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IC卡 RFID 破解原理

网上看了很多RFID破解的文章，大部分都是工具使用，一步步该怎么操作，基本上没有讲原理的，估计导致了很多初学者非常迷惑，特别是一旦按照操作步骤操作的时候出错时更加迷惑，不知道是什么状况，国内radiowar也同样没有看到过特别介绍原理性的文章。
建议大家还是多看看外文原版的资料说明，会理解的更透彻些，才能更快的加入到RFID安全研究及测试中。
参考站点：
http://www.proxmark.org 多看看论坛里面提问跟回答
http://nfc-tools.orghttp://www.openpcd.org/http://www.rfdumporghttp://www.libnfc.org
这篇文章就当是我自以为是的普及性介绍，我想应该还是会给很多人解惑。
首先，先说说目前RFID破解涉及到的几种方法，我尽量以最直白的语言描述。
1、最简单ID卡破解
常见破解办法：ID卡复制，ID卡除了复制也没有其他研究的了，毕竟太简单了。
基本原理介绍：
ID卡属于大家常说的低频卡，一般大部分情况下作为门禁卡或者大部分大学里使用的饭卡，一般为厚一些的卡，是只读的，卡里面只保存有一串唯一的数字序号ID，可以把这串数字理解为你的身份证号，刷卡的时候，读卡器只能读到ID号，然后通过跟后台数据库进行匹配，如果是门禁卡，那么数据库里面就是存在这样的ID号，如果匹配上门就开了，匹配不上门就开不了。
如果是学校的饭卡，刷卡的时候，实际上操作的是你对应ID号相关的数据库中的数据。ID卡本身不存在任何其他数据，所以，学校使用的ID卡饭卡，只能复制卡，刷别人的钱（数据库中的钱），再没有其他办法。
破解方法：通过ID卡读卡器，读取卡内的ID号，然后把这串ID号写入到ID卡空卡中即可，各类工具特别多，需要一个ID卡读卡器。最简单的淘宝有卖的工具，两节7号电池，按读卡按钮读要复制的卡的ID，然后再按写卡按钮，把读到的ID号写入到空白卡中，即完成了卡复制工作，优点就是方便，缺点就是我们看不到整个过程，对我们安全研究来说作用不大。

2、射频IC卡破解
写在前面的技术铺垫：
射频IC卡种类繁多，标准也繁多，这些不在介绍范围内，但是以下攻击介绍的原理类似，下面不特别说明就是指的M1 S50卡，这也是目前广泛使用的，并且大家做测试时最常见的IC卡。
常见的破解方法：
1）跟ID卡一样，复制IC卡的UID号码写入到新的空白IC卡中。
2）破解IC卡的密码，从而改写IC卡中的数据。
3）破解IC卡的密码之后，把所有数据导出再写入到一个新的空白IC卡中，也就是IC卡全卡复制（NFC手机及PM3等设备也支持把自己模拟成一个IC卡，实际上也属于卡复制一类）。
IC卡破解基本上都逃不脱以上的几种应用，这里面又涉及到一个简单的IC的内部结构的说明，便于理解就简单说明一下。
IC 卡（S50）分为16个扇区（0-15），每个扇区又分为4个区域块（0-63），每个扇区都有独立的一对密码keyA和keyB（先记着独立两个字，后面要思考问题）负责控制对每个扇区数据的读写操作，keyA和keyB分布在每个扇区的第四块中，第0扇区的第一个数据块，存储着IC卡的UID号（想成身份证号），其他扇区可以存储其他的数据，如钱等数据。
一般IC卡的UID是唯一的也是写死的不能更改，其他块的数据是可以更改的，所以也就有了普通IC空白卡以及UID可写空白卡（可以认为是不遵守规范的商家制作的）。
现在我们开始想象破解的几种环境：
1）读卡器把IC卡当成ID卡一样只识别UID正确即可，不管IC卡内其他数据，这时候，只需要把卡的UID读出来，并使用一个UID可写的空白卡，把UID写入即可。
2）读卡器首先识别UID是否正确，然后再识别其他扇区的数据，通过keyA或者keyB对数据进行读写操作。这样首先UID得正确，其次，keyA或者keyB得正确（后面为了说的方便，我们就不说keyA或者keyB，直接说IC卡密码）。
这样如果知道了IC卡密码，我们也不需要复制新卡，那么就可以更改IC卡中的数据，比如更改饭卡中的钱数。如果我们想复制一张一模一样的卡，那么就把原卡的所有扇区的数据全面导出来，再写入新的UID可写卡中即可。
3）读卡器不识别UID，只管对扇区的密码进行验证，如果验证成功则允许对卡内数据操作等。（如某“XX快捷酒店”的门卡，就不管UID，只要扇区密码正确即可），那我们可以通过扇区密码更改门卡中的数据，如房号，住宿的时间等，也可以通过一个普通的IC卡（uid不能更改）复制一张门卡（跟原卡UID不同），也可以通过一个UID可写的卡，复制一张跟原卡完全相同的卡（跟原卡UID也相同）。
基本上也就是以上几种环境，改写UID、通过扇区密码改写扇区数据、通过把原卡数据导出重新导入到新的IC卡中复制一张卡。
IC卡的UID是不通过密码控制的，可以直接通过读卡器获得，后面讲IC卡的通信过程会说明。那么我们做IC卡破解时主要的问题就是破解IC卡每个扇区的控制密码，如果密码破解了，那要怎么操作都随便了。
IC卡密码破解的几种方法：
1）使用默认的密码攻击，很多应用IC卡都没有更改默认密码，所以导致可以直接使用默认密码来尝试接入IC卡，常见的默认密码有：
ffffffffffff
000000000000
a0a1a2a3a4a5
b0b1b2b3b4b5
aabbccddeeff
4d3a99c351dd
1a982c7e459a
d3f7d3f7d3f7
714c5c886e97
587ee5f9350f
a0478cc39091
533cb6c723f6
8fd0a4f256e9
FFzzzzzzzzzz
A0zzzzzzzzzz
2）nested authentication 攻击（大家常说的验证漏洞攻击）
前面讲到每个扇区都有独立的密码，一些情况下，比如某饭卡，扇区3中存储着钱等数据，扇区3的更改了默认密码，扇区5中也存储着一些数据，扇区5也更改了密码，其他扇区没有更改默认密码。
我们要操作扇区3跟5，不知道密码怎么办？
使用nested authentication 攻击，这种攻击方式是在已知了16个扇区中任意一个扇区的密码之后，采用的攻击方式，可以获得其他扇区的密码。
我们前面都提到了，16个扇区的密码都是独立的，那么怎么能通过某个扇区的密码获得其他扇区的密码呢？如果可以，那说明扇区就不是独立的呀，有人会说，由于M1卡的加密算法被破解了，我只能说那是还没有理解，具体算法不讲，只说明一下，算法只是使得猜解密码的时间变短，使得猜解密码成为可能。
这是什么样的原理呢？首先先了解，这是一个对等加密算法，也就是读卡器跟tag中都保存着同样的密码，也都是用同样的算法加密，然后看rfid的验证过程：
开始交互的时候，tag就已经把uid给reader说了，主要牵扯到防冲撞机制，之后才开始验证。

第一次验证时，读卡器首先验证0扇区的密码，tag给读卡器发送一个随机数nt（明文），然后读卡器通过跟密码相关的加密算法加密nt，同时自己产生一个随机数nr,(密文)发送给tag，tag用自己的密码解密之后，如果解密出来的nt就是自己之前发送的nt，则认为正确，然后通过自己的密码相关的算法加密读卡器的随机数nr（密文）发送给读卡器，读卡器解密之后，如果跟自己之前发送的随机数nr相同，则认为验证通过，之后所有的数据都通过此算法加密传输。
首先记住这里面只有第一次的nt是明文，之后都是密文，而且nt是tag发送的，也就是验证过程中，tag是主动的。
我们破解的时候，读卡器中肯定没有密码（如果有就不用破解了），那么tag发送一个nt给读卡器之后，读卡器用错误的密码加密之后发送给tag，tag肯定解密错误，然后验证中断，这个过程中，我们只看到tag发送的明文随机数，tag根本没有把自己保存的密码相关的信息发送出来，那怎么破解呢？
所以，要已知一个扇区的密码，第一次验证的时候，使用这个扇区验证成功之后，后面所有的数据交互都是密文，而且是tag首先发送随机数nt，这个nt是个加密的数据，我们前面也说过每个扇区的密码是独立的，那么加密实际上就是通过tag这个扇区的密码相关的算法加密的nt，这个数据中就包含了这个扇区的密码信息，所以我们才能够通过算法漏洞继续分析出扇区的密码是什么。
这也是为什么nested authentication攻击必须要知道某一个扇区的密码，然后才能破解其他扇区的密码，这个攻击方式，我倒觉得，加密传输跟扇区密码独立帮了很大的忙，如果每次nt都是明文发送，那还真没法破解其他扇区了。
3）darkside攻击
假设某个IC卡的所有扇区都不存在默认密码怎么办？暴力破解根本不可能，那这时候就是算法的问题导致的darkside攻击，我们照样不说具体算法什么漏洞之类，同样，我们考虑首先要把tag中的key相关的数据骗出来，也就是让tag发送出来一段加密的数据，我们通过这段加密的数据才能把key破解出来，如果tag不发送加密的数据给我们，那没法破解了。
前面我们也说了，第一次验证的时候tag会发送明文的随机数给读卡器，然后验证读卡器发送加密数据给tag，tag验证失败就停止，不会发送任何数据了，这样看，根本就没有办法破解密码。
实际上经过研究人员大量的测试之后，发现算法还存在这样一个漏洞，当读卡器发送的加密数据中的某8bit全部正确的时候tag会给读卡器发送一个加密的4bit的数据回复NACK，其他任何情况下tag都会直接停止户。
那么这个4bit的加密的NACK就相当于把tag中的key带出来了，然后再结合算法的漏洞破解出key，如果一个扇区的key破解出来，就可以再使用nested authentication 攻击破解其他扇区密码。
4）正常验证过程获得key
1-3都是通过一般的读卡器，把tag中的密码破解出来，破解的原理中，不管密码破解算法的漏洞，实际上都是要让tag中发送出来一段密文。
那如果读卡器本身就保存有密码，卡也是授权的卡，也就是说卡和读卡器都是正确授权的，那么他们之间的加密数据交换就可以直接使用PM3等监控下来，然后通过“XOR效验与算Key”程序算出密码来。
这种情况下一般都是内部人员做案，或者把读卡器中的SAM偷出来，SAM实际上就是保存读卡器中密码的一个模块，然后通过另外的读卡器插入SAM，用正常的授权的卡刷卡，然后监控交换数据，从而算出密码。
5）另一个方面
前面4类方法基本上把目前的rfid卡破解讲清楚了，文字太多，所以也就没有截图，还有一个地方大家不知道考虑了么？
我们提到的都是卡和读卡器之间的数据交换，这是加密的数据，但是有没有想过读卡器跟电脑相连这块，电脑中肯定没有加密芯片，所以这块肯定是明文传输，在某种环境中，比如通过电脑的控制程序导入密码（假设是二进制等不能直接观看的密码文件）到读卡器的时候，我们通过监控USB口（串口）数据通信，是不是就能明文看到密码呢？
截个图：

软件装载密码到读卡器

使用USB监控抓到的明文数据，包含了导入到读卡器中的密码明文。
常用工具说明：
1）mfoc mfocgui 以及目前网络上，淘宝上充斥的各类破解工具都是基于nested authentication攻击原理，就是内置了一些默认密码，首先使用默认密码对每个扇区进行测试，如果某个扇区存在默认密码，然后就是用nested authentication攻击获得其他扇区的密码。
2）PM3的darkside攻击，Mfcuk等为darkside攻击工具，一个扇区密码都不知道的情况下破解用的，由于破解算法的原理本身就不是100%成功的，所以如果长时间破解不出来，就停了重新换个nt，重新选个时间破解，跟运气也有些关系。
不要别人几个小时，甚至几十分钟就破解成功了，你几天都没有破解出来，还一直傻傻的等，不如暂停换个nt，过一会再试。
3）Libnfc工具，目前用的比较多的是radiowar的nfcgui，radiowar网站上也说了，就是给nfc-list nfc-mfsetuid nfc-mfclassic 这三个工具写了个gui界面，你也可以使用命令行模式，或者你也可以自己写个gui界面调用这三个程序即可，这些都是操作卡或者读卡数据的工具，国内不同的IC卡读卡器都附带有一些读写卡程序，我用的一个比这个要方便的多