MIFARE卡技術(shù)專題

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：99單片機(jī)技術(shù)網(wǎng)   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月18日

1、概述
荷蘭菲利浦半導(dǎo)體的MIFARE非接觸式智能卡技術(shù)誕生于1990年，到1994年這項(xiàng)技術(shù)被推向全球市場(chǎng)，1995年，第一個(gè)利用MIFARE技術(shù)生產(chǎn)的裝置被開始應(yīng)用在英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、芬蘭及捷克等國(guó)的公共交通系統(tǒng)上。該年十月第一個(gè)停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)在馬來(lái)西亞被投入使用。從那以后，菲利浦半導(dǎo)體不斷地開發(fā)、改進(jìn)MIFARE結(jié)構(gòu)平臺(tái)。至今，已經(jīng)擁有了許多系列的智能卡集成電路、讀卡機(jī)集成電路。菲利浦半導(dǎo)體的MIFARE非接觸智能卡在非接觸卡應(yīng)用領(lǐng)域占有全球80%的市場(chǎng)份額，是目前非接觸智能卡的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也成為ISO1443-A的工作草案。在MIFARE這一作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)平臺(tái)基礎(chǔ)上生產(chǎn)出來(lái)的3千萬(wàn)張智能卡及10億多次交易覆蓋全球眾多領(lǐng)域。隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，如公共交通、路橋收費(fèi)、電子機(jī)票、身份證、付費(fèi)電話、付費(fèi)電視等，再加上應(yīng)用裝置的增加，與MIFARE相關(guān)的行業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
為了帶來(lái)更多的方便，擁有非接觸式MIFARE卡結(jié)構(gòu)平臺(tái)的菲利浦半導(dǎo)體設(shè)立了一整套的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于MIFARE卡的用戶來(lái)說(shuō)，他們將不再面臨摸索硬幣或車票的煩惱，他們只要將他們的卡在讀卡器前揮一下，甚至于可以不用將卡從口袋或錢包里拿出來(lái)，就可以完成交易。這一切將節(jié)約很多時(shí)間，加快那些采用非接觸式卡的機(jī)場(chǎng)或地下通道的通行量。MIFARE裝置不一定要被集成在卡片上，它也可以被放在手表和鑰匙環(huán)里，從而為人們提供更多的方便。
2、基于MIFARE結(jié)構(gòu)平臺(tái)的產(chǎn)品
根據(jù)所需提供各種服務(wù)，人們可以選擇不同的非接觸式智能加密集成電路卡來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)合成，如MIFARE LIGHT，MIFARE STANDARD，或具有接觸和非接觸雙接口的微機(jī)控制器集成電路MIFARE PRO。在讀卡器集成塊方面，有用于小范圍（2～5cm）的或用于近距離（10cm）的不同讀卡器模塊，以適用于不同的應(yīng)用。
MIFARE LIGHT系列的集成電路的存儲(chǔ)量為384字節(jié)，適用于單一應(yīng)用頻繁的非接觸式電話卡或小金額車票。MIFARE STANDARD系列的集成塊的存儲(chǔ)量為1K字節(jié)以上，這類芯片主要用于公共交通的電子車票或公路收費(fèi)上。目前世界上有幾千萬(wàn)的這類集成塊。
MIFARE PRO內(nèi)置的保密微控制器，是第一個(gè)真正具有接觸和非接觸雙接口的用于智能卡的集成塊系列。這種微控制器提供復(fù)雜的T-DES協(xié)處理器來(lái)達(dá)到高保密度的同時(shí)，還保證了非接觸式交易所需的速度。這種速度比目前的軟件解決方案快400倍。有了MIFARE PRO，在公共交通方面便可以使用非接觸式智能卡來(lái)進(jìn)行交易，這使銀行可以在國(guó)內(nèi)有大量的使用電子錢包的客戶，同時(shí)，那些提供類似公共交通服務(wù)商可以直接將他們的應(yīng)用加載到銀行卡上，而不需要增加設(shè)備投入及促銷。


3、MIFARE智能IC卡應(yīng)用特征
(1) 交易速度
MIFARE卡的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速度為波特率106K，這是由硬件實(shí)現(xiàn)的，而國(guó)際上其他公司的純軟件方案的傳輸速度只有4-6K波特率，考慮到防碰撞的算法，軟件的消耗則更多。相比之下，在某些高速度應(yīng)用場(chǎng)合極不適合。與純軟件的方案相比，MIFARE的加解密速度也是飛快的，純軟件方案的DES加解密速度與MIFARE的TRI-DES算法的加解密速度相差遙遠(yuǎn)，在三重DES算法和RSA算法上就更加不可對(duì)比了。
(2) 安全性
MIFARE是成功的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可是銀行金融界、電訊和保安的要求日漸高漲，MIFARE智能卡與讀寫器在讀寫之前采用三次相互認(rèn)證算法，即為ISO/IECDIS-2所定義的三重DES和RES加密交叉運(yùn)算，MIFARE PRO在MIFARE的非接觸平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了TRI-DES算法，MF2C80支持RSA等非對(duì)稱算法，其安全等級(jí)極高，在眾多供應(yīng)商具有極佳的口碑。
(3) 通訊的可靠性
MIFARE的通訊標(biāo)準(zhǔn)為100%調(diào)制深度的米勒編碼和曼徹斯特編碼，而其他公司堅(jiān)持的20%調(diào)制深度的方案在一些惡劣環(huán)境下得不到應(yīng)有的通訊安全。在一些信噪比惡劣的情況下，比如公交環(huán)境下，20%的調(diào)制深度必須不斷的重試來(lái)進(jìn)行通訊，而且交易的結(jié)果也是不可預(yù)測(cè)的，如智能卡死鎖、密鑰丟失、金額不符。同時(shí)20%的通訊方式將得不到應(yīng)有的通訊速度。其交易速度損失在它的調(diào)制幅度上了。另外MIFARE的米勒編碼和曼徹斯特編碼比其它公司的BPS方案的理論值信噪比提高6%。
(4) 防沖撞功能
數(shù)張MIFARE卡可以一張一張地讀，一起工作不受干擾，還可以跟其它卡放在一起讀?，F(xiàn)在，一般人都有幾張卡，如信用卡、磁卡、ID卡等，如果一張一張地先鑒別，再拿出來(lái)讀很麻煩。MIFARE卡可以和各種不同的卡放在一起，往讀寫器前一放，就能正確地讀取，該讀卡防干擾能力極強(qiáng)。在流行很多卡的今天，這一優(yōu)點(diǎn)尤為重要。防沖撞功能是MIFARE獨(dú)有的。
(5) 一卡多用，綜合管理功能強(qiáng)
一張MIFARE卡擁有多個(gè)（16個(gè)）相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū)，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)有自己的一組密鑰，可以存取多種（16種）相互獨(dú)立、互不相干的數(shù)據(jù)信息資料，能夠滿足多種（16種）不同的使用功能的款項(xiàng)交易和管理，這是其它卡不可比擬的優(yōu)越性。





4、MIFARE智能卡讀寫器應(yīng)用特征
菲利浦半導(dǎo)體推出MIFARE智能卡的同時(shí)，亦同時(shí)推出了基本的MIFARE卡片讀寫及安全保密模塊（Mikron Module），這一模塊成為國(guó)際上大部分非接觸IC卡讀寫機(jī)具制造生產(chǎn)廠商的工作基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)Mikron模塊應(yīng)用開發(fā)，建立面向應(yīng)用的硬件平臺(tái)、支持平臺(tái)及應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，其中：
? 硬件平臺(tái)：支撐全部IC卡操作，安全管理、通信的硬件基礎(chǔ)；
? 支持平臺(tái)：支持讀寫器工作的操作管理系統(tǒng)軟件；
? 應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)：支持用戶，面向應(yīng)用的軟件開發(fā)API接口，操作簡(jiǎn)單，與系統(tǒng)集成方便；同時(shí)借助非接觸式讀寫順中硬件平臺(tái)、支持平臺(tái)和應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，可以建立一套嚴(yán)密完整的非接觸IC卡應(yīng)用安全管理系統(tǒng)。
5、安全管理系統(tǒng)
系統(tǒng)安全管理系統(tǒng)通過(guò)如下方面實(shí)現(xiàn), 分別予以說(shuō)明：
(1) 硬件保護(hù)：MIFARE卡讀寫器采用特殊硬件，電路設(shè)計(jì)多方面，保護(hù)讀寫器內(nèi)部數(shù)據(jù)及保密數(shù)據(jù)區(qū)的安全。系統(tǒng)應(yīng)用軟件加密：
? 軟件采用數(shù)據(jù)加密算法
? MIFARE卡讀寫器對(duì)每一張卡自動(dòng)給予不同密鑰，并自動(dòng)交換，以保證即使其某張卡被解密，也不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)。
? 系統(tǒng)密鑰加密體系：所有的密鑰庫(kù)分別下載在不同硬件上，它們是：讀寫器、密鑰卡、密鑰專用存儲(chǔ)器和PC機(jī)內(nèi);當(dāng)有偷竊行為發(fā)生，即使偷竊某一部分，由于讀寫器自動(dòng)校驗(yàn)，所以不會(huì)對(duì)構(gòu)成傷害。
? 系統(tǒng)在出口、入口卡采用不同密鑰，并且只有通過(guò)高度保密發(fā)卡，系統(tǒng)才能將讀寫器設(shè)置成不同工作模式，因此，即使某讀/寫卡系統(tǒng)被解密或偷竊，但因?yàn)闆](méi)有發(fā)卡系統(tǒng)或密鑰卡無(wú)法使其仿制假卡。
? 管理程序可設(shè)置黑名單，防止系統(tǒng)被置換。
? IC卡發(fā)行應(yīng)用保密機(jī)制
(2) MIFARE卡的安全機(jī)制：根據(jù)MIFARE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其安全保密遵從如下定義：
? 卡與讀寫器之間的數(shù)據(jù)讀寫之前的三次相互認(rèn)證，認(rèn)證算法即為ISO/IECDIS9798-2所定義的三重DES和RES加密交叉運(yùn)算；
? 卡與讀寫器之間的數(shù)據(jù)全部加密以防止信號(hào)截??；
? 每一扇區(qū)有自己的一組密鑰，且相互之間為獨(dú)立；
? 每張卡在全球是唯一序列號(hào)（32）位；
? 傳輸密碼保護(hù)。
(3) MIFARE卡應(yīng)用安全：應(yīng)用文件是有安全訪問(wèn)文件的讀/寫密鑰來(lái)加以保護(hù)的，MIFARE系統(tǒng)有一系列密鑰性能來(lái)防止非法卡的使用和非法訪問(wèn)安全密鑰事件的發(fā)生。
? 動(dòng)態(tài)生成應(yīng)用文件的訪問(wèn)密鑰：應(yīng)用文件的密鑰中在訪問(wèn)卡文件時(shí)在閱讀器中產(chǎn)生，在檢驗(yàn)有效性時(shí)僅出現(xiàn)一瞬間；
? 密鑰的多樣性：每一個(gè)應(yīng)用文件有一個(gè)不同的訪問(wèn)密鑰，每個(gè)卡也有一個(gè)不同的訪問(wèn)密鑰，這就是說(shuō)，同樣的應(yīng)用文件的密鑰，在不同卡上是不一樣的。
? 生成密鑰保護(hù)：閱讀器有一個(gè)感應(yīng)器件能判別是否有干擾（如開蓋）或侵犯保密數(shù)據(jù)區(qū)的行為，若有此類行為，內(nèi)部密鑰將會(huì)被清除。
? 基礎(chǔ)密鑰的安全存儲(chǔ)：用于生成應(yīng)用文件訪問(wèn)密鑰的基本密鑰是存放在名為“密鑰卡”中。應(yīng)用文件所要用的基本密鑰可以從這些密鑰卡中載入到閱讀器中。
(4) 智能卡安全管理：應(yīng)用文件允許發(fā)卡者管理它們的智能卡系統(tǒng)，進(jìn)行安全保護(hù)。它提供了能使用戶定義自己所用的唯一的應(yīng)用文件基本密鑰，生成后的基本密鑰將存放在與PC系統(tǒng)連接的密鑰盒中。
(5) 鑒定信息的選擇：在閱讀器和其被控制裝置（PC、終端等）之間信息的傳送可以根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)的MAC檢驗(yàn)公式來(lái)鑒定。在閱讀器和控制裝置之間的每一個(gè)信息都被標(biāo)上了一個(gè)標(biāo)簽，對(duì)每個(gè)信息來(lái)說(shuō)上唯一的，這就減少了閱讀器的被拿走，與另一個(gè)不同的閱讀器連接后，進(jìn)行對(duì)卡充值的可能性。
(6) MIFARE卡密鑰生成：產(chǎn)生用于訪問(wèn)應(yīng)用文件的密鑰有三個(gè)主要步驟：

基本密鑰的基數(shù)（Base Key Seed）是由發(fā)卡單位的一個(gè)或兩個(gè)信任的工作要員定義密鑰功能時(shí)，人工輸入的數(shù)據(jù)，此基本密鑰用來(lái)產(chǎn)生每個(gè)應(yīng)用文件的讀和寫訪問(wèn)密鑰?；久荑€符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)〖ISO-8731-2：1992（E）〗。這些基本密鑰能被存放在密鑰卡中，然后再載入進(jìn)閱讀器。閱讀器將用這些基本密鑰在訪問(wèn)卡時(shí)，產(chǎn)生真正的應(yīng)用文件訪問(wèn)密鑰。每個(gè)應(yīng)用文件會(huì)有一個(gè)各自的基本密鑰。當(dāng)閱讀器在訪問(wèn)卡時(shí)，它必須在卡上產(chǎn)生實(shí)際用的密鑰。這些密鑰是根據(jù)閱讀器中的公式產(chǎn)生的。此公式利用了基本讀和寫密鑰，一些應(yīng)用文件以及卡上的特殊數(shù)據(jù)。
(7) MIFARE卡的初始化及其發(fā)行：在Windows95/NT環(huán)境下，在PC機(jī)上運(yùn)行發(fā)卡程序。發(fā)卡者將用這個(gè)工具來(lái)格式化和產(chǎn)生客戶定義的空白應(yīng)用文件，對(duì)卡格式化的目的與對(duì)磁盤格式化的目的上相同的，因?yàn)槿绻麤](méi)有基本密鑰，密鑰卡和用于格式化卡閱讀器，這些卡就不能使用?？ㄎ募漠a(chǎn)生將所需要的應(yīng)用文件（如卡管理、錢包等）置入卡上。這此功能將直接訪問(wèn)密鑰盒中的文件基本密鑰。將用戶定義的數(shù)據(jù)置入卡中，就決定了此卡的用途，這過(guò)程可在任何場(chǎng)合進(jìn)行，因?yàn)樗恍枰魏伪Ｃ艽胧?；寫入的?shù)據(jù)通常中一些初始值，發(fā)卡和卡過(guò)期日期及其它用戶要在卡上定義的數(shù)據(jù)。這過(guò)程的應(yīng)用文件可以由開發(fā)商和用戶系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)用戶的要求進(jìn)行編寫。
(8) 安全管理制度：MIFARE卡應(yīng)用安全保證除了技術(shù)保證外，需要應(yīng)用單位在安全管理制度方面予以配合，從而最終保證應(yīng)用系統(tǒng)的安全。
6、MIFARE產(chǎn)品概況
(1) MF2D80
? 6μm的低電壓，低功耗CMOS工藝；
? 80C51微控制器內(nèi)核；
? 3級(jí)中斷矢量；
? 工作頻率為1～5MHZ和13.56MHZ；
? 機(jī)器周期為晶振頻率1/6；
? 省電模式：睡眠和空閑模式；
? 高速TRI-DES協(xié)處理器。
(2) MIFARE標(biāo)準(zhǔn)型和MIFARE PLUS仿真模式
? 16K用戶ROM+MIFARE仿真空間（可選）或20K用戶ROM（駐留BCOS卡片操作系統(tǒng)或其他第三方COS）；
? 256字節(jié)RAM；
? 8K字節(jié)EEPROM（32字節(jié)為一頁(yè)）；
? MIFARE非接觸射頻接口，防碰撞，加密傳輸?shù)龋?BR>? ISO7816接觸接口，5000V的靜電保護(hù)；
(3) 保安措施有安全感應(yīng)器和多障礙安全管理系統(tǒng)，用戶ROM代碼掩埋，隨機(jī)邏輯布線PROM空間硬件防火墻保護(hù)，TRIDES加解，世界唯一序列號(hào)和支持菲利浦半導(dǎo)體的工廠代碼Fabkey過(guò)程。
(4) 開發(fā)工具：Ashing CTS-51+菲利浦半導(dǎo)體的Bondout超腳仿真芯片。
(5) MF1S50，即MIFARE S標(biāo)準(zhǔn)型，8KE2，16分區(qū)，防碰撞，加密傳輸。有三種芯片版本流通。
? MF1L，即MIFARE Light緊縮型，384位E2，單一應(yīng)用卡，防碰撞，加密傳輸，低成本方案。
? MF1P60，80C51，無(wú)加密硬件，8KE2，16KROM，256RAM。
? MF2D20，80C51，TRIDES，2KE2，8KROM，128RAM。
? MF2C80，80C51，F(xiàn)AME公共密鑰協(xié)處理器，16KE2，24KROM，800RAM。






7、MIFARE技術(shù)在全世界的應(yīng)用
本文介紹部分近期的MIFARE?項(xiàng)目。MIFARE卡具有系列化產(chǎn)品，MIFARE結(jié)構(gòu)平臺(tái)具有開放 式平臺(tái)設(shè)計(jì)，適用很廣的產(chǎn)品業(yè)務(wù)，尤其適合于所有類型的非接觸式應(yīng)用。同時(shí)這些卡還具備在道路收費(fèi)和售票等應(yīng)用領(lǐng)域中具有的靈活性。另外，MIFARE卡可以以各種形式提供，它既可以內(nèi)置于鑰匙環(huán)中，也可以安裝在手表中提供給顧客。
(1) MIFARE?用于公交系統(tǒng)
? 漢城/朝鮮：這是近年來(lái)世界上最大的非接觸式智能卡項(xiàng)目，發(fā)行了大約450萬(wàn)張卡，每月能處理8千萬(wàn)筆業(yè)務(wù)。到1996年7月大約9000個(gè)巴士終端和200個(gè)重載終端已投入使用。這個(gè)以MIFARE技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，由Intoc公司訂成安裝，并準(zhǔn)備今年在Kyung Ki省另處擴(kuò)展4500輛巴士，并向漢城地鐵系統(tǒng)擴(kuò)展業(yè)務(wù)。
? Busan/朝鮮：1998年1月已有3000輛巴士和600個(gè)地鐵口安裝了系統(tǒng)并開始運(yùn)作，發(fā)行了大約40萬(wàn)張卡，每天處理60萬(wàn)筆業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)由KICC公司集成安裝，該公司還計(jì)劃在今年年底前發(fā)行兩百萬(wàn)張以上的卡。
? 巴西：Sao Paulo（1998年迅速發(fā)展），Goiana（1998年開始）
? 加拿大：Ajax和Burlington（1995年后期開始），Otawa附近的Hull（計(jì)劃本年度后期開始）
? 中國(guó)：上海（1997年迅速發(fā)展）已發(fā)行8萬(wàn)張公交卡，即將發(fā)行20萬(wàn)張地鐵卡
? 捷克共和國(guó)：Frydek-Mistek（1995年12月），Opava（1997年8月），Mlada Boleslav（1997年9月），Havirov（1997年9月），Sokolov（1998年春季）
? 芬蘭：Pori（1995年10月），Ha eenlinna，Joensuu（1996年10月），Tampere（1997年春季）
? 法國(guó)：Valence（1996年5月），Departement du Tarn（1997年秋季）
? 斯洛伐克：Bardejv（1997年春季），Prievidza（1997年5月），Cadca（1997年8月），Levice（1998年春季），Bratislava（1998年4月）
? 英國(guó)：Hertfordshire的城市卡系統(tǒng)（1997年10月），Liverpool（1995年夏季），Huddersfield（1995年8月）
(2) MIFARE?用于航空售票
? Lufghansa航空公司于1996年3月在德國(guó)推出了以MIFARE?為基礎(chǔ)的非接觸式芯片卡。大約有240000張卡發(fā)行給電腦中存儲(chǔ)的經(jīng)常乘坐Luthansa公司航班的人，這一措施加快了該公司在韓國(guó)、倫敦Heathrow、巴黎、Charles de Gaulle機(jī)場(chǎng)的42個(gè)登記終端的登記速度。這種卡可用于航空售票，也可作為Miles&More成員卡，還可作為帶有磁條和浮壓圖形的Lufthansa航空附加卡使用，這種卡具有信用卡的性質(zhì)，就象VISA卡一樣。
(3) MIFARE?用于電子收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)，ETC系統(tǒng)包括停車收費(fèi)和無(wú)須停車收費(fèi)兩種系統(tǒng)。MIFARE?無(wú)須停車ETC系統(tǒng)以紅外線技術(shù)為基礎(chǔ)，使駕駛員在經(jīng)過(guò)收費(fèi)處時(shí)無(wú)需減低速度。奧地利的系統(tǒng)集成安裝公司EPKON首先在奧地利、中國(guó)、朝鮮、臺(tái)灣和巴西等地建立了試驗(yàn)和演示裝置。EPKON的系統(tǒng)在對(duì)開六車道上可以通過(guò)150km/h的高速車輛，這樣，既提高了收費(fèi)的速度，又避免了許多微波系統(tǒng)對(duì)駕駛員和工作人員的傷害。
? 由馬來(lái)西亞的Teras Teknologi公司和法國(guó)的GEA公司安裝的MIFARE?停車收費(fèi)ETC系統(tǒng)已在Penang、Seramban的Dickison港以及馬來(lái)西亞的Shah Alam Express公路上使用。
(4) MIFARE?用于訪問(wèn)控制
? MIFARE卡是一種多功能卡，1997年初開始在德國(guó)北Frisian島上的Norderney開始使用。它可以在渡口、公交中使用，可以作為電子錢包和用戶信用卡，還可用于公園，并可以作為居民的身份證。
? 法國(guó)郵政服務(wù)公司La Poste采用MIFARE作為VOGIK的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，VIGIK是住宅區(qū)建筑的郡間訪問(wèn)控制系統(tǒng)。在今年秋季將安裝法國(guó)郵件傳送器，并發(fā)行訪問(wèn)卡，La Poste公司估計(jì)在接下來(lái)的五年內(nèi)，將有5百萬(wàn)張卡投入使用，大約500000座建筑物將裝備閱讀器終端。有了VIGIK系統(tǒng)，建筑管理人員就能給特有MIFARE卡的用戶授予特殊的訪問(wèn)權(quán)，這樣的好處在于提高了安全性和方便性，配給（電、水等）和傳輸控制更加有效，最終使管理更加容易和高效率。VIGIK是一個(gè)靈活的系統(tǒng)，因此服務(wù)供應(yīng)商們經(jīng)如送報(bào)、清潔、維修等服務(wù)有承包者都可以加入該系統(tǒng)。法國(guó)電訊是第一家考慮加入VIGIK系統(tǒng)的公司。
8、各種應(yīng)用卡的比較