AFC系統(tǒng)中非接觸式IC卡數(shù)據(jù)安全的研究與探討

葉 飛，徐駿善

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

隨著整個(gè)社會(huì)信息化進(jìn)程的不斷發(fā)展，尤其是國(guó)家“三金工程”的啟動(dòng)和發(fā)展，IC卡在我國(guó)的應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，針對(duì)IC卡及其系統(tǒng)的各種攻擊性犯罪現(xiàn)象隨時(shí)可能出現(xiàn)，這就使得IC卡數(shù)據(jù)加密的研究和實(shí)現(xiàn)處于十分重要的地位[1]。

IC卡的安全級(jí)別分為：非加密存儲(chǔ)卡、邏輯加密存儲(chǔ)卡、CPU卡。非加密存儲(chǔ)卡不需要對(duì)其進(jìn)行密碼核對(duì)就可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，其安全性最差；邏輯加密存儲(chǔ)卡需要先通過(guò)裝置(一般為讀卡器)將密碼送入卡中，IC卡核對(duì)密碼正確后，輸出正確的應(yīng)答信號(hào)，才能進(jìn)行下一步的操作，這樣可以防止對(duì)卡中信息的隨意閱讀和改寫(xiě)，其安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非加密存儲(chǔ)卡；CPU卡因其具有微處理器，具有更高的計(jì)算能力和和編程能力，故其安全級(jí)別比邏輯加密存儲(chǔ)卡更高。

在地鐵AFC系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)大部分都采用了邏輯加密存儲(chǔ)卡，如南京地鐵目前單程票都采用了MIFARE的Ultralight Token，而儲(chǔ)值票(方卡)則采用了 Mifare Desfire和Mifare Standard，這幾種卡都是邏輯加密存儲(chǔ)卡。事實(shí)上，非加密存儲(chǔ)卡因其較差的安全性已經(jīng)在很大程度上退出了市場(chǎng)。

1 IC卡面臨的安全問(wèn)題

1.1 安全類型缺陷

由于成本所限，IC卡本身很難保證足夠的安全，非法用戶可以使用合法的讀卡器或者自構(gòu)一個(gè)讀卡器，直接與IC卡進(jìn)行通信，從而很容易地獲取IC卡內(nèi)的所存數(shù)據(jù)，使IC卡面臨數(shù)據(jù)被改寫(xiě)的風(fēng)險(xiǎn)。而IC卡的數(shù)據(jù)通信鏈路是無(wú)線通信連接，與有線連接不一樣，無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)本身是開(kāi)放的，這就給非法用戶的偵聽(tīng)?zhēng)?lái)了方便。

在讀卡器中，除了中間件被用來(lái)完成數(shù)據(jù)的遴選、時(shí)間過(guò)濾和管理之外，讀卡器只提供用戶業(yè)務(wù)接口，但不提供能夠讓用戶自行提升安全性能的接口。

1.2 AFC系統(tǒng)中IC卡的安全問(wèn)題

(1)車票安全：防止偽造、克隆、篡改、泄密、偷盜；

(2)設(shè)備安全：防止車票被偷盜后進(jìn)行加值或復(fù)制，防止業(yè)務(wù)程序被攻擊改變，防止重要參數(shù)及數(shù)據(jù)被改變；

(3)數(shù)據(jù)安全：防止篡改、竊取、丟失、抵賴；

(4)系統(tǒng)安全：防止攻擊、破壞，泄露重要信息。

對(duì)于IC卡單程票，經(jīng)過(guò)半自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)等環(huán)節(jié)發(fā)售到乘客手中，到出站閘機(jī)再進(jìn)行回收。在整個(gè)使用過(guò)程中，IC卡處于兩種狀態(tài)：(1)在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人員管理中，包括單程票的采購(gòu)、初始化、發(fā)售、回收、循環(huán)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。(2)在乘客手中，從購(gòu)買單程票到出站之間，對(duì)于IC卡儲(chǔ)值票，經(jīng)過(guò)半自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)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(shí)有更大的不安全風(fēng)險(xiǎn)。但是整體而言，單程票處在安全范圍內(nèi)比例要比儲(chǔ)值票大，尤其是儲(chǔ)值票，由于其儲(chǔ)值金額可能較大，所以被攻擊的可能性更大。

2 密碼學(xué)概述

密碼學(xué)通常被定義為在通信過(guò)程中進(jìn)行解密和加密的過(guò)程和技巧。

密碼技術(shù)可用于解決以下三大領(lǐng)域內(nèi)的安全問(wèn)題[2]：

(1)認(rèn)證。用于可靠的確定某人或某物的身份，防止有人冒充合法用戶或防止設(shè)備冒充合法資源。

(2)加密。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以防搭線竊聽(tīng)的過(guò)程。加密所提供的保護(hù)也稱為機(jī)密性業(yè)務(wù)，提供該業(yè)務(wù)用以保護(hù)數(shù)據(jù)安全，不被非法者偷聽(tīng)。

(3)完整性。保證數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)篡改，需要確認(rèn)所收到的消息正是所發(fā)送的消息。

本文中涉及到傳輸數(shù)據(jù)的安全和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全兩個(gè)方面。其中傳輸數(shù)據(jù)的安全主要包括數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、可獲取性和真實(shí)性。數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和可獲取性是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的加解密來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的真實(shí)性是通過(guò)相互認(rèn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全是指數(shù)據(jù)的持久性，是通過(guò)存儲(chǔ)區(qū)域的訪問(wèn)條件控制和冗余存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。

3 地鐵非接觸式IC卡的加密措施

3.1 認(rèn)證

在對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，必須對(duì)IC卡的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果認(rèn)證通過(guò)，才允許進(jìn)行下一步操作。

非接觸式IC卡的密碼認(rèn)證分為五個(gè)步驟，其過(guò)程如圖1所示。

圖1 非接觸式IC卡的密碼認(rèn)證

(A)由IC卡向讀卡器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RB。

(B)讀卡器收到RB后，向IC卡發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB=EK(RB||RA||ID||T1)，其中RA是讀卡器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，ID是IC卡的物理唯一序列號(hào)，T1是附加的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。EK表示一種加密算法，如ASH-1算法。

(C)IC卡收到TOKEN AB后，對(duì)TOKEN AB的加密部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由(A)中的IC卡發(fā)出的隨機(jī)數(shù)RB是否與(B)中接收到的TOKEN AB中的RB相一致。

(D)如果(C)環(huán)節(jié)校驗(yàn)結(jié)果正確，則IC卡向讀卡器發(fā)送令牌TOKEN BA=EK(RA||RB||T2)給讀卡器。

(E)讀卡器收到令牌TOKEN BA后，將對(duì)令牌TOKEN BA中的RB(隨機(jī)數(shù))進(jìn)行解密；并檢驗(yàn)由(B)中讀卡器發(fā)出的隨機(jī)數(shù)RA是否與(D)中接收到的TOKEN BA中的RA一致。

地鐵IC卡共有16個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都分別有自己的密碼，互不干涉。因此即使通過(guò)了一個(gè)分區(qū)的的密碼認(rèn)證，也不能對(duì)其他的分區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。如果想對(duì)其他分區(qū)進(jìn)行操作，必須按照該分區(qū)密碼重新完成上述的認(rèn)證過(guò)程。每個(gè)分區(qū)都可獨(dú)立地作為某一種應(yīng)用，這也是IC卡一卡多用的原理。

如果上述的每一個(gè)環(huán)節(jié)都能正確通過(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)認(rèn)證過(guò)程將成功。認(rèn)證過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，則整個(gè)認(rèn)證過(guò)程終止，認(rèn)證過(guò)程必須重新開(kāi)始。如果事先不知道IC卡的密碼，全部搜索需要很長(zhǎng)時(shí)間，隨機(jī)地給出一個(gè)密碼而打開(kāi)IC卡的一個(gè)分區(qū)的可能性幾乎沒(méi)有。

3.2 消息加密

目前使用較廣泛的密碼算法主要有對(duì)稱密鑰算法DES(Data Encryption Standard)、IDEA(International Data Encryption Algorithm)和公共密鑰算法 RSA(由 Rivest，Shamir，Adleman 三人于 1978 年提出)，DSA(Digital Signature Algorithm)等。

3.2.1 南京地鐵2號(hào)線采用了3DES算法

DES算法產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，是傳統(tǒng)的分組密碼代碼學(xué)的代表，其運(yùn)算速度較快，但其密鑰太短(56 bit)，通過(guò)窮舉法即可將其攻破。因此出現(xiàn)了改進(jìn)的DES算法，即3DES算法[3]。3DES算法加密時(shí)對(duì)原始明文進(jìn)行三次DES處理，采用K1、K2、K3 三個(gè)不同密鑰(長(zhǎng)度均為8 B)，如圖2所示。解密時(shí)對(duì)密文按相反的順序，還原成原始明文。為了減少系統(tǒng)在生產(chǎn)和管理密鑰的開(kāi)銷，一般將 K1、K3設(shè)為相同值，但K1、K2絕不能相同，否則三重DES就失去了意義。3DES雖然降低了一定的運(yùn)算速度，但是密鑰長(zhǎng)度是原來(lái)的兩倍，安全性能得到了極大提高，迄今為止尚未被攻破，已成為一種國(guó)際公認(rèn)的加密標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 3DES加密過(guò)程

其加密代碼如圖3所示。

3.2.2 SHA-1與MD5的性能比較

在南京地鐵上，KEY的產(chǎn)生采用了SHA-1安全算法，SHA-1算法與MD5的算法類似，所以它們的性質(zhì)極為相似。下面是SHA-1和MD5性能之間的比較。

(1)抗窮舉攻擊的能力：SHA1抗窮舉攻擊的能力比MD5強(qiáng)。

圖3 3DES加密實(shí)現(xiàn)

用窮舉攻擊方法產(chǎn)生具有給定散列值的消息：MD5需要的代價(jià)為2 128數(shù)量級(jí)；SHA-1需要的代價(jià)為2 160數(shù)量級(jí)。

用窮舉攻擊方法產(chǎn)生兩個(gè)具有相同散列值的消息：MD5需要的代價(jià)為264數(shù)量級(jí)；SHA-1需要的代價(jià)為280數(shù)量級(jí)。

(2)抗密碼分析的能力：MD5算法抗密碼分析的能力較弱；SHA-1算法抗密碼分析的能力較MD5強(qiáng)。

(3)速度：SHA-1執(zhí)行的速度比MD5的速度慢得多。

(4)簡(jiǎn)捷性：SHA-1和MD5兩種算法都易于描述和實(shí)現(xiàn)，不需要使用大的程序和置換表。

(5)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式：MD5使用little-endian方式；SHA-1使用big-endian方式，這兩種方式?jīng)]有本質(zhì)的差異。

SHA-1的實(shí)現(xiàn)代碼如圖4所示。

圖4 SHA-1實(shí)現(xiàn)代碼

3.3 完整性

在通信過(guò)程中，由于受到人為或環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致讀寫(xiě)數(shù)據(jù)失敗，數(shù)據(jù)不完整。

為了確保通信數(shù)據(jù)的完整性，可以采取數(shù)據(jù)校驗(yàn)措施，如奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)等。特別是讀寫(xiě)器與PC機(jī)之間的RS-232或RS-485串行通信，校驗(yàn)措施是十分必要的。通信的速度越高、距離越遠(yuǎn)，校驗(yàn)的必要性也就很高。

CRC(Cyclic Redundancy Check)碼，即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。由于其編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，因而在IC卡的數(shù)據(jù)通信中廣泛應(yīng)用[4]。

在數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用CRC碼的目的是校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送是否正確。與奇偶校驗(yàn)方法相比，CRC碼校驗(yàn)的檢錯(cuò)能力更強(qiáng)。因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)僅采用了一位二進(jìn)制作為校驗(yàn)碼，如果傳送的數(shù)據(jù)中恰好有兩個(gè)位(或偶數(shù)個(gè)位)同時(shí)出錯(cuò)就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。CRC碼采用了r位，可靠性大為提高。

利用CRC碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送校驗(yàn)的基本原理是：在發(fā)送端，根據(jù)要發(fā)送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)用于校驗(yàn)的 r位校驗(yàn)碼(即CRC碼)，使其附在原始數(shù)據(jù)后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制序列 (共k+r位)，然后一起發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)數(shù)據(jù)碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行校驗(yàn)，以確定數(shù)據(jù)通信過(guò)程中是否出錯(cuò)。

其實(shí)現(xiàn)代碼如圖5所示。

圖5 CRC代碼實(shí)現(xiàn)

CRC校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別錯(cuò)誤可靠性高，只需要少量的操作就可以識(shí)別。但其缺點(diǎn)是其只能識(shí)別傳輸錯(cuò)誤而不能校正錯(cuò)誤。如果傳輸中校驗(yàn)到錯(cuò)誤，只能讓發(fā)送方重新發(fā)送。

本文通過(guò)對(duì)非接觸IC卡數(shù)據(jù)安全所受到的威脅及其防護(hù)措施的分析，使AFC系統(tǒng)能夠最大程度地保障非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)安全，并實(shí)現(xiàn)了部分必要的安全算法，將可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍之內(nèi)。

[1]賀金鑫，李文印.IC卡數(shù)據(jù)加密的研究和實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(11)：1-2.

[2]趙軍輝.射頻識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]趙時(shí)旻.軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

[4]楊振野.IC卡技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社，2006.