AFC系统中非接触式IC卡数据安全的研究与探讨

　　 随着整个社会信息化进程的不断发展，尤其是国家“三金工程”的启动和发展，IC卡在我国的应用范围正不断扩大。与此同时，针对IC卡及其系统的各种攻击性犯罪现象随时可能出现，这就使得IC卡数据加密的研究和实现处于十分重要的地位[1]。

　　IC卡的安全级别分为：非加密存储卡、逻辑加密存储卡、CPU卡。非加密存储卡不需要对其进行密码核对就可以进行读写操作，其安全性最差；逻辑加密存储卡需要先通过装置(一般为读卡器)将密码送入卡中，IC卡核对密码正确后，输出正确的应答信号，才能进行下一步的操作，这样可以防止对卡中信息的随意阅读和改写，其安全性远远高于非加密存储卡；CPU卡因其具有微处理器，具有更高的计算能力和和编程能力，故其安全级别比逻辑加密存储卡更高。

　　在地铁AFC系统中，国内大部分都采用了逻辑加密存储卡，如南京地铁目前单程票都采用了MIFARE的Ultralight Token，而储值票(方卡)则采用了Mifare Desfire和Mifare Standard，这几种卡都是逻辑加密存储卡。事实上，非加密存储卡因其较差的安全性已经在很大程度上退出了市场。

　　1 IC卡面临的安全问题 

　　1.1 安全类型缺陷

　　由于成本所限，IC卡本身很难保证足够的安全，非法用户可以使用合法的读卡器或者自构一个读卡器，直接与IC卡进行通信，从而很容易地获取IC卡内的所存数据，使IC卡面临数据被改写的风险。而IC卡的数据通信链路是无线通信连接，与有线连接不一样，无线传输的信号本身是开放的，这就给非法用户的侦听带来了方便。

　　在读卡器中，除了中间件被用来完成数据的遴选、时间过滤和管理之外，读卡器只提供用户业务接口，但不提供能够让用户自行提升安全性能的接口。

　　1.2 AFC系统中IC卡的安全问题

　　(1)车票安全：防止伪造、克隆、篡改、泄密、偷盗；
　　(2)设备安全：防止车票被偷盗后进行加值或复制，防止业务程序被攻击改变，防止重要参数及数据被改变；
　　(3)数据安全：防止篡改、窃取、丢失、抵赖；
　　(4)系统安全：防止攻击、破坏，泄露重要信息。

　　对于IC卡单程票，经过半自动售票机、自动售票机等环节发售到乘客手中，到出站闸机再进行回收。在整个使用过程中，IC卡处于两种状态：(1)在系统运营人员管理中，包括单程票的采购、初始化、发售、回收、循环运输等环节。(2)在乘客手中，从购买单程票到出站之间，对于IC卡储值票，经过半自动售票机、自动售票机等设备发售到乘客手中后，将一直在乘客手中重复使用，直至被收回。两种情况中，IC卡在乘客手中时有更大的不安全风险。但是整体而言，单程票处在安全范围内比例要比储值票大，尤其是储值票，由于其储值金额可能较大，所以被攻击的可能性更大。

　　2 密码学概述

　　密码学通常被定义为在通信过程中进行解密和加密的过程和技巧。

　　密码技术可用于解决以下三大领域内的安全问题[2]：
　　(1)认证。用于可靠的确定某人或某物的身份，防止有人冒充合法用户或防止设备冒充合法资源。
　　(2)加密。对数据进行编码以防搭线窃听的过程。加密所提供的保护也称为机密性业务，提供该业务用以保护数据安全，不被非法者偷听。
　　(3)完整性。保证数据没有经过篡改，需要确认所收到的消息正是所发送的消息。

　　本文中涉及到传输数据的安全和存储数据的安全两个方面。其中传输数据的安全主要包括数据的机密性、完整性、可获取性和真实性。数据的机密性、完整性和可获取性是通过对数据的加解密来实现的。数据的真实性是通过相互认证技术实现的。存储数据的安全是指数据的持久性，是通过存储区域的访问条件控制和冗余存储实现的。

　　3 地铁非接触式IC卡的加密措施

　　3.1 认证

　　在对IC卡进行读写操作之前，必须对IC卡的密码进行认证。如果认证通过，才允许进行下一步操作。
　　非接触式IC卡的密码认证分为五个步骤，其过程如图1所示。 

　　(A)由IC卡向读卡器发送一个随机数据RB。
　　(B)读卡器收到RB后，向IC卡发送一个令牌数据TOKEN AB=EK(RB||RA||ID||T1)，其中RA是读卡器发出的一个随机数，ID是IC卡的物理唯一序列号，T1是附加的时间戳数据。EK表示一种加密算法，如ASH-1算法。
　　(C)IC卡收到TOKEN AB后，对TOKEN AB的加密部分进行解密，并校验第一次由(A)中的IC卡发出的随机数RB是否与(B)中接收到的TOKEN AB中的RB相一致。
　　(D)如果(C)环节校验结果正确，则IC卡向读卡器发送令牌TOKEN BA=EK(RA||RB||T2)给读卡器。
　　(E)读卡器收到令牌TOKEN BA后，将对令牌TOKEN BA中的RB(随机数)进行解密；并检验由(B)中读卡器发出的随机数RA是否与(D)中接收到的TOKEN BA中的RA一致。

　　地铁IC卡共有16个分区，每个分区都分别有自己的密码，互不干涉。因此即使通过了一个分区的的密码认证，也不能对其他的分区进行读写操作。如果想对其他分区进行操作，必须按照该分区密码重新完成上述的认证过程。每个分区都可独立地作为某一种应用，这也是IC卡一卡多用的原理。

　　如果上述的每一个环节都能正确通过验证，则整个认证过程将成功。认证过程中的任何一个环节出错，则整个认证过程终止，认证过程必须重新开始。如果事先不知道IC卡的密码，全部搜索需要很长时间，随机地给出一个密码而打开IC卡的一个分区的可能性几乎没有。

　　3.2 消息加密

　　目前使用较广泛的密码算法主要有对称密钥算法DES(Data Encryption Standard)、IDEA(International Data Encryption Algorithm)和公共密钥算法RSA(由Rivest，Shamir，Adleman三人于1978年提出)，DSA(Digital Signature Algorithm)等。

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　　3.2.1 南京地铁2号线采用了3DES算法

　　DES 算法产生于20 世纪70 年代，是传统的分组密码代码学的代表，其运算速度较快，但其密钥太短(56 bit)，通过穷举法即可将其攻破。因此出现了改进的DES算法，即3DES算法[3]。3DES算法加密时对原始明文进行三次DES处理，采用K1、K2、K3三个不同密钥(长度均为8 B)，如图2所示。解密时对密文按相反的顺序，还原成原始明文。为了减少系统在生产和管理密钥的开销，一般将K1、K3设为相同值，但K1、K2绝不能相同，否则三重DES就失去了意义。3DES虽然降低了一定的运算速度，但是密钥长度是原来的两倍，安全性能得到了极大提高，迄今为止尚未被攻破，已成为一种国际公认的加密标准。 

　　其加密代码如图3所示。 

　　3.2.2 SHA-1与MD5的性能比较

　　在南京地铁上，KEY的产生采用了SHA-1安全算法，SHA-1算法与MD5的算法类似，所以它们的性质极为相似。下面是SHA-1和MD5性能之间的比较。

　　(1)抗穷举攻击的能力：SHA1抗穷举攻击的能力比MD5强。
　　用穷举攻击方法产生具有给定散列值的消息：MD5需要的代价为2 128数量级；SHA-1需要的代价为2 160数量级。
　　用穷举攻击方法产生两个具有相同散列值的消息：MD5需要的代价为264数量级；SHA-1需要的代价为280数量级。
　　(2)抗密码分析的能力：MD5算法抗密码分析的能力较弱；SHA-1算法抗密码分析的能力较MD5 强。
　　(3)速度：SHA-1执行的速度比MD5的速度慢得多。
　　(4)简捷性：SHA-1和MD5两种算法都易于描述和实现，不需要使用大的程序和置换表。
　　(5)数据的存储方式：MD5使用little-endian方式；SHA-1使用big-endian方式，这两种方式没有本质的差异。

　　SHA-1的实现代码如图4所示。 

　　3.3 完整性
　
　　在通信过程中，由于受到人为或环境因素的影响，导致读写数据失败，数据不完整。

　　为了确保通信数据的完整性，可以采取数据校验措施，如奇偶校验和CRC校验等。特别是读写器与PC机之间的RS-232或RS-485串行通信，校验措施是十分必要的。通信的速度越高、距离越远，校验的必要性也就很高。

　　CRC(Cyclic Redundancy Check)码，即循环冗余校验码。由于其编码和解码方法简单，因而在IC卡的数据通信中广泛应用[4]。

　　在数据通信中应用CRC码的目的是校验数据传送是否正确。与奇偶校验方法相比，CRC码校验的检错能力更强。因为奇偶校验仅采用了一位二进制作为校验码，如果传送的数据中恰好有两个位(或偶数个位)同时出错就不会被发现。CRC码采用了r位，可靠性大为提高。

　　利用CRC码进行数据传送校验的基本原理是：在发送端，根据要发送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个用于校验的r位校验码(即CRC码)，使其附在原始数据后边，构成一个新的二进制序列(共k+r位)，然后一起发送出去。在接收端，根据数据码和CRC码之间所遵循的规则进行校验，以确定数据通信过程中是否出错。

　　其实现代码如图5所示。

　　CRC校验的优点是识别错误可靠性高，只需要少量的操作就可以识别。但其缺点是其只能识别传输错误而不能校正错误。如果传输中校验到错误，只能让发送方重新发送。

　　本文通过对非接触IC卡数据安全所受到的威胁及其防护措施的分析，使AFC系统能够最大程度地保障非接触式IC卡的数据安全，并实现了部分必要的安全算法，将可能发生的风险控制在可接受的范围之内。

　　参考文献 ：

　　[1] 贺金鑫，李文印.IC卡数据加密的研究和实现[J].吉林大学学报，2003(11)：1-2.
　　[2] 赵军辉.射频识别技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
　　[3] 赵时旻.轨道交通自动售检票系统[M].上海：同济大学出版社，2007.
　　[4] 杨振野.IC卡技术及其应用[M].北京：科学出版社，2006.