M1卡介紹

本文整理自網絡。

 

 

M1卡是指菲利浦下屬子公司恩智浦出品的芯片縮寫，全稱為NXP Mifare1系列，常用的有S50及S70兩種型號，目前都有國產芯片與其兼容，屬於非接觸式IC卡。最為重要的優點是可讀可寫並且安全性高的多功能卡。這些優點與其自身的結構密不可分。

 

主要指標

• 容量為8K位EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲器)
• 分為16個扇區，每個扇區為4塊，每塊16個字節,以塊為存取單位
• 每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制
• 每張卡有唯一序列號，為32位
• 具有防沖突機制，支持多卡操作
• 無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路
• 數據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次
• 工作溫度：-20℃~50℃(溫度為90%)
• 工作頻率：13.56MHZ
• 通信速率：106KBPS
• 讀寫距離：10mm以內（與讀寫器有關）

 

 

存儲結構

1、M1卡分為16個扇區，每個扇區4塊（塊0～3），共64塊，按塊號編址為0～63。第0扇區的塊0（即絕對地址0塊）用於存放廠商代碼，已經固化，不可更改。其他各扇區的塊0、塊1、塊2為數據塊，用於存貯數據；塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制、密碼B。每個扇區的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據實際需要設定各自的密碼及存取控制。存貯結構如下表所示：

 

	塊0	IC卡廠家信息	數據塊	0
扇區0	塊1		數據塊	1
	塊2		數據塊	2
	塊3	密碼A   存取控制   密碼B	控制塊	3
	塊0		數據塊	4
扇區1	塊1		數據塊	5
	塊2		數據塊	6
	塊3	密碼A   存取控制   密碼B	控制塊	7
		∶ 　　　　∶ 　　　　∶
	0		數據塊	60
扇區15	1		數據塊	61
	2		數據塊	62
	3	密碼A    存取控制   密碼B	控制塊	63

 

2、第0扇區的塊0（即絕對地址0塊），它用於存放廠商代碼，已經固化，不可更改。

3、每個扇區的塊0、塊1、塊2為數據塊，可用於存貯數據。

  數據塊可作兩種應用：

  用作一般的數據保存，可以進行讀、寫操作。

  用作數據值，可以進行初始化值、加值、減值、讀值操作。

4、每個扇區的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結構如下：

各區控制塊3 結構	字節號	0 1 2 3 4 5	6 7 8 9	10 11 12 13 14 15
	控制值	FF FF FF FF FF FF	FF 07 80 69	FF FF FF FF FF FF
	說明	密碼A(0～5字節)	存取控制(6～9字節)	密碼B(10～15字節)

 

　　密碼A（6字節）  存取控制（4字節） 密碼B（6字節） 

5、每個扇區的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據實際需要設定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個字節，共32位，扇區中的每個塊（包括數據塊和控制塊）的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應的三個控制位,定義如下：

表：控制位定義"CXxy" (x=0～15扇區； y=塊0，塊1，塊2) 

塊0	C1x0	C2x0	C3x0	用戶數據塊，(0區0塊除外)
塊1	C1x1	C2x1	C3x1	用戶數據塊
塊2	C1x2	C2x2	C3x2	用戶數據塊
塊3	C1x3	C2x3	C3x3	密匙存取控制塊

例如C1x0中的C代碼這是控制位，1代表第一位，0代表是塊0的控制位。

三個控制位以正和反兩種形式存在於存取控制字節中，決定了該塊的訪問權限（如進行減值操作必須驗證KEY A，進行加值操作必須驗證KEY B，等等）。三個控制位在存取控制字節中的位置

表：三個控制位在存取控制字節中的位置(注：" _b" 表示取反) 

字節號 | 位號	bit 7	6	5	4	3	2	1	0
字節6	C2x3_b	C2x2_b	C2x1_b	C2x0_b	C1x3_b	C1x2_b	C1x1_b	C1x0_b
字節7	C1x3	C1x2	C1x1	C1x0	C3x3_b	C3x2_b	C3x1_b	C3x0_b
字節8	C3x3	C3x2	C3x1	C3x0	C2x3	C2x2	C2x1	C2x0
字節9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0
所屬塊	塊3控制位	塊2控制位	塊1控制位	塊0控制位	塊3控制位	塊2控制位	塊1控制位	塊0控制位

以塊0為例,對塊0的控制：

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
字節6				C20_b				C10_b
字節7				C10				C30_b
字節8				C30				C20
字節9

( 注： C10_b表示C10取反 )

 

存取控制（4字節，其中字節9為備用字節）結構如下所示：

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
字節6	C23_b	C22_b	C21_b	C20_b	C13_b	C12_b	C11_b	C10_b
字節7	C13	C12	C11	C10	C33_b	C32_b	C31_b	C30_b
字節8	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
字節9

 ( 注： _b表示取反 )

 

6、數據塊（塊0、塊1、塊2）的存取控制如下：

控制位（X=0..2）			訪 問 條 件 （對數據塊 0、1、2）
C1X	C2X	C3X	Read	Write	Increment	Decrement, transfer, Restore
0	0	0	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	KeyA|B	Never	Never	Never
1	0	0	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	0	KeyA|B	KeyB	KeyB	KeyA|B
0	0	1	KeyA|B	Never	Never	KeyA|B
0	1	1	KeyB	KeyB	Never	Never
1	0	1	KeyB	Never	Never	Never
1	1	1	Never	Never	Never	Never

（KeyA|B 表示密碼A或密碼B，Never表示任何條件下不能實現）

 例如：當塊0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0時，驗證密碼A或密碼B正確后可讀；驗證密碼B正確后可寫；不能進行加值、減值操作。

 

 7、控制塊（塊3）的存取控制與數據塊（塊0、1、2）不同，它的存取控制如下：

			密碼A		存取控制		密碼B
C13	C23	C33	Read	Write	Read	Write	Read	Write
0	0	0	Never	KeyA|B	KeyA|B	Never	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	KeyA|B	Never
1	0	0	Never	KeyB	KeyA|B	Never	Never	KeyB
1	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never
0	0	1	Never	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	1	Never	KeyB	KeyA|B	KeyB	Never	KeyB
1	0	1	Never	Never	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	1	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never

例如：當塊3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0時，表示：

密碼A：    不可讀，驗證KEYB正確后可寫（更改）。

存取控制：不可寫，驗證KEYA或KEYB正確后可讀。

密碼B：    不可讀，驗證KEYB正確后可寫。

 

 

工作原理

卡片的電氣部分只由一個天線和ASIC(Application Specific Integrated Circuit)組成。

天線：卡片的天線是只有幾組繞線的線圈，很適於封裝到IS0卡片中。

ASIC：卡片的ASIC由一個高速（106KB波特率）的RF接口，一個控制單元和一個8K位EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲器)組成。

工作原理：讀寫器向M1卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與訊寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2V時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。

 

復位應答（Answer to request）

M1射頻卡的通訊協議和通訊波特率是定義好的，當有卡片進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗證卡片的卡型。

 

防沖突機制 (Anticollision Loop)

當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處於空閑模式等待下一次選卡，該過程會返回被選卡的序列號。

 

選擇卡片(Select Tag)

選擇被選中的卡的序列號，並同時返回卡的容量代碼。

 

三次互相確認(3 Pass Authentication)

選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區號，並對該扇區密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。（在選擇另一扇區時，則必須進行另一扇區密碼校驗。）

 

對數據塊的操作

讀 (Read)：讀一個塊；

寫 (Write）：寫一個塊；

加（Increment）：對數值塊進行加值；

減（Decrement）：對數值塊進行減值；

存儲（Restore）：將塊中的內容存到數據寄存器中；

傳輸（Transfer）：將數據寄存器中的內容寫入塊中；

中止（Halt）：將卡置於暫停工作狀態；

 

 

M1卡運作機理

連接讀寫器→尋卡→識別卡（獲取卡序列號）→從多卡中選一張卡→向卡中緩沖區裝載密碼→驗證密碼→進行讀寫→關閉連接

即（代碼說明）

Open_USB→rf_request→rf_anticoll→rf_select→rf_load_key→rf_authentication→(/a_hex)→rf_read/rf_write→(hex_a)→Close_USB

如果概括來說的話，主要也就四部分：開關連接、尋卡、驗證密碼、讀取。

 

基本操作規則

（1）程序開始，調用rf_init函數初始化串口。

（2）尋卡，調用rf_card；

        相當於連續調用三個函數：

 　　 rf_request

　　  rf_anticoll

 　    rf_select

 　　 注：調用高級函數對卡進行操作時，無需此步驟。

（3）對單個扇區操作，順次執行A～D；

 　　 對多個扇區操作，循環執行A～E；

 　　 A、選定要操作的扇區；

 　　 B、裝載密碼，調用rf_load_key；

　　  C、驗證密碼，調用rf_authentication；

　　  D、進行操作，包括讀寫及值操作。

　　  E、調用rf_halt。

（4）關閉串口，調用rf_exit。程序正常退出或因錯誤退出之前，要使用函數；否則再次執行初始化串口時將出錯。

 

M1卡功能模式

1.尋卡模式：

尋卡模式分三種情況：IDLE模式、ALL模式及指定卡模式（0，1，2 均是int類型，是方法參數，下同）。

     0——表示IDLE模式，一次只對一張卡操作；

     1——表示ALL模式，一次可對多張卡操作；

     2——表示指定卡模式，只對序列號等於snr的卡操作（高級函數才有）【不常用】

也就是說，我們一次也可以同時操作多張卡。

對於多卡操作，其實際真正執行操作的還是一張卡。讀寫器能識別多張卡的序列號（但注意識別出的順序是不定的，並且最多也就能識別4張卡，因為卡疊放的厚度太厚，會超出讀寫器的識別范圍），並一一進行操作。

所以由此看出，多卡操作的意義並不大。但我建議大家還是設置為1好了。

 

2.密碼驗證模式：

     0——KEYSET0的KEYA

     4——KEYSET0的KEYB

M1卡可以在驗證密碼時選擇密碼類型（A/B）。【其實M1卡有3套密碼（KEYSET0、KEYSET1、KEYSET2），共6個密碼（用0～2、4～6來表示這六個密碼），目的是為了適應不同讀寫器。而這里我們用的是KEYSET0的2個密碼】

 

M1卡密碼機制

這可以說是M1卡的精髓了，也是M1卡最為復雜的地方，希望大家耐心看完。

（請先看明白M1卡結構）如上所說，在存取控制中每個塊都有相應的三個控制位,它們的定義如下：

     塊0：   C10   C20   C30

     塊1：   C11   C21   C31

     塊2：   C12   C22   C32

     塊3：   C13   C23   C33

一個扇區的三個數據塊，我們可以利用密碼機制對它們分別進行權限控制。數據塊（塊0、塊1、塊2）的存取控制如下：

 

例如：當塊0的存取控制位C10 C20 C30=100時，驗證密碼A或密碼B正確后可讀；驗證密碼B正確后可寫；不能進行加值、減值操作。

那么M1卡修改密碼的方法是rf_changeb3

參數：

     icdev：通訊設備標識符

     _SecNr：扇區號（0～15）

     _KeyA：密碼A

     _B0：塊0控制字，低3位（D2D1D0）對應C10、C20、C30

     _B1：塊1控制字，低3位（D2D1D0）對應C11、C21、C31

     _B2：塊2控制字，低3位（D2D1D0）對應C12、C22、C32

     _B3：塊3控制字，低3位（D2D1D0）對應C13、C23、C33

     _Bk：保留參數，取值為0

     _KeyB：密碼B

返 回：成功則返回 0

由上我們看出_B0、_B1、_B2、_B3分別控制塊0、塊1、塊2、塊3。

由圖我們可知_B0、_B1、_B2的可取值為 0、10、100、110、1、11、101、111。

這里大家一定要注意一點：

不能裝載密碼到M1卡某一扇區后再更改那扇區的密碼（最好連接完讀寫器后直接更改密碼），否則更改密碼會失敗而凍結扇區。如果不慎這樣了，解決的辦法是完成一次讀寫操作，再更改密碼。

控制塊（塊3）的存取控制與數據塊（塊0、1、2）不同，它的存取控制如下：

_B3的取值與_B0相同。

 

存取控制舉例

例1：塊3的初始化值為：
KeyA=A0、A1、A2、A3、A4、A5
控制塊=FF、07、80、69
KeyB=B0、B1、B2、B3、B4、B5

 

字節	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	權限	二進制
Byte6	C2X3_b	C2X2_b	C2X1_b	C2X0_b	C1X3_b	C1X2_b	C1X1_b	C1X0_b	FF	1 1 1 1 1 1 1 1
Byte 7	C1X3	C1X2	C1X1	C1X0	C3X3_b	C3X2_b	C3X1_b	C3X0_b	07	0 0 0 0 0 1 1 1
Byte 8	C3X3	C3X2	C3X1	C3X0	C2X3	C2X2	C2X1	C2X0	80	1 0 0 0 0 0 0 0
Byte 9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0	69	0 1 1 0 1 0 0 1

得出存取控制位如下：

塊0	C1X0	C2X0	C3X0	0 0 0
塊1	C1X1	C2X1	C3X1	0 0 0
塊2	C1X2	C2X2	C3X2	0 0 0
塊3	C1X3	C2X3	C3X3	0 0 1

 

例2：塊3的初始化值為：

KeyA=A0、A1、A2、A3、A4、A5
控制塊=08、77、8F、00
KeyB=B0、B1、B2、B3、B4、B5

字節	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	權限	二進制
Byte 6	C2X3_b	C2X2_b	C2X1_b	C2X0_b	C1X3_b	C1X2_b	C1X1_b	C1X0_b	08	0 0 0 0 1 0 0 0
Byte 7	C1X3	C1X2	C1X1	C1X0	C3X3_b	C3X2_b	C3X1_b	C3X0_b	77	0 1 1 1 0 1 1 1
Byte 8	C3X3	C3X2	C3X1	C3X0	C2X3	C2X2	C2X1	C2X0	8F	1 0 0 0 1 1 1 1
Byte 9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0	00	0 0 0 0 0 0 0 0

 
得出存取控制位如下：

塊0	C1X0	C2X0	C3X0	1 1 0
塊1	C1X1	C2X1	C3X1	1 1 0
塊2	C1X2	C2X2	C3X2	1 1 0
塊3	C1X3	C2X3	C3X3	0 1 1

M1卡使用注意事項

快速識別EM卡，HID卡和MF卡

如果是一面平，一面代坡並且底面有一排數字的為EM卡，剩下兩張應該是平的，其中一張應該是另一張的二倍厚，那么厚的那張是HID卡，薄的是MF卡。 M1卡寫數據是直接向控制塊里寫,但能寫的前提是扇區的密碼已得到確認.向控制塊中寫數據時,首先要理解控制塊中控制位的用途.避免寫入無效數據后,扇區被鎖死。 每個控制塊共16個字節,前6個和后6個字節是密碼KeyA和KeyB,中間4個字節是控制位.如果寫錯控制位,即使你知道KeyA/KeyB,也再也不能訪問這個扇區了。

 

所謂三次互相認證是只在進行真正的數據交換前,卡和讀寫器之間會傳輸一些隨機產生的密鑰,在確認這一次通訊的密鑰后,真正的數據才會使用這些密鑰加密后進行通訊.密鑰產生過程就是三次認證.由於每一次密鑰不同,所以即使是進行相同數據的通訊,在卡和讀卡器之間的每次通訊信號都是不同的,沒法捕捉。這三次認證跟密鑰KEYA或KEYB是有關的。的確需要事先設定讀卡機和卡片的密鑰一致才能認證。認證時通過隨機數和KEYA或KEYB產生一個后續通信需要的流加密種子，當然讀卡機和卡片的加密算法和該種子需保持一致。

 

MF1卡常見問題及處理建議：

• ① 盲目操作：造成某些區塊誤操作被鎖死不能再使用。應當仔細參考表3表5的控制權限后，予先得出操作后的結果是否適合使用要求，並且列出操作順序表單再操作。最好授權程序員對塊3的設置作專人操作。
• ② 丟失密碼：再讀寫時造成密碼認證出錯而不能訪問卡。特別要求在對MF卡進行塊3編程操作時，必須及時記錄相關卡號的控制值，KeyA，KeyB等，而且應當有專人管理密碼檔案。
• ③ 錯誤設置：對MF1卡的塊3控制塊了解不透徹，錯誤的理解造成設置造成錯誤的設置。依照表2可知，目前Mf1卡的控制塊僅只有8種數據塊訪問控制權限和8種控制塊設置權限，超出這16種權限的其他代碼組合，將直接引起錯誤設置而使卡片報廢!
• ④ 極端權限：當塊3的存取控制位C13 C23 C33 = 110或者111時，稱為極端權限。除特殊應用外一般不被使用!啟用前認真權衡對密碼讀寫，存取控制的鎖死是否必要，否則，數據加密后即使有密碼也無法讀取被鎖死的數據區塊(看不見)!
• ⑤ 設備低劣：低劣的設備將直接影響卡的讀寫性能。對MF卡進行塊3編程操作的設備，特別要求其性能必須十分可靠，運行十分穩定!建議選用由飛利浦公司原裝讀寫模塊構建的知名讀寫機具!
• ⑥ 編程干擾：在對塊3進行編程操作時，不可以有任何的‘IO‘中斷或打擾!包括同時運行兩個以上程序干擾甚至PC機不良的開關電源紋波干擾等，否則，不成功的寫操作將造成某個扇區被鎖死的現象，致使該扇區再次訪問時出錯而報廢。
• ⑦ 數據出錯：在臨界距離點上讀卡和寫卡造成的。通常的讀卡，特別是寫卡，應該避免在臨界狀態(剛能讀卡的距離)讀卡。因為臨界狀態下的數據傳送是很不穩定的!容易引起讀寫出錯!
• ⑧ 人為失誤：例如，密碼加載操作失誤，誤將KeyA加載為KeyB；或者是誤將其他制卡廠約定的初始密碼值如a0a1a2a3a4a5，b0b1b2b3b4b5加載到本公司生產的MF1卡內；或者在初始狀態下(密碼A=000000000000【隱藏狀態，實際為ffffffffffff】，控制位=FF 07 80 69，密碼B=ffffffffffff【可見】)若不經意地將KeyA=000000000000 刪除后又重新輸入12個‘0‘，並加載了它!這時無意中已將KeyA原來12個隱藏的‘f‘，修改成了12個‘0‘，其后果可想而知!
• ⑨ 卡片失效：讀寫均無數據傳送，讀寫器報告‘尋卡錯誤‘!卡片被超標扭曲，彎曲而造成內電路斷裂。
• ⑩ 讀寫距離過近：與用戶使用的讀寫器性能有關。標准型MF1卡的讀寫距離可達10cm(在飛利浦公司的標准讀寫機具上測試的最大距離)，國產知名品牌讀寫器一般可達5-10cm。尺寸較小的匙扣卡，其讀寫距離當然比標准卡近許多，但只要可靠的讀寫距離≥5～10mm以上，一般不會影響正常使用!

 

 

 

 

 

實際應用

 

M1 卡的格式化方法：

例如，M1 卡的某一扇區的塊3數據為：

KEYA：FFFFFFFFFFFF

控制值：FF078069

KEYB：FFFFFFFFFFFF

 

現要格式化卡（假如驗證密碼A）為：

KEYA 輸入 FFFFFFFFFFFF

KEYB 輸入 123456781234

則可以格式化

 

KEYA 輸入 123456781234

KEYB 輸入 FFFFFFFFFFFF

也可以格式化

即先用輸入的KEYA與卡中控制塊的KEYA比較，驗證失敗再用輸入的KEYB與卡中控制塊的KEYB比較，驗證失敗則失敗，否則成功。