MIFARE

MIFARE是恩智浦半導體公司（NXP Semiconductors）拥有的一系列非接觸式智慧卡和近傍型卡技术的注册商标。

MIFARE Logo

MIFARE包括一系列依循ISO/IEC 14443-A規格，利用無線射頻識別（頻率為13.56MHz）的多种非接触式智能卡专有解决方案。這項技術是最早是1994年由米克朗（英语：Mikron）集團（Mikron Group）開發，在1998年轉售給飛利浦電子公司（2006年拆分成為恩智浦半導體公司）。近年來MIFARE已經普遍在日常生活當中使用，如大眾運輸系統付費、商店小額消費、門禁安全系統、借書證等。

發展歷史

 

MIFARE 1K

• 1994 — MIFARE Classic 1K，非接觸式讀取技術開發成功。
• 1996 — 韓國首爾市地鐵成為首個採用MIFARE的商轉系統。
• 1997 — MIFARE Pro，兼容接觸與非接觸式的智慧卡，並採用了3DES的協同處理器（coprocessor）機制。
• 1999 — MIFARE Pro X，開發完成公開金鑰基礎建設（PKI）機制。
• 2001 — MIFARE UltraLight規格開發成功。
• 2002 — MIFARE DESFire，開發以微處理器（microprocessor）為基礎的產品。
• 2004 — MIFARE DESFire SAM，增強了MIFARE DESFire的安全基礎架構連接。
• 2006 — MIFARE DESFire EV1，第一個支援128bit 進階加密標準（AES）的產品。
• 2008 — MIFARE Plus，替換MIFARE Classic使用的128bit AES。
• 2008 — MIFARE Ultralight C，內建有三重數據加密演算法驗證的紙質票證IC（Paperticket IC）。
• 2010 — MIFARE SAM AV2，加入可讀取進階加密標準（AES）、三重數據加密演算法（3DS）、公開金鑰基礎架構（PKI）等安全密鑰的驗證機制。
• 2012 — MIFARE Ultralight EV1，與MIFARE Ultralight相同的規格但是取消了加密功能。
• 2013 — MIFARE DESFire EV2，更好的效能、保密性並且支援多種加密程式。

MIFARE的名字由來是米克朗車資收費系統（ MIkron FARE-collection System）組合而來，飛利浦電子公司在1998年收購了這項技術。

1994年，米克朗公司授權英飛凌 科技在MIFARE現有的基礎上開發新的機制。^[1]。當時英飛凌取得的樣本規格是1K的記憶體容量 ，8、16、32位元的虛擬微處理器和USIM用的NFC設備^[2]。

摩托羅拉公司曾經嘗試開發與MIFARE功能類似的接觸式晶片，原本該公司預估每個月有1百萬次的使用量，但是最後只有10萬次。以致最後放棄了這個產品 ^[3]。

1998年飛利浦將MIFARE Classic技術授權給了日立製作所^[4]，該公司在1999年至2006為日本電信電話（NTT）開發了非接觸式智慧卡的解決方案。另外為NTT開發的電話卡專案有3個合作伙伴（分別是：Tokin-Tamura-Siemens、日立製作所、電裝公司），原本規劃以MIFARE Classic授權為基礎進而開發出兩種大小不同容量的接觸式產品，但是最後只有完成大容量的產品。

2008年，NXP為日立製作所提供了包含MIFARE Plus及MIFARE DESFire2項技術，日立製作所的半導體部門也更名為瑞薩電子 ^[5]。

2010年，NXP把MIFARE授權給金雅拓公司（Gemalto），2011年NPX授權法國歐貝特科技使用在SIM卡上。這些授權都是用來開發NFC領域的產品。

硬體架構及工作原理

	MIFARE Ultralight		MIFARE Classic	MIFARE Plus		MIFARE DESFire
	MIFARE Ultralight EV1	MIFARE Ultralight C	MIFARE Classic EV1	MIFARE Plus (S/X)	MIFARE Plus SE	MIFARE DESFire EV1	MIFARE DESFire EV2	MIFARE DESFire EV3
射頻介面	ISO/IEC 14443-2，TYPE A
通訊協定	ISO/IEC 14443-3			ISO/IEC 14443-3&4		ISO/IEC 14443-4
UID碼	UID：7位元組		UID：7位元組，RID：4位元組（無UID）			UID：7位元組，RID：4位元組（無UID）
通訊速度	106Kbps			106Kbps-848Kbps
資料儲存容量	48bytes	128bytes	144bytes	1K、4Kbytes	2K、4Kbytes	256、2K、4K、8Kbytes	2K、4K、8Kbytes
驗證金鑰種類	無	TDES	Crypto-1（英语：Crypto-1）	Crypto-1（英语：Crypto-1）、AES		TDES、AES
機卡驗證類型	密碼	三重認證
機卡通訊加密類型	無		Encrypted	Plain，Encrypted以及CMACed
共同準則認證類型 （Common Criteria Certification）	無			EAL4+	無	EAL4+	EAL5+

UID：唯一識別碼（Unique Identifier）， RID：安全隨機識別碼（Random Security Identifier）

資料存儲區塊示意圖

區段	區塊 0	區塊 1	區塊 2	區塊 3
0	製造商代碼	資料區	資料區	金鑰、存取權限
1	資料區	資料區	資料區	金鑰、存取權限
2	資料區	資料區	資料區	金鑰、存取權限
:	:	:	:	:
14	資料區	資料區	資料區	金鑰、存取權限
15	資料區	資料區	資料區	金鑰、存取權限

• 卡片架構：卡片上面有一組唯一識別碼、通訊介面（包含天線及調變解調器）以及一個ASIC裡面包含了通訊邏輯電路、加密控制邏輯電路與資料儲存區（ EEPROM），可以作為電子錢包或其它門禁、差勤考核、借書證等用途。
  • 資料存儲區塊：可分16個區段（sector 0-15）， 每個區段由4個區塊（block 0-3）組成，而每個區塊都是獨立的單元，每1個區塊的容量有16Byte。而每個區段的最後一個區塊則用來存放2組金鑰（KeyA、KeyB），以及金鑰對應各自的存取權限（Access bit）。
  • 每張卡片第一區段的第一區塊（sector 0，block 0）只能讀取無法寫入資料，稱為製造商代碼（Manufacturer Code）, 第1－4byte為UID。第5byte為位元計數檢查碼（bit count check)，其餘的存放卡片製造商的資料。所以每張卡片實際能使用的只有15個區段，即便如此也可用於15個不同的應用。

• 讀寫卡機架構：讀卡機包含CPU、電源模組、讀（寫）模組、記憶模組、控制模組等，有些還有顯示模組、定時模組等其他模組。

• 工作流程：當卡片接近讀寫卡機進入通訊天線的感應範圍（約2.5公分至10公分）之後，讀寫卡機便會提供微量電力（約達2伏特之後）驅動卡片上的電路。此時卡、機各以曼徹斯特編碼（MANCHESTER Encoding）及米勒編碼（英语：Miller encoding）（Miller encoding）加密通訊內容後再以振幅偏移調變（Amplitude Shift Keying，ASK）透過調變解調器收發無線電波信號互相驗證是否為正確卡片，如果驗證結果正確讀寫卡機就會確認要存取的資料存儲區塊，並對該區塊進行密碼校驗，在卡、 機三重認證無誤之後，就可以透過加密進行實際工作通訊。這個過程大約只需要0.1秒就可以完成。如果同時有多張卡片進入讀寫卡機感應範圍，讀寫卡機會將卡 片編號並選定1張卡片進行驗證直到完成所有卡片驗證（稱為防碰撞機制）或是離開感應範圍為止。
  • 卡 機三重認證步驟：1.卡片產生一個亂數RB傳送到讀卡機。2.讀卡機會將接收到的亂數RB依公式加密編碼後的TokenAB數值並傳送回卡片。3.卡片接 收到TokenAB後，會把加密部份解譯出來然後比對參數B、亂數RB。同時並依據收到的亂數RA，參照公式編碼後產生TokenBA傳送回讀卡機。4. 讀卡機接收到TokenBA後，又把加密過的部份解譯，比較亂數RB，RA與TokenBA中解出之RB、RA是否相符，正確的就可以完成指令（扣款、打 開門鎖或是登記其他事項）。

攻擊事件

2007年12月，在騷亂交流大會上Henryk Plötz和Karsten Nohl^[6]發表了部分用於MIFARE晶片演算法上的反向工程技術^[7]。

2008年3月，在荷蘭的奈梅亨大學（Radboud University Nijmegen）數位安全研究群裡發表了利用反向工程複製並且修改採用MIFARE Classic技術的電子票證OV卡（ov-chipkaart）上的餘額^[8]。 奈梅亨大學發表了下列三篇關於MIFARE Classic的文件：

• A Practical Attack on the MIFARE Classic（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Dismantling MIFARE Classic（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Wirelessly Pickpocketing a MIFARE Classic Card（页面存档备份，存于互联网档案馆）

恩智浦半導體曾經嘗試在荷蘭的法庭提出訴訟以阻止這些文件發表，但是法官認為這屬於言論自由，便否決NXP公司所提^[9][10]

2008年8月在第17屆高等計算系統協會（USENIX）中有另外一份講述如何利用反向工程的程序發表^[11]

臺大電機教授示範竄改悠遊卡：2010年7月，臺灣大學電機系教授鄭振牟團隊使用改進過的監聽封包（Sniffer-Based）的攻擊手法攻擊Mifare卡。將1張正常使用中的悠遊卡，將餘額從正100多元，更改成為負五百多元^[12]。

資安顧問竄改悠遊卡：2011年7月，某科技公司一名24歲資安顧問，宣稱在美國網站購買讀寫卡機，再下載美國學生破解波士頓地鐵查理卡（Charlie Card）的文章後花了四個月的時間撰寫程式，破解悠遊卡防護系統，以自製讀寫卡機為悠遊卡竄改加值成功並盜刷六次^[13]。

相關條目

• RFID
• NFC
• FeliCa
• Legic（英语：Legic）
• 智慧卡
• 悠遊卡 (台灣)
• iPASS一卡通 (台灣)

參考

1. SIEMENS AND MIKRON AGREE LICENSING DEAL. telecompaper. 1994-04-07 [2015-10-26]. （原始内容于2019-06-11）. 
2. Infineon Adds Security and Convenience to SIM Cards for NFC Applications. Infineon. 2007-11-13 [2015-10-26]. （原始内容于2016-06-28）. 
3. Motorola sets smart card targets. Cnet. 2002-01-02 [2015-10-26]. （原始内容于2019-06-29）. 
4. SMART CARD NEWS-Banksys Offers Stakas in Proton Purse Technolgy (PDF). Cnet. 1998-02-01 [2015-10-26]. （原始内容 (PDF)于2013-11-02）. 
5. Renesas and NXP announce licensing agreement on MIFARE contactless technology. NXP Semiconductors. 2008-11-03 [2015-10-26]. （原始内容于2015-09-30）. 
6. Karsten Nohl的個人網頁. [2015-10-26]. （原始内容于2020-02-04）. 
7. Nohl, Karsten; Henryk Plötz. Mifare: Little Security, Despite Obscurity. Chaos Communication Congress. [2015-10-26]. （原始内容于2018-11-26）. 
8. Digital Security Group publisher=Radboud University Nijmegen. Security Flaw in Mifare Classic (PDF). 2008-03-12 [2015-10-26]. （原始内容 (PDF)于2016-12-23）. 
9. Arnhem Court Judge Services. Pronunciation, Primary Claim. Rechtbank Arnhem. 2008-07-18 [2015-10-26]. （原始内容于2012-02-15）. 
10. . The Standard. 2008-07-18 [2015-10-26]. （原始内容存档于2009-01-05）. 
11. Nohl, Karsten; David Evans. Reverse-Engineering a Cryptographic RFID Tag. Proceedings of the 17th USENIX Security Symposium. 2008-08-01 [2015-10-26]. （原始内容于2011-06-08）. 
12. 臺大電機教授示範無線竄改悠遊卡金額. iThome. 2010-09-01 [2015-10-26]. （原始内容于2019-06-13）. 
13. 天才駭客破解悠遊卡 盜刷39元. 蘋果日報. 2011-09-28 [2015-10-26]. （原始内容于2017-09-14）. 

外部連結

• MIFARE官網
• 台灣恩智浦半導體公司官網 （页面存档备份，存于互联网档案馆）