦波转换为方波,然后对其整流滤波,并由电压调节模块对电压进展稳压等进一步的处理,最终输出的电压供应卡片上的各个电路。
POR模块主要是对卡片上的各个电路进展P0wER一0N—RESET上电复位,使各电路同步启动工作。
〔2〕数字电路局部
ATR模块(AnswertoRequest):
请求应答模块
当一XM1卡片处在卡片读写器天线的工作X围之内时,读写器内的读卡程序会向卡片发出REQUESTa11(或REQUESTstd)请求命令,于是卡片的ATR将启动,将卡片的类型号(TagType)共2个字节传送给读写器,建立卡片与读写器的第一步通信联络。
如果不进展第一步的ATR工作,读写器对卡片的其他操作将不会进展。
AntiCollision模块:
防止(卡片)重叠功能模块
如果有多XM1卡片处在卡片读写器天线的工作X围之内时,AntiCo11ision模块的防重叠功能将被启动工作。
卡片读写器在程序控制下将会首先与每一X卡片进展通信,取得每一X卡片的序列号(共5个字节,其中4个字节为序列号,另一个字节为校验字节),由于M1卡片每一X都具有其惟一的序列号,因此根据卡片的序列号可以识别每一X卡片。
卡片读写器中的读写电路MCM的防重叠功能,配合卡片上的防重叠功能模块一起工作,在程序控制下根据卡片的序列号选定其中一X卡片。
最后被选中的卡片将直接与读写器进展数据交换,未被选中的卡片处于等待状态,随时准备与卡片读写器进展通信。
SelectApplication模块:
卡片选择模块
当卡片与读写器完成了上述两步操作之后,接下来读写器还必须对卡片进展选择操作,即与被选中的卡片进展一次数据交换。
当某卡片被选中后,被选中的卡片便将其容量传送给读写器,当读写器收到卡片的容量信息后,便可以对卡片进展下一步的操作了。
Authentication&AccessControl模块:
认证与存取控制模块
在成功完成上述三步操作之后,接下来读写器要对卡片上某个扇区已经设置的密码进展认证。
如果认证通过,如此允许读写器对卡片上该扇区进展读写操作。
否如此要重新认证。
M1卡片的认证过程包含三次相互验证,图2所示为三次验证的令牌原理框图。
认证过程是这样进展的:
(A)环:
由M1卡向读写器发送一个随机数据RB;
(B)环:
读写器收到RB后,向M1卡片发送一个令牌数据TOKENAB,其中包含了读写器发出的一个随机数据RA;
(C)环:
M1卡收至0TOKENAB后,对TOKENAB的加密局部进展解密,并校验第一次由(A)环中M1卡发出去的随机数RB是否与(B)环中接收到的TOKENAB中的RA相一致;
(D)环:
如果(c)环校验是正确的,如此M1卡向读写器发送令牌T
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