由Mifare 1卡破解帶來的危險以及應(yīng)對方法

文章出處：http://www.fang1.net 作者：同方股份有限公司 袁育博   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月29日

    今年年初以來，一個消息的傳出震驚了整個IC卡行業(yè)。最近，德國和美國的研究人員成功地破解了NXP的Mifare1芯片的安全算法。Mifare1芯片主要用于門禁系統(tǒng)訪問控制卡，以及一些小額支付卡，應(yīng)用范圍已覆蓋全球。因此這項“成果”引起了不小的恐慌，因為一個掌握該破解技術(shù)的小偷可以克隆任何一個門禁卡，從而自由進出政府機關(guān)大樓或公司辦公室；可以批量的克隆或偽造各種儲值卡大肆購物而不被發(fā)現(xiàn)。國內(nèi)發(fā)行的這種卡，估計有幾億張在投入使用，它的安全性涉及到眾多的運營單位和持卡人的利益。

    近日，有研究人員宣布MIFARE 系列產(chǎn)品的安全性存在薄弱環(huán)節(jié)，在他的研究室里，通過研究讀寫器和卡之間的通信數(shù)據(jù)，找到了這種卡的加密算法和認(rèn)證通信的協(xié)議，并有兩種方法可以得到MIFARE class邏輯加密卡的分區(qū)密碼。通過這種方法，破壞者可以使用非常廉價的設(shè)備在40ms內(nèi)就可以輕易獲得一張M1卡的密碼。面對這種災(zāi)難性的事實，有些公司宣稱他們有辦法彌補這一漏洞，用戶可以繼續(xù)使用這種卡片而不必?fù)?dān)心。那么，M1卡的破解真的有那么大的破壞力么，目前的一些“安全”手段真的有效么?；卮疬@一問題，我們需要先從了解Mifare1系列卡片的結(jié)構(gòu)和安全認(rèn)證機制開始。 

    Mifare系列非接觸IC卡是荷蘭Philips公司的經(jīng)典IC卡產(chǎn)品（現(xiàn)在Philips公司IC卡部門獨立為NXP公司，產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)歸NXP所有）。它主要包括在門禁和校園、公交領(lǐng)域廣泛使用的Mifare one S50（1K字節(jié)）、S70(4K字節(jié))，以及簡化版Mifare Light和升級版MifarePro 4種芯片型號。這幾種芯片中，除Mifare Pro外都屬于邏輯加密卡，即內(nèi)部沒有獨立的CPU和操作系統(tǒng)，完全依靠內(nèi)置硬件邏輯電路實現(xiàn)安全認(rèn)證和保護的IC卡。其主要結(jié)構(gòu)如圖所示： 

    在Mifare 1芯片結(jié)構(gòu)中，Authentication & Access Control 認(rèn)證與訪問控制單元用于完成卡片的密碼認(rèn)證，控制各個數(shù)據(jù)扇區(qū)的讀寫權(quán)限；Crypto Unit數(shù)據(jù)加密單元就是其認(rèn)證和加解密運算的算法引擎。Mifare系列IC卡是NXP公司的專利產(chǎn)品，它采用了一種NXP特有的加密算法來完成認(rèn)證和加解密運算。由于這種算法是NXP特有且不公開的算法，Mifare系列IC卡采用了一種特殊的手段來實現(xiàn)在不公開算法的前提下完成認(rèn)證，即將同樣的算法引擎放置在NXP出產(chǎn)的專用Mifare讀寫基站芯片中（如常用的RC500和RC531），認(rèn)證過程由基站芯片“代替”用戶系統(tǒng)與Mifare芯片之間完成。這一認(rèn)證過程就是常常被Mifare系列芯片宣傳的“三重認(rèn)證”，其實質(zhì)就是基站芯片與Mifare芯片之間相互傳遞隨機數(shù)以及隨機數(shù)的密文，通過對隨機數(shù)密文的解密比對實現(xiàn)對卡片的認(rèn)證。Mifare芯片所引以為豪的“數(shù)據(jù)加密傳輸”也是由基站芯片加密后傳送給Mifare芯片的。這個過程可以簡化為下圖所示： 

    如圖所示，M1卡所宣稱的三次認(rèn)證及輸入加密傳輸?shù)劝踩匦灾傅氖荕1卡與RC500等NXP基站芯片（或兼容芯片）之間的認(rèn)證和加密。由于NXP對M1卡與基站芯片間的通訊協(xié)議和加密認(rèn)證機制嚴(yán)格保密，因此從這里進行破解難度很大。然而不幸的是，最終這個算法和機制還是被破解了。研究人員找出了算法和通訊協(xié)議中的漏洞，可以輕易地通過幾十次試探攻擊（約40ms）就能夠獲得一張卡片的所有密鑰。事實上，在Mifare芯片的兼容產(chǎn)品出現(xiàn)的那一天起，這個秘密就已經(jīng)不是秘密了，因為完全兼容，實際就意味著已經(jīng)掌握了這個算法。 

    在Mifare1卡片安全問題暴露后，一些公司公開宣稱已經(jīng)有了解決的辦法，其中的法寶就是所謂“一卡一密”，也就是每一張卡片的每一個扇區(qū)的密鑰都不相同，使用CPU卡裝載系統(tǒng)根密鑰，根據(jù)Mifare1卡的唯一序列號計算子密鑰，防止一張卡片被破解而影響整個系統(tǒng)。其實這種解決方案在Mifare1卡破解之前就已經(jīng)出現(xiàn)。那么，一卡一密真的能解決Mifare1的安全問題么，我們還是要從Mifare1卡的認(rèn)證機制著手進行分析。 

    我們已經(jīng)知道，Mifare1卡的認(rèn)證實質(zhì)上是卡與基站芯片之間的認(rèn)證。常用的RC500等基站芯片已經(jīng)為業(yè)界廣為熟知，它的接口和通訊協(xié)議都是公開的。在基站與Mifare1卡認(rèn)證前，需要通過LoadKey命令將Mifare1卡的密碼裝載到基站芯片中。這一過程是一個明文寫入的過程，是由終端設(shè)備（如讀卡器）主控單片機傳送給RC500的，并且單片機對RC500的命令傳輸是非加密的。如下圖所示： 

    這樣就可以通過截獲單片機與RC500之間的通訊來獲取M1卡的密鑰。而要做到這一點，一個使用過RC500的對單片機技術(shù)稍微了解的技術(shù)人員都能夠輕而易舉的實現(xiàn)。 

    那么，在讀卡器中安裝SAM卡，通過SAM卡計算卡片密鑰實現(xiàn)一卡一密是否就安全了呢。想法非常美好，然而結(jié)果卻非人所愿，這樣的做法不但沒有增加安全，反而更加加大了安全漏洞。如下圖所示： 

    如圖所示，M1卡通過SAM卡實現(xiàn)一卡一密本質(zhì)上是將SAM卡內(nèi)的主密鑰通過對M1卡的卡號分散后得到M1卡的子密鑰，但是這個子密鑰仍然要通過終端單片機明文傳送給RC500芯片完成對M1卡的認(rèn)證。更為嚴(yán)重的是SAM卡送出的是Mifare1卡的明文密碼，黑客只要獲得一張SAM卡，就能夠通過它獲得所有卡片的密碼，連破解手段都不用。 

    此外，在M1卡消費密碼被泄露的情況下，即使采用了聯(lián)機充值的方法，也無法保障運營商的利益，因為在此情況下，盜竊者使用偽造的M1卡，完全可以不用系統(tǒng)的充值密碼，而直接采用M1卡的缺省密碼對卡片進行“充值”，然后用真實的消費密碼在終端上消費。在此情況下，即使采用了黑名單機制也難以避免運營商和授卡商戶遭受損失，因為黑名單機制是一種事后防范機制，防止的是再次發(fā)生同一偽卡的交易，而在M1卡小額消費日益普及的今天，盜竊者只需將偽卡使用一次，就足以獲得比一張偽卡成本高得多的收益。 

    這樣，我們可以假設(shè)一下幾種情況： 

    外部人員作案：
    作案人盜取一個正式使用的終端設(shè)備，通過線路截獲方式獲取單片機發(fā)送給RC500的密鑰，從而破解M1卡的密鑰。
    作案人盜取終端內(nèi)的PSAM卡，通過向PSAM卡發(fā)送密鑰分散指令的方式得到每一張M1卡的子密鑰。 

    內(nèi)部人員作案： 

    終端設(shè)備的開發(fā)人員利用工作之便盜取終端內(nèi)的M1卡密鑰明文或經(jīng)過單片機發(fā)送給RC500的M1卡密鑰明文。
    發(fā)卡機構(gòu)工作人員利用工作之便截取PC機通過M1卡讀卡器發(fā)送給M1卡的密鑰明文?；蛑苯硬僮鱌SAM卡盜取密鑰明文。
    系統(tǒng)開發(fā)人員利用工作之便盜取PSAM卡密鑰明文。

    無論哪種可能，都會對整個系統(tǒng)的安全造成致命的影響。實質(zhì)上，這種一卡一密的做法是借用了CPU卡認(rèn)證機制中的一卡一密概念，然而它在有意無意間忽略了一個非常重要的事實，即CPU卡和邏輯加密卡是完全不同的兩種卡片，它們的認(rèn)證機制完全不同。CPU卡由于內(nèi)部具有CPU處理器和操作系統(tǒng)COS，認(rèn)證的過程完全是在用戶卡與SAM卡之間進行的，認(rèn)證過程中傳送的是隨機數(shù)和密文，讀卡器基站芯片只是一個通訊通道；認(rèn)證過程不能復(fù)制；使用的算法是公開算法，其安全性是基于CPU卡對密鑰的保護而非對算法的保護。密鑰在用戶卡和SAM卡內(nèi)都不能讀出，而且密鑰的安裝是通過密文進行，系統(tǒng)上線后即使是發(fā)卡人員和開發(fā)人員也無法得到密鑰明文，從根本上保證了系統(tǒng)的安全性。正是由于意識到了M1卡潛在的安全性問題，建設(shè)部才多次開會推廣使用CPU卡。雙界面CPU卡更是由于其應(yīng)用的靈活性和對金融規(guī)范的支持得到了各方的贊賞。 

    當(dāng)然，一個系統(tǒng)的安全性不僅僅取決于采用了哪種卡片和哪種安全機制，而且通過系統(tǒng)設(shè)計上的安全手段也能夠彌補一些卡片安全上的不足。一個產(chǎn)品的安全性不能依賴于某一個方面的單個安全，更多的應(yīng)從一個系統(tǒng)的整體的邏輯上去完善安全、把可能出現(xiàn)的不安全特征通過整體的系統(tǒng)完善起來.針對原有不安全的系統(tǒng)進行改造。例如在建設(shè)部的IC卡規(guī)范中對于M1卡的一卡一密就規(guī)定了在SAM中計算卡片密碼前必須校驗卡中的MAC認(rèn)證碼，這在很大程度上降低了盜用SAM卡的可能性。然而遺憾的是大部分M1卡應(yīng)用系統(tǒng)并沒有采用類似的補救手段，而且這種手段也不能完全杜絕克隆卡、偽造卡的使用。黑名單等防范手段雖然有效，但畢竟屬于事后防范，難以從根本上解決問題。特別是在當(dāng)前Mifare1卡片被破解的背景下，簡單的采用打補丁的方法更是一種掩耳盜鈴的行為。
 
    對于一個IC卡應(yīng)用系統(tǒng)而言，卡片的安全性好比一座摩天大廈的基礎(chǔ)，針對一種卡片的安全機制必定制定相應(yīng)的保護措施以保護這個基礎(chǔ)。而當(dāng)卡片的安全性發(fā)生了根本的變化時，原有的保護措施已經(jīng)失去了效果，整個大廈的基礎(chǔ)發(fā)生了動搖，此時再采取補丁措施，無異于給大廈地面上的結(jié)構(gòu)進行加固，措施再好也難以改變基礎(chǔ)動搖這一事實。根本的解決之道就是重新打牢基礎(chǔ)，從根基上完善系統(tǒng)的安全保護體系。 

    同MIFARE1卡相比，非接觸CPU卡是一種真正意義上的“智能卡”。CPU卡內(nèi)集成電路中包括中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器(RAM)、電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）等主要部分，猶如一臺超小型電腦。具有信息量大、防偽安全性高、可脫機作業(yè)，可多功能開發(fā)等優(yōu)點。CPU卡采用強大而穩(wěn)定的安全控制器，增強了卡片的安全性，而非接觸傳輸接口又能滿足快速交易的要求（如公交的快速通過）。CPU卡采用了多種芯片級防攻擊手段，基本上不可偽造;CPU卡所特有的內(nèi)外部認(rèn)證機制以及以金融IC卡規(guī)范為代表的專用認(rèn)證機制，能夠完全保證交易的合法性；在認(rèn)證和交易過程中，CPU密鑰是不在線路上以明文出現(xiàn)的，它每次的送出都是經(jīng)過隨機數(shù)加密的，而且因為有隨機數(shù)的參加，確保每次傳輸?shù)膬?nèi)容不同，保證了交易的安全性。在認(rèn)證和交易過程中所使用的密鑰都是在安全的發(fā)卡環(huán)境中產(chǎn)生并密文安裝到SAM卡和用戶卡中，整個過程密鑰不外露。CPU卡的應(yīng)用防火墻功能可以保障同一張卡中不同應(yīng)用的安全獨立性。對安全性要求較高的金融行業(yè)都以CPU卡作為下一代銀行卡的標(biāo)準(zhǔn)。采用非接觸式CPU卡可以杜絕偽造卡、偽造終端、偽造交易，最終保證了系統(tǒng)的安全性。 

    同時，非接觸CPU卡的大容量存儲空間又可以滿足預(yù)期的大金額消費應(yīng)用所要求的更多客戶信息的存儲。而這時安全就不僅僅是存儲在卡內(nèi)的電子貨幣的安全，還包括個人信息的安全，非接觸式CPU卡的安全機制可以為此提供良好的保障。 

    由于非接觸式CPU卡具有以上無可比擬的優(yōu)點，非常適用于電子錢包、電子存折、公路自動收費系統(tǒng)、公共汽車自動售票系統(tǒng)、社會保障系統(tǒng)、IC卡加油系統(tǒng)、安全門禁等等眾多的應(yīng)用領(lǐng)域。非接觸CPU卡將逐步取代邏輯加密卡而成為IC卡的主要選型。在M1卡被破解的形勢下，采用非接觸CPU卡取代M1卡是解決M1卡危機的最終解決方案。

    MIFARE卡被破解的消息在今年年初被披露以來，一石激起千層浪。眾多Mifare的用戶開始擔(dān)心自己系統(tǒng)的安全。通過系統(tǒng)的分析M1卡破解的原理及帶來的影響，我們可以得出結(jié)論：M1卡確實已經(jīng)不再安全，基于M1卡的系統(tǒng)的安全基礎(chǔ)已經(jīng)動搖，我們必須采取行動，選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品替換M1卡，重新加固即將倒塌的安全基石。
 
    同MIFARE1卡相比，非接觸CPU卡是一種真正意義上的“智能卡”。CPU卡內(nèi)集成電路中包括中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器(RAM)、電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）等主要部分，猶如一臺超小型電腦。CPU卡采用了多種芯片級防攻擊手段，基本上不可偽造;CPU卡所特有的內(nèi)外部認(rèn)證機制以及以金融IC卡規(guī)范為代表的專用認(rèn)證機制，能夠完全保證交易的合法性；在認(rèn)證和交易過程中，CPU密鑰永遠(yuǎn)不會外露，它每次送出的都是經(jīng)過加密的隨機數(shù)。在認(rèn)證和交易過程中所使用的密鑰都是在安全的發(fā)卡環(huán)境中產(chǎn)生并密文安裝到SAM卡和用戶卡中，整個過程密鑰不外露。CPU卡的應(yīng)用防火墻功能可以保障同一張卡中不同應(yīng)用的安全獨立性。對安全性要求較高的金融行業(yè)都以CPU卡作為下一代銀行卡的標(biāo)準(zhǔn)。采用非接觸式CPU卡可以杜絕偽造卡、偽造終端、偽造交易，最終保證了系統(tǒng)的安全性。 

    由于非接觸式CPU卡具有以上無可比擬的優(yōu)點，非常適用于電子錢包、電子存折、公路自動收費系統(tǒng)、公共汽車自動售票系統(tǒng)、社會保障系統(tǒng)、IC卡加油系統(tǒng)、安全門禁等等眾多的應(yīng)用領(lǐng)域。非接觸CPU卡將逐步取代邏輯加密卡而成為IC卡的主要選型。 

    以Mifare1為代表的非接觸邏輯加密卡與CPU卡相比，非接觸邏輯加密卡與非接觸CPU卡同屬非接觸IC卡，但這兩種卡片是完全不同檔次的卡。
    以下對MIFARE I卡與非接觸CPU卡做一比較： 

    通過分析，我們可以看出，使用CPU卡代替Mifare1卡是徹底解決Mifare卡危機的根本途徑。然而，對于數(shù)量眾多的Mifare1卡應(yīng)用系統(tǒng)，我們?nèi)绾文軌蛞宰钚〉耐度胱羁斓乃俣韧瓿蛇@一升級轉(zhuǎn)換呢，是否需要將系統(tǒng)推倒重來呢。其實大可不必。上文我們講到，一個系統(tǒng)的安全不僅僅依賴于采用了哪一種卡。一個卡系統(tǒng)往往由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，其中受到Mifare1卡破解影響的只是直接與卡相關(guān)的很少的幾個部分，我們只需要對這些部分進行改造升級就完全可以保障我們系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。 

    以安防門禁系統(tǒng)為例，在一個門禁管理系統(tǒng)中，主要包括以下幾個部分 

    管理中心是一個軟件平臺，負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、指揮工作，主要功能包括:規(guī)定和調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置要求并實行；負(fù)責(zé)監(jiān)控主要的進入口和公共場所；負(fù)責(zé)處理門禁系統(tǒng)發(fā)生的警報；負(fù)責(zé)提供對事件記錄;負(fù)責(zé)發(fā)卡注冊。 

    門禁控制單元是硬件平臺，是類似于通道管理性質(zhì)的各類控制器，如：門鎖控制器、電梯控制器、停車場控制器和考勤終端等(可擴充功能)，都屬于門禁控制單元。門禁控制單元是管理中心設(shè)置的各種管理手段的執(zhí)行設(shè)備。 

    門禁系統(tǒng)中門禁單元設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置如下圖。 

    讀卡器是門禁控制系統(tǒng)當(dāng)中的卡識別設(shè)備，將用戶刷卡信息傳送給控制器和管理系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)進行判斷處理。
    電門鎖、閘機等是門禁系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行對門、通道的開關(guān)控制。 

    在整個門禁管理系統(tǒng)中，門禁IC卡是安全管理的基礎(chǔ)核心。此次M1卡被破解，正是將門禁系統(tǒng)的最核心的安全控制打破，使門禁卡的復(fù)制偽造成為可能。要解決門禁系統(tǒng)的安全問題，需將M1卡替換為CPU卡。而整個系統(tǒng)中與卡片有直接交互的只有兩個地方：后臺系統(tǒng)中的發(fā)卡子系統(tǒng)和最前端的識別系統(tǒng)，即門禁讀卡頭。對于絕大多數(shù)門禁系統(tǒng)而言，門禁讀卡頭只是將卡片卡號讀取出來通過控制器送到后臺系統(tǒng)，系統(tǒng)通過卡號及后臺授權(quán)情況進行控制。這樣我們在進行系統(tǒng)升級改造時，只需要改造門禁讀卡頭和發(fā)卡子系統(tǒng)，使之能夠識別讀寫CPU卡，并對CPU卡完成認(rèn)證，其他系統(tǒng)和軟件都無需改動，即可快速完成從M1卡到CPU卡的遷移。
 
    具體方案如下： 

    1、更換門禁讀卡器，使用支持CPU卡的門禁讀卡器。由于門禁讀卡器與控制器之間的通訊接口有統(tǒng)一的規(guī)范，這種更換改造很容易實現(xiàn)。 

    2、對原系統(tǒng)中的發(fā)卡子系統(tǒng)進行改造，更換讀卡器，使之能夠發(fā)CPU卡。由于各個門禁廠商的軟件平臺都不同，因此這項改造需要原門禁系統(tǒng)廠商配合完成。 

    3、如果直接改造發(fā)卡系統(tǒng)軟件有困難，可以開發(fā)新的CPU卡發(fā)卡子系統(tǒng)，與原系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫對接，實現(xiàn)CPU卡發(fā)卡。此種方式實現(xiàn)相對簡單，但需要了解原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫接口，仍需要原廠商的一些支持。不過，許多門禁管理軟件支持直接輸入卡號的發(fā)卡方式，這就為系統(tǒng)改造創(chuàng)造了非常便利的條件。 

    與門禁系統(tǒng)相似，城市公交一卡通系統(tǒng)雖然更為復(fù)雜，但系統(tǒng)中的清分清算等主要部分都并不與IC卡直接關(guān)聯(lián)。如圖所示： 

    在一卡通系統(tǒng)中，與卡直接相關(guān)的子系統(tǒng)包括：發(fā)卡子系統(tǒng)、消費終端、卡務(wù)管理子系統(tǒng)；對發(fā)卡子系統(tǒng)的改造主要是將初始化M1卡流程改造為初始化CPU卡；卡務(wù)管理子系統(tǒng)的改造也相對簡單，實現(xiàn)CPU卡讀寫操作即可；決定改造是否成功的關(guān)鍵是消費終端的升級改造，不僅需要能夠讀寫CPU卡，而且要將M1卡的交易流程升級為CPU卡標(biāo)準(zhǔn)交易流程，對系統(tǒng)開發(fā)商而言需要有足夠的對CPU卡應(yīng)用的經(jīng)驗和理解。 

    同方股份有限公司是國內(nèi)知名的智能卡應(yīng)用開發(fā)服務(wù)和產(chǎn)品提供商，是國內(nèi)最早從事CPU卡研制和應(yīng)用開發(fā)的公司之一。早在1998年清華同方研發(fā)中心與清華大學(xué)計算機系共同成立的智能卡COS研究小組開發(fā)的《金融IC卡操作系統(tǒng)ZTCOS1.0》就獲得了中國人民銀行銀行卡檢測中心頒發(fā)的《中國金融集成電路卡PBOC1.0檢測證書》。公司緊跟世界最先進的IC卡技術(shù)，是國內(nèi)在ISO14443 TypeB非接觸標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和應(yīng)用開拓者和領(lǐng)先者。公司承建的沈陽城市一卡通系統(tǒng)是國內(nèi)最早最大規(guī)模的城市CPU卡一卡通應(yīng)用項目，至今雙界面CPU卡實際發(fā)卡量已經(jīng)突破350萬張，在國內(nèi)城市通卡領(lǐng)域有著巨大的影響力。同方股份有限公司依托在非接觸智能卡多年的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗，致力于城市一卡通應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和相關(guān)產(chǎn)品研制，已形成了非接觸CPU卡、讀卡終端在內(nèi)的完整的非接觸CPU卡產(chǎn)品體系。公司開發(fā)的雙界面CPU卡已獲得了《中國金融集成電路卡PBOC2.0檢測證書》。面對非接觸智能卡應(yīng)用蓬勃發(fā)展的機遇，同方股份有限公司正深入開拓市場，加速新產(chǎn)品的開發(fā)研制，助力于中國非接觸智能卡行業(yè)的騰飛。