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RFID技術(shù)及應(yīng)用任務(wù)1認知應(yīng)用領(lǐng)域、存儲結(jié)構(gòu)及安全特性教學(xué)內(nèi)容◆1.1案例呈現(xiàn)與任務(wù)描述

◆1.2任務(wù)解讀與實施

◆1.3任務(wù)小結(jié)與作業(yè)教學(xué)目標通過本任務(wù)的學(xué)習(xí),希望能達到如下目標:

(1)能闡明MIFARE1卡存儲結(jié)構(gòu)與讀寫操作(2)能闡明MIFARE1卡值塊結(jié)構(gòu)與值操作(3)能闡明MIFARE1卡防沖突特性與防沖突操作(4)能闡明MIFARE1卡安全特性與存取控制設(shè)置1.1案例呈現(xiàn)與任務(wù)描述>1.1.1案例呈現(xiàn)案例一:RFID在城市一卡通的應(yīng)用城市一卡通是將城市公用事業(yè)統(tǒng)籌考慮,建立城市公共事業(yè)管理信息平臺的產(chǎn)物,是“智慧城市”的重要組成部分。它以RFID標簽作為信息的載體和接口,使居民在一定區(qū)域內(nèi)持同一張標簽即能實現(xiàn)身份驗證、流動消費支付、存儲各類信息等功能;同時通過查詢、統(tǒng)計、間接測算、決策分析等,為城市中的個人消費、企業(yè)經(jīng)營及城市管理者的決策提供分析基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)。城市一卡通能提供公共事業(yè)的預(yù)收費,金融、旅游、醫(yī)療等多個領(lǐng)域的快速結(jié)算和支付。目前比較成熟的應(yīng)用有公交、地鐵、輕軌、出租車、停車場、路橋、自行車等公共交通的收費;水、電、氣、有線電視、電信寬帶等公用事業(yè)收費;購物、訂票等金融應(yīng)用;門票、旅游積分等旅游消費;育嬰積分、超市積分等日常消費;醫(yī)療收費、醫(yī)保待遇、養(yǎng)老待遇等社保管理;加油、加氣等油氣收費。目前,城市一卡通已逐步向互聯(lián)互通發(fā)展。2012年7月,上海、寧波、紹興、湖州、臺州、常熟、蘭州、白銀8個城市首批已實現(xiàn)“一卡通”的互聯(lián)互通。市民持“一卡通”可在8個城市內(nèi)隨意乘坐公交車,同時,上海開通了乘坐輪渡、地鐵的功能,在寧波市民還可刷卡租賃自行車。2012年12月,國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于城市優(yōu)先發(fā)展公共交通的指導(dǎo)意見》,其中提出,要逐步實現(xiàn)跨市域公共交通“一卡通”的互聯(lián)互通,這標識這我國將逐步搭建全國城市一卡通互聯(lián)互通平臺。加入全國城市一卡通互聯(lián)互通平臺最核心的有兩點:一是申請城市的公交IC卡系統(tǒng)需要建立和大平臺統(tǒng)一的標準體系;二是要有統(tǒng)一的安全密鑰體系。截止2013年1月7日,全國已有160多個城市申請使用統(tǒng)一密鑰系統(tǒng)的“一卡通”,發(fā)卡量已超過3.1億張?!斑@些城市的‘一卡通’密鑰體系相同,為以后加入異地刷卡打下技術(shù)基礎(chǔ)。2013年10月底,天津、沈陽、福州、南昌、三亞等18個城市加入全國城市一卡通互聯(lián)互通平臺,市民持卡可在全國30多個城市內(nèi)乘坐公交車,部分城市內(nèi)還可享受乘坐輪渡、租賃自行車的服務(wù)。預(yù)計到“十二五”末,全國城市一卡通互聯(lián)互通的應(yīng)用城市將達到60個。案例二:RFID在企業(yè)數(shù)字化一卡通系統(tǒng)中的應(yīng)用圖4.1數(shù)字化一卡通系統(tǒng)

1.1案例呈現(xiàn)與任務(wù)描述>1.1.2任務(wù)描述閱讀上述案例,請思考如下問題:1.一個典型的一卡通系統(tǒng),應(yīng)該由哪些部分組成?2.在全國城市一卡通系統(tǒng)中,為什么統(tǒng)一的標準體系和安全密鑰系統(tǒng)是異地公交IC卡互通的前提?對于電子標簽而言,密鑰系統(tǒng)是怎樣影響不同企業(yè)的城市一卡通系統(tǒng)的互聯(lián)的?3.在企業(yè)數(shù)字化一卡通系統(tǒng)中,有大量需進行金融支付或個人信息認證的應(yīng)用系統(tǒng),這些系統(tǒng)需要電子標簽承載哪些內(nèi)容,才能使系統(tǒng)高效甚至離線使用?請帶著上述問題,查閱有關(guān)資料或完成有關(guān)實驗操作,完成如下任務(wù):1.描述13.56MHzRFID標簽的國際標準、應(yīng)用場合、存儲結(jié)構(gòu)及安全特性;2.以13.56MHzRFID實驗板為平臺,對標簽進行讀寫操作,進一步理解其存儲結(jié)構(gòu)及安全特性。1.2任務(wù)解讀與實施>1.2.1應(yīng)用領(lǐng)域1.13.56MHzRFID的識讀原理13.56MHzRFID系統(tǒng)識讀原理圖2.13.56MHzRFID標簽的國際標準及典型產(chǎn)品13.56MHzRFID的常用標準是ISO/IEC14443和ISO/IEC15693。ISO/IEC14443又分TypeA和TypeB兩種,最初其實是用于非接觸式IC卡的協(xié)議,因為那時還沒有提出RFID的概念,但隨著RFID的出現(xiàn)和普及,人們已經(jīng)習(xí)慣將ISO/IEC14443納入RFID范疇。13.56MHzRFID的典型產(chǎn)品有:ISO14443TypeA卡:如Mifare1S50卡、UltraLight卡LEGICTypeA卡、上海公交卡(華虹IC卡)、復(fù)旦微電子TypeA卡。ISO14443TypeB卡:如ATMELRF020。ISO15693(電子標簽)卡:如PHILIPSI-Code2、TITag-it標簽。CODE(電子標簽)卡:如PHILIPSI-Code、上海貝嶺BL75R02。SONYFelica卡:如香港八達通、深圳通。中國二代身份證。PHILIPSMIFARE1卡TI(德州儀器)Tag-it電子標簽手表卡與鑰匙扣卡3.13.56MHzRFID標簽的應(yīng)用領(lǐng)域13.56MHzRFID標簽的特點與低頻標簽相似,但由于工作頻率的提高,可以選用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外,

13.56MHzRFID標簽有更大的存儲空間,并帶有數(shù)據(jù)加密算法,所以它擁有更豐富的應(yīng)用領(lǐng)域。13.56MHzRFID系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括企業(yè)/校園一卡通系統(tǒng)、公交自動收費系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、門禁考勤系統(tǒng),以及非定額消費系統(tǒng)等。但是,由于13.56MHzRFID系統(tǒng)是利用近場感應(yīng)方式獲取能量,可讀寫的距離很短(一般在3~8cm),所以它不適合ETC(ElectronicTollCollection,電子不停車收費系統(tǒng))、鐵路列車的高速識別、煤礦人員動態(tài)定位、智能圖書館(智能書架)等要求讀寫距離遠、傳輸速率快、防沖突性能高等領(lǐng)域。不過,13.56MHzRFID系統(tǒng)仍是目前應(yīng)用最廣的RFID系統(tǒng)。1.Mifare1非接觸式標簽的基本性能指標卡內(nèi)器件:無線智能卡芯片MifareMF1ICS50+天線線圈標準:遵從ISO/IEC14443TypeA標準工作頻率:

13.56MHz數(shù)據(jù)傳送速率:

106kbit/s(9.4μs/bit)1.2任務(wù)解讀與實施>1.2.2存儲結(jié)構(gòu)2.Mifare1卡標簽的存儲結(jié)構(gòu)存儲容量:1024×8位字長(即1KB),存儲介質(zhì):EEPROM分為16個扇區(qū)(扇區(qū)0~15)每個扇區(qū)有4個塊(Block)塊0、塊1、塊2和塊3。每個塊有16個字節(jié)。一個扇區(qū)共有

16Byte×4=64Byte圖4.2MIFARE1標簽的存儲結(jié)構(gòu)圖1.2.2存儲結(jié)構(gòu)>

廠商塊表4.1MIFARE1標簽廠商塊的存儲地址、內(nèi)容、存取特性420A7E00368804004481740630373937H卡類型號TagType卡序列號SN卡容量字節(jié)SIZE例:實驗4.1:通過13.56MHzRFID實驗板讀取Mifare1(S50)標簽,分析其存儲結(jié)構(gòu)。步驟1:本實驗采用的實驗板如圖4.3所示。首先通過USB線將其連接到PC的USB接口,并根據(jù)提示安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動程序,然后打開圖4.4所示的上位機測試軟件。圖4.313.56MHzRFID實驗板圖4.4上位機測試程序步驟2:讀取標簽序列號和扇區(qū)0塊0的數(shù)據(jù),并進行對比,分析扇區(qū)0的存儲結(jié)構(gòu)。圖4.5顯示了讀標簽號為“5E1DB4F5”標簽的結(jié)果。從圖中可以看出,標簽序列號(5E1DB4F5)存放于扇區(qū)0塊0,扇區(qū)0塊0中同時還存儲有標簽容量(08)、標簽類型(0400),以及其它數(shù)據(jù)(6263646566676869)。

注意,這里使用了M1空白標簽進行操作,各扇區(qū)的密鑰A和密鑰B均為六字節(jié)“FFFFFFFFFFFF”。在初始狀態(tài)下,對扇區(qū)0塊0的讀取需使用密鑰B。圖4.5讀標簽序列號及扇區(qū)0的數(shù)據(jù)

除了扇區(qū)0以外的所有扇區(qū)都包含了3個數(shù)據(jù)塊,每個塊有16個字節(jié)。數(shù)據(jù)塊可以被區(qū)尾塊的訪問控制位(AccessBits)配置為讀寫塊或值塊,詳見表4.2。1.2.2存儲結(jié)構(gòu)>

數(shù)據(jù)塊值塊表4.2MIFARE1標簽數(shù)據(jù)塊的配置1.作為數(shù)據(jù)塊使用,可以進行讀取、寫入操作實驗4.2:以標簽號為“5E1DB4F5”標簽為對象,通過實驗板讀寫標簽的扇區(qū)1的塊1(塊號為5)并分析其存儲結(jié)構(gòu)。步驟1:讀數(shù)據(jù)。將標簽放置于讀寫器天線激勵范圍內(nèi),然后點擊“讀取”,即可讀取數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4.6所示,“串口發(fā)送的內(nèi)容”欄中顯示了下發(fā)的讀數(shù)據(jù)指令。圖4.6讀塊數(shù)據(jù)結(jié)果步驟2:寫數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。在“寫入的數(shù)”文本框中輸入16B數(shù)據(jù),點擊“寫入”操作,執(zhí)行結(jié)果如圖4.7所示。注意,寫塊之后請再次讀出,以驗證寫成功與否。從圖中可以看出寫塊成功,在“串口發(fā)送的內(nèi)容”欄中還可以看到寫塊和讀塊的指令。圖4.7寫數(shù)據(jù)及再次讀出數(shù)據(jù)2.作為值塊使用,可以進行加值、減值及讀寫操作步驟1:寫值操作。圖4.8展示了向塊中寫入值為“00000001”、地址為“01”的操作情況,通過對比寫數(shù)據(jù)操作時所下發(fā)的指令,可以看出寫值與寫數(shù)據(jù)的過程是一致的。圖4.8寫值操作與寫數(shù)據(jù)操作對比示意圖步驟2:讀值操作。點擊“讀值”,結(jié)果如圖4.9所示。對比分析圖4.6和圖4.9,可以發(fā)現(xiàn)對于數(shù)據(jù)塊而言,讀數(shù)據(jù)操作和讀值塊操作所發(fā)指令是相同的。讀取值后,可以再次讀出該塊的數(shù)據(jù)(結(jié)果如圖4.6所示),分析可知,對于數(shù)據(jù)塊而言,存放的值只是一種按特殊格式存放的數(shù)據(jù)而已。圖4.9讀值操作步驟3:值的加、減、恢復(fù)操作。以值加1為例,輸入要操作的值“00000001”,并將源塊號與目標塊號設(shè)為一致(即將結(jié)果存放進同樣的塊),點擊“執(zhí)行”進行加值操作,然后再次讀出數(shù)據(jù),結(jié)果如圖4.10所示。利用類似方法,可執(zhí)行值的減、恢復(fù)等操作。圖4.10加值操作

1.2.2存儲結(jié)構(gòu)>

區(qū)尾塊每個扇區(qū)的塊3是區(qū)尾塊(SectorTrailer),它通過密鑰認證和存取控制位實現(xiàn)雙重安全控制。區(qū)尾塊包括以下三點:密鑰A:第0~5字節(jié),共6B。密鑰A的缺省值為A0A1A2A3A4A5H。密鑰B:第10~15字節(jié),共6B。如果不需要密鑰B,那么塊3的最后6B可以作為數(shù)據(jù)字節(jié),缺省值為B0B1B2B3B4B5H。存取控制位:第6~9字節(jié),共4B。存取控制位用于決定訪問本扇區(qū)中4個塊的條件,也可以指出數(shù)據(jù)塊的類型(讀寫塊或值塊),缺省值為FF078069H。A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5

密鑰A默認值存取控制位默認值密鑰B默認值例:實驗4.3:以標簽號為“5E1DB4F5”標簽為對象,通過實驗板讀取標簽的扇區(qū)1的塊3,并分析其存儲結(jié)構(gòu)。步驟1:分別用密鑰A和密鑰B讀取扇區(qū)1的塊3的數(shù)據(jù),結(jié)果如圖4.11所示。從圖中可以看出,存取控制位為“FF078069”,在此條件下,校驗密鑰A或密鑰B成功后,可以讀出密鑰B及存取控制位,但是密鑰A永不可讀,所以圖中看到的密鑰A為“000000000000”。圖4.11讀區(qū)尾塊步驟2:結(jié)合表4.6、4.7、4.8分析,執(zhí)行步驟1時,密鑰A、密鑰B在什么情況可讀?以M1標簽為例,其安全特性主要變?yōu)闉閮牲c:密碼認證:所有扇區(qū)需通過密碼認證才能進行讀/修改操作。存取控制:所有塊可通過設(shè)置存取控制條件限制存取。1.2任務(wù)解讀與實施>1.2.3安全特性1.2.3安全特性>

密鑰認證方式圖4.12三次相互認證的令牌流程1.2.3安全特性>存取控制與數(shù)據(jù)區(qū)的關(guān)系表4.4MIFARE1標簽存取控制位的結(jié)構(gòu)

說明:_b表示取反,例如C2X3_b表示對C2X3取反。X表示扇區(qū)號,C表示控制位,因此C1X3即表示扇區(qū)中塊3的第一個控制位,C2X3表示扇區(qū)中塊3的第二個控制位,依次類推;B表示備用位。表4.5存取控制位對塊3(區(qū)尾塊)的控制結(jié)構(gòu)密碼A密碼A存取控制存取控制密碼B密碼BC1X3C2X3C3X3readwritereadwritereadwrite000neverKEYA|BKEYA|BneverKEYA|BKEYA|B010neverNeverKEYA|BneverKEYA|Bnever100neverKEYBKEYA|BneverneverKEYB110neverNeverKEYA|Bnevernevernever001neverKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B011neverKEYBKEYA|BKEYBneverKEYB101neverNeverKEYA|BKEYBnevernever111neverNeverKEYA|Bnevernevernever說明:keyA|B表示校驗密鑰A或密鑰B正確;never表示沒有條件實現(xiàn)。表4.6存取控制位對數(shù)據(jù)塊的控制結(jié)構(gòu)C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrementDecr,Transfer,restore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BneverneverKEYA|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111Nevernevernevernever說明:keyA|B表示校驗密鑰A或密鑰B正確;never表示沒有條件實現(xiàn)。MIFARE1標簽出廠初始化時,所有扇區(qū)的塊3的初始化值都是相同,如表4.7所示。表4.7MIFARE1標簽出廠初始化時,所有扇區(qū)的塊3的初始化值表4.8初始化狀態(tài)的存取控制位Mifare1卡出廠初始化時,所有扇區(qū)塊3的初始化值均為

A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5

卡初始化后的存取控制條件為:

密碼A永不可讀,校驗密碼A或密碼B正確后可以修改;密碼B在校驗密碼A或密碼B正確后可讀,可修改; 存取控制位在校驗密碼A或密碼B正確后可讀,可修改;數(shù)據(jù)塊在校驗密碼A或密碼B正確后可讀,可修改。實驗4.4:以標簽號為“5E1DB4F5”標簽為對象,通過實驗板修改標簽的密鑰及存取控制位,進一步理解標簽的雙重安全控制機制。步驟1:使用錯誤的密鑰進行數(shù)據(jù)存取,觀察執(zhí)行情況。步驟2:在實驗4.3的基礎(chǔ)上,通過軟件的“配置”功能,將扇區(qū)1的塊3

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