Mifare Classic 简介
MIFARE Classic是恩智浦半导体开发的可用于非接触式智能卡，符合ISO/IEC 14443 A类标准。用于公共交通票证等应用，还可用于各类其他应用有S20，S50(M1)，S70几种规格，主要是根据存储器容量划分，存储器容量分别有320B，1K，4K。具有以下防干扰、轻松简便以及安全等特性：
- 防干扰
智能防干扰功能允许同时有多张卡在现场工作。防干扰算法分别选择每一张卡，并确保选定的卡正确执行交易，不会受到现场另一张卡的干扰。
- 轻松集成，使用简便
针对轻松集成和使用简便而设计，允许在不到100 ms的时间内完成整个票证交易。
- 安全
· 每器件具有制造商编程的7字节UID或4字节NUID标识符
· 支持随机ID
· 三道双向认证(ISO/IEC DIS 9798-2)
· 每扇区提供两组独立的密钥，支持多用途密钥体系
本文以S50进行着重讲解，对于S20及S70可访问官方网站详细了解。
逻辑框图
对于S50来说，芯片由1KB E2P，非接接口，数字控制单元组成。其中：
- 非接接口(RF Interface)，包括：
· 调制解调器(Modulator/demodulator)
· 整流器(Rectifier)
· 时钟再生器(Clock regenerator)
· 上电复位(Power-On Reset )
· 电压调节器(Voltage regulator)
- 防冲突管理
- 认证管理
- 控制和算术逻辑单元
- 存储器及访问接口：对于S50来说，存储器(E2P)只需要1KB分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位。
- 加密单元
执行流程
执行流程包括三个部分，分别是初始化及选择过程，认证过程以及数据操作过程，如下图所示：
· 呼叫
读卡器发送 REQA/WUPA 命令，卡返回 ATQA 的过程。
· 防冲突循环
在防冲突循环过程中将读取卡片的ID，如果存在多张卡，则通过ID进行区别，并选择一张卡进一步处理，其它卡回到 IDLE 状态等待REQA/WUPA 命令。
· 选卡
读写器发送 SELECT，卡返回 SAK 的过程， SAK 指示当前卡是否支持 14443-4 协议和 UID 是否完整。
· 三轮认证
选卡后，读写器指定后续读写的存储器位置，并用相应密钥进行三轮认证。认证成功后，所有的存储器操作都是加密的。
· 存储器操作
认证后可执行下列操作：
- 读块
- 写块
- 减值：减少数值块内的值，并将结果保存在数据寄存器中。
- 加值：增加数值块内的值，并将结果保存在数据寄存器中。
- 恢复：将数据块内容移入数据寄存器。
- 转存：将数据寄存器的内容写入数值块。
数据存储结构
- 厂商代码块
这是第 0 区的第 0 块存储制造商代码，它含有 UID 和厂商数据，只读。如果是4字节UID，则0~3字节为序列号，第4字节为校验字节(异或值)，第5字节国卡片容量，第6、7字节为卡片类型。
- 数据块
所有扇区都由3个块组成，每个块由16字节用于存储数据(扇区0只有两个数据块，一个只读的厂商数据块)。数据块可以设置为：
· 读写块，例如用于非接触门禁管理，有效命令： read, write
· 数值块，例如用于电子钱包。
- 数值块
数值块允许执行电子钱包功能(有效的命令是:读、写增量、减量、恢复、转移)。数值块有一个固定的数据格式允许错误检测和校正和备份管理。
· 数值：有符号 4 字节数值。数值的最低字节存储在最低地址字节。负值以标准的 2 的补码形式存储。数值存储三次，两次不取反，一次取反。
· 地址（ Adr）： 1 字节绝对地址，当进行备份管理时，可用于保存块的地址（即地址不一定与当前的块号相同）。地址保存四次，两次取反，两次不取反。在 increment、decrement、 restore 和 transfer 操作中，地址保持不变。它只能通过 write。
例：
对于十进制数1234567，地址17来说，首先十进制数转成十六进制为0x0012D687，低字节存储在第0字节，高字节为第3字节，补码为0xFFED2978，低字节存储在第4字节，高字节存储在第7字节。对于十六进制的地址0x11来说，补码为0xEE。存储结果如下表所示：
- 尾块
各区均有一个尾块，存有：
· 密钥 A 和 B（可选）：卡片发行时，所有的密钥被设置为 FFFFFFFFFFFF。如果读密钥的权限不满足则读出的密钥值为全 0.
· 该区四个块（或16个块）的读写条件，存储在字节 6 至 9 。读写控制位也指定了数据块的类型（读写块或数值块）。
如果不需要密钥 B，尾块的最后 6 字节可以用作数据字节。尾块的字节 9 可用于用户数据。此字节享有与字节 6、 7、 8 相同的读写权限。对于访问条件，参考后面章节的详细说明。
访问控制
任何内存操作之前,卡必须选择和验证，对一个特定的块的访问，依赖于验证过程中的密钥以及存储在当前的扇区尾部的访问条件。内存操作如下表所示：
- 访问条件
每个数据块和尾块的访问条件是由3位数据组成，在访问条件及其补码形式存储在指定块的尾块中。
访问控制位使用密钥A和密钥B控制内存的访问，访问条件可能会改变,只要知道相关的密钥和当前访问条件即允许此操作。如下图所示：
- 控制位的组成
- 尾块访问条件
根据尾块的访问控制位，对于key的读/写访问的权限包括：never,keyA,keyB或者keyA|B。
卡片发行时的控制字节为： FF078069，即：
C10 C20 C30=000，块 0 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB
C11 C21 C31=000，块 1 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB
C12 C22 C32=000，块 2 的读、写、增、减、恢复、传送的权限都是 key A 或 keyB
C13 C23 C33=001，块 3 的 keyA 读权限 never， keyA 的写权限、 Access bits 和 keyB 的读写权限都是 keyA。
例一： C11 C21 C31=010，即块 1 的读权限为 keyA/keyB，写、增、减、恢复、传送的权限为never。修改尾块的值为： FFFFFFFFFFFFDF078200FFFFFFFFFFFF
例二： C1x C2x C3x=111，即数据块的所有权限都为 never，尾块的读控制字节权限为 keyA|B，
其它权限为 never。
修改尾块的值为： FFFFFFFFFFFF00F0FF00FFFFFFFFFFFF
- 数据块访问条件
根据访问控制位的数据块(块0~2)，读/写访问被指定为“从不”,“KeyA”,“KeyB”或“KeyA| B”。访问控制位定义了应用程序和相应的适用的命令。
•读/写块:允许读和写操作。
•数值块:允许额外的值操作，增量、减量、转移和恢复。
•制造商块:只读，不受访问控制位设置影响!
•密钥管理:在运输时配置必须用于身份验证的KeyA
执行命令
MIFARE Classic卡激活遵循ISO / IEC 14443 TypeA，MIFARE Classic卡被选中后,它可以使用ISO / IEC 14443命令停用,或可以执行MIFARE Classic命令。
- ACK与NAK
Mifare classic 使用4位ACK/NAK，如下表所示：
- 个人化
- SET_MOD_TYPE命令
- 认证命令
- 读命令
- 写命令
- 增、减、恢复命令
- 转存命令
安全与保护
- 数据完整性
以下机制在非接通讯过程中于读卡器与卡片之间实现，卡片确保数据正确性：
•每个数据块有16位CRC
•为每个字节奇偶校验位
•位数检查
•位编码区分“1”,“0”和“无信息”
•监测信道(协议序列和位流分析)
- 三轮认证
1. 卡从指定扇区的尾块读出密钥和访问权限，并产生 4 字节随机数发送给读卡器。
2. 读卡器使用密钥加密收到的随机数，把加密结果连同自己产生的随机数一起发送给卡（共 8 字节）。
3. 卡使用第 1 轮中读出的密钥验证读卡器返回的加密数据，如正确则把收到的随机数加密后发送给读卡器，否则不发送数据。
- RF接口
RF-interface根据非接触式智能卡ISO / IEC 14443标准实现。两个方向的数据通信在每一帧的开始只有一个起始位。每个字节一位校验位(奇校验)。选择块的最低(LSB)的字节最选传输，最大帧长度为163位(16字节数据+ 2 CRC字节= 16´2´9 + 9 + 1起始位)。
资料参考
1.官方网站：http://www.nxp.com
2.MIFARE Classic EV1 1K - Mainstream contactless smart card IC for fast and easy solution development.pdf Rev. 3.0
3.MIFARE Platform Update &Infrastructure Introduction. Steven CJ Chang 2012.Feb.27
4.《智能卡技术》