1. 背景

最近在学习了解 RFID 射频卡的安全，在搜遍了 Google/Baidu 之后，发现无论中文社区还是英文社区，对 RFID 安全的介绍都很难找到一篇大而全的介绍文章，维基百科甚至还出现了前后矛盾的词条 :)

同时又由于各个 RFID 芯片厂商多采用自家的专有协议，ISO 国际化标准不完善，中文安全圈围绕着 Proxmark3 讲来讲去（抄来抄去）没有几篇能够系统介绍RFID安全的，硬件圈共享出来的相关资料也是少之又少，名词、术语混用的不规范现象司空见惯；

因此决定整理这篇文章，侧重 RFID 相关概念梳理、卡片家族介绍、攻击方式介绍以及卡片选型建议，不包含具体的卡片攻击破解教程（请合理使用搜索引擎）

2. RFID 射频卡常见概念介绍

2.1 相关协议介绍

• ISO 14443
  非接触集成电路卡（距离10cm左右)，也有资料称其为身份识别卡 Identification cards，定义了 TYPE A, TYPE B 两种类型协议，工作频率均为 13.56MHz，通信速率为106kbit/s，二者不同主要在于载波调制方式、数据编码方案以及协议初始化过程。

  1) TYPE A采用开关键控(On-Off keying)的Manchester编码 ==> 常见于MIFARE Classic系列（M1）以及后续兼容系列卡片 2) TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码 ==> 常见于 CPU 卡，如 Atmel的CryptoRF芯片和二代身份证等

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  1) TYPE A采用开关键控(On-Off keying)的Manchester编码  ==> 常见于MIFARE Classic系列（M1）以及后续兼容系列卡片   2) TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码 ==> 常见于 CPU 卡，如 Atmel的CryptoRF芯片和二代身份证等

  因此：TYPE B 与 TYPE A相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力强（通过冗余校验）的优点。二代身份证采用的就是 IS014443 TYPE B协议（仅兼容ISO14443部分协议，具体见下文 4.2 节）

• ISO 15693
  同 ISO 14443 一样工作在13.56MHz的频率下，工作距离提高到1～1.5米，调制方式、冲突检测机制等均存在差异

• ISO 10536
  主要发展于1992到1995年间，由于这种卡的成本高，与接触式IC卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售

• ISO 7816
  识别卡/智能卡，（带触点的）接触式集成电路卡，其中 ISO/IEC 7816-4:2013 定义了数据安全交互规范，不仅适用于接触式智能卡，同样适用于ISO14443和ISO15693两种协议的非接触式卡片

• ISO/IEC 18092
  这个标准规定的是近场通信卡（Near Field Communication），这个标准与ECMA-340是同一标准，而ECMA的标准文档是可以免费获取的。这个是比前面两个要新的一种技术

2.2 主要卡片类型

RFID 射频卡的分类非常混乱，以及由于部分没有ISO标准支持，业界对名词、术语的使用也非常随意，不同维度的分类相互交错，界限模糊； 下面分类经充分梳理后仍明显存疑，仅供参考

2.2.1 按供电方式分

• 被动式

  • 被动式低频卡，(proximity cards), 工作在 125kHz，存储空间有限（与传统磁条卡大致相当），主要存储不可写的ID信息，常被称为ID卡（HID), 多作门禁卡用; 相关卡片均为私有协议；工作距离< 50cm；

  • 被动式高频卡，(contactless smartcards), 工作在13.56MHz，存储容量较大，被称为IC卡，甚至具有CPU、RAM等组件（CPU卡），可作图书馆、支付等用途；主要协议为ISO 14443 A/B、15693、18000；工作距离<10cm；

• 主动式 (下面两种分类从维基百科摘录，部分准确性存疑)

  • 主动式低频卡，(vicinity cards), 工作在125kHz，由内置锂电池供电，工作距离 <2m；
    （维基百科将这种125kHz主动式卡片称为vicinity cards（https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity_card#Active_cards），而vicinity cards词条页面直接跳转IEC_15693词条页面，并显示其工作在13.56MHz且为被动式供电。这里我认为这是一个错误，vicinity cards应该指的是工作在13.56MHz下的被动式卡片，已经编辑了词条添加”dubious“提示）

  • 主动式超高频卡，如UHF (Ultra High Frequency)，工作在860~ 960 Mhz，工作距离>10m，常用在车辆身份识别场景（如停车场等）
    （参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity_card

2.2.2 按工作距离分

• 密耦合卡: Close-Couple ICC， 作用距离 <2cm

• 近耦合卡: Proximity ICC, 多使用 ISO 14443 协议，作用距离 < 15cm；

• 疏耦合卡: Vicinity ICC, 被动式高频非接触卡，工作在13.56MHz下，多使用 ISO 15693协议，传输距离约 1m

• 远距离卡: 作用距离 >10m
  （参考1：https://www.rfidjournal.com/blogs/experts/entry?11851
  （参考2：http://blog.sina.com.cn/s/blog_c27e00840101j94z.html

2.2.3 按安全水位分

• 存储器卡
  包括IC卡或ID卡，只能简单地读写信息，无加解密功能；比如上面提到的ID卡，可以理解为一种低频只读卡； 而 MIFARE Ultralight 则为一种高频的读写卡。

• 逻辑加密卡
  IC卡，存在读写操作需要验证密钥，比如常见的MIFARE Classic系列卡片（Classic 系列存在多种有效攻击方式，Plus 系列在使用AES的情况下暂无有效攻击方式）

• CPU卡
  读写操作需要验证口令，但是卡片内具有CPU、RAM、COS系统、DES/AES硬件加密协处理器器等组件可进行加解密计算，具备更安全严格的访问管理控制能力;
  其一般会支持 ISO 7816-4 数据交互规范，而在无线电调制方式上多采用 ISO 14443 A/B 协议；（比如复旦 FM1208 CPU卡，使用 ISO14443 A 协议，且可将部分扇区模拟成M1卡片；而二代身份证部分兼容 ISO14443 B协议）

• CPU模拟M1卡
  这是一个特殊的卡片类型，使用CPU卡中的某一段存储空间来模拟M1卡的存储空间，以实现对M1卡片设备的兼容（JCOP系列、复旦 FM1208 系列）

2.2.4 按读写方式分

• 只读: 卡片信息只读，常见卡片为低频ID卡，仅存储唯一的卡片 ID 号（台湾 EM4XX 系列卡、美国HID卡等）

• 读写: 卡片信息可以反复读写，比如高频 MIFARE classic 系列卡片

• 只写一次: 卡片仅允许一次性写入，写入后不可更改，读取不受限制（MIFARE Ultralight 系列(属于高频卡)

2.3 MIFARE 卡片家族介绍

• MIFARE Classic family
  该家族仅为简单的存储器卡，又被称为 M1 卡，其存储空间被划分为扇区（sector）和块（block），仅兼容 ISO14443 Type A 的 1～3部分，并通过私有协议（Crypto-1， 已被破解）进行简单的认证和访问控制。
  最初在1994年发布，由于旧 Classic 卡片存在数个可被攻破的漏洞，NXP于2011年发布了 MIFARE Classic EV1（目前官网仅有此版本在售卖）

  • MIFARE Classic 1K，具备1KB存储空间，分为16个扇区 ==> 被称为S50

  • MIFARE Classic 4K，具备4KB存储空间，分为32 + 8个扇区，32个扇区同M1扇区大小相同，剩余8个扇区为其他扇区4倍大小 ==> 称为S70

  • MIFARE Classic Mini， 具备320B存储空间，分为5个扇区

  • MIFARE Classic EV1，hardened 安全加固升级版本，兼容 classic 系列卡片，但是解决了由弱“伪随机数生成器”导致的 nested 攻击，和 darkside 侧信道攻击。 但后来又演变出了新的攻击方式，见下文详细介绍。

• MIFARE Plus family
  2008年发布，支持AES、用于替换MIFARE Classic产品线的新一代卡片，兼容 Classic 系列卡片，子类包括：MIFARE Plus S, MIFARE Plus X , MIFARE Plus SE。
  但是由于为了兼容Classic系列卡片的读卡器（这些读卡器不支持AES），仍允许使用 Crypto-1 加密算法，虽然可以抵抗针对伪随机数发生器的攻击，但是无法抵御暴力破解和其他密码分析攻击。在启用不同程度的AES认证、加密等级后，分别可以解决卡片伪造、卡片读取等安全问题

  • MIFARE Plus EV1， 发布于2016年，优于MIFARE Plus X的地方主要有：支持每个扇区设置不同的认证算法（兼容Classic系列读卡器）；支持ISO 7816-4数据交互规范；其他加密相关的改进。
     

• MIFARE Ultralight family
  发布于2001年，UID占 7 Bytes 空间，存储空间大小不一，分为多个 4 Bytes 大小的pages，系列卡片均具备写保护功能；十分廉价常用于一次性认证场景（如2006年世界杯门票）

  • MIFARE Ultralight Nano, 发布于2001年，共40字节存储空间，具备写保护功能，不支持加密；

  • MIFARE Ultralight EV1，发布于2012年，主要是针对原始版本的容量大小更新(48、128字节两种版本)、计数器等功能增加，兼容旧版卡片；支持密码认证（32bit 密码）

  • MIFARE Ultralight C, 发布于2008年（确实早于EV1，且功能强于EV1）, 144字节存储空间，增加了3DES加密能力，密钥长度112bit; 支持密码认证 (3-pass mutual), 可有效解决卡片克隆问题(存疑)

• MIFARE DESFire family
  （MF3ICD40）发布于2002年，于 2010 年停止维护。2011 年被证明存在可实施的侧信道攻击（MIFARE DESFire attacks）
  属于 CPU 卡片，具备卡片操作系统（COS），提供简单的文件目录访问功能。使用兼容ISO14443-4的协议，具备3DES/AES硬件加密协处理器

  • 初始版本：仅支持3DES，具有4KB存储空间

  • MIFARE DESFire EV1，（MF3ICD41）发布于2006年，2008年上市；支持随机ID、3DES、128bit AES，具备2KB、4KB、8KB 三个版本

  • MIFARE DESFire EV2，发布于2016年，数个安全功能升级

• MIFARE SAM AV2
  接触式卡片，发布于2010年，具备公钥基础设施PKI、hash算法（sha-1，sha-256等）、各种加密算法（2048bit RSA、192bit AES、168bit 3DES、Crypto-1等)。
  该卡片一个主要应用场景为：将其嵌入到非接触式卡片中，这样便获得了一个具备高级加密能力的非接触式卡片
  （可以参考国内银联闪付，闪光灯下可见线圈连入了接触式IC内）

2.5 Legic 卡片家族介绍

#TODO

3. 已知攻击方式

3.1 MIFARE Classic 卡片（M1）

• 1) 默认密码攻击，很多卡片在制作发行的时候使用了默认的密钥（FFFFFFFFFFFF），或者其他一些常用的弱密码；另外很多厂家只是加密了部分存有数据的扇区，其他扇区仍旧使用默认密码，这就给下面的Nested攻击提供了入口；

• 2) Nested 攻击，利用 MIFARE Classic 卡片伪随机数生成器（PRNG）的缺陷，Nested 攻击可以借助一个认证成功的扇区来获知其他扇区的密钥（知一密得全密）;
  (Refer：Wirelessly Pickpocketing a Mifare Classic Card

• 3) Darkside 攻击，通过卡片认证错误时返回的错误码（0x5，只有4 bit）获知加密用的 keystream，控制部分条件的情况下不断进行认证，最终得到完整的keystream。 存在多个类似攻击的论文，其中Darkside在Proxmark3下耗时约1分钟。
  (Refer 1：THE DARK SIDE OF SECURITY BY OBSCURITY and Cloning MiFare Classic Rail and Building Passes, Anywhere, Anytime
  (Refer 2: A practical attack on patched MIFARE Classic
  (Refer 3: MiFare Classic Universal toolKit (MFCUK)

  

3.2 MIFARE Classic hardened 卡片（ M1 修复版 EV1、Plus 兼容 M1 即 SL1、CPU模拟M1）

• 1) 默认密码攻击 <略>

• 2) Hardnested 攻击, 于 2015 年公开的针对 Crypto-1 算法的利用途径，同样需要已知一个扇区的密钥来解出其他扇区的密钥，速度比 Nested 攻击慢，Proxmark3 下面破解一个扇区密钥需要数十秒
  (Refer 1: Ciphertext-only Cryptanalysis on Hardened Mifare Classic Cards
  (Refer 2: Mifare Classic Plus - Hardnested Attack Implementation for SCL3711 LibNFC USB reader

• 3) 嗅探攻击， 无论是 MIFARE Classic 还是 MIFARE Classic EV1，均可以在读卡器处嗅探通讯数据并破解出密钥。（常用硬件设备：Proxmark3、Chameleon 变色龙）

  

3.3 MIFARE DESFire 卡片

• 侧信道攻击, 由于最初版本的 DESFire 卡片仅支持 3DES 加密，因此研究者们通过侧信道攻击成功获取了密钥
  (Refer 1: https://en.wikipedia.org/wiki/MIFARE#MIFARE_DESFire_attacks
  (Refer 2: Cloning Cryptographic RFID Cards for 25$
  (Refer 3: Breaking Mifare DESFire MF3ICD40: Power Analysis and Templates in the Real World

3.4 MIFARE Ultralight 卡片

• <略> (Refer：https://en.wikipedia.org/wiki/MIFARE#MIFARE_Ultralight_attack

4. 生活中的卡片

4.1 常见的卡片复制/克隆场景

• 手机/手环模拟简单门禁卡
  这种情况多数为仅检查卡片ID的M1卡场景，只需要让手机、手环模拟出卡片的ID即可； 大多数NXP芯片或博通芯片的NFC手机需要root权限去修改系统配置文件实现

• 手机/手环模拟加密 M1 卡
  加密M1卡的场景下，在破解了M1卡的扇区密钥之后，将卡片内容dump出来，然后写入手机使用特定软件进行模拟，支持该种操作的手机型号较少，操作过程也稍微复杂
  （Refer: 使用pm3及变色龙获取加密卡信息写入小米手环NFC版

• 白卡克隆 M1 卡
  无论对于加密或者未加密的M1卡片，成功破解之后，即可写入空白的卡片； 这里涉及到几个概念：

  • 普通 M1/S50 卡：卡片ID所在 block 0，无法修改；

  • UID 卡(Gen1) : 所有block可读写，卡片ID需要特殊的后门指令进行更改，因此可被读卡设备检测到是克隆卡；

  • CUID 卡(Gen2)：所有block可读写，卡片ID所在 block 0 读写方式同其他扇区，不易被读卡设备发现；

  • FUID 卡: 卡片ID所在 block 0 仅可写入一次，使用普通写指令即可完成，无法被读卡设备检测出未克隆卡；

• 白卡克隆低频ID卡
  主要针对 EM4XX 和 HID 系列低频卡，此种低频卡只读、无加密，且仅存储卡片ID号，可使用低频白卡来进行克隆，如电商网站售卖的 T5577 卡片

4.2 生活中常见的卡片(非接触射频卡部分)

5. RFID 卡片技术方案选型建议

5.1 如果你要用简单的 ID 卡

• 对于 HID、EM4XXX 等低频ID卡，或者 MIFARE Ultralight Nano 高频 ID 卡，不建议使用这种不支持加密、认证的卡片；（建议采用升级版的 MIFARE Ultralight C）

• 开发应用程序的时候请酌情评估卡片 ID 被克隆导致的后果

5.2 如果你还是要用 M1 卡

• 杜绝使用老版本的 MIFARE Classic 卡片

• 使用 MIFARE Classic EV1 版本，但必须将全部扇区加密并使用强密钥；建议不同卡片使用不同的密钥；（单张卡片上使用动态密钥的方案可有可无）

• 在卡片中使用保存滚动码、计数器、时间戳等数据，每次刷卡均校验并更新该值；防止卡片克隆（克隆并使用之后，会导致原卡片数据不同步而被发现）

• 支付场景下，请在 Server 端进行数据校验（余额、消费记录等）

  (通过以上方式，可以在一定程度上解决对卡片本身的破解、克隆攻击，只有监听读卡过程中的通讯才能破解、克隆卡片，但克隆卡的使用会导致原卡片失效而被发现）

5.3 如果你考虑更高安全性的卡片

• 采用 MIFARE Plus 卡片，建议禁用对 M1 的兼容，使用 AES 加密而不是 Crypto-1；（如果必须兼容M1，请参考 5.2 节关于M1卡片的建议）

• 采用各种类型的CPU卡片，如 MIFARE DESFire 系列，复旦 FM1208 系列；（DESFire系列卡片请使用后续更新的版本，使用AES加密）

• 对于能够模拟M1卡片的CPU卡（ 如 JCOP 系列、复旦 FM1208系列 ），不建议启用 M1卡片模拟的功能，如果必须开启，参考 5.2 节关于M1卡片的建议（针对M1的攻击在CPU模拟M1卡片上面仍部分存在）

6. 参考资料

• https://en.wikipedia.org/wiki/MIFARE

• https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity_card

• https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_15693

• https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_7816

• https://en.wikipedia.org/wiki/Contactless_smart_card

• https://www.rfidjournal.com/blogs/experts/entry?11851

• http://blog.sina.com.cn/s/blog_c27e00840101j94z.html

• https://yq.aliyun.com/articles/59111

• https://blog.csdn.net/johnson2008t/article/details/46008851

• https://blog.csdn.net/yichu5074/article/details/81455123

• https://blog.csdn.net/gszhy/article/details/8141790

• https://www.52pojie.cn/thread-790236-1-1.html

• https://en.wikipedia.org/wiki/Crypto-1

• http://tech.springcard.com/2010/dont-trust-card-serial-number/

• http://blog.sina.com.cn/s/blog_832e34100100wgg3.html

• http://www.proxmark.org/forum/viewtopic.php?id=2983

• https://www.freebuf.com/geek/104239.html

• https://zohead.com/archives/copy-mifare-classic/

• https://www.commoncriteriaportal.org/files/epfiles/0426b.pdf

• https://smartlockpicking.com/slides/Confidence_A_2018_Practical_Guide_To_Hacking_RFID_NFC.pdf

• THE DARK SIDE OF SECURITY BY OBSCURITY and Cloning MiFare Classic Rail and Building Passes, Anywhere, Anytime

• MiFare Classic Universal toolKit (MFCUK)

• Ciphertext-only Cryptanalysis on Hardened Mifare Classic Cards

• A practical attack on patched MIFARE Classic

• https://www.mifare.net/wp-content/uploads/2015/03/MIFARE-Ultralight-family-overview.pdf

• Cloning Cryptographic RFID Cards for 25$

• Breaking Mifare DESFire MF3ICD40: Power Analysis and Templates in the Real World

• AN10833 MIFARE Type Identification Procedure

• 使用pm3及变色龙获取加密卡信息写入小米手环NFC版

• 怎么读取二代身份证UID

• GA467-2013 居民身份证验证安全控制模块接口技术规范

• 中国银联IC卡技术规范——产品规范 第1部分 非接触式读写器规范

• 通过EVM/PBOC读取闪付卡（QuickPass）中隐私信息（代码开源）

• https://en.wikipedia.org/wiki/Legic

• https://www.legic.com/technology-platform/smartcard-ics/

• https://srlabs.de/bites/analyzing-legic-prime-rfids/