基于SHC1112卡芯片實(shí)現(xiàn)非接觸IC卡門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、門禁系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

門禁系統(tǒng)采用的門禁卡分為兩類：125KHZ的低頻只讀卡、13.56MHZ的高頻讀寫卡。125KHZ的低頻只讀卡，與普通磁卡類似，明碼格式，無需要破解，用通用編程器可仿制卡號(hào)，這是一種早期的技術(shù)，安全性差，屬于淘汰技術(shù)，通常用于安全性要求不高的小區(qū)，不適用于涉密單位、高保安場(chǎng)所。常用的13.56MHZ的高頻讀寫卡，可以理解為帶口令的U盤，由口令來保護(hù)卡類數(shù)據(jù)，安全級(jí)別中等，通常用來做為小額電子錢包、身份識(shí)別卡。近兩年來國(guó)際上被破解的Mifare 1卡屬于此類的一種，并且破解方式已公開，因此采用Mifare 1門禁系統(tǒng)存在安全隱患。

此次解密風(fēng)波引起了業(yè)界的思考，新建的門禁系統(tǒng)如何提高安全性呢？已建的采用Mifare 1卡門禁系統(tǒng)有什么升級(jí)方案嗎？

二、非接觸IC卡的種類及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在討論如何消除目前的隱患前，我們先總結(jié)一下非接觸IC卡的技術(shù)總體現(xiàn)狀。非接觸IC卡已取代磁卡，成為自動(dòng)識(shí)別卡片的主流。非接觸IC卡按照頻率，可以劃分為以下幾類。

125KHZ的低頻只讀卡，出現(xiàn)在1979年，這些低頻卡的ID號(hào)存儲(chǔ)介質(zhì)是EEPROM，具有電擦寫功能，可反復(fù)多次寫入，因此ID號(hào)極易偽造，且無相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

超高頻915MHZ、微波卡2.5GHZ是近幾年的新產(chǎn)品，讀卡最大距離達(dá)10m。相關(guān)ISO/IEC 18000國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)沒有最終完成。

13.56MHZ高頻讀寫卡，比125KHZ的低頻卡傳輸速率快100倍，是應(yīng)用最廣泛的，誕生于1993年，此后不斷發(fā)展，產(chǎn)品線不斷豐富。根據(jù)讀卡距離不同，分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)、ISO/IEC 15693。ISO/IEC 14443最大距離為10cm，ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡最大距離為100cm。

ISO/IEC 14443由于問世較早，且由于城市公交的大規(guī)模采用，芯片、讀卡機(jī)具發(fā)展成熟，從而同時(shí)成為門禁卡的選型主流。符合ISO/IEC 14443的Mifare 1卡由于采用偽隨機(jī)數(shù)來用于三重認(rèn)證、48位密鑰長(zhǎng)度也過短，導(dǎo)致該卡加密算法被破解。因此新的非接觸IC卡需要在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生機(jī)理、密鑰長(zhǎng)度、加密算法上加以提升。而13.56MHZ通訊頻率、以及ISO/IEC 14443的通訊協(xié)議將繼續(xù)被采用。

三、支持國(guó)家密碼局密碼算法的非接觸式芯片

Mifare 1卡風(fēng)靡全球、各行各業(yè)爭(zhēng)相采用的普及程度是該芯片廠家始料未及的。盡管芯片廠家推出了有關(guān)升級(jí)芯片，但由于價(jià)格、技術(shù)普及等因素沒有被大部分市場(chǎng)接受。為了保證我國(guó)智能卡市場(chǎng)健康有序的發(fā)展，在國(guó)家密碼管理局的支持和組織下，早在2007年，我國(guó)就開展了我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的、專門應(yīng)用于RFID市場(chǎng)的密碼算法研制工作，取得成功。該密碼算法也得到我國(guó)眾多集成電路芯片廠商的極力推崇和遵循，成功推出了相關(guān)產(chǎn)品。以華虹集成電路公司產(chǎn)品為例，該公司SHC1112芯片通過了國(guó)家密碼管理局的產(chǎn)品認(rèn)證。

SHC1112卡芯片集成了國(guó)家密碼管理局提供的128位密鑰SM7密碼算法，采用該算法來保護(hù)數(shù)據(jù)交換的安全。其三重認(rèn)證示意圖如下：

Ek（）表示對(duì)括號(hào)內(nèi)的內(nèi)容進(jìn)行加密運(yùn)算，加密采用SM7密碼算法。

認(rèn)證通過后，所有交易通信數(shù)據(jù)由SM7密碼算法加密后傳遞。

主要技術(shù)指標(biāo)：

采用ISO/IEC14443 TypeA非接觸通訊方式，支持抗沖突協(xié)議;數(shù)據(jù)通訊速率106Kbps;4字節(jié)唯一序列號(hào)UID;支持SM7密碼算法;支持ISO/IEC DIS9798-2三次傳送鑒別相互認(rèn)證體制;EEPROM存貯容量1K字節(jié)，劃分為64塊，每塊16字節(jié);每個(gè)數(shù)據(jù)塊可單獨(dú)設(shè)定訪問權(quán)限，訪問權(quán)限可由用戶定義;EEPROM數(shù)據(jù)保存時(shí)間：大于10年;EEPROM數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)：大于10萬次;天線輸入引腳ESD：4000V（HBM）。

四、采用國(guó)密算法的非接觸IC卡門禁系統(tǒng)方案

儀創(chuàng)科技公司、華虹集成電路公司聯(lián)合研制了采用國(guó)密算法的非接觸IC卡門禁系統(tǒng)，其系統(tǒng)圖如圖所示。

相對(duì)于傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要做了兩點(diǎn)創(chuàng)新：

1 發(fā)卡密鑰系統(tǒng)

國(guó)密卡發(fā)卡流程大體可分為三個(gè)步驟：（1）卡結(jié)構(gòu)建立;（2）密鑰寫入 ;（3）個(gè)人化處理 。

（1）卡結(jié)構(gòu)建立;應(yīng)對(duì)卡片結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，包括主文件、密鑰文件、公共信息基本信息文件、個(gè)人基本信息文件、應(yīng)用文件、記錄文件、目錄文件等。

（2）密鑰寫入;包括發(fā)卡單位主密鑰、專項(xiàng)應(yīng)用子密鑰、管理性密鑰等。密鑰發(fā)卡中心集中寫入后的初始化卡分發(fā)給各發(fā)卡單位。

（3）個(gè)人化處理;發(fā)卡單位根據(jù)自己的發(fā)卡單位主密鑰，進(jìn)行本單位個(gè)人基本信息文件、應(yīng)用文件裝入，并且表面打印照片、姓名等，這樣完成個(gè)人化處理的卡片，就可發(fā)給持卡人。

2 讀卡器新增SAM卡

根據(jù)發(fā)卡密鑰系統(tǒng)制作相應(yīng)的SAM卡，由SAM卡完成讀卡器與卡片的信息交換。

對(duì)于新建門禁系統(tǒng)可以直接采用該方案。對(duì)已建的門禁系統(tǒng)則需要更換舊讀卡器、舊卡片，門禁軟件需要增加與新的發(fā)卡密鑰系統(tǒng)的接口。門禁控制器原則上可以保留。以上采用國(guó)密算法的非接觸IC卡門禁系統(tǒng)，目前已成功應(yīng)用于有關(guān)部委的新建與改造門禁一卡通系統(tǒng)。

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