Module 8 IC卡安全電子商務安全 8

Module 8： IC卡安全電子商務安全 8 -

Module 8： IC卡安全 v Module 8 -1：IC卡簡介 v Module 8 -2：IC卡安全架構 v Module 8 -3：IC卡安全技術標準 v Module 8 -4：IC卡應用模式 v 參考文獻電子商務安全 8 -2

Module 8 -1： IC卡簡介電子商務安全 8 -3

Module 8 -1： IC卡簡介 v IC卡之類型 v IC卡之檔案結構 v IC卡之通訊協定 v IC卡之存取控制電子商務安全 8 -4

IC卡之類型 v 接觸式 IC卡 Ø 接觸式 IC卡上 IC晶片接觸點 C 1 C 5 C 2 C 6 C 3 C 7 C 4 C 8 中華民國資訊安全學會電子商務安全 8 -5

IC卡之類型 Ø CPU卡內部電路概念圖 n IC卡內之CPU一般為 8 bit單晶片處理器，如8051, 6805等。 ROM Card OS RST 界面 CLK I/O CPU EEPROM/Flash Data File, PIN keys UART 密碼協同處理 Crypto-coprocessor 電子商務安全 8 -6

IC卡之類型 v 非接觸式(contactless)IC卡 Ø 非接觸式IC卡內部電路概念圖整電磁波中華民國資訊安全學會電子商務安全記憶體流 CPU 介面密碼處理 8 -7

IC卡之類型 v 混和式(hybrid) IC卡 Ø 含有接觸式與非接觸式兩種介面之 IC卡 (ICC) n 接觸式與非接觸式各用其獨立之 IC晶片 n 接觸式與非接觸式共用一顆 IC晶片中華民國資訊安全學會電子商務安全 8 -8

IC卡之檔案結構 Ø IC卡是以檔案為處理單位 Ø 檔案結構含標頭 (header)與檔案本體 (body)兩部份 Ø IC卡是採階層式的檔案架構 Ø IC卡安全需考量檔案之存取控制與加密處理，故需先了解 IC卡之檔案架構。電子商務安全 8 -9

IC卡之檔案結構-----檔案型態 ----v 檔案類別： n依 ISO 7816 part 4 標準 n類似DOS或UNIX系統 1. 目錄檔(Directory File) : Ø 主檔(Master File ---MF) Ø 專屬檔(Dedicated file---DF) 2. 基本檔(Elementary File---EF）：資料檔 Ø 作檔(Working file) Ø 內部檔(Internal file) 電子商務安全 8 -10

IC卡之通訊協定 v IC卡之啟動與處理概述 Ø 將接觸式IC卡插入讀卡機，或將非接觸式IC卡近接讀卡機 Ø IC卡經由讀卡機取得+5 V電源及鐘訊CLK Ø IC卡與讀卡機間建立交談通訊程序 Ø 讀卡機存取IC卡資料 Ø 完成處理，IC卡退出(或遠離) 讀卡機電子商務安全 8 -11

IC卡之通訊協定 v 接觸式 IC卡之啟動與處理步驟 1. 讀卡機經 C 2送 Reset (RST) 信號至 IC卡：讀卡機起動交握程序，讓IC卡內之 CPU重置各暫存器 (Registers)，並起動重置回應處理。 2. IC卡經 C 7(I/O)送重置回應 (ATR, Answer To Reset) 至讀卡機：以讓讀卡機了解 IC卡之基本參數設定。 3. 讀卡機經 C 7(I/O)送命令 (command) 至 IC卡：讀卡機要求 IC卡執行特定作。 4. IC卡回應 (Response)執行結果及狀態給讀卡機。 5. 重覆步驟 (3)(4)直至完成交談處理。 6. 終止交談程序， IC卡退出 (或遠離 ) 讀卡機。電子商務安全 8 -12

IC卡之通訊協定 v 接觸式 IC卡與讀卡機之通訊協定讀卡機 IC卡電子商務安全 8 -13

IC卡之存取控制 Ø IC卡之存取控制是針對檔案之存取控制。 Ø 所有檔案都有一存取相關規則資料，存放於該檔案的Header內，Header由檔案管理系統管理。因此， IC卡的安全決定於檔案管理系統存取政策。 Ø 每個檔案都以該檔案的FID識別，控制存取該檔案之資料。電子商務安全 8 -14

IC卡之存取控制-----檔案選擇 ----Ø 採用物件導向管理方式，檔案必須先選取才可存取。 Ø 任一時間只有一個檔案可被選取 Ø 主檔可在檔案樹狀結構中任一層直接選取。電子商務安全 8 -15

IC卡之存取控制-----檔案選擇 ----Ø 主檔(MF)的選取： n 以FID“ 3 F 00”選取 n reset後直接進入MF Ø 專屬檔(DF)的選取 n 利用專屬檔的FID或包含已註冊的AID之DF 檔名。 n 選取檔案命令必須包含 2 bytes專屬檔的FID，檔案必須選取後才可被存取。電子商務安全 8 -16

IC卡之存取控制-----檔案選擇 ----Ø 專屬檔 (DF)的選取 n利用專屬檔的短檔案識別符 n只可對 DF動作 (Short FID) Ø 專屬命令：READ BINARY, UPDATE RECORD 優點： 1. 利用單一命令，可對檔案同時選擇及存取。 2. 高執行速度電子商務安全 8 -17

Module 8 -2： IC卡安全架構電子商務安全 8 -18

Module 8 -2： IC卡安全架構 v IC卡之安全防護概念 v IC卡之安全攻擊 v IC卡之安全防護電子商務安全 8 -19

v IC卡之安全防護概念 Ø IC卡是ㄧ密碼模組。 Ø IC卡主要用於 n 儲存公開金鑰或私密金鑰之憑證(certificate)裝置。 n 儲存使用者之祕密參數。 n 儲存個人私密資料。 n 儲存隨附高階物品之產品資料。電子商務安全 8 -20

Ø 卡片身分鑑別 Ø 檔案存取控制 Ø 檔案加密處理 Ø 運算訊息隱藏安全防護攻擊 IC卡應用系統讀卡機電子商務安全 IC卡中華民國資訊安全學會 8 -21

Ø IC卡依不同之應用情境，可能會遭受不同之安全威脅與攻擊。 n側錄：經由有線或無線從旁盜錄資料 n假冒：假冒系統或使用者 n洩漏：經由有線或無線從內部洩漏資料出去 n攔截：經由有線或無線攔截通訊資料 n竊取：竊取非經授權之內部資料 n竄改：竄改所竊取之內部資料或所攔截之通訊資料 n隱私：揭露個人隱私資料電子商務安全 8 -22

Ø IC卡依不同之應用情境，可提供下列部分或全部之安全防護服務。 n 鑑別性 n 機密性 n 完整性 n 存取控制 n 不可否認電子商務安全 8 -23

IC卡之安全攻擊 v IC卡與一般微處理機架構類似，為因應身分鑑別、資料加解密、簽章驗證等密碼處理功能需求，通常內含一密碼協同處理器(Crypto Coprocessor)。 v IC卡常被應用於資訊安全應用處理上。因此，常面臨不當攻擊，所以IC卡設計上須考慮安全防護措施。電子商務安全 8 -24

IC卡之安全攻擊----- IC卡硬體架構與程式執行 ROM---IC卡的 OS (COS)，在晶片製造時完成 EEPROM—記憶應用程式與相關的靜態資料 RAM—應用程式執行過程所產生之暫態資料電子商務安全 8 -25

IC卡之安全攻擊----- IC卡硬體架構與程式執行 v 應用程式被IC卡執行之四個主要步驟 (由終端機觀點)： *選擇載入IC卡的應用程式 *提供使用者鑑別 *讀寫運算IC卡資料 *退出應用程式電子商務安全 8 -26

IC卡之安全攻擊----- IC卡的可能攻擊方法 IC卡的四種可能攻擊： • 侵入式攻擊 (Invasion Attack) • 軟體攻擊 (Software Attack) • 側通道攻擊 (Side-Channel Attack) • 故障攻擊 (Fault Attack) 電子商務安全 8 -27

v 侵入式攻擊(Invasion Attack) Ø 利用微探針(Microprobing)直接量測晶片，取得相關資訊的技術。這類攻擊主要利用晶片製造過程中，用於量測晶片的儀器設備。 *不需知道太多晶片相關資訊防禦技術：硬體電路必須具有侵入偵測與反應設計。電子商務安全 8 -28

v 侵入式攻擊步驟電子商務安全 8 -29

Attack) 軟體攻擊是利用應用軟體、IC卡與讀卡機之通訊協定、密碼演算法、COS等軟體程式之弱點，而取得密碼模組之內部秘密參數等相關資訊。例如猜測PIN碼、未授權之檔案存取、惡意程式碼、 SIM卡之暴力攻擊。 v 軟體攻擊(Software 電子商務安全 8 -30

Attack) 側通道攻擊是經由非正常通道，即側通道，監測密碼模組在執行過程中，因運算動作與運算元之不同，造成密碼模組在某些物理特性上之變動，而側錄此變動波形，再經由分析此洩漏之訊息，解讀出密碼模組之內部秘密參數。例如密碼模組的功率消耗(SPA/DPA)攻擊、電磁輻射(EMA)攻擊，執行時間(Timing)攻擊。 v 側通道攻擊(Side-Channel 電子商務安全 8 -31

v 側通道攻擊電力消耗曲線攻擊依據密碼演算法在模組內執行時，因運算元內容不同，消耗不同的電流，此功率消耗將呈現在由外界供應之電力的電源線上，攻擊者可以量測電流變化，配合密碼演算法資訊，利用分析具找出密碼模組相關機密資訊。此類攻擊又可分為：簡單電力攻擊 (Simple Power Attack)，差分電力攻擊 (Differential Power Attack)與時間攻擊 (Timing Attack) 電子商務安全 8 -32

v 簡單電力攻擊(SPA)與差分電力攻擊(DPA) 電子商務安全 8 -33

v 電磁波攻擊(Electromagnetic Attack) Analysis EMA - 電磁波洩漏(Electromagnetic leakage) l 任何電子電路在訊號處理中，其運算處理所需之變動電流皆會產生變動磁場，而形成電磁波。 l 任何電子電路或多或少，都會產生電磁波輻射。 l 若電路設計不佳，如阻抗不匹配、接地不良、未做隔離，則內部之運算訊息會藉由電磁波輻射洩漏出去。 l 由電磁波輻射洩漏之訊息可經天線接收，再解調回原訊息而被側錄。 l IC卡可經緊貼於背面之靈敏天線側錄而被攻擊。電子商務安全 8 -34

v 故障攻擊(Fault Attack) n運用外力造成密碼模組在執行時發生錯誤，由錯誤輸出配合與密碼模組相關設計資訊，找出機密資料。 n外力造成密碼模組運算錯誤，可能是暫時性的，在攻擊事後，該密碼模組可經由程序回復正常作；也可能該外力造成密碼模組嚴重毀損，而無法回復。即故障現象可分為：暫態故障與永久故障。電子商務安全 8 -35

Attack) ---暫態故障分析利用外力造成模組暫時性的故障。施加的外力例如X光、改變時脈、高壓放電等。 ---永久故障分析破壞密碼模組硬體電路，造成故障現象。 v 故障攻擊(Fault 電子商務安全 8 -36

v GSM 用戶SIM卡的可能攻擊方法(暴力攻擊) 將SIM卡放入讀卡機CAD中，執行 MF後，依下列之分析程序攻擊。 [1] 選擇讀取基本檔案 (EF-2 FE 2)，此時使用者便可以獲得儲存在檔案中此卡之ID碼 (ICCID)。 [2] 選擇讀取基本檔案 (EF-6 F 07)下，以獲得儲存在檔案中此卡之IMSI。 [3] 選擇讀取基本檔案(EF-6 F 7 E)，以獲得儲存在檔案中之 TMSI、LAI、 RAND、SRES等資料。 Ø n CAD ： card acceptance device ，即 smart card reader 電子商務安全 8 -37

[4] 選擇讀取基本檔案(EF-6 F 20)，以獲得儲存在檔案中之加密金鑰(Kc)。 [5]此時CAD下達執行RUN GSM Algorithm 指令，並產生亂數Ki傳送給SIM卡。此時SIM卡將利用檔案內之RAND及收到來自CAD之Ki，分別送至A 3及A 8演算法，產生SRES及Kc，回傳給CAD。 CAD便可以比對，收到之SRES及Kc與先前讀取之SRES及Kc是否相等。若相等，即破解此卡之Ki。若不相等，持續重複上述步驟，直到相等為止。 [6]從步驟[1]至[5]，使用者可獲得此卡之基本資料，ICCID、IMSI、TMSI、Ki 等。將上述資料寫入空白SIM內相對應之檔案目錄內即可複製SIM卡。 n 此為典型之暴力攻擊法。電子商務安全 8 -38

IC卡之安全防護----- IC卡檔案管理之存取控制電子商務安全 8 -39

IC卡之安全防護 ----- IC卡檔案管理之存取控制 v 作業系統(OS)要求：所有運算都由存在於卡內作業系統負責統籌，因此作業系統必須負責IC卡機密資料存取相關運作。 v 存取控制(Access Control) 確定只有合法使用者可存取修改使用者個人資料。可分為： * 邏輯存取控制(logical access control) * 實體存取控制(physical access control) 電子商務安全 8 -40

IC卡之安全防護 ----- IC卡檔案管理之存取控制 v 應用程式對密碼協同處理器的存取必須受限 ---檢查合法存取矩陣 v 應用程式對密碼協同處理器的防護必須提供 ---內建一檢查程式 ( 具)，以檢查應用程式對資料存取的方法是否符合規則 v 應用資料與內部資料儲存對映關係必須保護 ---內建一轉換，以存取EEPROM資料位置值電子商務安全 8 -41

IC卡之安全防護----- IC卡實體安全之晶片設計與產品週期 v 實體攻擊防護---侵入式攻擊防護 Ø 分割整個製程過程的每個步驟， Ø 確定各個步驟負責的廠商只知與負責作相關資訊，無法了解IC卡設計詳情。 Ø 符合 FIPS 140 安全等級需求電子商務安全 8 -42

IC卡之安全防護----- IC卡實體安全之晶片設計與產品週期 v Card life cycle：電子商務安全 8 -43

IC卡之安全防護----- IC卡實體安全之晶片設計與產品週期 v 晶片設計： Ø 防止以簡單設備複製IC電路設計，設計時加入對記憶體存取保護電路。 ROM 設計： Ø ROM受作業系統保護，防止設計內容被複製 Ø ROM分兩區塊，其中一區可在power on (ATR)存取，另一區則必須在存取條件符合或存取動作正確時才可存取。電子商務安全 8 -44

IC卡之安全防護----- IC卡實體安全之晶片設計與產品週期 v 晶片製造： Ø 確實管制製造材料儀器使用 Ø 製造商擁有獨立金鑰 Ø 限制製造商擁有所有資料 v 封裝： Ø 封裝廠不應知道晶圓實際設計內容 Ø 封裝廠擁有獨立金鑰，可執行功能測試 Ø 限制封裝廠擁有所有資料。電子商務安全 8 -45

IC卡之安全防護----- IC卡實體安全之晶片設計與產品週期 v 發卡單位： Ø只知IC卡提供功能 Ø可針對卡片執行個人化規劃 Ø必須確定發卡單位不應該知道IC卡設計詳情。 v 使用者：擁有個人金鑰，確保個人資料存取。電子商務安全 8 -46

IC卡之安全防護 ----- IC卡攻擊防護之防禦方法 v 實體攻擊防護---非侵入式攻擊 *軟體攻擊防護 *側通道(Side-Channel)攻擊防護 *故障攻擊防護電子商務安全 8 -47

IC卡之安全防護 ----- IC卡攻擊防護之防禦方法 v 軟體攻擊防護 1. 加入Tamper-resistance 2. Code 轉換，使程式設計者無法直接從模組讀取程式 3. 在程式撰寫時注意特殊指令運用，避開特殊功能，撰寫過程、測試後必須徹底消除所有測試點。 4. 多樣性(Diversity)與個人化(Individualization) 電子商務安全 8 -48

IC卡之安全防護 ----- IC卡攻擊防護之防禦方法 v 側通道攻擊防護---SPA/DPA防護 *降低模組功率消耗 *遮蓋模組功率消耗曲線 1. 雜訊遮蓋 2. 濾波 *隔離模組電源線 *引入冗餘指令電子商務安全 8 -49

v 側通道攻擊防護---時間攻擊防護 * 避免特殊指令使用 *平衡演算法執行時間 * 隨機化模組時脈頻率電子商務安全 8 -50

v 電磁波分析攻擊防護 *電子電路之良好阻抗匹配(impedance matching)設計 *電子電路之良好屏蔽(shielding)設計 *電子電路之良好接地(grounding)設計電子商務安全 8 -51

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