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Mifare Classic 卡笔记 1 - 原理与数据

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17分钟阅读

卡片分类

卡片有很多种分类方式，不同分类又有各式组合，不存在严格的树形或包含关系。本文章的主角是Mifare卡，其它信息均不细讲。

卡片通信方式

卡片从读取方式上包含 接触式、非接触式（如射频）、混合式

  • 手机 Sim 卡是接触式卡
  • 校园卡、公交卡等是非接触式射频卡
  • 银行卡是混合式卡 —— 接触、磁条、射频

卡片通信方式可以从外观上轻松区分，设计上也都是取决于各自使用场景

Mifare 卡都属于 非接触式射频卡

非接触式射频卡的通信频率

超高频 UHF 卡 (865-995mHZ)，不常见，常用于停车场的闸机系统，能隔数米远传输数据

低频 ID 卡 (125kHZ)，存储只读数据，出厂写死卡号。常见于物流识别、宠物皮下芯片等

高频卡 (13.56mHz)，又称 IC 卡，智能卡。它是目前最为常见，应用最广的射频卡片

Mifare 卡都属于 高频IC卡

非接触式高频射频卡的内置芯片

继续按照 高频射频式IC卡 的内置芯片分类，主要包含

  • MIFARE 系列：非常常见，由恩智浦半导体公司（NXP）研发，包含多个系列，成本低用途广。
  • NTAG 系列：同样由恩智浦推出，常用于存储WIFI、联系人、链接等信息，方便操作与共享。
  • CPU 卡：例如 银行卡、MifareDESFire 等。用于高安全性场景中，目前不可破解。
  • 其它 ：FeliCa 、 HID iClass 等，不常见。

高安全需求中，CPU卡更加常见。但因制造和管理成本低，Mifare Classic 卡仍在被大量应用。

可通过卡片的 SAK 值判断卡芯片类型，具体见后文

射频通信

标准与协议

RFID（射频识别）：

  • 包含低频到超高频
  • 工作距离几厘米到几十米
  • 读写器和标签是独立的两个实体
  • 不支持P2P，设备间为主从关系

NFC（近场通信）：

  • 特指高频(13.56mHz)
  • 工作距离 0-10 厘米
  • 既支持读写操作模式也支持卡模式
  • 支持P2P，设备对等可交换数据

NFC 在 RFID 的基础上发展而来，也兼容 RFID 高频的通信标准，但两者不是包含关系

ISO 14443-A/B

ISO 14443 标准定义了 13.56 MHz 卡和读卡器之间的各种特性。分为两种载波调制和二进制编码方式不同且互不兼容的类型：Type-A 和 Type-B ，其对应的呼叫请求命令分别为 REQA 和 REQB，读卡器需要专门支持才能处理对应类型的卡。

硬件设计上，Type-B 比 Type-A 成本更高，更复杂，在高安全性需求的读卡系统中更常见。

  • Type-A 常见于：所有 Mifare 卡片，遵循 ISO14443A 标准
  • Type-B 常见于：银行卡、大多数国家（包括中国）的电子身份证

Mifare Classic 卡通信

读卡器，又称读头、PCD

确认卡片

读卡器工作时持续发射 13.56mHz 射频电磁波，包含呼叫请求命令，同时为卡片提供电能。

  • 卡片响应：

    一旦卡收到此请求，它就会响应读卡器，回应卡类型，让读卡器知道如何进行通信。

  • 防碰撞：

    收到卡的响应后，读卡器会再发送几个请求来检测附近是否有其他卡，从而避免干扰与所需卡的通信。如果只有一张卡响应信号，则读取器选择该卡并继续通信。

通信

读卡器配套系统的会存储对应密钥或密钥算法。选中卡片后可以执行：

  • 解卡

    读卡器使用密钥认证，以访问加密的数据。读和写加密数据的前提都是通过对应权限的密钥解卡

    Nonce 在计算机术语中的意思是“使用一次的数字”，翻译后的一种简称为“随机数”。

    Nonce in computer terminology means “Number used once”

    解卡三次握手：

    1. 读卡器发送认证请求
    2. **卡片返回 Nonce：**卡片生成nT发送给读卡器
    3. 读卡器加密 Nonce 并响应：读卡器用密钥加密nT得密文a，发送a及自身生成的nR
    4. 卡片验证并响应：卡片解密a验证nT匹配后，加密nR返回给读卡器完成认证

  • 读取

    卡片的0块包含 UID，厂商码，卡片类型，等信息，不加密可被直接读取。

    对于加密扇区，需要读取权限的密钥才能读取数据

  • 写入

    为了防复制、防破坏等安全需求，卡片的0块不可被写入

    对于加密扇区，需要写入权限的密钥才能写入数据

    写入操作还可根据密钥权限细分为：任意写入、增值、减值，由控制位决定

卡片状态：

  • Power-off：卡片不在/离开射频场，处于断电状态
  1. Idle：卡片在射频场附近，进入空闲状态
  2. Ready：卡片收到读卡器REQA/B轮询，进入准备状态
  3. Active：卡片收到读卡器选择，进入激活状态
  4. Halt：卡片收到休眠命令，进入休眠状态（可被唤醒回到2）

MIFARE卡片系列

MIFARE卡遵守ISO14443A标准，是该标准的最有力代表，甚至同标准其它卡也会被称为MIFARE卡

MIFARE

MIFARE 卡系列目前分为

  • MIFARE Ultralight - 无加密，简称 M0 卡，用于一次性或有限次数使用，如地铁单程票
  • MIFARE Classic - 传统 Crypto-1 加密，广泛用于交通卡、会员卡、酒店门禁卡等
  • MIFARE Plus - 迭代安全升级版，可用 AES 加密，也兼容 Classic 的 Crypto-1 加密
  • MIFARE DESFire - 迭代安全升级版，支持 AES、TDES 加密、

目前知名度最高应用最广的就是 MIFARE Classic 卡型

MIFARE Classic

  • MIFARE Classic 1K（S50）：总容量1KB
  • MIFARE Classic 4K（S70）：总容量4KB
  • MIFARE Classic Mini（S20）：总容量320Byte

这些卡型仅数据存储量不同，其中 MIFARE Classic 1K 卡 最最常见

“M1卡”既可以特指“MIFARE Classic 1K卡”，也可以指整个 MIFARE Classic 系列卡

由于 MIFARE Classic 1K 卡非常普及，影响力过大，有观点认为简称中的 ”1“ 特指 1K 卡；另有观点认为 ”1“ 特指MIFARE Classic系列的 Crypto-1 加密。简称本就是不严谨的，也没必要过于纠结。只是在少数情况需要明确区分 MIFARE Classic 系列内某卡型时，不要用简称。

IC 卡/智能卡 包含 M1 卡，不可将 M1 卡与 MIFARE Classic 外的卡型混为一谈。

为什么 M1 卡如此主流

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M1 卡的使用寿命约为 10年，非常可靠。

M1 卡主要用于存储姓名、编号、电话、日期、金额等数据。虽然有更大容量的卡型，但 1K卡已经能满足大多数使用需求。此外 M1卡的各种软硬件系统（读卡系统、管理后台、数据库等）已相当成熟，被广泛应用。CPU 卡通常需要定制的软硬件系统，生产、发行、更换、维护各环节成本都相对较高，在很多场景中暂时不能替换 M1 卡。

MIFARE Classic 自1994年左右推出，关键技术的专利保护大致在2010年以后已经过期。任何组织或厂商都可以基于 MIFARE Classic 技术生产发行兼容卡，还能自行技术升级、魔改等（如2K卡、魔术卡），而无需支付授权费用。这注定了 M1卡的使用成本低，且更容易推广。

中国及多数国家专利保护期为20年，MIFARE DESFire 系列卡由于多次技术迭代，其专利到期大约于 2026–2040 年。或许在那之后它们会更快的替代 MIFARE Classic。

M1卡片数据

包含关系：卡片/Card > 扇区/Sector > 区块/Block > 字节/Byte

卡型容量

Classic 1K卡：

扇区：每张卡含 0-15 共16扇区

区块：每扇区含 0-3 共4个区块

字节：每区块含 16 Bytes

Classic 4K卡：

扇区：每张卡含 0-39 共40扇区

区块：前32个扇区含 0-3 共4个区块，后8个扇区包含区块 0-15 共16个区块

字节：每区块含 16 Bytes

Classic Mini卡：

扇区：每张卡含 0-4 共5扇区

区块：每扇区含 0-3 共4个区块

字节：每区块含 16 Bytes

数据结构

该图示例了M1卡的0、1扇区，0扇区未加密（空密钥），1扇区使用相同的A/B密钥加密，且都未存储数据

如图所示，第 0 行 0扇区 0区块 存储 M1卡基础数据，该块不会被加密，出厂写死不可修改

第 0 行里，圈中的基础数据从前到后依次为：

  • UID 卡号：卡片唯一标识符，4字节卡号有约42亿种组合，基本不会发生偶然重合。
  • BCC 校验码：BCC = UID0^UID1^UID2
  • SAK 卡类型：声明卡片类型，如此处 1K卡值为 08，更多例值见后文
  • ATQA 应答：告知卡片 UID 长度和遵循何种防冲突机制，更多信息见后文
  • ATS 厂商码：记录生产厂商和生产日期。该数据并未标准化，有些卡可能包含自定义数据

所有扇区的最后一个区块称为控制块，由 A密钥-控制位-B密钥 三部分组成：

  • Key A 密钥A：6 字节的密钥，全是FF即为空密钥
  • Access Bits 控制位：规定A/B密钥各自在指定数据部分的读写权限
  • Key B 密钥B：6 字节的密钥，全是FF即为空密钥

除 0扇区 0区块和每扇区控制块以外的所有区块均为数据存储区块。

数据转储

MIFARE 卡的 “数据转储（dump）” 就是将卡片内完整数据导出，以文件形式保存于外部设备中。可用于卡片 备份、分析、修改、克隆 等各种需求。

json - 明文带指示数据

bin - 16进制

eml - 纯明文（兼容性好）

上图为常见转储文件格式：

  • .json / .nfc（Proxmark / Flipper Zero 等 ）
  • .bin / .mfd / .dump（Proxmark3 / libnfc / mfoc）
  • .eml（Proxmark3 模拟内存，不含任何不必要数据的文本形式）

未知数据：若部分扇区的数据或密钥未知或不能读取，转储文件内将用??占位

数据含义

SAK 卡片类型

SAK值用于声明卡片类型，它不只在 MIFARE 卡中被使用。

以下为常见值，一个 SAK 值可能会对应多种卡型，需结合其它信息进一步确认

  • 00 - MIFARE Ultralight , NTAG
  • 08 - MIFARE Classic 1K
  • 09 - MIFARE Mini
  • 18 - MIFARE Classic 4K
  • 20 - MIFARE Plus (Crypto1) , MIFARE DESFire , 其它CPU卡
  • 28 - MIFARE Plus (EV1/EV2) , CPU卡模拟 MIFARE Classic 1K卡
  • 38 - MIFARE Plus (AES) , MIFARE Classic 4K + DESFire 支持
  • 40 - P2P

ATQA 应答

该数据作用是告知卡片UID长度和遵循何种防冲突机制

0x0400 是标准的 MIFARE Classic 卡的应答，显示为 00 04 或 04 00（取决于字节序），意为 4 字节 UID + 标准防冲突协议支持。

  • 若卡片支持 7 字节 UID（部分 MIFARE Plus 卡），ATQA 可能为 0200 或 4200
  • 协议扩展：支持 ISO 14443-4 的卡片（如 MIFARE DESFire）可能返回 0344
  • MIFARE Ultralight 系列、NTAG 系列，均为 0x0044（ 4400 ）

Access Bits 控制位

控制位包含4字节。前三个字节是真实的控制位，第四个是备用控制位一般用不上

如何配置控制位和使用密钥是管理员和读卡系统的事，和用户关系不大。以下是两个最常见的控制位，其它信息不细讲。如果遇到其它的控制位，可使用 MCT 或其它在线工具进行解析/计算。

  • FF 07 80 69 是默认控制位，表示：

    数据块：A密钥 / B密钥 均可读可写

    控制块：A密钥：A密钥禁读可写，控制位可读写，B密钥可读写（自身不可读，其它操作允许）

    控制块：B密钥：A密钥禁读禁写，控制位禁读禁写，B密钥禁读禁写（完全禁止）

  • 08 77 8F 00 是除默认外最常见的控制位，表示：

    数据块：A密钥可读可减值 / B密钥可读可写

    控制块：A密钥：A密钥禁读禁写，控制位可读禁写，B密钥禁读禁写（仅可读控制位）

    控制块：B密钥：A密钥禁读可写，控制位可读可写，B密钥禁读可写（可读写控制位，可写密钥）

参考

维基百科

MIFARE

B站UP-宅人改造家 的系列视频教程，包含详细的信息和经验。

手把手玩转IC卡 - 宅人改造家的视频教程(技术研究笔记)

恩智浦 Mifare Classic 官网与文档

MIFARE Classic EV1 1K - 4K

Mifare Classic Docs En:

www.nxp.com

Mifare Classic 中文文档：

www.nxp.com

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