葉 飛，徐駿善

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

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

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

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

1 IC卡面臨的安全問題

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)一個讀卡器，直接與IC卡進行通信，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)被改寫的風(fēng)險。而IC卡的數(shù)據(jù)通信鏈路是無線通信連接，與有線連接不一樣，無線傳輸?shù)男盘柋旧硎情_放的，這就給非法用戶的偵聽帶來了方便。

在讀卡器中，除了中間件被用來完成數(shù)據(jù)的遴選、時間過濾和管理之外，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。

對于IC卡單程票，經(jīng)過半自動售票機、自動售票機等環(huán)節(jié)發(fā)售到乘客手中，到出站閘機再進行回收。在整個使用過程中，IC卡處于兩種狀態(tài)：(1)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)。(2)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)過半自動售票機、自動售票機等設(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卡在乘客手中時有更大的不安全風(fēng)險。但是整體而言，單程票處在安全范圍內(nèi)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。

2 密碼學(xué)概述

密碼學(xué)通常被定義為在通信過程中進行解密和加密的過程和技巧。

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

(1)認證。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。對數(shù)據(jù)進行編碼以防搭線竊聽的過程。加密所提供的保護也稱為機密性業(yè)務(wù)，提供該業(yè)務(wù)用以保護數(shù)據(jù)安全，不被非法者偷聽。

(3)完整性。保證數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過篡改，需要確認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)的安全和存儲數(shù)據(jù)的安全兩個方面。其中傳輸數(shù)據(jù)的安全主要包括數(shù)據(jù)的機密性、完整性、可獲取性和真實性。數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可獲取性是通過對數(shù)據(jù)的加解密來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的真實性是通過相互認證技術(shù)實現(xiàn)的。存儲數(shù)據(jù)的安全是指數(shù)據(jù)的持久性，是通過存儲區(qū)域的訪問條件控制和冗余存儲實現(xiàn)的。

3 地鐵非接觸式IC卡的加密措施

3.1 認證

在對IC卡進行讀寫操作之前，必須對IC卡的密碼進行認證。如果認證通過，才允許進行下一步操作。

非接觸式IC卡的密碼認證分為五個步驟，其過程如圖1所示。

圖1 非接觸式IC卡的密碼認證

(A)由IC卡向讀卡器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù)RB。

(B)讀卡器收到RB后，向IC卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB=EK(RB||RA||ID||T1)，其中RA是讀卡器發(fā)出的一個隨機數(shù)，ID是IC卡的物理唯一序列號，T1是附加的時間戳數(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TOKEN AB的加密部分進行解密，并校驗第一次由(A)中的IC卡發(fā)出的隨機數(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，將對令牌TOKEN BA中的RB(隨機數(shù))進行解密；并檢驗由(B)中讀卡器發(fā)出的隨機數(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個分區(qū)，每個分區(qū)都分別有自己的密碼，互不干涉。因此即使通過了一個分區(qū)的的密碼認證，也不能對其他的分區(qū)進行讀寫操作。如果想對其他分區(qū)進行操作，必須按照該分區(qū)密碼重新完成上述的認證過程。每個分區(qū)都可獨立地作為某一種應(yīng)用，這也是IC卡一卡多用的原理。

如果上述的每一個環(huán)節(jié)都能正確通過驗證，則整個認證過程將成功。認證過程中的任何一個環(huán)節(jié)出錯，則整個認證過程終止，認證過程必須重新開始。如果事先不知道IC卡的密碼，全部搜索需要很長時間，隨機地給出一個密碼而打開IC卡的一個分區(qū)的可能性幾乎沒有。

3.2 消息加密

目前使用較廣泛的密碼算法主要有對稱密鑰算法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號線采用了3DES算法

DES算法產(chǎn)生于20世紀70年代，是傳統(tǒng)的分組密碼代碼學(xué)的代表，其運算速度較快，但其密鑰太短(56 bit)，通過窮舉法即可將其攻破。因此出現(xiàn)了改進的DES算法，即3DES算法[3]。3DES算法加密時對原始明文進行三次DES處理，采用K1、K2、K3 三個不同密鑰(長度均為8 B)，如圖2所示。解密時對密文按相反的順序，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算速度，但是密鑰長度是原來的兩倍，安全性能得到了極大提高，迄今為止尚未被攻破，已成為一種國際公認的加密標準。

圖2 3DES加密過程

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。

圖3 3DES加密實現(xiàn)

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

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

(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。

(3)速度：SHA-1執(zhí)行的速度比MD5的速度慢得多。

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

(5)數(shù)據(jù)的存儲方式：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的實現(xiàn)代碼如圖4所示。

圖4 SHA-1實現(xiàn)代碼

3.3 完整性

在通信過程中，由于受到人為或環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致讀寫數(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)校驗措施，如奇偶校驗和CRC校驗等。特別是讀寫器與PC機之間的RS-232或RS-485串行通信，校驗措施是十分必要的。通信的速度越高、距離越遠，校驗的必要性也就很高。

CRC(Cyclic Redundancy Check)碼，即循環(huán)冗余校驗碼。由于其編碼和解碼方法簡單，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碼的目的是校驗數(shù)據(jù)傳送是否正確。與奇偶校驗方法相比，CRC碼校驗的檢錯能力更強。因為奇偶校驗僅采用了一位二進制作為校驗碼，如果傳送的數(shù)據(jù)中恰好有兩個位(或偶數(shù)個位)同時出錯就不會被發(fā)現(xiàn)。CRC碼采用了r位，可靠性大為提高。

利用CRC碼進行數(shù)據(jù)傳送校驗的基本原理是：在發(fā)送端，根據(jù)要發(fā)送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個用于校驗的 r位校驗碼(即CRC碼)，使其附在原始數(shù)據(jù)后邊，構(gòu)成一個新的二進制序列 (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)則進行校驗，以確定數(shù)據(jù)通信過程中是否出錯。

其實現(xiàn)代碼如圖5所示。

圖5 CRC代碼實現(xiàn)

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

本文通過對非接觸IC卡數(shù)據(jù)安全所受到的威脅及其防護措施的分析，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，并實現(xiàn)了部分必要的安全算法，將可能發(fā)生的風(fēng)險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)加密的研究和實現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2003(11)：1-2.

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

[3]趙時旻.軌道交通自動售檢票系統(tǒng)[M].上海：同濟大學(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.