IC卡公交收费机设计(一)——MIFARE1卡存课件

SmartCardSmartCardICIC卡公交收费机设计（一）卡公交收费机设计（一）MIFARE 1MIFARE 1卡存储结构与特性卡存储结构与特性电子与信息工程学院电子与信息工程学院IC卡公交收费机设计（一）MIFARE 1卡存储结构与SmartCardSmartCard课 程 目 标q MIFARE 1 MIFARE 1卡存储结构与读写操作卡存储结构与读写操作q MIFARE 1 MIFARE 1卡值块结构与值操作卡值块结构与值操作q MIFARE 1 MIFARE 1卡防冲突特性与防冲突操作卡防冲突特性与防冲突操作q MIFARE 1 MIFARE 1卡安全特性与存取控制设置卡安全特性与存取控制设置课 程 目 标 MIFARE 1卡存储结构与读写操作SmartCardSmartCard项目开发IC卡公交收费系统q系统需求分析：1.具备小额电子钱包功能，定额方式收费2.操作方便快捷3.工作距离3GHz）。q按卡内芯片供电方式：卡内带电池的有源卡和卡内无电池、由读写器以无线感应方式供电的无源卡 q按使用过程中的读写方式：只读卡（ID卡）和读写卡（带EEPROM）非接触式IC卡的分类按片内IC：存储卡、逻辑加密卡、CPU卡SmartCardSmartCard 特点频段工作频率 数据传输速率读写距离 读写区域低频125134KHz慢适中(1m)较为均匀高频13.56MHz较快适中(1m)较为均匀超高频860960MHz快远(10m)很难定义不同频段射频卡的特点 特点工作频率数据传输速率读写距离读写区域低SmartCardSmartCard非接触式IC卡的国际标准标准组织阵营频段技术规范EPCglobal 全球产品电子代码管理中心 欧美企业 沃尔玛、思科、敦豪快递、麦德龙和吉列等 UHF(860-960 MHz)电子产品代码(EPC)、电子标签规范和互操作性、识读器-电子标签通信协议、中间件软件系统接口等ISO/IEC 国际标准组织/国际电工委员会 全球非盈利工业标准组织 多个频段识别卡与身份识别ISO/IEC14443自动识别ISO/IEC15693ISO/IEC18000UID 泛在技术核心组织 日本电子厂商、IT企业 2.45GHz和13.56MHz 电子标签超微芯片部分规格 非接触式IC卡的国际标准标准组织阵营频段技术规范EPCgloSmartCardSmartCard非接触式IC卡的ISO/IEC国际标准注释：ICC集成电路卡CICCClose-Coupled ICC，紧密（密耦合）卡；PICCProximity ICC，称为接近（近耦合）卡；VICCVicinity ICC，称为邻近（疏耦合）卡。CD Coupling Device，是读写器中发射电磁波的部分 非接触式IC卡的ISO/IEC国际标准注释：ICC集成电SmartCardSmartCardISO/IEC14443国际标准现阶段ISO/IEC 14443（草案）主要有两个体系并存：ISO/IEC14443-Type A、ISO/IEC14443-TypeB。TypeA：以PHILIPS公司为代表，包括SIEMENS、HITACHI、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司 TypeB：以ST（意法半导体）、MOTOROLA、ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代表。ISO/IEC14443国际标准SmartCardSmartCardISO/IEC18000国际标准q18000-1：物理层q18000-2：低于135KHz通信的空中接口的参数；q 18000-3：在13.56MHz通信的空中接口的参数；q18000-4：在2.45GHz通信的空中接口的参数；q18000-5：5.8GHz通信的空中接口的参数；q18000-6：860-960MHz通信的空中接口的参数；q18000-7：433MHz通信的空中接口的参数；ISO/IEC18000国际标准SmartCardSmartCard项目实现之第一步卡型选择q低频非接触式ID卡q高频非接触式逻辑加密卡q超高频非接触式IC卡数据传输速率低，防冲突性能差；没有加密，不安全数据传输率高，防冲突性能好，安全性高读写距离远，防冲突性能好；容易受周围环境干扰，读写器成本高项目实现之第一步卡型选择低频非接触式ID卡数据传输速率低SmartCardSmartCard目前高频卡的产品主要包括：qISO14443TypeA卡Mifare 1 S50卡卡、Ultra Light卡 LEGIC Type A 卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微电子Type A 卡qISO14443TypeB卡ATMEL RF020qISO15693（电子标签）卡PHILIPS I-Code2、TI Tag-it标签qI-CODE（电子标签）卡 PHILIPS I-Code、上海贝岭BL75R02qSONY Felica卡香港八达通、深圳通q中国二代身份证市场主流卡型目前高频卡的产品主要包括：市场主流卡型SmartCardSmartCardMifare 1非接触式IC卡 基本性能指标：q卡内器件：无线智能卡芯片Mifare MF1 IC S50+天线线圈q标准：遵从ISO/IEC 14443 Type A 标准q工作频率：13.56MHzq数据传送速率：106kbit/s（9.4s/bit）Mifare 1非接触式IC卡 基本性能指标：SmartCardSmartCardMifare 1卡片的存储结构 q存储容量：10248位字长（即1KB），q存储介质：EEPROMq分为16个扇区（扇区0 15）q每个扇区有4个块（Block）块0、块1、块2和块3。q每个块有16个字节。q一个扇区共有 16 Byte4=64 Byte Mifare 1卡片的存储结构 存储容量：10248位字长SmartCardSmartCard块功能详解1）厂商块地址：扇区0块0内容：IC卡厂商标志，包含卡序列号SN、卡类型号TagType及卡容量字节等关键数据。特性：只读，安全防伪例：420A7E0036 88 0400 4481740630373937H卡类型号TagType卡序列号SN卡容量字节SIZE块功能详解1）厂商块卡类型号TagType卡序列号SN卡容量SmartCardSmartCard块功能详解2）数据块（块02）q每块16字节。可由区尾块中的存取控制位（access bits）配置为：p读写块：用作一般的数据操作，可用读/写命令直接读/写整个块p值块：用作定值操作，可以进行加值/减值（INC/DEC）的运算。q数据块数据的读/写/加值/减值条件：符合该块存取条件的要求+通过该扇区的密码认证。块功能详解2）数据块（块02）SmartCardSmartCard块功能详解 3）区尾块（Sector Trailer）q每个扇区的块3为区尾块，包含：KEY A（6B）+Access bits（4B）+KEY B（6B）例：A0A1A2A3A4A5 FF078069 B0B1B2B3B4B5 密钥A默认值存取控制位默认值密钥B默认值块功能详解 3）区尾块（Sector Trailer）密钥SmartCardSmartCardMIFARE 1卡特点：支持城市一卡通qEEPROM存储器结构提供多应用：1K字节EEPROM，16个扇区,4数据块/扇区，16字节/块。用户可以定义每一个存储器块的访问条件。每个扇区(每应用)拥有各自独立的密钥,支持带密钥层次的多应用。q适合定额收费：卡芯片中内建有增值/减值的专项数学运算电路，非常适合公交/地铁等行业的定额收费系统MIFARE 1卡特点：支持城市一卡通EEPROM存储器结构SmartCardSmartCardMIFARE 1卡防冲突特性q利用每张卡全球唯一的SN实现二进制树状搜索防冲突算法。例：SN1：420A7E00SN2：420A7E01SN3：421A7E01冲突1选择SN2、SN3冲突2选择SN3MIFARE 1卡防冲突特性利用每张卡全球唯一的SN实现二进SmartCardSmartCardPOWER OFF状态IDLE状态READY状态ACTIVE状态HALT状态RESETREQUEST 命令ANTICOLLISION命令启动防冲突循环读取卡回送的UID（SN）HALT命令SELECT UID命令应用：AUTENTICATION/READ/WRITE/INC/DEC命令WAKE UP 命令MIFARE MIFARE 卡卡卡卡防冲突流程防冲突流程防冲突流程防冲突流程POWER OFF状态IDLE状态READY状态ACTIVESmartCardSmartCardMIFARE 1卡特点：支持多卡同时操作q卡芯片与读写芯片中都内嵌防冲突模块，可实现真正的（硬件）防冲突，可高速识别天线范围内的多张卡，适应多人同时刷卡。MIFARE 1卡特点：支持多卡同时操作卡芯片与读写芯片中都SmartCardSmartCardMIFARE 1卡的安全特性q密码认证：所有扇区需通过密码认证才能进行读/修改操作。q存取控制：所有块可通过设置存取控制条件限制存取。MIFARE 1卡的安全特性密码认证：所有扇区需通过密码认证SmartCardSmartCardMifare 1 卡的密码认证方式 qMifare 1 卡的密码的认证采用了三次相互认证的方法，具有很高的安全性。Mifare 1 卡的密码认证方式 Mifare 1 卡的密SmartCardSmartCard（A）环：Mifare 1卡向读写器发送一个随机数据RB；（B）环：读写器收到RB后向Mifare 1卡片发送一个令牌数据TOKEN AB=用读写器中存放的密码加密后的RB+读写器发出的一个随机数据RA；（C）环：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，用卡中的密码对TOKEN AB的加密的部分进行解密得到RB，并校验第一次由（A）环中Mifare 1卡片发出去的随机数RB是否与（B）环中接收到的TOKEN AB中的RB相一致；若读写器与卡中的密码及加/解密算法一致，将会有RB=RB，校验正确，否则将无法通过校验；（D）环：如果（C）环校验是正确的，则Mifare 1卡片用卡中存放的密码对RA加密后发送令牌TOKEN BA给读写器；（E）环：读写器 收到令牌TOKEN BA后，用读写器中存放的密码对令牌TOKEN BA中的RA（随机数）进行解密得到RA；并校验第一次由（B）环中读写器发出去的随机数RA是否与（D）环中接收到 的TOKEN BA中的RA相一致；同样，若读写器与卡中的密码及加/解密算法一致，将会有RA=RA，校验正确，否则将无法通过校验；（A）环：Mifare 1卡向读写器发送一个随机数据RB；SmartCardSmartCard（A）环：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEY1=1010，加密/解密算法：异或，发送RB给读写器（B）环：读写器取随机数RA=0011，KEY2=1010，加密/解密算法：异或，接收RB对RB加密：TOKENB=RB异或KEY2=0110，发送TOKENB+RA（C）环：Mifare 1卡片对TOKEN B解密：RB=TOKENB异或KEY1=1100=RB，校验正确；（D）环：Mifare 1卡片对RA加密TOKENA=RA异或KEY1=1001；（E）环：读写器 收对TOKEN A解密：RA=TOKENA异或KEY2=0011=RA，校验正确（A）环：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEYSmartCardSmartCardMifare 1 卡存取控制设置qAccess bits（存取控制位）：定义该扇区中4个块的访问条件，及定义数据块的类型（读写或值）qMifare 1 卡出厂初始化时，所有扇区块3的初始化值均为 A0A1A2A3A4A5 FF078069 B0B1B2B3B4B5 卡初始化后的存取控制条件为：密码密码A永不可读永不可读，校验密码A或密码B正确后可以修改；密码B在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；存取控制位在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；数据块在校验密码A或密码B正确后可读，可修改。Mifare 1 卡存取控制设置Access bits（存取SmartCardSmartCard公交卡密钥存取条件的设置q对象：各扇区块对象：各扇区块3 3q存取条件：存取条件：1.1.密码密码A永不可读永不可读，校验密码A或密码B正确后可以修改2.密码B在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；3.存取控制位在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；公交卡密钥存取条件的设置对象：各扇区块3SmartCardSmartCard存取控制位对块3的控制结构密密码A密密码A存取控制存取控制 存取控制存取控制密密码B密密码BC1X3C2X3C3X3readwritereadwriteread write000neverKEYA|BKEYA|BneverKEYA|BKEYA|B010neverNeverKEYA|BneverKEYA|Bnever100neverKEYBKEYA|BneverneverKEYB110neverNeverKEYA|Bnevernevernever001neverKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B011neverKEYBKEYA|BKEYBneverKEYB101neverNeverKEYA|BKEYBnevernever111neverNeverKEYA|Bnevernevernever存取控制位对块3的控制结构密码A密码A存取控制 存取控制密码SmartCardSmartCardC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11111111000001111000000001101001C2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bSmartCardSmartCard公交卡预付费金额存取条件设置q对象:扇区1块02q存取条件:校验密码A或密码B正确后可读，可修改。公交卡预付费金额存取条件设置对象:扇区1块02SmartCardSmartCard存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrement Decr，Transfer，restore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BneverneverKEYA|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111Nevernevernevernever存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadSmartCardSmartCardC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11111111000001111000000001101001C2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bSmartCardSmartCard公交卡流水号存取条件设置q对象：对象：扇区14块0q存取条件：存取条件：校验密码A/B正确可读，永不可修改。其他各块条件默认。公交卡流水号存取条件设置对象：扇区14块0SmartCardSmartCard存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrement Decr，Transfer，restore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BneverneverKEYA|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111Nevernevernevernever存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadSmartCardSmartCardC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11101111000001111000000101101001C2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bSmartCardSmartCard扇区14存取控制字节=EF 07 81 69H 将扇区14块3的内容修改为FFFFFFFFFFFFEF078169FFFFFFFFFFFF扇区14存取控制字节=EF 07 81 69H SmartCardSmartCardMIFARE 1卡特点：支持开放环境下的安全可靠应用q高保密性：q 全球唯一SN；q 密钥及传输密码保护，各扇区密码独立且有三套（KEYSET0、1、2）二个（KEY A、KEY B）密码。q 密码认证采用三次相互认证；q 存取控制位保护，用户可以定义每一个存储器块的访问条件q RF信道数据加密 q高可靠性：无线通讯链路使用各种校验机制确保数据可靠传输MIFARE 1卡特点：支持开放环境下的安全可靠应用高保密性SmartCardSmartCard实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构 q按标志连接非接触式IC卡读写器的电源线，电源指示灯闪亮一下表示连接正确。注意电源注意电源+5V+5V与地不可接反。与地不可接反。q按标志连接非接触式IC卡读写器与PC机间的通信线，打开MIFARE系列非接触式IC卡演示软件MWRF，确认通信正常。q装载密码（Load Key）操作:在RFDEMO软件界面中选择密码集0（KEYSET0），密码A（KEY A），将扇区0-14的密码A设置为全F，而将扇区15的密码A设置为全0。启动密码下载，下载过程中红色指示灯点亮；下载完毕后红色指示灯熄灭。实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构 按标志连接非SmartCardSmartCardqMIFARE 1MIFARE 1卡读写操作卡读写操作:将MIFARE 1卡按任意方向置入MIFARE开发板天线有效工作范围内，对MIFARE 1卡的扇区0、1和15的块0、1、2进行读/写操作。记录读取的卡数据，标明各块的类型及卡的类型号、序列号、容量及各扇区的密码和访问权限。注注意意：不不得得随随意意修修改改各各扇扇区区块块3的的数数据据，特特别别是是访问权限字节，以免造成扇区被锁死。访问权限字节，以免造成扇区被锁死。MIFARE 1卡读写操作:SmartCardSmartCardqMIFARE 1MIFARE 1卡值操作卡值操作:将MIFARE 1卡按任意方向置入MIFARE开发板天线有效工作范围内，对MIFARE 1卡的扇区1块0做值块初始化，读出并记录块0数据，说明值块格式；对扇区1块0做加值/减值操作，读出并记录操作结果。MIFARE 1卡值操作:SmartCardSmartCardq防冲突测试防冲突测试 （1）分别读出并记录二张MIFARE 1卡（分别记为1#卡、2#卡）的序列号，及其扇区0块1的内容，记录在报告上。（2）将二张MIFARE 1卡同时放置在读写器天线有效工作范围内，在RFDEMO软件中执行读操作，根据读出的SN找出被选中的卡（例如为1#卡）。（3）在RFDEMO软件中执行写操作，修改扇区0块1的内容并将数据记录在报告上。（4）将被选中的卡撤离读写器天线有效工作范围，读出另一张卡（例如2#卡）的扇区0块1的内容，并将数据记录在报告上。（5）取走（4）中的卡，重新读出并记录被选中的卡的扇区0块1的数据，并记录在报告上。（6）比较上述实验数据，说明MIFARE1卡是否具备防冲突功能。防冲突测试SmartCardSmartCardq存取控制设置：存取控制设置：（1）读出并记录扇区14块0的内容；修改内容并再次读出，记录修改后的内容。说明该块的存取控制条件。（2）修改扇区14的存取控制字节，将扇区14块0设置为校验密码A/B正确可读，永不可修改。其他各块条件不变。（3）重复（1），说明修改存取控制字节产生的结果。（4）将存取控制位恢复为默认值。注意：严禁修改对块注意：严禁修改对块3的设置，否则容易错误将存取控制位的设置，否则容易错误将存取控制位设为永不可写，将无法恢复为默认值。设为永不可写，将无法恢复为默认值。存取控制设置：