發布日期：2022-05-20 點擊率：29
1 問題的提出
日前，工信部發布了《關于做好應對部分IC卡出現嚴重安全漏洞工作的通知》，要求各地各機關和部門開展對IC卡使用情況的調查及安全應對工作。工信部的這則通知的背景是什么呢？據了解：主要應用于IC卡系統的Mifare芯片的安全算法已遭到破解！目前應用此技術的IC卡也都將面臨巨大的安全隱患。
與此同時，教育部也通知各級教育管理機構，要求各部門對IC卡的使用情況進行清查，并及時做好安全應對工作。
事實上，早在幾個月之前，國家密碼管理局就已經發出通知，要求各級密碼管理部門對轄區IC卡的使用情況進行摸底，并責成使用單位提供安全保障體系說明，必要時還需要對安全保障體系進行升級。
1.1 什么是IC卡
IC卡即集成電路卡，是一種內藏大規模集成電路的塑料卡片。IC卡通常可分為存儲卡、邏輯加密卡和智能卡三類。存儲卡是可以直接對其進行讀、寫操作的存儲器；邏輯加密卡是在存儲卡的基礎上增加了讀、寫加密功能，對邏輯加密卡進行操作時，必須首先核對卡中的密碼，密碼正確才能進行正常操作；智能卡則帶有微處理器(CPU)，同時也稱作CPU卡。
盡管存儲卡、邏輯加密卡和智能卡三類IC卡的安全性依次提高，但成本也依次提高，所以綜合考慮安全性和成本等因素，目前市面上用得最廣泛的是邏輯加密卡。目前各類學校使用最普遍的校園卡也是邏輯加密卡，其中既保存有不頻繁修改的管理信息，如學籍登記信息等，也保存有頻繁改動的電子錢包信息。
1.2 邏輯加密卡的存儲結構
Mifare 技術是一種 13.56 MHz 非接觸式IC卡技術，目前市面上的邏輯加密卡基本上都采用了Mifare 技術。
采用了Mifare 技術的IC卡，通常分成若干個扇區，每個扇區包含若干塊，塊是IC卡的最小操作單位，塊包括數據塊和控制塊。
其中數據塊可作兩種應用：
1. 用作一般的數據保存，可以進行讀寫操作；
2. 用作數據值，可以進行初始化、加值、減值、讀值操作；這種應用模式通常稱之為“值塊”。
控制塊包括了密碼A、密碼B和存取控制位。通過存取控制位的組合，可以確定訪問某個數據塊是否需要驗證密碼，以及需要驗證密碼A還是驗證密碼B，或者兩個密碼都需要驗證。
1.3 卡信息不再安全
IC卡卡信息的加密與解密永遠都是一枚硬幣的兩面，每天在世界的各個地方，都有無數的科學家、學者和黑客們不停地在研究著各種加密和解密的技術與技巧，成功與失敗也在不斷地上演著。2008年，德國研究員亨里克?普洛茨和美國弗吉尼亞大學在讀博士卡爾斯滕?諾爾就享受到了成功的喜悅：他們最先利用電腦成功破解了Mifare芯片的安全算法。而他們所破解的Mifare芯片的安全算法，正是目前全世界應用最廣泛的非接觸IC卡的安全算法！
對于使用Mifare技術的IC卡來說，卡信息是明文存放的，但只有通過卡片與讀卡器的相互認證才有權對卡信息進行讀寫。換言之，卡信息的安全完全是依靠存取控制來保障的。這就好像我們家里沒有保險柜，沒有上鎖的抽屜，甚至銀行帳戶也沒有密碼，家庭財產的安全完全依賴于大門的安全。而Mifare芯片安全算法破解技術，就類似于開鎖技術。一旦小偷掌握了任意打開我們門鎖的技術，我們家庭財產的安全性也就可想而知了。
可以想象，如果不法分子也掌握了這一Mifare芯片安全算法的破解技術，那么使用Mifare芯片的IC卡，如在校學生普遍使用的校園卡，將面臨巨大的安全威脅。不法分子可以隨意修改卡內的信息，比如原來電子錢包中剩余10元，不法分子就可以隨意改成1000元或者10000元，甚至更多。這對持卡人、學校和整個消費系統來說，無疑是一個極大的安全隱患。
2 問題應對措施
2.1 校園卡現狀
目前，我國各級各類學校普遍使用的校園卡，主要包括電子支付和身份識別兩大功能。教師、學生手持校園卡在校園內可以方便快捷地完成就餐、超市購物等各種校內消費，還可以實現圖書借閱、上機、醫療、出入門禁、用水用電管理、自助洗衣、自助復印、考試管理、學籍注冊、學費繳納等，大大提高了學校教學、管理、服務和生活的整體水平。此外，校園卡系統還可以通過圈存機與銀行后臺對接，使持卡人可以直接將銀行卡中的錢圈存到校園卡，從而使學校的信息管理更加人性化。
通常的校園卡都包含以下幾類信息：
1. 卡片基本信息：卡芯片制造商在芯片出廠時寫入的芯片相關信息。此信息不可修改，同時也不會對系統安全造成影響。
2. 卡應用基本信息：校園卡持有者在校園卡應用系統中的基本信息，由應用系統寫入。這部分信息可能包含有效證件類型、證件號碼、姓名、籍貫等，在應用有效期間很少修改。
3. 卡應用擴展信息：校園卡持有者在校園卡應用系統中的擴展信息，由應用系統寫入，可能包括學籍登記信息、借書證、學習成績等信息。這類信息在不同的應用系統中會有不同具體內容，可以被學校管理部門進行修改，但修改的頻率很低。
4. 電子錢包：校園卡在校內消費交易系統中主要被訪問的區域。校內消費應用的場合很多，包括每天的餐飲、開水、洗浴、上機、雜物購買等，所有消費行為都需要使用到電子錢包。
為了便于管理，各學校一般都采用了“預付費”方式進行卡內電子錢包的充值。由于技術和經費的原因，消費點的終端設備并不實時與學校的后臺數據庫連接，因此不能實時核對卡內金額是否被異常修改，也無法校驗所用卡片的合法性。非實時聯網帶來的另外一個問題就是黑名單和白名單更新的滯后，這也使得某些不法行為有了操作的時間。
2.2 校園卡安全隱患
目前校園卡最主要的安全問題就在于對電子錢包的有效保護，因為這個問題直接威脅到了整個校內交易系統的安全性和學校的合法權益。
常見的針對校園卡的卡信息惡意修改主要包括以下兩種方式：
1. 根據破解的信息格式，重新改寫IC卡內電子錢包的金額，甚至直接產生一張新的IC卡。這種數據修改方式，可以稱之為“異卡復制”。
2. 未能準確獲取、破解卡內信息，而是通過獲得本卡的電子錢包的信息拷貝，在消費后重置卡內的電子錢包。這種數據修改方式，可以稱之為“本卡復制”。
異卡復制是非常嚴重的情況，它意味著不法分子可以無限制的大量制造無法識別的假校園卡，偽造卡雖然不能在學籍等管理系統中使用，但可以在校園卡的消費系統中使用，從而實現非法牟利并導致消費系統紊亂。 本卡復制由于只能復制到本卡，使用的可能性比較小。即使少數不法分子做了本卡復制，學校也可以通過技術手段很快定位嫌疑人。本卡復制問題目前還沒有很好的技術解決方案，只能通過管理手段盡量避免這種情況的發生。
2.3 校園卡安全升級
為了有效防范Mifare算法破解所帶來的安全隱患，我們認為最根本解決方案是徹底改造現有校園卡系統，將邏輯加密卡替換為CPU卡。相比邏輯加密卡，雖然CPU卡出現的時間較晚，成本較高，但因為CPU卡擁有獨立的CPU處理器和芯片操作系統，可以更靈活的支持各種不同的應用需求，交易也更安全。CPU卡的優勢主要體現在數據安全性更高、應用更加靈活。目前，歐洲各國的銀行卡普遍是采用CPU卡，至今未出現被破解和攻擊等惡性事件，充分說明了CPU卡的安全性優勢。
但現有校園卡系統的改造并非一朝一夕之功，在徹底的替換方案實施以前，我們不能消極等待，而是必須尋找合理的過渡方案。
我們注意到，安全算法可以被攻破，但只要從系統層面周密考慮，合理布局，那么卡片算法破解后出現的一系列安全隱患都將得到有效遏制。我們在這里介紹的“基于商用密碼技術的校園卡安全保障系統”，是一個采用國產密碼算法，使用經過國家密碼主管部門批準的密碼產品，對校園卡卡信息進行有效加密處理的校園卡安全升級過渡方案。
2.4 校園卡安全升級過渡方案
如前分析，本過渡方案著重處理異卡復制的問題。
本方案要求在終端機上增加終端安全升級模塊，終端機在對卡片進行讀寫時，通過調用終端安全升級模塊來實現數據的加解密操作。數據經過終端安全升級模塊加密后以密文形式存入卡片，需要使用該數據時，終端機讀取卡片密文數據，終端安全升級模塊將密文還原成明文。這樣一來，盡管IC卡的存取控制機制已經失效，但由于卡內信息經過加密處理，從而保證了即使數據被非法獲取，非法分子也無法解析數據，更不能改變數據。
校園卡系統拓撲結構如下圖所示。
由上圖可見，我們將終端設備分為聯機終端和脫機終端兩大類，不同類型的終端設備使用不同的終端安全升級模塊。卡數據加密密鑰由專門的管理系統進行管理，并通過安全途徑分發到終端安全升級模塊。教育電子身份認證系統為本系統提供電子認證服務。
3 系統配置
本系統由以下幾部分組成：
1. 卡數據加密密鑰管理系統軟件：一套。
2. 教育電子證書：所需數量根據學校的規模而定，最少需要六份電子證書。
3. 終端升級安全模塊：所需數量和類型根據終端設備的數量和類型而定。
4. 終端安全升級SDK：一套。
4 系統特點
本系統具有以下顯著特點：
1. 符合國家有關產業政策，能保證現有校園卡應用系統平穩過渡。
2. 符合國家密碼管理政策，全部采用經過國家密碼主管部門批準的密碼設備。
3. 采用卡片關聯的信息加密技術，卡片信息讀出后無法解析，卡片信息復制會直接導致卡片信息失效，能有效防止對卡片信息結構、信息內容的破解。
4. 采用“一卡一密”進行系統設計，確保每張卡片使用不同的加密密鑰，提高系統的抗風險能力。
5. 采用教育電子身份認證系統簽發的教育電子證書，確保系統設備、操作人員以及系統自身的安全。
6. 采用了不同類型的安全模塊，充分考慮了各種不同類型終端設備對密碼運算處理能力的要求。
7. 具有良好的兼容性，系統在部署時不需要改變現有校園卡應用系統的結構。
8. 具有良好的可擴展性，能滿足不同規模的校園卡應用系統的安全升級的需要。
9. 具有良好的可操作性，對現有校園卡應用系統只做了最小的改動，系統的實施不會對校園卡應用系統的正常運行造成太大影響。
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