非接觸CPU智能卡技術(shù)

引 言
隨著非接觸邏輯加密卡的不斷應(yīng)用，其技術(shù)的不足之處也日益暴露，難以滿足更高的安全性和更復(fù)雜的多應(yīng)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(jī)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(dǎo)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)兩個獨立研究小組分別證實了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際操作芯片的破解過程。
破解事件公開后，荷蘭內(nèi)務(wù)部大臣特霍斯特在接受媒體采訪時表示，全球多達(dá)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)過國內(nèi)媒體的轉(zhuǎn)載報道后，在我國引起了軒然大波，城市公用事業(yè)IC卡應(yīng)用作為非接觸式邏輯加密卡的應(yīng)用大戶，不得不讓我們靜下心來認(rèn)真思考城市公用事業(yè)IC卡系統(tǒng)的安全問題及未來走向。如果掌握了破解技術(shù)，不法分子可以很低的經(jīng)濟(jì)成本對采用該芯片的各類“一卡通”、門禁卡進(jìn)行非法充值或復(fù)制，這將帶來很大的社會安全隱患。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代已到來。

1 非接觸邏輯加密卡Mifare卡的安全性問題
Philips公司(現(xiàn)NXP)的Mifare 1卡片，在非接觸卡應(yīng)用領(lǐng)域占有全球80％的市場份額，是目前非接觸智能卡的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也成為ISO14443-A的工作草案。
Mifare的安全認(rèn)證依賴于每個扇區(qū)獨立的KEYA和KEYB的校驗，可以通過扇區(qū)控制字對KEYA和KEYB的不同安全組合，實現(xiàn)扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫安全控制。其個人化也比較簡單，主要包括數(shù)據(jù)和各扇區(qū)KEYA、KEYB的更新，在其間所有敏感數(shù)據(jù)(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(jī)制只能解決卡片對終端的認(rèn)證，而無法解決終端對卡片的認(rèn)證，即存在俗稱為“偽卡”的風(fēng)險。
Mifare的密鑰就是一個預(yù)先設(shè)定的固定密碼，無論用什么方法計算密鑰，最后一定要和原先寫入的固定密碼一致，就可以對被保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。因此無論是一卡一密的系統(tǒng)還是統(tǒng)一密碼的系統(tǒng)，經(jīng)過破解都可以實現(xiàn)對非接觸邏輯加密卡的解密。有種觀點認(rèn)為，只要是采用了一卡一密、實時在線系統(tǒng)，或非接觸邏輯加密卡的ID號，就能避免密鑰被解密。其實，非接觸邏輯加密卡被解密就意味著M1卡可以被復(fù)制，使用在線系統(tǒng)盡管可以避免被非法充值，但是不能保證非法消費，即復(fù)制一張一樣ID號的M1卡，就可以進(jìn)行非法消費?，F(xiàn)在的技術(shù)使用FPGA就可以完全復(fù)制?；谶@個原理，Mifare的門禁卡也是不安全的。

2 非接觸CPU卡的特點與優(yōu)勢
非接觸CPU卡，也稱智能卡，卡內(nèi)的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元(包括隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM(Flash)、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPROM)以及芯片操作系統(tǒng)COS。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)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：
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(tǒng)；
③對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求較低，可實現(xiàn)脫機(jī)操作，可實現(xiàn)真正意義上的一卡多用，每個應(yīng)用之間相互獨立，并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)；
④交易中自動保證數(shù)據(jù)的完整性(防拔)；
⑤可以更靈活地支持各種不同的應(yīng)用需求，更安全的設(shè)計交易流程；
⑥獨立的保密模塊——使用相應(yīng)的實體SAM卡密鑰實現(xiàn)加密、解密以及交易處理，從而完成與用戶卡之間的安全認(rèn)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(dāng)前IC卡應(yīng)用的最高安全等級，正成為IC卡應(yīng)用中的主流產(chǎn)品。
②規(guī)范性。支持符合ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)的T=0、T=1通信協(xié)議，符合《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》、《中國金融集成電路(IC)卡應(yīng)用規(guī)范》，支持符合銀行規(guī)范的電子錢包、電子存折功能。
③兼容性。由于有中國人民銀行的統(tǒng)一規(guī)范及嚴(yán)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，支持線路加密、線路保密功能，防止通信數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改，使用過程密鑰實現(xiàn)加密、解密。
④可擴(kuò)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(jié)構(gòu)到卡容量可以很容易擴(kuò)展到多種應(yīng)用，可以與銀行聯(lián)合，實現(xiàn)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(nèi)部具有CPU芯片，在具有數(shù)據(jù)判斷能力的同時，也具備了數(shù)據(jù)分析處理能力，因此智能卡可以隨時區(qū)分合法和非法讀寫設(shè)備，并且由于有了CPU芯片，具備數(shù)據(jù)運算能力，還可以對數(shù)據(jù)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，將微處理器芯片(CPU)也封裝在里面。這樣，EEPROM的數(shù)據(jù)接口在任何情況下都不會與IC卡的對外數(shù)據(jù)線相連接。外部讀寫設(shè)備只能通過CPU與IC卡內(nèi)的EEP-ROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在任何情況下都不能再訪問到EEP-ROM中的任何一個單元。
外部讀寫設(shè)備在與智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，首先必須發(fā)指令給CPU，由CPU根據(jù)其內(nèi)部的ROM中存儲的卡片操作系統(tǒng)(COS)對指令進(jìn)行解釋，并進(jìn)行分析判斷。在確認(rèn)讀寫設(shè)備的合法性后，允許外部讀寫設(shè)備與智能卡建立連接，之后的數(shù)據(jù)操作仍然要由外部讀寫設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的指令，并用CPU對指令進(jìn)行正確解釋，允許外部讀寫設(shè)備和智能卡中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)(RAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換成功后，在CPU的控制下，利用智能卡中的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，再將內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)與EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。這樣就實現(xiàn)了對智能卡EEPROM中數(shù)據(jù)的安全保護(hù)，因此具有非常高的安全性。

3 非接觸CPU卡FM1208的特點與性能
FM1208是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)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(nèi)置8 KB的EEPROM。FM1208的特色是能夠兼容現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的接觸式CPU卡的功能合二為一。
特點：通信協(xié)議為ISO14443-A；MCU指令兼容8051；支持106 kbps數(shù)據(jù)傳輸速率；Triple-DES協(xié)處理器；程序存儲器32K×8位ROM；數(shù)據(jù)存儲器8K×8位EEPROM；256×8位iRAM；384×8位xRAM；低壓檢測復(fù)位；高低頻檢測復(fù)位；EEPROM滿足10萬次擦寫指標(biāo)和10年數(shù)據(jù)保存指標(biāo)。
FM1208典型處理時間：
◆識別一張卡時間為3 ms(包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突)；
◆EEPROM擦寫時間為2．4 ms；
◆典型交易過程350 ms。
FM1208的安全機(jī)制：
◆有反電源分析模塊；
◆有高低頻檢測復(fù)位模塊，芯片工作頻率超出檢測范圍自動復(fù)位；
◆ROM反逆向提取，存儲器數(shù)據(jù)加密。