RFID射频识别技术 课件 第5章 公交管理系统

《公交管理系统》项目5本章学习目标（1）了解通信系统的组成（2）了解RFID天线技术的特点（3）理解RFID信号编码和调制技术（4）理解RFID中二进制树形算法的工作原理任务一使用高频RFID读写器发布公交卡任务要求使用公交卡管理系统软件完成公交卡的发卡操作，要求开户一张学生卡，初始金额为100元，并验证其内部数据存储的情况。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡了解RFID通信的物理学原理理解天线的主要参数和RFID通信性能的关系了解RFID的编码过程了解RFID的调制技术任务目标任务一使用高频RFID读写器发布公交卡

RFID通信的物理学原理RFID信号的编码与调制防碰撞技术知识储备任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

RFID通信的物理学原理

通信在不同的环境下有不同的解释，在出现电波传递通信后通信被单一解释为信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的合称为通信系统。下图5-1-1所示为通信系统组成图。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

RFID通信的物理学原理图5-1-1通信系统组成1）天线技术

RFID设备的通信核心是天线，所以天线设计的好坏直接影响到RFID标签的读写效果，不同频段工作的RFID标签，其对天线的要求也是不同的。RFID系统中天线分为标签天线和读写器天线。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

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天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片。这需要仔细设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。假设在零售商品中使用，如果频带是435MHz，2.45GHz和5.8GHz，那么RFID系统的天线必须要做到：体积足够小.有全向或半球覆盖的方向性；提供最大可能的信号给标签的芯片；无论物品什么方向，天线的极化都能与读写机的询问信号相匹配；具有鲁棒性。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

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电子标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道，如图5-1-2所示。无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线或耦合线圈：。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

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图5-1-2RFID读写器、标签天线构成示意图

RFID天线制作技术主要有蚀刻法、线圈绕制法和印刷天线三种。其中，RFID导电油墨印刷天线是发展的一种新技术。以上RFID标签天线的制作方法分别适用于不同频率的RFID电子标签产品。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

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RFID通信的物理学原理图5-1-3RFID天线各种款式2）RFID天线的主要参数

天线的基本功能就是能量转换和定向辐射，所谓天线的参数，就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量。（1）增益系数增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它的定义为：方向系数与天线效率的乘积。天线方向系数和越高，则增益系数也就越高。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

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RFID通信的物理学原理立体视图垂直视图水平视图图5-1-4信号方向视图（2）方向系数在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。（3）阻抗天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。RFIDUHF天线系统使用50Ω阻抗的馈线。（4）极化方式天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。天线的极化方式主要分为线极化和圆极化。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

RFID通信的物理学原理线极化当收信天线的极化方向与线极化方向一致(电场方向)时，感应出的信号最大;随着收信天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小;当收信天线的极化方向与线极化方向正交(磁场方向)时，感应出的信号为零。圆极化无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有什么差别。所以，采用圆极化方式，使得系统对天线的方位敏感性降低。

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RFID通信的物理学原理（5）驻波比驻波比的含义：驻波比就是一个数值，用来表示天线和电波发射台是否匹配。如果驻波比的值等于1，则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全部发射出去，这是最理想的情况.如果驻波比值大于1，则表示有一部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡1、

RFID通信的物理学原理

在通信系统中，信息在发送过程中，要进行编码，而RFID本质上就是一种无线通信技术，所以其也需要对发送的信息进行编码。在通信理论中，编码是对原始信息符号按一定的数学规则所进行的变换。编码的目的是要使信息能够在保证一定质量的条件下尽可能迅速地传输至信宿。在通信中一般要解决两个问题：一是在不失真或允许一定程度失真的条件下，如何用尽可能少的符号来传递信息，这是信源编码问题；其次是在信道存在干扰的情况下，如何增加信号的抗干扰能力，同时又使信息传输率最大，这是信道编码问题。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制1）RFID编码

RFID系统的结构与通信系统的基本模型结构相类似，满足了通信功能的基本要求，其读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构。读写器与电子标签之间的数据传输需要三个主要功能块，如图5-1-5所示。按读写器到电子标签的数据传输方向，RFID系统的通信模型主要由读写器(发送器)中的信号编码(信号处理)和调制器(载波电路)，传输介质(信道)，以及电子标签(接收器)中的解调器(载波回路)和信号译码(信号处理)组成。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-5RFID系统信号结构信号编码系统的作用是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能够尽可能最佳地与信道相匹配，这样的处理包括了给信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。调制器用于改变高频载波信号，即使载波信号的振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。RFID系统信道的传输介质为磁场和电磁波。解调器的作用是解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进行译码，将其恢复成原来的信息，并识别和纠正传输错误。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制

RFID数据传输常用的编码格式（1）反向不归零(NRZ)编码任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-6NRZ编码此码型不宜传输，有以下原因：有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量;收端判决门限与信号功率有关，不方便使用;不能直接用来提取位同步信号，因为在NRZ中不含位同步信号频率成分;要求传输线有一根接地。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制（2）曼彻斯特(Manchester)编码

曼彻斯特编码也被称为分相编码(Split-PhaseCoding)。在曼彻斯特编码中，某位的值是由该位长度内半个位周期时电平的变化(上升/下降)来表示的，任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-7曼彻斯特编码

曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。这是因为在位长度内，“没有变化”的状态是不允许的。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制

(3)单极性归零(UnipolarRZ)编码

单极性归零编码在第一个半个位周期中的高电平表示二进制“1”，而持续整个位周期内的低电平信号表示二进制“0”，如图5-1-8所示。单极性归零编码可用来提取位同步信号。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-8单极性归零编码（4）米勒(Miller)编码米勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个位周期中不变的电平表示二进制“0”。位周期开始时产生电平交变，如图5-1-9所示。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-9米勒编码（5）差动编码差动编码中，每个要传输的二进制“1”都会引起信号电平的变化，而对于二进制“0”，信号电平保持不变，如图7所示。用XOR门的D触发器就能很容易地从NRZ信号中产生差动编码，具体电路如图5-1-10所示。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-10差动编码2）选择编码方式需要考虑的因素（1）编码方式的选择要考虑电子标签的供电能力

在RFID系统中使用的电子标签常常是无源的，而无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身所需的能量供应。为了保证系统的正常工作，信道编码方式首先必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制（2）编码方式的选择要考虑电子标签的检错能力

出于保障系统可靠工作的需要，还必须在编码中提供数据级的校验保护，编码方式应该提供这种功能。可以根据码型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生，在实际的数据传输中，由于信道中干扰的存在,数据必然会在传输过程中发生错误,这时要求信道编码能够提供一定程度的检测错误的能力，曼彻斯特编码、差动双向编码、单极性归零编码具有较强的编码检错能力。（3）编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取

在电子标签芯片中,一般不会有时钟电路,电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟。曼彻斯特编码、密勒编码、差动双向编码容易使电标签提取时钟。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制3）RFID信号调制调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。一般来说，信源含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因为根据无线传播的天线理论，天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时(波长的1/10~1)，才能进行传播，如果是一个低频信号，如30kHz信号，发射该信号的天线要接近10km。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制

数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化的变化而变化。数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。数字调制有振幅键控、移频键控和移相键控等。（1）振幅键控（ASK）ASK也叫幅度调制，简称调幅，是通过改变载波信号的振幅大小来表示数字信号“1”和“0“的方法。相当于模拟信号中的调幅,只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已,幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。二进制振幅键控(2ASK)由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时，传输载波当调制的数字信号为“0”时，不传输载波，原理框图如图5-1-8所，其中s(t)为基带矩形脉冲，一般载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近,实现2ASK，波形如图5-1-12所示。2ASK是一种相对简单的调制方式,调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，抗干扰能力较差，是一种低效的调制技术。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-12振幅键控（2）频移键控（FSK）以数字信号控制载波频率变化的调制方式，称为频移键控(FSK)。根据已调波的相位连续与否，频移键控分为两类：相位不连续的频移键控和相位连续的频移键控。频移键控是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。频移键控如图5-1-13所示。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-13频移键控（3）相移键控（PSK）一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术。移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。相移键控如图5-1-14所示。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、

RFID信号的编码与调制图5-1-14相移键控1）无线射频识别技术中的碰撞在RFID系统工作的时候，可能会有多个射频标签同时响应阅读器的询问，也有可能多个标签处在多个阅读器的工作范围内，这样一来他们之间的数据通信就可能产生通信的冲突和造成数据的相互干扰，这种干扰称为碰撞。为了防止这些碰撞的产生，在RFID系统中运用了数据校验和防碰撞算法来分别加以解决。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、

防碰撞技术2）二进制树搜索算法在算法执行过程中，读写器要多次发送命令给电子标签，每次命令都把标签分成两组，多次分组后最终得到唯一的一个标签。在这个分组过程中，将对应的命令参数以节点的形式存储起来，就可以得到一个数据的分叉树，而所有的这些数据节点又是以二进制的形式出现的，所以称为“二进制树”。下面以下面这四个电子标签为例说明搜索的过程。这四个电子标签的序列号分别为：电子标签1:10110010电子标签2:10100011电子标签3:10110011电子标签4:11100011任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、

防碰撞技术重复操作的读写器发送请求命令,依次选择命令参数为（≤11111111,10111111,10101111）。序列号11111111，是本例中系统最大可能的8位序列号。读写器作用范围内的所有电子标签的序列号都应小于或等于11111111，因此，处于读写器作用范围内的所有电子标签都应对该命令作出应答。具体过程如下图5-1-15所示。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、

防碰撞技术任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、

防碰撞技术图5-1-15二进制树形算法任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、

防碰撞技术上述过程可以形象地用二进制树来表达，如下图5-1-16所示。图5-1-16二进制树表达图观察下表5-1-1所示的4个卡号，根据二进制树形搜索算法算出最终迭代出的卡号结果。任务一使用高频RFID读写器发布公交卡向下传输请求≤11111111第一次迭代请求第二次迭代请求第三次迭代读写器→标签向上传输

标签1

00001101

标签2

01001001

标签3

00001011

标签4

00001001

表5-1-1二进制树形搜索表该任务需要用到高频RFID读写器和RFID高频卡，将高频RFID读写器的usb口连接至电脑usb口，如下图5-1-17所示。1、任务环境准备任务实施图5-1-17

设备连接图任务一使用高频RFID读写器发布公交卡2、读取卡号步骤1：打开公交卡管理系统软件，点击发卡模块，选择学生卡，金额输入100，点击确认激活，如下图5-1-18所示。任务实施任务一使用高频RFID读写器发布公交卡图5-1-18激活卡任务实施任务一使用高频RFID读写器发布公交卡步骤2：打开高频卡测试管理软件，首先连接端口，确保连接成功。步骤3：对要读取的数据扇区设置读取密码。步骤4：读取下列表格中的数据并填入下表5-1-2中。任务实施任务一使用高频RFID读写器发布公交卡表5-1-2相关扇区数据扇区块数据00

1

2

3

10

1

2

3任务实施任务一使用高频RFID读写器发布公交卡3、结果分析本次存储的100元钱，是在扇区_________块__________中。任务二公交卡数据结构分析任务二公交卡数据结构分析使用高频RFID读写软件，对高频公交卡进行内部数据读写操作，从而获取高频RFID卡的存储结构。任务要求了解M1卡的数据存储结构理解如何配置控制块数据了解高频卡的发展趋势了解什么是CPU卡任务目标任务二公交卡数据结构分析M1卡数据存储结构CPU卡知识储备任务二公交卡数据结构分析高频M1卡被激活后，经过三次密码认证，如果匹配，则允许进一步的读/写操作。M1卡片的存储容量为1024×8b字长(即1KB)，采用EEPROM作为存储介质，1、M1卡数据存储结构任务二公交卡数据结构分析图5-2-1M1存储结构

每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存储数据(扇区0只有两个数据块和一个只读的厂商块)，每个块有16个字节。数据块可以被以下的访问控制位(accessbits)配置为读写块或值块。任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构图5-2-1M1存储结构值块有一个固定的数据格式，可以进行错误检测和纠正并备份管理。值块只能在值块格式的写操作时产生。值块格式如表5-2-1所示。其中，值(VALUE)表示一个带符号的4字节值，这个值的最低一个字节保存在最低的地址中，取反的字节以标准的2的补码的格式保存。为了保证数据的正确性和保密性，值被保存了三次，两次不取反保存，一次取反(带下划线者)保存。任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构字节号0123456789101112131415说明addressaddressaddressaddressVALUEVALUEVALUE任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构字节号0123456789101112131415说明addressaddressaddressaddressVALUEVALUEVALUE表5-2-1M1卡的值块格式地址(address)表示一个1字节的地址，当执行强大的备份管理时用于保存存储块的地址，地址字节保存了4次，取反和不取反各保存两次。在执行加/减/恢复/传送操作时地址保持不变，它只能通过写命令改变。任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构

通常数据块中的数据都是需要保密的数据，例如购买公交卡时所预付的车费，智能大厦/智能小区进出时所需的控制信息，股票交易时持卡人必须对已存放在卡中的交易密码数据(如帐户、存款信息、持有的股票数量/品种等)进行确认后方能进行股票交易等。对这些数据的读/写/加值/减值均需符合该块存取条件的要求及通过该扇区的密码认证。每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下表5-2-2所示：任务二公交卡数据结构分析表5-2-2MIFARE1卡控制块的数据结构密钥A(第0-5字节，共6B)和密钥B(第10-15字节，共6B，可选)，读密钥时返回逻辑0。存取控制位(accessbits，第6-9字节，共4B)：访问这个扇区中4个块的条件，存取控制位也可以指出数据块的类型(读写或值)。密钥A的缺省值为A0A1A2A3A4A5H，密钥B的缺省值为B0B1B2B3B4B5H，存取控制位的缺省值为FF078069H。如果不需要密钥B，那么块3的最后6B可以作为数据字节。用户数据可以使用尾块(块3)的第9字节，这个字节具有与字节6、7和8一样的访问权限。字节号0123456789101112131415缺省值A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5说明密码A（6字节）存取控制（4字节）密码B（6字节）任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，定义如下表5-2-3所示：表5-2-3M1卡存取控制中每个块的三个控制位块0：C10C20C30块1：C11C21C31块2：C12C22C32块3：C13C23C33任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB）。三个控制位在存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）字节中的位置如下表5-2-4所示：表5-2-4M1卡存取控制的结构bit76543210字节6C23_bC22_bC21_bC20_bC13_bC12_bC11_bC10_b字节7C13C12C11C10C33_bC32_bC31_bC30_b字节8C33C32C31C30C23C22C21C20字节9

(注：_b表示取反)其中，bit7、3区为控制块3，bit6、2区为控制块2，bit5、1区为控制块1，bit4、0区为控制块0。任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下表5-2-5所示：表5-2-5M1卡存取控制对数据块的控制结构C1XC2XC3XRead(读)Write(写)Increment(增值)Decr，Transfer，restore(减值，传送，重储)000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|BNeverNeverNever100KEYA|BKEYBNeverNever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BNeverNeverKEYA|B011KEYBKEYBNeverNever101KEYBNeverNeverNever111NeverNeverNeverNever任务二公交卡数据结构分析1、M1卡数据存储结构控制块块3的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下表5-2-6所示：表5-2-6M1卡存取控制对块3的控制结构C1XC2XC3X密码A密码A存取控制存取控制密码B密码BC13C23C33ReadWriteReadWriteReadWrite000NeverKEYA|BKEYA|BNeverKEYA|BKEYA|B010NeverNeverKEYA|BNeverKEYA|BNever100NeverKEYBKEYA|BNeverNeverKEYB110NeverNeverKEYA|BNeverNeverNever001NeverKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B011NeverKEYBKEYA|BKEYBNeverKEYB101NeverNeverKEYA|BKEYBNeverNever111NeverNeverKEYA|BNeverNeverNever2、CPU卡任务二公交卡数据结构分析按所嵌的芯片类型的不同，IC卡可分为三类：

1、存储器卡

卡内的集成电路是可用电擦除的可编程只读存储器EEPROM，它仅具有数据存储功能，没有数据处理能力。

2、逻辑加密卡（M1卡）

卡内的集成电路包括加密逻辑电路和可编程只读存储器EEPROM，加密逻辑电路在一定程度上保护着卡和卡中数据的安全。

3、CPU卡

卡内的集成电路包括中央处理器CPU、可编程只读存储器EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COS(ChipOperatingSystem)。CPU卡相当于一台微型计算机，只是没有显示器和键盘，因此CPU卡一般称为智能卡(SmartCard)。CPU卡与M1卡的区别一、技术方面

1.逻辑加密卡（M1卡）又叫存储卡，卡内的集成电路具有加密逻辑和EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）。

2.CPU卡又叫智能卡，卡内的集成电路包括中央处理器（CPU）、EEPROM、随机存储器(ROM)、以及固化在只读存储器（ROM）中的片内操作系统(COS)，有的卡内芯片还集成了加密运算协处理器以提高安全性和工作速度,使其技术指标远远高于逻辑加密卡。CPU卡与M1卡的区别二、安全方面

1.逻辑加密卡具有防止对卡中信息随意改写功能的存储IC卡，当对加密卡进行操作时必须首先核对卡中密码，只有核对正确，卡中送出一串正确的应答信号时，才能对卡进行正确的操作，但由于只进行一次认证，且无其它的安全保护措施，容易导致密码的泄露和伪卡的产生，其安全性能很低。

2.由于CPU卡中有微处理机和IC卡操作系统（COS），当CPU卡进行操作时，可进行加密和解密算法（算法和密码都不易破解），用户系统（密钥系统和硬件加密设备）和IC卡系统之间需要进行多次的相互密码认证（且速度极快），提高了系统的安全性能，对于防止伪卡的产生有很好的效果。

综上所述，对于逻辑加密卡和CPU卡来说，CPU卡不仅具有逻辑加密卡的所有功能，更具有逻辑加密卡所不具备的高安全性、灵活性以及支持与应用扩展等优良性能，也是今后IC卡发展的主要趋势和方向。CPU卡文件存储结构MifareOne卡平面存储结构0块数据123密码控制块4

567密码控制块CPU卡和M1卡数据存储格式对比2、CPU卡2）CPU卡CPU卡：如下图5-2-2所示，CPU卡内具有中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、数据存储器（EEPROM）以及片内操作系统（COS），CPU卡不仅仅是单一的非接触卡，而是一个带有卡片操作系统（COS）的应用平台，装有COS的CPU卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理、计算和数据加密等功能。任务二公交卡数据结构分析图5-2-2非接触CPU卡内部结构框图独占模式校园卡系统业务——卡片规划接入其他行业卡校园卡其他行业卡需要行业卡发卡方开放指定应用的应用主控密钥将eCard应用接入系统业务——卡片规划其他行业接入CPU卡系统其他行业卡校园卡并入系统应用卡需要向行业卡发卡方开放指定应用的应用主控密钥系统业务——卡片规划COU卡系统支持M1和CPU卡两种卡，两种卡的密钥验证描述如下：1、M1卡密钥验证

（1）密钥算法是由一卡通厂家开发；

（2）种子密钥由一卡通厂家生成并通过UK存储，使用参数卡或采集程序下发系统种子密钥；

（3）卡片密钥在终端与卡片之间传递；2、CPU卡密钥验证

（1）密钥算法采用的是公开算法；（2）种子密钥和子系统密钥由公司密钥系统生成、下发、维护和管理；

（3）系统密钥非可视性存储，存放在加密机、加密卡、PSAM卡中；（4）在进行卡密钥验证时，密钥不在任何线路上直接传递，而是由交易数据、随机数、密钥索引等关键值计算出的过程密钥值进行验证，过程密钥在卡断电以后自动消亡，每次交易的过程密钥完全不同；（5）PSAM卡、用户卡二者通过二次验证，完成双向验证；

CPU卡系统兼容性2、CPU卡非接触CPU卡智能卡采用的是动态密码，并且是一用一密即同一张非接触CPU卡智能卡，每刷一次卡的认证密码都不相同，这种智能化的认证方式使得系统的安全性得到提高，特别是当交易双方在完成交易之后，收单方有可能擅自修改或伪造交易流水来达到获利目的，为了防止终端伪造交易流水，系统要求卡片能够产生由交易要素生成的交易验证码，在后台清算时来对交易的有效性进行验证。非接触式CPU卡则可以在交易结束时产生个交易验证码TAC，用来防止伪造交易。逻辑加密卡由于不具有运算能力，就不可能产生交易的验证码。任务二公交卡数据结构分析2、CPU卡非接触CPU卡有两种密钥实现方式：(1)硬密钥：即在终端机具中安装SAM卡座，所有的认证都是由安装在SAM卡座中的SAM卡进行运算的，这样在终端机具维修时，只要取出SAM卡座中的SAM卡，这台终端机具就是空的了。所以所有的银行设备都采用SAM卡的认证模式。(2)软密钥：终端机具中没有SAM卡座，这个密钥的运算实际上是由终端机具完成的，这样客户的密钥就等于存在终端机具中，厂家拿回终端机具维修时，极易造成密钥流失。所以，从安全性的角度来看，CPU一卡通系统一定要选购带硬密钥的终端机器。下表5-2-7所示是关于CPU卡与M1卡的区别对比。任务二公交卡数据结构分析任务二公交卡数据结构分析表5-2-7CPU卡与M1卡的区别

CPU卡M1操作系统带有COS系统无COS系统硬件加密模块硬件DES运算模块无实现算法的硬件加密模块算法支持标准DES算法厂家专用不公开算法密钥长度16字节DES12字节口令交易安全性钱包不可被非法访问；与PSAM之间严格双向认证流程；交易自动形成不可抵赖的TAC码口令保护钱包，不校验口令错误次数；口令更换是明文可被截获，卡片不能验证设备合法性终端安全性采用动态密钥，密钥存储、交易验证与加密计算都由SAM卡独立完成，安全有保障采用固定密钥，不支持SAM卡双向认证多应用支持多应用，应用之间独立；每个应用的COS、容量、功能可自行定义，可完全不同，支持多种认证方式简单支持多应用，应用数量与每个应用容量有限容量4Kbytes～80Kbytes8Kbit空间分配文件方式，任意大小自由分配，并可灵活设置访问条件扇区方式，每区域64Kbytes，会造成空间浪费数据完整性支持断电保护和防插拔处理，由COS保证数据完整性不支持断电保护，需要人为备份和恢复机制通信速率106Kbps，最高可达847Kbps106KbpsCPU卡M1应用区别多次输入密码，卡会被锁死不支持卡锁死功能卡金额不会突变有时候发生读卡速率小于300ms（建设部交易规范）读卡速率小于100ms（建设部交易规范）以文件形式存储以数据形式存储1、任务环境准备将高频读卡器USB线连接到计算机USB口使之正常工作，如下图5-2-3所示。任务实施图5-2-3

设备连接任务二公交卡数据结构分析2、值模式验证步骤1：打开高频卡测试软件，参考下图5-2-4，选择设备连接。任务实施图5-2-4端口连接操作任务二公交卡数据结构分析步骤2：选择密码操作界面，点击装载密码，如下图5-2-5所示任务实施图5-2-5装载密码操作任务二公交卡数据结构分析步骤3：选择值操作界面，初始化值功能，如下图5-2-6所示。任务实施图5-2-6初始化数据任务二公交卡数据结构分析步骤4：选择数据操作界面，获取扇区1中的数据，如下图5-2-7和5-2-8所示。任务实施图5-2-7数据操作界面图5-2-8获取扇区1中数据任务二公交卡数据结构分析3、结果分析将步骤4中获取的扇区2中0块的数据，填入下表中，根据下表5-2-8要求进行填写。任务实施表5-2-8值块模式数据表字节号0123456789101112131415说明addressaddressaddressaddressVALUEVALUEVALUE数据

任务二公交卡数据结构分析任务三公交卡进行充值和刷卡任务要求使用公交卡管理系统软件完成公交卡的充值50元和刷卡操作，并验证这两次的操作对卡片内部数据的存储变化情况。任务三公交卡进行充值和刷卡了解RFID的书籍传输差错控制编码机制理解RFID常用的几种数据校验方法了解RFID系统安全问题及解决策略理解高频RFID标签的数据读写过程任务目标任务三公交卡进行充值和刷卡

RFID数据传输的完整性RFID系统安全问题及解决策略

M1卡数据读写操作知识储备任务三公交卡进行充值和刷卡1、RFID数据传输的完整性1）差错控制编码

差错控制编码是指在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误比特率指标，首先应合理设计基带信号，选择调制、解调方式，采用频域均衡和时域均衡，使误比特率尽可能降低，但若误比特率仍不能满足要求，则必须采用信道编码，即差错控制编码。任务三公交卡进行充值和刷卡常用的差错控制方式主要有三种：检错重发、前向纠错和混合纠错。（1）检错重发检错重发（简称ARQ）,又叫自动重发请求。在这种系统中,发端发送检错码,通过正向信道送到接收端,接收端译码器检测收到的码字中有无错误。如果接收码字中无错误,则向发送端发送确认信号,告诉发送端,此码字已正确接收;如果收到的码字中有错误,接收端不向发送端发送确认信号ACK,发送端等待一段时间后,再次发送此码字,一直到正确接收为止。ARQ的特点是需要反向信道,编、译码设备简单。ARQ适合于不要求实时传输但要求误码率很低的数据传输系统。在接收端根据编码规则进行检查，如果发现规则被破坏，则通过反向信道要求发送端重新发送信号，直到接收端检查无误为止。工作原理如下图5-3-1所示。任务三公交卡进行充值和刷卡任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-1检错重发工作示意图（2）前向纠错，不要方向信道

前向纠错(ForwardErrorCorrection，简称FEC)，又称自动纠错。在这种系统中,发端发送纠错码,收端译码器自动发现并纠正错误。FEC的特点是不需要反向信道,实时性好,FEC适合于要求实时传输信号的系统,但编码、译码电路相对较复杂。工作原理如下图5-3-2所示。任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-2前向纠错工作示意图（3）混合纠错，双向信道混合纠错（简称HEC）,是FEC与ARQ的混合。发端发送纠、检错码(纠错的同时检错),通过正向信道送到接收端,接收端对错误能纠正的就自动纠正,纠正不了时就等待发送端重发。HEC同时具有FEC的高传输效率,ARQ的低误码率及编码、译码设备简单等优点,但HEC需要反向信道,实时性差,所以不适合于实时传输信号。工作原理如下图5-3-3所示。任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-3混合纠错工作示意图1、RFID数据传输的完整性2）数据校验数据校验是为保证数据的完整性进行的一种验证操作。通常用一种指定的算法对原始数据计算出的一个校验值，接收方用同样的算法计算一次校验值，如果两次计算得到的检验值相同，则说明数据是完整的。常用的校验方法有奇偶校验、CRC（循环冗余校验）。任务三公交卡进行充值和刷卡1、RFID数据传输的完整性（1）奇偶校验奇偶校验(ParityCheck)是一种校验代码传输正确性的方法。根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。采用奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验。采用何种校验是事先规定好的。通常专门设置一个奇偶校验位，用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。若用偶校验，则当接收端收到这组代码时，校验“1”的个数是否为偶数，从而确定传输代码的正确性。如下图5-3-4所示。任务三公交卡进行充值和刷卡任务三公交卡进行充值和刷卡奇偶校验位是一种错误检测码，但是由于没有办法确定哪一位出错，所以它不能进行错误校正。发生错误时必须扔掉全部的数据，然后从头开始传输数据。在噪声很多的媒介上成功传输数据可能要花费很长的时间，甚至根本无法实现。但是奇偶校验位也有它的优点，它是使用一位数据能够达到的最好的校验码，并且它仅仅需要一些简单的电路就能够生成。奇偶校验被广泛应用。图5-3-4M1存储结构1、RFID数据传输的完整性（2）循环冗余校验循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)是一种根据网络数据包或电脑文件等数据产生简短固定位数校验码的一种散列函数，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。想要算出该校验码是很难的，所以在开发的时候，通常是在在网络上直接找现场的代码或类库使用，对于平时测试的话，可以下载CRC的算法工具即可。任务三公交卡进行充值和刷卡1、RFID数据传输的完整性3）误码率误码率（SER：symbolerrorrate）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。IEEE802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高限度误码率为10-10。这个误码率标准是针对脉冲振幅调制(PAM-5)编码而设定的，也就是千兆以太网的编码方式。误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。任务三公交卡进行充值和刷卡

随着计算机技术和通信技术的发展,以及电子商务迅速崛起，RFID系统面临着如何应对日益严峻的非法监听、网络攻击、信息泄密、信息丢失等信息安全方面问题的考验,因此,电子标签和阅读器之间的数据在通信传输过程的安全性问题变得越来越重要。

RFID系统中任何一个环节都有可能出现安全问题。下图5-3-5所示为RFID系统会出现安全问题的环节。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-5相关安全问题点示意图1）电子标签安全问题电子标签通过无线电波发送数据到外部，往往会成为窃取、伪造、篡改数据的首要对象。（1）篡改电子标签数据如果篡改电子标签的数据，可能造成非法物品或非法数据混入整体业务系统，最终破坏业务的运行。防止数据被篡改的主要对策有以下几种：2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡限制存储器的写入次数，限制存储器的写入次数是比较可靠的方法，如果电子标签在业务整体流程中数据不需要改变，就可以采用只读标签或一次性读写标签。只读标签不能写数据，一次性读写标签只能写一次数据，从而就切断了篡改数据的物理方法。限制存储器的可写区域，限制存储器的可写区域的具体做法是提前把存储器的区域分割成可写区域和不可写区域，把关键数据放进不可写区域，这样就可以防止关键数据被篡改。密码保护，有些电子标签可以提前设定密码来保护数据，每次数据的写入需要密码的输入，没有破解密码就不能更改数据，但因为每个标签的密码不能一致，需要增加密码管理成本。变更存储器区域读写属性，有些电子标签可以设置存储器各区域的读写属性，对关键数据区域或全体区域设置只读属性就可以防止数据被篡改。任务三公交卡进行充值和刷卡（2）伪造标签伪造标签是目前RFID系统面临的一大威胁，如果不法分子能够轻易地伪造电子标签就意味着能够篡改商品或个人的身份，从而轻而易举地破坏整体系统的信用。例如在RFID的商品防伪应用领域，如能非法伪造电子标签，就意味着防伪系统的崩溃。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡例如在葡萄酒的防伪应用中，将电子标签内嵌在木塞里，只要开启木塞，里面的电子标签就遭破坏，无法再利用，如图5-3-6所示。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-6开启木塞破坏电子标签（3）非法读取电子标签数据电子标签的设计通常把重点放在了如何提高耦合效率，使电子标签数据更快、更准确地被读取。因此电子标签本身缺乏对非法读取的防范措施，为了防止电子标签被非法读取，可采用类似于防盗窃的手段。主要是进行数据加密和关键数据的分散存放，让不法分子即使读到了标签数据也解析不出有用的信息。

2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡2）非法截取读写器的无线信号读写器的输出功率要远远大于无源电子标签，因此读写器的电波传送距离要比无源电子标签远得多。例如超高频（UHF）段的读写器和无源电子标签的最大通信距离大约是5米，这主要是受电子标签功率和天线尺寸的限制，而读写器本身的电波可以传播到很远的地方，如图5-3-7所示。如果有人在离读写器较远的地方架设天线截取读写器的电波信号，就很难被察觉。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-7

读写器的电波可以传播到很远的地方3）读写器的安全课题和对策读写器的安全问题近年来已得到重视，研究机构和厂商也陆续推出了适合于RFID读写器的安全芯片。它的机理是对读写数据及传输数据进行加密，防范真实数据的泄露。4）服务器的安全课题和对策各种服务器及网络数据的安全属于RFID技术以外的范畴，可参照计算机服务器和网络安全方面的书籍及技术资料，本章不做赘述。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡5）管理方面所谓“三分技术，七分管理”，绝大多数安全起源于实施者忽略安全重要性和操作人员的操作失误。需要更新RFID实施方面的现存安全策略和加强安全操作维护，包括系统规划、风险评估、安全培训和应急处理等多个方面。（1）明确RFID使用的策略，确定如何授权和非授权使用RFID；（2）相应安全策略需要明确RFID相关网络、数据库和应用程序的安全使用；（3）布置RFID标签时要充分考虑有安全防护环境，安全正确部署读写器和标签，并且只有具有授权的人才可以接触和访问RFID系统；（4）除了必要信息以外，在标签中尽量不要出现敏感信息。（5）作为管理的关键，就是要有效培训操作员和管理员的安全操作意识和安全操作技能，尽量避免人为的安全隐患。2、RFID系统安全问题及解决策略任务三公交卡进行充值和刷卡3、M1卡数据读写操作1）M1卡数据访问机制M1卡是在将带有硬件逻辑电路的EEPROM芯片封装在卡片上外部读写设备必须通过硬件逻辑电路的判断后才能访问到EEPROM中的数据单元。由于在M1卡中存在一组硬件逻辑加密电路，EEPROM芯片的接口并不直接对外，在初始状态M1卡芯片中的数据开关处于断开状态。外部读写设备在访问M1卡芯片中的EEPROM单元之前，必须首先发一级数据级硬件逻辑电路，硬件逻辑电路在判断数据的合法性后，才决定是否将M1卡内的开关闭合。只有密码校验正确后，硬件逻辑电路才能将开关闭合，这时外部读写设备才能对EEPROM中的数据进行读写操作，这样M1卡就可以对外部合法和非法的读写设备进行识别判断。任务三公交卡进行充值和刷卡3、M1卡数据读写操作2）M1卡密钥认证M1卡激活后，要进行密钥验证才能对数据块进行基本的操作。密钥的认证采用了三次相互认证的方法，具有很高的安全性。如果事先不知卡上的密钥，则因密钥的变化可以极其复杂，试图靠猜测密钥而打开卡上一个扇区的可能性几乎为零。特别需要注意的是，无论是程序员还是卡的使用者，都必须牢记卡中的16个扇区的每一个密钥，否则，遗忘某一扇区的密钥将使该扇区中的数据不能读写。没有任何办法可以挽救这种低级错误。但是，卡上的其它扇区可以照样使用。任务三公交卡进行充值和刷卡M1卡上16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密钥，互不干涉，必须分别加以认证，才能对该扇区进行下一步的操作。阅读器与M1卡三次相互认证的过程如图5-3-8所示。任务三公交卡进行充值和刷卡图5-3-8