射频识别技术漫谈(18)——Mifare Desfire

Mifare  DESFire（MF3 IC D40/D41,本文以D40为例）遵守14443 TypeA协议，卡内的数据以文件形式存储，所以有人认为它是准CPU卡，主要用于安全性要求较高的非接触式领域。

与普通MF1 S50不同，DESFire的数据传输速率不仅支持最基本的106Kbps，还支持212Kbps和424Kbps；其数据传送的加密方法也不再使用已经被破解的Crypto1加密流，而是使用更为安全的DES/3DES、AES加密，至少DES/3DES和AES已经经过了多年的公开检验，至今还没有被破解。

DESFire的全球唯一序列号是7字节，支持ISO14443-4和ISO7816的部分协议。7字节的序列号要使用两个防冲突循环才能读出，第一轮防冲突循环卡片返回层级代码0x88， UID的前3个字节SN0-SN2和校验码BCC0，第二轮防冲突循环返回UID的后4个字节SN3-SN6和校验码BCC1，SN0为制造商的ID号，NXP产品固定为16进制的04H.

DESFire有4K字节的非易失存储空间，典型的写时间为2ms（1ms擦除，1ms编程)。存储空间的组织采用柔性文件系统，D40卡上可同时最多支持28种应用,每种应用用一个3字节的应用标识符（AID）表示，每种应用可以设置序号为0-13的最多14组不同的密码，每种应用下可建立最多16个文件.

卡片支持5种不同的文件类型，每种类型使用一个字节的类型编码来表示。文件类型及其编码如下：

文件类型	类型编码
标准数据文件	0x00
备份数据文件	0x01
带有备份的值文件	0x02
带有备份的线性记录文	0x03
带有备份的循环记录文件	0x04

每种应用与读写器之间的通讯加密等级根据安全性不同分为3类，使用一个字节的通讯设置码来表示。通讯设置码的各个bit代表的意义如下表所示：

通讯模式	Bit7-bit2	Bit1	Bit0
明文通讯	RFU=0	忽略	0
具有DES/3DES MAC校验的明文通讯	RFU=0	0	1
完全DES/3DES密文通讯	RFU=0	1	1

明文模式最简单，就是直接传送没有加密的真值，一旦被截获，黑客看到的就是真实信息；

带有MAC校验的明文传输也好不到哪里去，它是把要传送的明文用CBC模式进行DES/3DES加密，把最后一步的8字节加密输出结果中的前4字节称为MAC校验，加在要传送的明文后面，前面的明文还是明文，只不过加了个校验防止出错而已；

只有第三种完全DES/3DES密文通讯才对得起“DESFire”这个名字，这是真正的加密通讯。所有要传送的密文先用CRC16进行校验，然后明文连同CRC16校验作为一个整体使用CBC模式的DES/3DES加密，传送的是加密后的密文。黑客即使截获了也看不懂，前提是不知道DES密码。

前面叙述时经常用DES/3DES这个组合，那到底是DES还是3DES呢，二者的运算量和加密强度可是有天壤之别啊！这一点DESFire卡片采用了自动识别的方法。DES和3DES密钥的长度都是16字节，如果前8字节与后8字节相同，则自动被作为DES运算；反之，如果前8字节与后8字节不同，则自动被作为3DES运算。

DES密钥举例：0x00 11 22 33 44 55 66 77 00 11 22 33 44 55 66 77

0x00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3DES密钥举例：0x00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 AA BB CC DD EE FF

0x00 11 22 33 44 55 66 77 00 00 00 00 00 00 01 00

0x00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00

D40卡片的默认出厂设置为密钥全0，单DES操作。

DESFire卡片可以为应用中的文件设置不同的读写权限，读写权限的意思就是读或写文件时是否需要验证密码，以及验证哪一组密码。读写权限使用2个字节的编码来表示，2个字节共16个bit，每4个bit表示一种权限类型：

前面说了，每种应用可以有编号为0-13的最多14组不同的密码，而4位二进制数可以表示0-15共16种组合。当4位权限码的值为0-13时，表示执行相应的读写操作要验证权限码的值指向的一组密码；当权限码的值为14时，表示不用验证任何密码可直接读写；权限码的值为15时表示冻结，就是不论什么条件也不让读写了。

DESFire的卡片命令可以分为6大类：

(1)ISO14443-3 命令

(2)ISO14443-4 命令

(3)安全相关命令

(4)卡片级命令

(5)应用层命令

(6)数据操作命令

这些命令的理解并不难，DESFire卡片的真正难点在于3次握手认证并生成段密码的过程，这部分内容我将用专门的一篇博文叙述。