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AFC系統(tǒng)中IC卡用芯片的安全

文章出處:http://srpd123.com 作者:魏輝&nbsp;&nbsp; 人氣: 發(fā)表時間:2011年09月23日

[文章內(nèi)容簡介]:IC卡是軌道交通自動售檢票(AFC)系統(tǒng)中的車票介質(zhì),IC卡用芯片是一種集成電路芯片,除了IC卡的特殊應(yīng)用環(huán)境要求IC卡用芯片具有較小的體積及環(huán)境適應(yīng)性外,更重要的就是IC卡用芯片的安全性。文章闡述了IC卡用芯片的安全是IC卡安全性的基礎(chǔ),對在AFC系統(tǒng)中產(chǎn)生安全問題的幾方面進行了分析,討論了從芯片的設(shè)計階段起就采用的必要的安全保護措施。

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號線(城鐵線)自動售檢票系統(tǒng)的開通使用結(jié)束了北京軌道交通無自動售檢票系統(tǒng)的歷史,同時揭開了北京軌道交通自動售檢票系統(tǒng)全面發(fā)展的新篇章。2008年奧運會的成功申辦為北京軌道交通的發(fā)展提供了機遇,新線建設(shè)和既有線通過改造將全部采用自動售檢票系統(tǒng),屆時將形成軌道交通網(wǎng)絡(luò)化自動售檢票(AFC)系統(tǒng)。IC卡是軌道交通自動售檢票(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)計階段應(yīng)提供完善的安全保護措施。一般來說,對IC卡用芯片的攻擊主要有以下幾種: 

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

    IC卡用芯片的安全技術(shù)要從物理上防止以上攻擊,物理保護的實施強度以實施物理攻擊者所耗費的時間、精力、經(jīng)費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車票進行加值或復(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,到出站閘機進行回收。在整個使用過程中,IC卡處于兩種狀態(tài):在系統(tǒng)運營人員管理中,包括單程票的采購、初始化、發(fā)售、回收、循環(huán)運輸?shù)拳h(huán)節(jié);在乘客手中,從購買單程票到出站之間。對于IC卡儲值票,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卡在乘客手中時有更大的不安全風(fēng)險。但是整體而言,單程票處在安全范圍內(nèi)的比例要比儲值票大,尤其是儲值票,由于其儲值金額可能較大,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人通過互聯(lián)網(wǎng)來進行通信,而且能夠保證通信雙方身份的真實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,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)實現(xiàn)身份識別和信息加密傳輸。這種技術(shù)對于實現(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,使測試功能不可再激活;
    (2)高/低電壓的檢測;
    (3)低時鐘工作頻率的檢測;
    (4)防止地址和數(shù)據(jù)總線的截??;
    (5)邏輯實施對物理存儲器的保護;
    (6)總線和存儲器的物理保護層等。 

2 儲值IC卡票的安全保證 

    AFC系統(tǒng)的儲值票使用符合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)。它具有先進的數(shù)據(jù)通信加密和雙向驗證密碼系統(tǒng);卡片制造時具有唯一的卡片系列號;卡片上內(nèi)建8K EEPROM存儲容量并劃分為16個扇區(qū),每個扇區(qū)劃分為4個數(shù)據(jù)存儲塊,每個扇區(qū)可由多種方式的密碼管理;卡片上還內(nèi)建有增值/減值的專項的數(shù)學(xué)運算電路,具有防重疊功能,模塊與卡片通信時數(shù)據(jù)加密,每個扇區(qū)設(shè)有3套密碼及其認(rèn)證和密碼存儲器。

    Mifare 1卡認(rèn)證過程是:由Mifare 1卡片向讀寫器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù)RB;讀寫器收到RB后向Mifare 1卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB,其中包含了讀寫器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù)RA;Mifare 1卡片收到TOKEN AB 后,對TOKENAB的加密部分進行解密,并校驗第一次由(A)環(huán)中Mifare 1卡片發(fā)出去的隨機數(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后將對令牌TOKEN BA中的RB(隨機數(shù))進行解密,并校驗第一次由(B)環(huán)中讀寫器發(fā)出去的隨機數(shù)RA是否與(D)環(huán)中接收到的TOKEN BA中的RA相一致。如果上述的每一個環(huán)節(jié)都能正確通過驗證,則讀寫器將對通過認(rèn)證的卡片上的這個扇區(qū)進行下一步的操作。同樣,卡片中的其他扇區(qū)由于有各自的密碼,想對其進行進一步的操作,也必須完成上述的認(rèn)證過程。每個扇區(qū)都通過認(rèn)證,整個過程才算完成。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯,整個認(rèn)證將告失敗,必須重新開始。由于密碼的變化極其復(fù)雜,靠猜測密碼打開卡片上的一個扇區(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卡片的存儲容量為8192 BIT X 1位字長,采用EEPROM作為存儲介質(zhì),整個結(jié)構(gòu)劃分為16個扇區(qū),編為扇區(qū)0~15,每個扇區(qū)有4個塊,每個塊有16個字節(jié),每個扇區(qū)的塊3(即第4塊)包含了該扇區(qū)的密碼A(6個字節(jié))、存取控制(4個字節(jié))、密碼B(6個字節(jié)),是一個特殊的塊。其余三個塊是一般的數(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Mifare 1卡進行讀寫時,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,這個過程叫做認(rèn)證操作。可通過選擇秘密存儲在MCM中的RAM的密碼集中的一組密碼來進行認(rèn)證而實現(xiàn)。卡片存儲器的每一個塊都有指定的存取條件,這些存取條件根據(jù)密碼A或B(它們對整個扇區(qū)始終有效)而定。MCM能夠存儲3個密碼集KEYSET0,KEYSET1,KEYSET2,每一個KEYSET又包含了KEYA及KEYB等,以存取最高達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。要想對此種IC卡進行攻擊的話,必須要知道AFC Mifare 1 IC卡的數(shù)據(jù)存儲結(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(該序列號是燒制在卡片的EPROM上的,是不可修改的)與密鑰通過運算產(chǎn)生一個MAC,每次交易對MAC進行認(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,并得到保存在sAM上的密鑰,同時還要知道計算方法。所以能得到MAC的機會幾乎是不存在的。這樣只要通過密鑰系統(tǒng)保護主密鑰不流失就可以保證車票不被偽造。采用動態(tài)MAC方式,即SAM卡計算,動態(tài)MAC與CRC相結(jié)合的方法來實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)不被篡改。動態(tài)MAC計算就是在交互過程中加入SAM卡作為計算主體(密鑰系統(tǒng)由主密鑰卡多級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)作為運算項目,每次對票操作完成后由SAM產(chǎn)生一個MAC,并寫入票中,下次操作票時首先驗證MAC是否可以通過。由于sAM可以認(rèn)為是安全的,MAC的計算可以放在SAM中,這樣可以認(rèn)為MAC是安全。參與MAC計算的數(shù)據(jù)包括車票的唯一編號、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)多了速度會受到比較大的影響,所以增加二級安全保護措施,即CRC運算。當(dāng)車票操作完成時,對車票內(nèi)的所有數(shù)據(jù)(除MAC碼和CRC結(jié)果碼)進行CRC運算,并得到CRC結(jié)果碼,之后將CRC碼也作為MAC運算的數(shù)據(jù)項目之一送人SAM卡進行運算。這樣票中的數(shù)據(jù)項目一旦被非法修改,CRC不會被通過,可以發(fā)現(xiàn)。如果CRC算法被攻擊或偽造,MAC也無法通過,因為MAC由SAM計算得到,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)泄露個別車票的數(shù)據(jù)內(nèi)容不會帶來特別風(fēng)險,如果攻擊者分析得到車票的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),但有動態(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措施。 

    作者簡介:魏輝(1969- ),男,工程師,北京市遠達建設(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。

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