AFC系統(tǒng)中IC卡用芯片的安全—IC卡安全的基礎

  摘  要：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卡的特殊應用環(huán)境要求IC卡用芯片具有較小的體積及環(huán)境適應性外，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，對在AFC系統(tǒng)中產(chǎn)生安全問題的幾方面進行了分析，討論了從芯片的設計階段起就采用的必要的安全保護措施。

  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。

  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，在芯片的設計階段應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，直接進行分析讀取；
  (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IC卡用芯片的測試功能。

  IC卡用芯片的安全技術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準。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．設備安全防止偷盜后對車票進行加值或復制；防止被攻擊改變業(yè)務程序；防止被改變重要參數(shù)及數(shù)據(jù)；
  c．數(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等設備發(fā)售到乘客手中后，將一直在乘客手中重復使用，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；二是卡片制造的安全技術；三是卡的通信安全技術。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。公開密鑰基礎設施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技術實現(xiàn)身份識別和信息加密傳輸。這種技術對于實現(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)總線的截取；
  (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標準的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**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)設有3套密碼及其認證和密碼存儲器。

  Mifare 1卡認證過程是：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**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**通過驗證，則讀寫器將對通過認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證過程。每個扇區(qū)都通過認證，整個過程才算完成。認證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認證將告失敗，必須重新開始。由于密碼的變化極其復雜，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)，整個結構劃分為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，這個過程叫做認證操作?？赏ㄟ^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證而實現(xiàn)?？ㄆ鎯ζ鞯拿恳粋€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**)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*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)存儲結構和密鑰，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標準的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相結合的方法來實現(xiàn)關鍵數(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可以認為是安全的，MAC的計算可以放在SAM中，這樣可以認為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結果碼)進行CRC運算，并得到CRC結果碼，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)容不會帶來特別風險，如果攻擊者分析得到車票的數(shù)據(jù)結構，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，北京市遠達建設監(jiān)理有限責任公司，主要從事軌道交通AFC、ACC、TCC、OCC等的監(jiān)督及監(jiān)理工作。