IC卡公交收费机设计（一） ——MIFARE 1卡存储结构与特性

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1 IC卡公交收费机设计（一） ——MIFARE 1卡存储结构与特性
电子与信息工程学院

2 课 程 目 标 MIFARE 1卡存储结构与读写操作 MIFARE 1卡值块结构与值操作 MIFARE 1卡防冲突特性与防冲突操作

3 项目开发——IC卡公交收费系统 系统需求分析： 具备小额电子钱包功能，定额方式收费 操作方便快捷 工作距离<50cm
具备显示余额、异常报警（非法卡或余额不足） 可将当班收款额上传总站数据库 公交公司可调整定额额度 卡遗失可挂失 抗干扰能力强

4 项目实现之第一步——卡型选择 接触式逻辑加密卡 低频非接触式ID卡 高频非接触式逻辑加密卡 超高频非接触式IC卡 操作不方便
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

5 目前13.56MHz的产品主要包括： ISO14443TypeA卡——Mifare 1 S50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 ISO14443TypeB卡——ATMEL RF020 ISO15693（电子标签）卡——PHILIPS I-Code2、TI Tag-it标签 I-CODE（电子标签）卡—— PHILIPS I-Code、上海贝岭BL75R02 SONY Felica卡——香港八达通、深圳通 中国二代身份证

6 Mifare 1非接触式IC卡 基本性能指标： 卡内器件： 无线智能卡芯片Mifare MF1 IC S50 +天线线圈 标准：
遵从ISO/IEC Type A 标准 工作频率： 13.56MHz 数据传送速率： 106kbit/s （9.4μs/bit）

7 Mifare 1卡片的存储结构 存储容量：1024×8位字长（即1KB）， 存储介质：EEPROM 分为16个扇区（扇区0 ~15）
每个扇区有4个块（Block）块0、块1、块2和块3。 每个块有16个字节。 一个扇区共有 16 Byte×4 = 64 Byte

8 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： 420A7E H 卡容量字节SIZE 卡序列号SN 卡类型号TagType

9 块功能详解 2）数据块（块0~2） 每块16字节。可由区尾块中的存取控制位（access bits）配置为： 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 值块： 用作定值操作，可以进行加值/减值（INC/DEC）的运算。 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。

10 块功能详解 KEY A（6B）+ Access bits（4B）+KEY B（6B） 例：
3）区尾块 （Sector Trailer） 每个扇区的块3为区尾块，包含： KEY A（6B）+ Access bits（4B）+KEY B（6B） 例： A0A1A2A3A4A5 FF B0B1B2B3B4B5 密钥A 默认值 密钥B 默认值 存取控制位 默认值

11 MIFARE 1卡特点：支持城市一卡通 EEPROM存储器结构提供多应用： 适合定额收费：
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。 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

12 MIFARE 1卡防冲突特性 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： SN1：420A7E00
冲突1 选择SN2、SN3 冲突2 选择SN3

13 MIFARE 卡 防冲突流程 POWER OFF状态 RESET IDLE状态 REQUEST 命令 READY状态
ANTICOLLISION命令 启动防冲突循环 读取卡回送的UID（SN） SELECT UID命令 应用：AUTENTICATION/READ/WRITE/INC/DEC命令 WAKE UP 命令 ACTIVE状态 HALT命令 HALT状态

14 MIFARE 1卡特点：支持多卡同时操作 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。

15 MIFARE 1卡的安全特性 密码认证：所有扇区需通过密码认证才能进行读/修改操作。 存取控制：所有块可通过设置存取控制条件限制存取。

16 Mifare 1 卡的密码认证方式 Mifare 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。

17 （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；

18 （A）环 ：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEY1=1010，
（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

19 Mifare 1 卡存取控制设置 Access 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）
A0A1A2A3A4A5 FF B0B1B2B3B4B5 卡初始化后的存取控制条件为： 密码A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。

20 公交卡密钥存取条件的设置 对象：各扇区块3 存取条件： 密码A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；

21 存取控制位对块3的控制结构 密码A 存取控制 密码B C1X3 C2X3 C3X3 read write never KEYA|B 1
never KEYA|B 1 Never KEYB

22 存取控制位的结构 C2X3_b C2X2_b C2X1_b C2X0_b C1X3_b C1X2_b C1X1_b C1X0_b C1X3
BX7 BX6 BX5 BX4 BX3 BX2 BX1 BX0 1

23 公交卡预付费金额存取条件设置 对象:扇区1块0~2 存取条件: 校验密码A或密码B正确后可读，可修改。

24 存取控制位对数据块的控制结构 C1XY C2XY C3XY Read Write Increment
Decr，Transfer，restore KEYA|B 1 never KEYB Never

25 存取控制位的结构 C2X3_b C2X2_b C2X1_b C2X0_b C1X3_b C1X2_b C1X1_b C1X0_b C1X3
BX7 BX6 BX5 BX4 BX3 BX2 BX1 BX0 1

26 公交卡流水号存取条件设置 对象：扇区14块0 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。

27 存取控制位对数据块的控制结构 C1XY C2XY C3XY Read Write Increment
Decr，Transfer，restore KEYA|B 1 never KEYB Never

28 存取控制位的结构 C2X3_b C2X2_b C2X1_b C2X0_b C1X3_b C1X2_b C1X1_b C1X0_b C1X3
BX7 BX6 BX5 BX4 BX3 BX2 BX1 BX0 1

29 扇区14存取控制字节=EF H 将扇区14块3的内容修改为 FFFFFFFFFFFFEF078169FFFFFFFFFFFF

30 MIFARE 1卡特点：支持开放环境下的安全可靠应用
高保密性： 全球唯一SN； 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。 密码认证采用三次相互认证； 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 RF信道数据加密 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

31 实训5 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构 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+5V与地不可接反。 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。 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。

32 MIFARE 1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。 注意：不得随意修改各扇区块3的数据，特别是访问权限字节，以免造成扇区被锁死。

33 MIFARE 1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。

34 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。

35 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3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。