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MIFARE Classic S50技术详解

2020-07-28 19:24:26 明申科技 15

Mifare Classic 简介

  MIFARE Classic是恩智浦半导体开发的可用于非接触式智能卡,符合ISO/IEC 14443 A类标准。用于公共交通票证等应用,还可用于各类其他应用有S20,S50(M1),S70几种规格,主要是根据存储器容量划分,存储器容量分别有320B,1K,4K。具有以下防干扰、轻松简便以及安全等特性:

  • 防干扰

  智能防干扰功能允许同时有多张卡在现场工作。防干扰算法分别选择每一张卡,并确保选定的卡正确执行交易,不会受到现场另一张卡的干扰。

  • 轻松集成,使用简便

  针对轻松集成和使用简便而设计,允许在不到100 ms的时间内完成整个票证交易。

  • 安全

· 每器件具有制造商编程的7字节UID或4字节NUID标识符

· 支持随机ID

· 三道双向认证(ISO/IEC DIS 9798-2)

· 每扇区提供两组独立的密钥,支持多用途密钥体系

  本文以S50进行着重讲解,对于S20及S70可访问官方网站详细了解。

逻辑框图

  对于S50来说,芯片由1KB E2P,非接接口,数字控制单元组成。其中:

  • 非接接口(RF Interface),包括:

· 调制解调器(Modulator/demodulator)

· 整流器(Rectifier)

· 时钟再生器(Clock regenerator)

· 上电复位(Power-On Reset )

· 电压调节器(Voltage regulator)

  • 防冲突管理

  • 认证管理

  • 控制和算术逻辑单元

  • 存储器及访问接口:对于S50来说,存储器(E2P)只需要1KB分为16个扇区,每个扇区为4块,每块16个字节,以块为存取单位。

  • 加密单元

明申智能卡/RFID MIFARE Classic S50技术详解

执行流程

执行流程包括三个部分,分别是初始化及选择过程,认证过程以及数据操作过程,如下图所示:

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· 呼叫

  读卡器发送 REQA/WUPA 命令,卡返回 ATQA 的过程。

· 防冲突循环

  在防冲突循环过程中将读取卡片的ID,如果存在多张卡,则通过ID进行区别,并选择一张卡进一步处理,其它卡回到 IDLE 状态等待REQA/WUPA 命令。

· 选卡

  读写器发送 SELECT,卡返回 SAK 的过程, SAK 指示当前卡是否支持 14443-4 协议和 UID 是否完整。

· 三轮认证

  选卡后,读写器指定后续读写的存储器位置,并用相应密钥进行三轮认证。认证成功后,所有的存储器操作都是加密的。

· 存储器操作

  认证后可执行下列操作:

  • 读块

  • 写块

  • 减值:减少数值块内的值,并将结果保存在数据寄存器中。

  • 加值:增加数值块内的值,并将结果保存在数据寄存器中。

  • 恢复:将数据块内容移入数据寄存器。

  • 转存:将数据寄存器的内容写入数值块。

数据存储结构

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  • 厂商代码块

  这是第 0 区的第 0 块存储制造商代码,它含有 UID 和厂商数据,只读。如果是4字节UID,则0~3字节为序列号,第4字节为校验字节(异或值),第5字节国卡片容量,第6、7字节为卡片类型。

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  • 数据块

  所有扇区都由3个块组成,每个块由16字节用于存储数据(扇区0只有两个数据块,一个只读的厂商数据块)。数据块可以设置为:

· 读写块,例如用于非接触门禁管理,有效命令: read, write

· 数值块,例如用于电子钱包。

  •  数值块

  数值块允许执行电子钱包功能(有效的命令是:读、写增量、减量、恢复、转移)。数值块有一个固定的数据格式允许错误检测和校正和备份管理。

· 数值:有符号 4 字节数值。数值的最低字节存储在最低地址字节。负值以标准的 2 的补码形式存储。数值存储三次,两次不取反,一次取反。

· 地址( Adr): 1 字节绝对地址,当进行备份管理时,可用于保存块的地址(即地址不一定与当前的块号相同)。地址保存四次,两次取反,两次不取反。在 increment、decrement、 restore 和 transfer 操作中,地址保持不变。它只能通过 write。

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  例:

  对于十进制数1234567,地址17来说,首先十进制数转成十六进制为0x0012D687,低字节存储在第0字节,高字节为第3字节,补码为0xFFED2978,低字节存储在第4字节,高字节存储在第7字节。对于十六进制的地址0x11来说,补码为0xEE。存储结果如下表所示:

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  • 尾块

  各区均有一个尾块,存有:

· 密钥 A 和 B(可选):卡片发行时,所有的密钥被设置为 FFFFFFFFFFFF。如果读密钥的权限不满足则读出的密钥值为全 0.

· 该区四个块(或16个块)的读写条件,存储在字节 6 至 9 。读写控制位也指定了数据块的类型(读写块或数值块)。

  如果不需要密钥 B,尾块的最后 6 字节可以用作数据字节。尾块的字节 9 可用于用户数据。此字节享有与字节 6、 7、 8 相同的读写权限。对于访问条件,参考后面章节的详细说明。

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访问控制

  任何内存操作之前,卡必须选择和验证,对一个特定的块的访问,依赖于验证过程中的密钥以及存储在当前的扇区尾部的访问条件。内存操作如下表所示:

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  • 访问条件

  每个数据块和尾块的访问条件是由3位数据组成,在访问条件及其补码形式存储在指定块的尾块中。

  访问控制位使用密钥A和密钥B控制内存的访问,访问条件可能会改变,只要知道相关的密钥和当前访问条件即允许此操作。如下图所示:

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  • 控制位的组成

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  • 尾块访问条件

  根据尾块的访问控制位,对于key的读/写访问的权限包括:never,keyA,keyB或者keyA|B。

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卡片发行时的控制字节为: FF078069,即:

C10 C20 C30=000,块 0 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB

C11 C21 C31=000,块 1 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB

C12 C22 C32=000,块 2 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB

C13 C23 C33=001,块 3 的 keyA 读权限 never, keyA 的写权限、 Access bits 和 keyB 的读写权限都是 keyA。

 

例一: C11 C21 C31=010,即块 1 的读权限为 keyA/keyB,写、增、减、恢复、传送的权限为never。修改尾块的值为: FFFFFFFFFFFFDF078200FFFFFFFFFFFF

例二: C1x C2x C3x=111,即数据块的所有权限都为 never,尾块的读控制字节权限为 keyA|B,

其它权限为 never。

修改尾块的值为: FFFFFFFFFFFF00F0FF00FFFFFFFFFFFF

  • 数据块访问条件

  根据访问控制位的数据块(块0~2),读/写访问被指定为“从不”,“KeyA”,“KeyB”或“KeyA| B”。访问控制位定义了应用程序和相应的适用的命令。

•读/写块:允许读和写操作。

•数值块:允许额外的值操作,增量、减量、转移和恢复。

•制造商块:只读,不受访问控制位设置影响!

•密钥管理:在运输时配置必须用于身份验证的KeyA

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执行命令

  MIFARE Classic卡激活遵循ISO / IEC 14443 TypeA,MIFARE Classic卡被选中后,它可以使用ISO / IEC 14443命令停用,或可以执行MIFARE Classic命令。

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  • ACK与NAK

  Mifare classic 使用4位ACK/NAK,如下表所示:

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  • 个人化

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  • SET_MOD_TYPE命令

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  • 认证命令

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  • 读命令

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  • 写命令

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  •  增、减、恢复命令

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  • 转存命令

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安全与保护

  •  数据完整性

  以下机制在非接通讯过程中于读卡器与卡片之间实现,卡片确保数据正确性:

•每个数据块有16位CRC

•为每个字节奇偶校验位

•位数检查

•位编码区分“1”,“0”和“无信息”

•监测信道(协议序列和位流分析)

  •  三轮认证

1. 卡从指定扇区的尾块读出密钥和访问权限,并产生 4 字节随机数发送给读卡器

2. 读卡器使用密钥加密收到的随机数,把加密结果连同自己产生的随机数一起发送给卡(共 8 字节)。

3. 卡使用第 1 轮中读出的密钥验证读卡器返回的加密数据,如正确则把收到的随机数加密后发送给读卡器,否则不发送数据。

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  • RF接口

  RF-interface根据非接触式智能卡ISO / IEC 14443标准实现。两个方向的数据通信在每一帧的开始只有一个起始位。每个字节一位校验位(奇校验)。选择块的最低(LSB)的字节最选传输,最大帧长度为163位(16字节数据+ 2 CRC字节= 16´2´9 + 9 + 1起始位)。

资料参考

1.官方网站:http://www.nxp.com

2.MIFARE Classic EV1 1K - Mainstream contactless smart card IC for fast and easy solution development.pdf Rev. 3.0

3.MIFARE Platform Update &Infrastructure Introduction. Steven CJ Chang 2012.Feb.27

4.《智能卡技术》



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