FM1208非接觸CPU卡讀寫(xiě)系統的研制

引 言
隨著(zhù)非接觸邏輯加密卡的不斷應用，其技術(shù)的不足之處也日益暴露，難以滿(mǎn)足更高的安全性和更復雜的多應用的需求。2008年，互聯(lián)網(wǎng)上公布了破解Mifare Classic IC芯片(即M1芯片)密碼的方法；德國研究員亨里克?普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亞大學(xué)計算機科學(xué)在讀博士卡爾斯滕?諾爾(Karsten Noh1)成功地破解了恩智浦半導體的Mirare經(jīng)典芯片的安全算法；德國Virginia大學(xué)和荷蘭Radboud大學(xué)兩個(gè)獨立研究小組分別證實(shí)了Mi-fare芯片的易受攻擊性，并發(fā)表了破解芯片加密算法的論文以及演示了實(shí)際操作芯片的破解過(guò)程。
破解事件公開(kāi)后，荷蘭內務(wù)部大臣特霍斯特在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示，全球多達10億張IC卡中所使用的一項技術(shù)可輕易破解。此次破解風(fēng)波經(jīng)過(guò)國內媒體的轉載報道后，在我國引起了軒然大波，城市公用事業(yè)IC卡應用作為非接觸式邏輯加密卡的應用大戶(hù)，不得不讓我們靜下心來(lái)認真思考城市公用事業(yè)IC卡系統的安全問(wèn)題及未來(lái)走向。如果掌握了破解技術(shù)，不法分子可以很低的經(jīng)濟成本對采用該芯片的各類(lèi)“一卡通”、門(mén)禁卡進(jìn)行非法充值或復制，這將帶來(lái)很大的社會(huì )安全隱患。因此，非接觸CPU智能卡技術(shù)正成為一種技術(shù)上更新?lián)Q代的選擇，用CPU卡替換邏輯加密卡的時(shí)代已到來(lái)。

1 非接觸邏輯加密卡Mifare卡的安全性問(wèn)題
Philips公司(現NXP)的Mifare 1卡片，在非接觸卡應用領(lǐng)域占有全球80％的市場(chǎng)份額，是目前非接觸智能卡的工業(yè)標準，也成為ISO14443-A的工作草案。
Mifare的安全認證依賴(lài)于每個(gè)扇區獨立的KEYA和KEYB的校驗，可以通過(guò)扇區控制字對KEYA和KEYB的不同安全組合，實(shí)現扇區數據的讀寫(xiě)安全控制。其個(gè)人化也比較簡(jiǎn)單，主要包括數據和各扇區KEYA、KEYB的更新，在其間所有敏感數據(包括KEYA和KEYB)都是直接以明文的形式更新的。
KEYA和KEYB的校驗機制只能解決卡片對終端的認證，而無(wú)法解決終端對卡片的認證，即存在俗稱(chēng)為“偽卡”的風(fēng)險。
Mifare的密鑰就是一個(gè)預先設定的固定密碼，無(wú)論用什么方法計算密鑰，最后一定要和原先寫(xiě)入的固定密碼一致，就可以對被保護的數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作。因此無(wú)論是一卡一密的系統還是統一密碼的系統，經(jīng)過(guò)破解都可以實(shí)現對非接觸邏輯加密卡的解密。有種觀(guān)點(diǎn)認為，只要是采用了一卡一密、實(shí)時(shí)在線(xiàn)系統，或非接觸邏輯加密卡的ID號，就能避免密鑰被解密。其實(shí)，非接觸邏輯加密卡被解密就意味著(zhù)M1卡可以被復制，使用在線(xiàn)系統盡管可以避免被非法充值，但是不能保證非法消費，即復制一張一樣ID號的M1卡，就可以進(jìn)行非法消費?，F在的技術(shù)使用FPGA就可以完全復制?；谶@個(gè)原理，Mifare的門(mén)禁卡也是不安全的。

2 非接觸CPU卡的特點(diǎn)與優(yōu)勢
非接觸CPU卡，也稱(chēng)智能卡，卡內的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元(包括隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM(Flash)、用戶(hù)數據存儲器EEPROM)以及芯片操作系統COS。裝有COS的CPU卡相當于一臺微型計算機，不僅具有數據存儲功能，同時(shí)具有命令處理和數據安全保護等功能。
非接觸CPU智能卡與非接觸邏輯加密卡相比，有以下特點(diǎn)：
①芯片和COS的安全技術(shù)為CPU卡提供了雙重的安全保證；
②擁有獨立的CPU處理器和芯片操作系統；
③對計算機網(wǎng)絡(luò )系統要求較低，可實(shí)現脫機操作，可實(shí)現真正意義上的一卡多用，每個(gè)應用之間相互獨立，并受控于各自的密鑰管理系統；
④交易中自動(dòng)保證數據的完整性(防拔)；
⑤可以更靈活地支持各種不同的應用需求，更安全的設計交易流程；
⑥獨立的保密模塊――使用相應的實(shí)體SAM卡密鑰實(shí)現加密、解密以及交易處理，從而完成與用戶(hù)卡之間的安全認證。
非接觸CPU智能卡的優(yōu)勢是：
①先進(jìn)性。CPU卡可以作為銀行的金融卡使用，代表當前IC卡應用的最高安全等級，正成為IC卡應用中的主流產(chǎn)品。
②規范性。支持符合ISO7816-3標準的T=0、T=1通信協(xié)議，符合《中國金融集成電路(IC)卡規范》、《中國金融集成電路(IC)卡應用規范》，支持符合銀行規范的電子錢(qián)包、電子存折功能。
③兼容性。由于有中國人民銀行的統一規范及嚴格檢測，CPU卡具有很好的兼容性、安全性。芯片和COS的安全技術(shù)為CPU卡提供了雙重的安全保證；支持DES、TripleDES等加密算法，支持線(xiàn)路加密、線(xiàn)路保密功能，防止通信數據被非法竊取或篡改，使用過(guò)程密鑰實(shí)現加密、解密。
④可擴展性?？ㄆС侄喾N容量選擇，如2 KB、4 KB、8 KB、16KB、32KB的EEPROM空間。CPU卡從卡結構到卡容量可以很容易擴展到多種應用，可以與銀行聯(lián)合，實(shí)現真正意義上的一卡多用。
⑤安全性。與邏輯加密卡相比，由于智能卡內部具有CPU芯片，在具有數據判斷能力的同時(shí)，也具備了數據分析處理能力，因此智能卡可以隨時(shí)區分合法和非法讀寫(xiě)設備，并且由于有了CPU芯片，具備數據運算能力，還可以對數據進(jìn)行加密解密處理，因此具有非常高的安全性。CPU卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時(shí)，將微處理器芯片(CPU)也封裝在里面。這樣，EEPROM的數據接口在任何情況下都不會(huì )與IC卡的對外數據線(xiàn)相連接。外部讀寫(xiě)設備只能通過(guò)CPU與IC卡內的EEP-ROM進(jìn)行數據交換，在任何情況下都不能再訪(fǎng)問(wèn)到EEP-ROM中的任何一個(gè)單元。
外部讀寫(xiě)設備在與智能卡進(jìn)行數據交換時(shí)，首先必須發(fā)指令給CPU，由CPU根據其內部的ROM中存儲的卡片操作系統(COS)對指令進(jìn)行解釋?zhuān)⑦M(jìn)行分析判斷。在確認讀寫(xiě)設備的合法性后，允許外部讀寫(xiě)設備與智能卡建立連接，之后的數據操作仍然要由外部讀寫(xiě)設備發(fā)出相應的指令，并用CPU對指令進(jìn)行正確解釋?zhuān)试S外部讀寫(xiě)設備和智能卡中的數據存儲區(RAM)進(jìn)行數據交換。數據交換成功后，在CPU的控制下，利用智能卡中的內部數據總線(xiàn)，再將內部RAM中的數據與EEPROM中的數據進(jìn)行交換。這樣就實(shí)現了對智能卡EEPROM中數據的安全保護，因此具有非常高的安全性。

3 非接觸CPU卡FM1208的特點(diǎn)與性能
FM1208是復旦微電子股份有限公司設計的單界面非接觸CPU卡芯片，產(chǎn)品支持。ISO14443-A協(xié)議，硬件DES協(xié)處理器，內置8 KB的EEPROM。FM1208的特色是能夠兼容現有廣泛使用的非接觸邏輯加密卡，將非接觸邏輯加密卡(Mirare算法)和符合銀行標準的接觸式CPU卡的功能合二為一。
特點(diǎn)：通信協(xié)議為ISO14443-A；MCU指令兼容8051；支持106 kbps數據傳輸速率；Triple-DES協(xié)處理器；程序存儲器32K×8位ROM；數據存儲器8K×8位EEPROM；256×8位iRAM；384×8位xRAM；低壓檢測復位；高低頻檢測復位；EEPROM滿(mǎn)足10萬(wàn)次擦寫(xiě)指標和10年數據保存指標。
FM1208典型處理時(shí)間：
◆識別一張卡時(shí)間為3 ms(包括復位應答和防沖突)；
◆EEPROM擦寫(xiě)時(shí)間為2．4 ms；
◆典型交易過(guò)程350 ms。
FM1208的安全機制：
◆有反電源分析模塊；
◆有高低頻檢測復位模塊，芯片工作頻率超出檢測范圍自動(dòng)復位；
◆ROM反逆向提取，存儲器數據加密。