摘 要： 針對AFC系統中非接觸式IC卡存儲數據和傳輸數據所受到的安全風險進行詳細分析。從認證、加密、完整性三個方面對非接觸式IC卡數據安全闡述了解決方案，并提出了部分實現。
關鍵詞： 非接觸式IC卡；安全風險
隨著整個社會信息化進程的不斷發展，尤其是國家“三金工程”的啟動和發展，IC卡在我國的應用范圍正不斷擴大。與此同時，針對IC卡及其系統的各種攻擊性犯罪現象隨時可能出現，這就使得IC卡數據加密的研究和實現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系統中，國內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卡內的所存數據，使IC卡面臨數據被改寫的風險。而IC卡的數據通信鏈路是無線通信連接，與有線連接不一樣，無線傳輸的信號本身是開放的，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據的遴選、時間過濾和管理之外，讀卡器只提供用戶業務接口，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)設備安全：防止車票被偷盜后進行加值或復制，防止業務程序被攻擊改變，防止重要參數及數據被改變；
(3)數據安全：防止篡改、竊取、丟失、抵賴；
(4)系統安全：防止攻擊、破壞，泄露重要信息。
對于IC卡單程票，經過半自動售票機、自動售票機等環節發售到乘客手中，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：(1)在系統運營人員管理中，包括單程票的采購、初始化、發售、回收、循環運輸等環節。(2)在乘客手中，從購買單程票到出站之間，對于IC卡儲值票，經過半自動售票機、自動售票機等設備發售到乘客手中后，將一直在乘客手中重復使用，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險。但是整體而言，單程票處在安全范圍內比例要比儲值票大，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 密碼學概述
密碼學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。
密碼技術可用于解決以下三大領域內的安全問題[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備冒充合法資源。
(2)加密。對數據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務，提供該業務用以保護數據安全，不被非法者偷聽。
(3)完整性。保證數據沒有經過篡改，需要確認所收到的消息正是所發送的消息。
本文中涉及到傳輸數據的安全和存儲數據的安全兩個方面。其中傳輸數據的安全主要包括數據的機密性、完整性、可獲取性和真實性。數據的機密性、完整性和可獲取性是通過對數據的加解密來實現的。數據的真實性是通過相互認證技術實現的。存儲數據的安全是指數據的持久性，是通過存儲區域的訪問條件控制和冗余存儲實現的。
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。
(A)由IC卡向讀卡器發送一個隨機數據RB。
(B)讀卡器收到RB后，向IC卡發送一個令牌數據TOKEN AB=EK(RB||RA||ID||T1)，其中RA是讀卡器發出的一個隨機數，ID是IC卡的物理唯一序列號，T1是附加的時間戳數據。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卡發出的隨機數RB是否與(B)中接收到的TOKEN AB中的RB相一致。
(D)如果(C)環節校驗結果正確，則IC卡向讀卡器發送令牌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)進行解密；并檢驗由(B)中讀卡器發出的隨機數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，每個分區都分別有自己的密碼，互不干涉。因此即使通過了一個分區的的密碼認證，也不能對其他的分區進行讀寫操作。如果想對其他分區進行操作，必須按照該分區密碼重新完成上述的認證過程。每個分區都可獨立地作為某一種應用，這也是IC卡一卡多用的原理。
如果上述的每一個環節都能正確通過驗證，則整個認證過程將成功。認證過程中的任何一個環節出錯，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 算法產生于20 世紀70 年代，是傳統的分組密碼代碼學的代表，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。為了減少系統在生產和管理密鑰的開銷，一般將K1、K3設為相同值，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。
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。
用窮舉攻擊方法產生具有給定散列值的消息：MD5需要的代價為2 128數量級；SHA-1需要的代價為2 160數量級。
用窮舉攻擊方法產生兩個具有相同散列值的消息：MD5需要的代價為264數量級；SHA-1需要的代價為280數量級。
(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，不需要使用大的程序和置換表。
(5)數據的存儲方式：MD5使用little-endian方式；SHA-1使用big-endian方式，這兩種方式沒有本質的差異。
SHA-1的實現代碼如圖4所示。
3.3 完整性
在通信過程中，由于受到人為或環境因素的影響，導致讀寫數據失敗，數據不完整。
為了確保通信數據的完整性，可以采取數據校驗措施，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，即循環冗余校驗碼。由于其編碼和解碼方法簡單，因而在IC卡的數據通信中廣泛應用[4]。
在數據通信中應用CRC碼的目的是校驗數據傳送是否正確。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，如果傳送的數據中恰好有兩個位(或偶數個位)同時出錯就不會被發現。CRC碼采用了r位，可靠性大為提高。
利用CRC碼進行數據傳送校驗的基本原理是：在發送端，根據要發送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個用于校驗的r位校驗碼(即CRC碼)，使其附在原始數據后邊，構成一個新的二進制序列(共k+r位)，然后一起發送出去。在接收端，根據數據碼和CRC碼之間所遵循的規則進行校驗，以確定數據通信過程中是否出錯。
其實現代碼如圖5所示。
CRC校驗的優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，只能讓發送方重新發送。
本文通過對非接觸IC卡數據安全所受到的威脅及其防護措施的分析，使AFC系統能夠最大程度地保障非接觸式IC卡的數據安全，并實現了部分必要的安全算法，將可能發生的風險控制在可接受的范圍之內。
參考文獻
[1] 賀金鑫，李文印.IC卡數據加密的研究和實現[J].吉林大學學報，2003(11)：1-2.
[2] 趙軍輝.射頻識別技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.
[3] 趙時旻.軌道交通自動售檢票系統[M].上海：同濟大學出版社，2007.
[4] 楊振野.IC卡技術及其應用[M].北京：科學出版社，2006.