RFID近场克隆攻击
作者：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结束智能锁研究，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，并验证了只需将标签靠近锁几厘米即可成功开门。拥有可工作的RFID标签后，我开始了深入RFID研究的旅程。
HID ProxMark卡和标签
老式近场卡（或Prox卡）工作在125kHz（低频），允许非接触式智能卡在读取器几英寸内被读取。这相比磁条卡读取器的刷卡方式是一大改进。不久后，第二代卡（HID ProxMark II）提供了更远的读取范围，达15英寸。这使得卡可以留在钱包或手提包中，只需举起至读取器即可获得访问权限。这些早期卡类似于磁条卡，无法存储太多数据，通常用作办公大楼门禁系统的钥匙卡。这些老式低频卡在靠近读取器时基本上提供一个26位流：8位设施代码、16位卡ID和2个奇偶校验位。这种数据存储的巨大限制为极受欢迎的高频（13.56MHz）Mifare Classic卡让路。
被动和主动RFID卡
有两种类型的非接触式RFID卡：被动和主动。这些卡通常包含一个IC（集成电路）和一个天线。被动卡的IC没有内部电源，而是通过互感（称为“谐振能量传输”）从“供电”的读取器模块获取能量。当靠近读取器时，被动卡内的芯片唤醒并向读取器发送数据流。这些卡上的天线由许多紧密缠绕的导线环组成，围绕卡的周边。
主动RFID卡和标签（有时称为邻近卡）包含一个内部锂电池，可提供更远的读取距离，通常约为2米（6英尺）。在极少数情况下，RFID主动标签的范围可达150米（500英尺）。这种标签的用例可能包括在车辆接近安全门时从车内读取。这些主动标签的电池生命周期为2-7年，之后需要更换。
MIFARE卡和标签
NXP半导体（飞利浦2006年分拆的公司）拥有MIFARE RFID卡的商标。MIFARE卡技术的创建是由于消费者广泛接受老式HID ProxCard技术，同时解决了如有限数据容量和老式卡提供的严重安全不足等问题。在撰写本文时，似乎有超过100亿张智能卡和超过1.5亿个智能卡读取器模块存在。
虽然大多数老式HID ProxCard工作在125kHz，但新式MIFARE卡设计为工作在13.56MHz（高频）。这些非接触式卡在数据存储方面提供了显著改进，提供1k和4k字节存储的版本。MIFARE卡（符合ISO 14443 A/B标准）还在其MIFARE Classic 1k卡上实现了专有（NXP）加密算法Crypto1，使用48位密钥。不幸的是，正如创建自定义加密的典型情况，Crypto1已被攻破，容易受到嵌套和硬嵌套暴力密钥猜测攻击。
在持续追求更好的非接触式卡安全性的过程中，MIFARE推出了MIFARE Plus和MIFARE DESFire（高安全性）卡，以及MIFARE Ultralight卡。MIFARE DESFire卡的芯片具有完整的微处理器和大大改进的安全功能，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可容纳多达28个不同的应用程序和每个应用程序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，这些卡相对便宜，每张约1美元。
MIFARE Classic 1k非接触式智能卡提供16个扇区，每个扇区包含（4）16字节块，总共1,024字节的卡上存储。扇区0通常为只读，包含如UID、访问位和制造商信息等。为了成功完整克隆卡或标签，扇区0需要可写，以便我们可以覆盖卡的工厂设置UID和相关数据。
恰如其名的中国魔术卡允许扇区0写入，重写能力广告为约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，因此购买时需尽职调查。
MIFARE Classic 1K卡扇区0配置
RFID读取器/写入器
Proxmark3是一个强大的通用RFID工具，设计用于嗅探、监听和模拟从低频（125kHz）到高频（13.56MHz）的卡和标签。价格适中，270美元，这是任何严肃RFID研究人员工具箱的必备品！软件安装可能有些麻烦，但在几次尝试后，我发现遵循Iceman分支的指令，我几乎立即启动并运行。
NFC ACR122U是一个成本友好的高频（13.56MHz）读取、写入和克隆选项。不仅支持有用的开源软件，读取器/写入器还可以与符合NFC标准的手机的NFC（近场连接）功能接口。
Easy MF RFID读取器/写入器（仅13.56MHz）是我在研究RFID项目的许多选项时偶然发现的。25美元，这个设备非常便宜，但确实有代价。设置和操作指令很难遵循（由于中文翻译问题），需要一些时间才能启动和运行。它提供了一个Web套接字GUI，但即使访问GUI在我看来也有些晦涩。也就是说，我最终能够在几张Mifare Classic 1k卡上读取和写入数据。
RFID-RC522读取器/写入器是一个极其便宜（仅3美元）的电路板，设计用于轻松与Arduino系列接口。搜索互联网，有许多基于Arduino的RFID项目可用于实验读取和写入RFID（高频（13.56MHz）卡和标签。我将在本文后面介绍其中一些项目。
手持RFID写入器是另一个非常便宜的设备，使得克隆HID（仅低频125kHz）卡和标签极其容易。这个手持读取器/写入器由几节AAA电池供电。只需使用手柄上的开/关开关为设备供电。将源卡放在读取器（左上角），按下READ按钮，等待绿色（通过）LED亮起。用目标卡替换源卡，按下WRITE按钮，等待绿色（通过）LED亮起。
长距离读取器
虽然更常见的卡读取器系统范围非常短，以英寸衡量，但HID MaxiProx 5375和HID R90长距离读取器可以在最远6英尺（与HID ProxPass主动卡使用时超过25英尺）的范围内操作。这些读取器在您想从车辆打开停车场大门时非常有效。HID R40 iClass SE是一个多类读取器，通常用于门禁控制，范围约5英寸（根据iClass卡的类型而变化）。
所有读取器（短距离和长距离）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 指的是卡读取器和传感器中使用的技术，可追溯到1980年代初。这个系统是一个有线通信接口，使用至少三根线：GND、Data-0和Data-1/CLK。原始Wiegand格式有一个奇偶校验位、8位设施代码、16位ID代码和一个尾随奇偶校验位，总共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。格式程序的设计者将决定每个奇偶校验位应为偶数还是奇数。一组选定的数据位将与一个奇偶校验位结合，总位数应为偶数或奇数。
在上面的例子中，前导奇偶校验位（偶数）链接到前12个数据位。如果12个数据位导致奇数，奇偶校验位设置为1，使13位总数为偶数。最后13位类似地设置为奇数总数。
Proxmark3会话：KeyWe RFID标签
图像1（上图）显示Proxmark3-RDV2，一个“扇区0可写”（魔术卡）和一个预编程的KeyWe智能锁RFID标签。KeyWe RFID标签是一个高频（13.56MHz）设备。Proxmark3定向以暴露13.56MHz线圈天线（125kHz侧朝下）。
图像2（上图）显示KeyWe RFID标签定位为读取 图像3（上图）显示扇区0可写卡定位为写入（克隆）
Mifare Classic 1k克隆过程
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。此搜索的结果提供UID（唯一标识）、ATQA（请求应答）和SAK（选择确认）。如前所述，SAK值08表示标签遵循Mifare Classic 1k（ISO14443A）标准。ATQA值表示UID字节长度，在这种情况下为4字节。
检查密钥 既然我们确定有一个Mifare Classic 1k标签，我们可以检查标签的所有已知A和B密钥，并确定是否有任何缺失。此检查使用默认已知密钥列表执行，但也可以修改以查找特定手动输入的密钥。您需要所有密钥才能使用“hf mf dump”命令。
嵌套攻击 使用嵌套攻击和已知良好密钥查找缺失密钥。从截图中我们可以看到，使用已知密钥“ffffffffffff”，发现了缺失的A密钥：9b7c25052fc3，以及B密钥：c22e04247d9a。我们现在拥有所有密钥（保存到dumpkeys.bin），并且可以成功克隆卡。
恢复 从Proxmark3移除KeyWe RFID标签，并将扇区0可写卡放在Proxmark3上，如图像-3。快速搜索显示此卡的UID工厂设置为“b6 dd 33 3d”。另请注意，卡被检测为中国魔术后门（GEN 1a）卡。继续“restore”命令，我们可以看到Proxmark3将先前读取并保存到dumpdata.bin的数据转储到可写卡。另请注意，扇区0的第一个块（包含UID等）此时无法写入。这是因为这种特定类型的扇区0可写卡在写入前需要特殊解锁命令。这是正常的，将在我们发出“csetuid”命令时很快解决。
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。随后的快速搜索表明UID现在与原始KeyWe RFID标签匹配。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
替代读取器/写入器
尽管Proxmark3是所有RFID工具箱的必备品，但对于那些想实验RFID技术的人来说，它可能不是一个可行的“入门级”选项。也就是说，有许多关于NFC和HID卡读取器和写入器的替代选项。在以下部分，我将介绍三种相对便宜的方法来实现与Proxmark3类似的结果。具体来说，将访问使用NFC ACR122U卡读取器/写入器、基于Arduino Nano/RC522的工具和Android手机读取和写入Mifare 1k Classic卡。
使用开源mfoc-hardnested工具和nfc-tookit的NFC ACR122U读取器/写入器 git clone https://github.com/nfc-tools/mfoc-hardnested autoreconf -vistool ./configure make && sudo make install 将原始RFID标签放在读取器上
执行mfoc-hardnested -O mykeywecard.mfd -k ffffffffffff 将标签信息包括已知密钥转储到输出文件“mykeywecard.mfd”。此命令要求至少一个密钥已知（在这种情况下，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。如下截图所示，找到了KeyWe标签所有扇区的密钥，除了扇区10。 <片段> 此时，过程继续使用硬嵌套暴力攻击确定（猜测）两个剩余密钥（A/B）。根据以下截图，我们可以看到找到了密钥A，使用密钥A读取的数据揭示了密钥B。既然所有扇区都已认证，密钥将转储到文件中。 <片段> 如下所示，扇区10包含块40 – 43，认证扇区读写的密钥是“9b7c25052fc3” <片段> 扇区0（由块0 – 3组成）包含UID，后跟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 将转储到文件mykeywecard.mfd的数据/密钥拉取并将此信息写入目标卡。更仔细检查截图显示64个块中63个已写入！这是因为扇区0是只读的。尽管我们使用中国魔术卡，但它是Gen-1（第一代）卡，需要在写入块-0前发送特殊解锁命令（0x43 0x40）。如所见，魔术卡的工厂设置UID（6d 94 94 3d）未被修改。如果我们使用了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以反映KeyWe标签的UID 01 8a 44 54。
我们现在有一个原始KeyWe RFID标签的工作副本！ 成本效益学习选项 幸运的是，实验和理解RFID技术可以通过使用极其便宜的Arduino Nano板与RFID-RC522读取器/写入器电路板以及几个开源Arduino草图完成。有大量实践实验室可用，包括草图和接线图，用于学习基础知识。在自己检查了其中许多选项后，我决定在本文中包括几个我最喜欢的。
Arduino Nano v3与RFID-RC522（成本8美元） https://www.arduino.cc/en/software https://github.com/miguelbalboa/rfid （Arduino rfid库）
DumpInfo草图（将Mifare Classic卡的内容转储到串行控制台） ReadAndWrite草图（演示读取一些数据，修改并写回，并验证） arduino_code_for_rfid_reader草图（演示使用RFID卡或标签进行门禁控制认证）
我包括了一个颜色编码的硬件设置图（上图），以及几张图片（下图），以便快速轻松组装。
示例1：读取卡并将信息转储到串行端口
在上面的例子中，所有扇区（除了下面的扇区0）包含相同的信息
示例2：以下Arduino草图（“ReadAndWrite”）将卡（或标签）读入内存，将一些测试数据写入扇区1，块4，然后执行另一次读取以验证数据已更改。
示例3：以下短Arduino草图（“arduino_code_for_rfid_reader”）读取卡（或标签）以获取UID，并通过与代码中的合法UID比较验证所有者是“授权访问”。在这个例子中，“合法访问UID”是“75 56 33 3D”
克隆Mifare 1k Classic卡的Android工具
也可以使用符合NFC的Android手机成功读取、写入和复制Mifare RFID卡和标签。有许多应用程序可从Google Play商店下载。在我看来，两个更受欢迎的应用程序是wakdev开发的NFC Tools和ikarus23开发的MIFARE Classic Tool。
启用NFC的手机只能读取被动高频RFID（13.56MHz）卡和标签，并且必须在极近范围内读取，通常在几厘米内。只需将高频Mifare卡放在启用NFC的手机下方，将提示您选择手机上现有的应用程序或工具（见下文）。选择NFC Tools将显示读取卡的结果。
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：要成功写入扇区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）以写入扇区0，而MCT不为扇区0写入发送解锁代码。
使用MCT移动应用程序克隆 按照以下步骤，我们可以使用任何NFC兼容的Android手机克隆Mifare Classic卡和标签（在撰写本文时无iOS支持）。在这个例子中，我们的源卡将是UID为“0EFF84C1”的Mifare 1k Classic卡，我们的目标卡将是UID为“60FA353D”的中国魔术卡Gen-1。
打开应用程序并将源卡放在启用NFC的手机下方 通过点击“READ TAG”读取源，然后“START MAPPING AND READ TAG” 通过点击扇区1编辑转储，将前6个字节从000000更改为123456，将目标卡放在手机下方 通过点击“3点”下拉菜单并选择“WRITE DUMP”、“WRITE DUMP”、“OK”、“START MAPPING AND WRITE DUMP”写入目标 通过点击“READ TAG”然后“START MAPPING AND READ TAG”读取/验证目标
请注意，尽管我们成功更改了扇区1中的字节，但由于我们的目标卡是Gen-1魔术卡，源UID未写入扇区0。多次卡的UID将在允许访问或确认卡合法性前被验证。在这种情况下，要完成此克隆，我们可以使用前面提到的NFC ACR122U读取器/写入器发出“nfc-mfsetuid 0eff84c1”并将目标卡的UID更改为源卡的UID。同样，我们也可以从一开始就使用Gen-2魔术卡。
还应提到，在我们的例子中没有任何“缺失密钥”。如果有MCT不知道的加密密钥，写入那些特定扇区将失败。有几种方法可以解决这个问题。如果我们已经知道密钥，我们可以将它们输入到MCT内的“密钥文件”中。
如上图所示，我们可以点击“EDIT/ADD KEY FILE” – “std.keys”并点击输入（编辑）我们已知的密钥 或者，我们可以创建一个包含我们密钥的文本文件