IC卡安全性分析与破解技术详解

1. 智能卡分类与技术概述

1.1 主要卡片类型

ID卡：

• 只存储ID号，无算法
• 设备仅识别ID号
• 安全性低，易复制
• 应用：普通门禁卡

IC卡(Integrated Circuit)：

• 1970年由法国人Roland Moreno发明
• 带芯片的智能卡统称
• 国际名称：Smart Card、IC Card、智慧卡等
• 与磁条卡区别：采用芯片而非磁性介质存储

磁条卡：

• 磁性介质存储
• 可被轻易读取和复制
• 无密码时极易被盗刷
• 一般为接触式

RFID卡：

• 采用射频识别技术(Radio Frequency Identification)
• 供电方式分类：
  • 无源卡：无电源，近距离识别（校园卡、公交卡、二代身份证）
  • 有源卡：自带电源，主动发射信号（ETC系统）
  • 半有源卡：平常休眠，低频信号激活后高频通信

M1卡(NXP Mifare1 Card)：

• 使用飞利浦子公司恩智浦的Mifare1系列芯片
• 常见型号：S50及S70
• 特点：
  • 可读写
  • 有存储器无处理器
  • 存储ID号和数据
  • 采用单一算法认证
  • 可暴力破解密钥

CPU卡：

• 有操作系统和微处理器
• 特点：
  • 可读写
  • 有存储器和处理器
  • 安全性极高
  • 算法在设备内部
• 认证过程更复杂：
  • CPU卡发数据→设备与SAM卡运算→返回数据确认
• 有接触式和非接触式

芯片卡：

• CPU卡的另一种简称
• 可接触式也可非接触式

1.2 接触式与非接触式

非接触式卡：

• 射频卡
• 由IC芯片、感应天线组成
• 封装在标准PVC卡片内
• 芯片及天线无外露

接触式卡：

• 芯片金属暴露在外
• 通过触点与读写器交换信息
• 现代银行卡多为接触式芯片卡

双界面卡：

• 同时支持接触式和非接触式
• 例：苏州社保卡（可刷医保和公交）

1.3 NFC与RFID关系

NFC：

• RFID的子集
• 工作频率：13.56MHz
• 工作距离：0-10cm
• 特点：
  • 支持读写模式和卡模式
  • 支持P2P通信
  • 兼容ISO14443/ISO15693标准
• 应用：门禁、公交卡、手机支付

RFID：

• 工作频率：低频、高频(13.56MHz)及超高频
• 工作距离：几厘米到几十米
• 应用：生产、物流、跟踪、资产管理

ETC：

• RFID的分支
• 工作频率：2.45GHz
• 应用：高速收费

2. 非接触式IC卡结构与通信原理

2.1 卡片组成结构

• IC芯片
• 感应线圈
• 封装在标准PVC卡片内
• 通信距离：5-10cm

2.2 供电原理（无源IC卡）

1. 读写器发射固定频率电磁波
2. 卡片内部LC谐振电路产生共振
3. 电容积累电荷达2V后为电路供电
4. 现代电压可达3.5V

2.3 通信原理

• 频率：13.56MHz
• 读写器信号组成：
  1. 电源信号：为芯片供电
  2. 指令和数据信号：指挥芯片操作
• 读写器组成：
  • 单片机
  • 专用智能模块
  • 天线
  • 与PC的接口

2.4 通信协议与认证过程

通信过程：

1. 寻卡：卡片进入磁场，发送UID
2. 选卡：读写器选择卡片
3. 认证：对指定扇区进行认证

认证过程（M1卡）：

1. 卡片产生随机数NT，明文发送给读写器
2. 读写器：
   • 根据卡片ID找到密钥
   • 用密钥加密NT得到aR
   • 发送aR和读写器随机数nR给卡片
3. 卡片：
   • 验证nR
   • 错误：终止认证
   • 正确：加密nR并发送

M1卡安全缺陷：

• 加解密算法和密钥硬件实现
• 无尝试次数记录
• 可无限次尝试暴力破解

CPU卡安全优势：

• 加密通过CPU实现
• 记录尝试次数
• 多次错误会锁卡

3. M1卡破解技术与实践

3.1 破解工具

1. 带NFC功能的手机：

• 硬件：NFC手机（如小米）
• 软件：Mifare Classic Tools (MCT)

2. PN532：

• 价格：约30元
• 需焊接或胶带固定
• 上位机软件：miLazyCracker
• Linux驱动：libnfc

3. PM5/PM6：

• 价格：100-110元
• 专用M1卡服务程序
• 支持一键读写、爆破
• PM6支持更多卡片型号

3.2 破解实践案例

公司饭卡分析：

• 扇区0：卡片UID、厂商信息、密钥
• 扇区2-3：
  • 第一行前4字节：余额（十六进制，需字节反转）
  • 第二行：消费金额和次数
  • 第三行：
    • 递增数据：日期
    • 不规则数据：时间（时:分:秒）
    • 最后：累计刷卡次数
  • 校验方式：金额+后面4字节=固定值

写入限制：

• 可能原因：
  • 写入密钥未知（非默认FFFFFFFFFF）
  • 设备/软件限制

3.3 其他卡片测试结果

公司门禁卡：

• SAK20标志
• CPU卡，无法简单破解

社保卡：

• 读取数据为空
• 可能原因：
  • 半加密
  • NFC功能未启用

二代身份证：

• 手机能感应但无响应
• 非接触式IC卡（Type B CPU卡）
• 带COS（芯片操作系统）

4. 智能卡安全现状与建议

4.1 发展现状（2013年数据）

• 中国最大IC卡市场之一
• 2011年：
  • 销售收入：90亿元
  • 销售数量：24.3亿张
• 二代身份证：已发行约10亿张

发展趋势：

1. 高安全性：
   • 对称密钥：DES、3DES
   • 非对称密钥：1024位RSA
2. 低功耗设计
3. 一卡多用
4. 大容量存储
5. 复合式（双界面）卡

4.2 攻击方式与案例

1. 干扰攻击：

• 扰乱读写器与标签通信
• 破坏系统可用性

2. 克隆攻击：

• 2004年：破解DST加密（汽车防盗）
• 可低成本复制智能卡

3. 芯片攻击：

• 电流分析攻击：
  • 简单电源攻击
  • 差分电源攻击
• 故障攻击：
  • 破坏触发器
  • 获取密码算法信息
• 案例：
  • 2008年：Mifare芯片破解（全球10亿张卡受影响）
  • 2011年：Mifare DESFire MF3ICD40破解（7小时，3000美元设备）

4. 可用性攻击：

• 物理破坏标签
• 强电磁脉冲破坏电路

5. 其他攻击：

• 重放攻击
• 中间人攻击
• 窃听攻击
• DoS攻击

4.3 M1卡安全建议

1. 避免使用默认密钥（如FFFFFFFFFFFF）
   • 设置复杂密钥
2. 全扇区加密
   • 非仅关键扇区加密
   • 增加混淆数据
3. 结合数据库验证
   • 不单纯依赖卡内数据
   • 每次刷卡与数据库比对
4. 逐步替换为CPU卡
   • 更高安全性
   • 防暴力破解

5. 技术细节补充

5.1 M1卡数据结构示例

Block0: 卡片信息（UID、厂商等）
Block1: 密钥A | 访问控制 | 密钥B
Block2: 数据块（如余额）

5.2 认证过程技术细节

• 随机数生成：硬件伪随机数
• 加密算法：CRYPTO1（Mifare Classic）
• 密钥长度：48位

5.3 破解工具使用要点

1. miLazyCracker：
   • 依赖libnfc
   • 命令：./miLazyCrackerFreshInstall.sh
2. MCT手机端：
   • 需支持全功能NFC
   • 可读取UID、扇区数据

5.4 防御措施进阶

1. 物理防护：
   • 防拆设计
   • 防侧信道攻击屏蔽
2. 加密增强：
   • 动态密钥
   • 一次一密
3. 行为监测：
   • 异常交易检测
   • 多因素认证