RFID近场克隆攻击

Ray Felch //

引言

在整理KeyWe智能锁配件并完成此前两项研究（《逆向工程智能锁》和《机器在中间BLE攻击》）后，我发现了几个KeyWe RFID标签。尽管对RFID（射频识别）技术已有一定了解，我决定借此机会不仅终结智能锁研究，更深入探索这种迷人的无线通信方式。

按照KeyWe锁设置指南，我编程了一个RFID标签并验证其功能：将标签靠近锁几厘米内即可成功开门。手握可用的RFID标签，我开始了深度研究之旅。

HID ProxMark卡与标签

早期近场卡（Prox卡）工作在125kHz（低频），允许非接触式智能卡在读数器几英寸内被读取。这相比磁条卡刷卡是显著改进。不久后，第二代卡（HID ProxMark II）提供更远距离达15英寸，允许卡留在钱包或手提包中直接靠近读数器访问。这些早期卡类似磁条卡，数据存储有限，通常用作办公楼门禁卡。这些低频卡在靠近读数器时提供26位流：8位设备代码、16位卡ID和2位奇偶校验位。数据存储的巨大限制催生了极受欢迎的高频（13.56MHz）Mifare Classic卡。

无源与有源RFID卡

非接触式RFID卡分无源和有源两种。这些卡通常包含IC（集成电路）和天线。无源卡的IC无内部电源，而是通过互感（称为“共振能量传输”）从“供电”的读数器模块获取能量。当靠近读数器时，无源卡内芯片唤醒并向读数器发送数据流。这些卡的天线由多圈紧密绕制的导线组成，沿卡周边布置。

有源RFID卡和标签（有时称近域卡）含内部锂电池，提供更远读取距离，通常约2米（6英尺）。极少数情况下，RFID有源标签范围可达150米（500英尺）。这类标签的用例包括车辆接近安全门时读取。有源标签电池寿命2-7年，到期需更换。

MIFARE卡与标签

NXP半导体（2006年从飞利浦分拆）拥有MIFARE RFID卡商标。MIFARE卡技术因应消费者对旧HID ProxCard技术的广泛接受而创建，同时解决如有限数据容量和严重安全缺陷等问题。截至本文撰写，现存超过100亿张智能卡和超过1.5亿个智能卡读数器模块。

多数旧HID ProxCard工作在125kHz，而新MIFARE卡设计工作在13.56MHz（高频）。这些非接触式卡在数据存储上有显著改进，提供1k和4k字节存储版本。MIFARE卡（符合ISO 14443 A/B）还实现了专有（NXP）加密算法Crypto1，在其MIFARE Classic 1k卡上使用48位密钥。不幸的是，如常见于自定义加密，Crypto1已被攻破，易受嵌套和硬嵌套暴力密钥猜测攻击。

为持续提升非接触式卡安全，MIFARE推出了MIFARE Plus和MIFARE DESFire（高安全）卡，以及MIFARE Ultralight卡。MIFARE DESFire卡芯片有完整微处理器和极大改进的安全特性，如三重DES加密标准。

MIFARE DESFire和MIFARE Classic EV1（最新）卡包含片上备份管理系统和相互三次认证。EV1可容纳最多28个不同应用和每个应用32个文件。

中国魔术卡

（13.56MHz）MIFARE Classic 1k卡是现存最广泛使用的RFID卡之一。基于ISO14443 A/B标准，这些卡相对廉价，约每张1美元。

MIFARE Classic 1k非接触式智能卡提供16个扇区，每个扇区含（4）16字节块，总1,024字节卡上存储。扇区0通常只读，包含如UID、访问位和制造商信息等。为成功完整克隆卡或标签，扇区0需可写以便覆盖卡出厂设置的UID和相关数据。

恰名中国魔术卡允许扇区0写入，重写能力广告达100,000次。生产中有许多扇区0可写卡，但购买时需注意可靠性，尽职调查。

MIFARE Classic 1K卡扇区0配置

RFID读写器

Proxmark3是强大通用RFID工具，设计用于嗅探、监听和模拟从低频（125kHz）到高频（13.56MHz）的所有卡和标签。价格适中270美元，是任何严肃RFID研究员工具箱的必备品！软件安装可能稍麻烦，但几次尝试后，我发现遵循Iceman分支的指令可快速启动运行。

NFC ACR122U是成本友好的高频（13.56MHz）读、写和克隆选项。不仅支持有用开源软件，读写器还可与符合NFC的手机的近场连接功能接口。

Easy MF RFID读写器（仅13.56MHz）是我研究RFID项目众多选项时偶然发现。25美元非常廉价，但代价是设置和操作指令难以遵循（因中文翻译问题），需时启动运行。它提供WebSocket GUI，但即使访问GUI也稍晦涩。尽管如此，我最终能在几个Mifare Classic 1k卡上读写数据。

RFID-RC522读写器是极廉价（仅3美元）电路板，设计易于与Arduino系列接口。搜索互联网，有许多基于Arduino的RFID项目可用于实验读写RFID（高频（13.56MHz）卡和标签。我将在本文后续介绍一些这些项目。

手持RFID写入器是另一非常廉价设备，使克隆HID（仅低频125kHz）卡和标签极其容易。这手持读写器由两节AAA电池供电。简单使用手柄上开/关开关供电。将源卡靠近读写器（左上），按READ按钮，等待绿色（通过）LED亮起。用目标卡替换源卡，按WRITE按钮，等待绿色LED亮起。

长距离读数器

虽然更常见卡读数系统范围很短，以英寸计，但HID MaxiProx 5375和HID R90长距离读数器可操作范围达6英尺（与HID ProxPass有源卡使用时超过25英尺）。这些读数器在从车辆打开停车场门时非常有效。HID R40 iClass SE是多级读数器，通常用于门禁，范围约5英寸（因iClass卡类型而异）。

HID MaxiProx 5375长距离读数器（125kHz）HID ProxCard II
HID R90长距离读数器（13.56MHZ）HID iClass
HID R40壁挂单元（13.56 MHz）HID iClass SE

所有读数器（短距和长距）的共同点是，在从RFID卡或标签接收位流后，它们与访问控制器（通常基于PC）通信以转发信息进行访问确认（或拒绝）。Wiegand（https://en.wikipedia.org/wiki/Wiegand_interface）指用于卡读数器和传感器的技术，可追溯至1980年代初。这系统是有线通信接口，使用最少三线：GND、Data-0和Data-1/CLK。原始Wiegand格式有一个奇偶校验位、8位设备代码、16位ID代码和尾随奇偶校验位，总26位。

奇偶校验位用作传输二进制数据准确性的非常简单质量检查。格式程序设计者将决定每个奇偶校验位应为偶或奇。选定数据位组将与一个奇偶校验位联合，总位数应结果为偶或奇数。

在上例中，前导奇偶校验位（偶）链接到前12数据位。如果12数据位结果为奇数，奇偶校验位设为一使13位总数为偶。最后13位类似设为奇总数。

Proxmark3会话：KeyWe RFID标签

图像1（上）显示Proxmark3-RDV2、一个“扇区0可写”（魔术卡）和预编程KeyWe智能锁RFID标签。KeyWe RFID标签是高频（13.56MHz）设备。Proxmark3定向暴露13.56MHz线圈天线（125kHz侧朝下）。

图像2（上）显示定位读取的KeyWe RFID标签图像3（上）显示定位写入（克隆）的扇区0可写卡

Mifare Classic 1k克隆程序

将KeyWe RFID放在Proxmark3高频（13.56MHz）线圈上，如图像-2
打开终端并导航到 /proxmark3/client/

搜索卡 以下截图显示我们对KeyWe RFID标签执行高频搜索。搜索结果提供UID（唯一标识）、ATQA（请求应答）和SAK（选择确认）。如前所述，SAK值08指示标签遵循Mifare Classic 1k（ISO14443A）标准。ATQA值指示UID字节长度，此案例4字节。

检查密钥 既然我们确定有Mifare Classic 1k标签，我们可以检查标签所有已知A和B密钥并确定是否缺少任何。此检查使用默认已知密钥列表执行，但也可修改以查找特定手动输入密钥。你需要所有密钥以使用“hf mf dump”命令。

嵌套攻击 使用嵌套攻击和已知好密钥查找缺失密钥。从截图我们看到，使用已知密钥“ffffffffffff”，发现缺失A密钥：9b7c25052fc3，以及B密钥：c22e04247d9a。我们现在有所有密钥（保存到dumpkeys.bin）并可成功克隆卡。

恢复从Proxmark3移除KeyWe RFID标签，并放置扇区0可写卡在Proxmark3上，如图像-3。快速搜索显示此卡UID出厂设为“b6 dd 33 3d”。另注意卡检测为中国魔术后门（GEN 1a）卡。继续“restore”命令，我们看到Proxmark3转储先前读取并保存到dumpdata.bin的数据到可写卡。另注意，扇区0的第一块（含UID等）此时不能写入。这是因为此类扇区0可写卡需要特殊解锁命令 prior to 写入。这正常，将在我们发出“csetuid”命令时 shortly 处理。

设置UID 成功写入剩余块（1-63）后，我们可以发出特殊命令解锁“扇区0 – 块0”以写入UID、访问控制位和制造商信息（见以下截图）。我们使用已知KeyWe RFID标签的UID：01 8a 44 54发出“csetuid”命令。后续快速搜索指示UID现在匹配原始KeyWe RFID标签。使用KeyWe智能锁测试此克隆卡证明我们成功克隆了原始标签。

测试克隆RFID卡

替代读写器

尽管Proxmark3是所有RFID工具箱的 definite ‘must-have’，但对想实验RFID技术的人可能不可行“入门级”选项。也就是说，有许多关于NFC和HID卡读写器的替代选项。在以下部分，我将涉及三种相对廉价方式实现类似Proxmark3的结果。具体将访使用NFC ACR122U卡读写器、基于Arduino Nano/RC522的工具和Android手机读写Mifare 1k Classic卡。

NFC ACR122U读写器使用开源mfoc-hardnested工具和nfc-tookit

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git clone https://github.com/nfc-tools/mfoc-hardnested
autoreconf -vistool
./configure
make && sudo make install

放置原始RFID标签在读写器上

执行mfoc-hardnested -O mykeywecard.mfd -k ffffffffffff转储标签信息包括已知密钥到输出文件“mykeywecard.mfd”。此命令要求至少一个密钥已知（此案例使用默认密钥‘ffffffffffff’）。首先，将使用默认密钥表尝试认证所有扇区。如以下截图所见，为KeyWe标签所有扇区找到密钥，除扇区10。 <片段> 此时，过程继续硬嵌套暴力攻击以确定（猜测）两剩余密钥（A/B）。如以下截图，我们看到找到密钥A，用密钥A读取数据揭示密钥B。既然所有扇区已认证，密钥将转储到文件。 <片段> 如以下所见，扇区10含块40 – 43和认证扇区读写的密钥“9b7c25052fc3” <片段> 扇区0（由块0 – 3组成）含UID，后随BCC（校验和）、SAK（卡类型）、ATQA和制造商信息

用空白中国Mifare卡替换KeyWe RFID标签

执行nfc-mfclassic w b mykeywecard.mfd拉取转储到文件mykeywecard.mfd的数据/密钥并写此信息到目标卡。更仔细检查截图显示64块中63块写入！这是因为扇区0只读。尽管我们使用中国魔术卡，它是Gen-1（第一代）卡，需要发送特殊解锁命令（0x43 0x40） prior to 写块-0。如所见，魔术卡出厂设置UID（6d 94 94 3d）未修改。如果我们使用Gen-2卡，我们将完成克隆。幸运的是，我们可以通过执行nfc-mfsetuid 018a4454发出解锁命令。这将修改魔术卡UID反映KeyWe标签的UID 01 8a 44 54。

我们现在有原始KeyWe RFID标签的工作副本！

成本有效学习选项

幸运的是，实验和理解RFID技术可通过使用极廉价Arduino Nano板带RFID-RC522读写器电路板和几个开源Arduino草图完成。有大量实践实验室， complete with 草图和接线图，可用于学习基础。在自己检查许多这些选项后，我决定为本文包括几个我的最爱。

Arduino Nano v3带RFID-RC522（成本8美元） https://www.arduino.cc/en/software https://github.com/miguelbalboa/rfid（Arduino rfid库）

DumpInfo草图（转储Mifare Classic卡内容到串行控制台） ReadAndWrite草图（演示读取一些数据，修改并写回，和验证） arduino_code_for_rfid_reader草图（演示使用RFID卡或标签进行门禁认证）

我为使组装快速容易，包括了硬件设置的彩色编码图（上），以及几张图片（下）。

例1：读卡并转储信息到串行端口

在上例中，所有扇区（除下扇区0）含相同信息

例2：以下Arduino草图（“ReadAndWrite”）读卡（或标签）到内存，写一些测试数据到扇区1，块4，然后执行另一读以验证数据已更改。

例3：以下短Arduino草图（“arduino_code_for_rfid_reader”）读卡（或标签）获取UID并通过与代码内合法UID比较验证所有者是“授权访问”。此例中，“合法访问UID”是“75 56 33 3D”

Android工具克隆Mifare 1k Classic卡

也完全可能使用符合NFC的Android手机成功读、写和复制Mifare RFID卡和标签。有许多应用可从Google Play商店下载。在我看来，两个更流行应用是wakdev开发的NFC Tools和ikarus23开发的MIFARE Classic Tool。

NFC启用手机只能读无源高频RFID（13.56MHz）卡和标签，且必须在极近距离读取，通常几厘米内。简单持高频Mifare卡到NFC启用手机下侧将提示你选择手机上现有应用或工具（见下）。选择NFC Tools将显示读卡结果。

MCT（Mifare Classic Tool） 使用MCT Mifare Classic Tool克隆Mifare Classic卡相对容易 https://github.com/ikarus23/MifareClassicTool – 可在Google Play商店下载。

重要信息：为成功写入扇区0，目标中国魔术卡必须是Gen-2版本卡。Gen-1卡需要发送解锁代码（0x43 0x40）用于写扇区0，而MCT不为扇区0写入发送解锁代码。

使用MCT移动应用克隆 按照以下所示步骤，我们可以使用任何NFC兼容android手机克隆Mifare Classic卡和标签（本文撰写时无iOS支持）。此例中我们的源卡将是UID“0EFF84C1”的Mifare 1k Classic卡，我们的目标卡将是UID“60FA353D”的中国魔术卡Gen-1。

打开应用并放置源卡 against 你的NFC启用手机下侧
读源 by 点击“READ TAG”，后随“START MAPPING AND READ TAG”
编辑转储 by 点击扇区1，改前6字节从000000到123456，放置目标卡 against 你的手机下侧
写目标 by 点击“3点”下拉菜单并选择“WRITE DUMP”、“WRITE DUMP”、“OK”、“START MAPPING AND WRITE DUMP”
读/验证目标 by 点击“READ TAG”，后随“START MAPPING AND READ TAG”

注意尽管我们成功更改了扇区1中的字节，源UID未写入扇区0因我们的目标卡是Gen-1魔术卡。多次卡UID将在允许访问或确认卡合法性前被验证。此案例中，为完成此克隆我们可以使用早先提到的NFC ACR122U读写器，发出“nfc-mfsetuid 0eff84c1”并更改目标卡UID为源卡的。同样，我们本可以开始就使用Gen-2魔术卡。

还应提到我们示例中无任何“缺失密钥”。如果有MCT不知的加密密钥，写入那些特定扇区将失败。有几种方式解决此问题。如果我们已知密钥，我们可以输入它们到MCT内的“密钥文件”。

如以上图所示，我们可以点击“EDIT/ADD KEY FILE” – “std.keys”并点击输入（编辑）我们已知密钥或者，我们可以创建含我们密钥的文本文件并通过点击“TOOLS” – “IMPORT/EXPORT FILES” – “IMPORT KEYS”输入它们到MCT

查找未知密钥 如果“缺失”密钥未知，有开源基于Linux的工具（