RFID Authentication (認證機制)

 RFID Authentication (認證機制) 

MIFARE 1K 卡片選擇的流程，Authentication (認證) 是讀卡器 (PCD) 在讀取或寫入卡片資料前最關鍵的安全步驟。

我將分為兩部分來解釋：首先說明 MIFARE 1K 的認證機制，然後提供一個使用 Python Tkinter 模擬該流程的程式碼架構。

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第一部分：MIFARE 1K 認證流程 (Authentication) 說明

MIFARE Classic 1K 卡片將其記憶體分為 16 個扇區 (Sectors)，每個扇區包含 4 個區塊 (Blocks)。每個扇區的最後一個區塊稱為扇區尾部 (Sector Trailer)，用於儲存該扇區的兩個密鑰：Key A 和 Key B，以及存取控制位元 (Access Bits)。

認證流程的目的是：讀卡器必須證明它知道存取該扇區所需的正確密鑰。

1. 認證的必要條件

• 選擇卡片： 必須先完成前一步驟（防衝突與 SAK 判斷），單一卡片已被選定。

• 指定目標： 讀卡器必須指定要存取哪一個扇區中的哪一個區塊。

• 提供密鑰： 讀卡器必須使用該扇區的正確 Key A 或 Key B 進行認證。

2. 認證的標準三步握手 (Three-Pass Handshake) 流程

為了確保安全性，MIFARE Classic 採用一種類似 Challenge-Response 的三步握手機制，密鑰本身不會在空中傳輸：

步驟	動作主體	傳輸內容 (抽象化)	目的
1. 請求認證	讀卡器 (PCD) -> 卡片 (PICC)	認證命令 (AUTH) + Key Type (A 或 B) + Block Address + UID	讀卡器發送請求，並使用提供的 Key 對數據進行加密計算。
2. 卡片挑戰	讀卡器 (PCD) <- 卡片 (PICC)	Nonce 1 (卡片發出的隨機數)	卡片向讀卡器發出挑戰，並用其內部儲存的 Key A/B 對 Nonce 1 進行加密計算。
3. 讀卡器響應	讀卡器 (PCD) -> 卡片 (PICC)	Nonce 2 (讀卡器發出的隨機數) + 加密計算結果	讀卡器用其知道的 Key 對 Nonce 1 進行相同計算，並將結果及 Nonce 2 傳回給卡片。
4. 認證完成	讀卡器 (PCD) <- 卡片 (PICC)	加密計算結果 (卡片版本)	卡片比較讀卡器的結果與自己的計算結果。如果一致，卡片回覆一個加密後的響應，並進入認證成功狀態。

只有在認證成功後，讀卡器才能根據扇區尾部的存取控制位元 (Access Bits) 對該扇區的資料區塊進行讀取或寫入操作。

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第二部分：Python Tkinter 認證流程模擬

import tkinter as tk

from tkinter import ttk

import random

class MifareAuthenticationSimulator:

    def __init__(self, master):

        self.master = master

        master.title("MIFARE 1K 認證流程 (Tkinter 模擬)")

        # 模擬正確密鑰 (Key A)

        self.CORRECT_KEY = "FFFFFFFFFFFF"

        

        # 狀態變數

        self.status_text = tk.StringVar()

        self.log_text = tk.StringVar()

        self.card_access_status = tk.StringVar()

        # 初始化介面

        self.create_widgets()

        self.reset_simulator()

    def create_widgets(self):

        # 輸入區塊：密鑰和區塊地址

        input_frame = ttk.LabelFrame(self.master, text="認證參數 (模擬)")

        input_frame.grid(row=0, column=0, padx=10, pady=10, sticky="ew")

        ttk.Label(input_frame, text="密鑰 (Key A/B, 12字元HEX):").grid(row=0, column=0, padx=5, pady=5, sticky='w')

        self.key_entry = ttk.Entry(input_frame, width=20)

        self.key_entry.grid(row=0, column=1, padx=5, pady=5, sticky='w')

        self.key_entry.insert(0, "FFFFFFFFFFFF") # 預設輸入正確密鑰

        ttk.Label(input_frame, text="區塊地址 (0-63, 模擬):").grid(row=1, column=0, padx=5, pady=5, sticky='w')

        self.block_entry = ttk.Entry(input_frame, width=20)

        self.block_entry.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=5, sticky='w')

        self.block_entry.insert(0, "4") # 模擬區塊 4 (扇區 1 的第一個資料區塊)

        # 操作按鈕

        self.auth_button = ttk.Button(self.master, text="執行認證 (Authentication)", command=self.start_authentication)

        self.auth_button.grid(row=1, column=0, padx=10, pady=5, sticky="ew")

        

        # 流程紀錄

        log_frame = ttk.LabelFrame(self.master, text="三步握手流程紀錄")

        log_frame.grid(row=2, column=0, padx=10, pady=5, sticky="ew")

        self.log_label = ttk.Label(log_frame, textvariable=self.log_text, wraplength=450, justify=tk.LEFT, font=('Arial', 10, 'italic'))

        self.log_label.grid(row=0, column=0, padx=5, pady=5, sticky='w')

        # 最終結果

        result_frame = ttk.LabelFrame(self.master, text="認證結果")

        result_frame.grid(row=3, column=0, padx=10, pady=5, sticky="ew")

        self.result_label = ttk.Label(result_frame, textvariable=self.card_access_status, font=('Arial', 12, 'bold'), foreground='black')

        self.result_label.grid(row=0, column=0, padx=5, pady=5, sticky='w')

        

        # 重置按鈕

        self.reset_button = ttk.Button(self.master, text="重置", command=self.reset_simulator)

        self.reset_button.grid(row=4, column=0, padx=10, pady=5, sticky="ew")

    def reset_simulator(self):

        self.log_text.set("請輸入密鑰和區塊地址，然後點擊 '執行認證'。")

        self.card_access_status.set("當前狀態：未認證")

        self.result_label.config(foreground='black')

        self.auth_button.config(state=tk.NORMAL)

        

    def generate_nonce(self):

        # 模擬產生 4 byte 隨機數 (Nonce)

        return f"{random.getrandbits(32):08X}"

    def start_authentication(self):

        # 獲取使用者輸入

        key_input = self.key_entry.get().upper()

        block_input = self.block_entry.get()

        

        self.log_text.set("")

        self.card_access_status.set("認證進行中...")

        self.result_label.config(foreground='orange')

        self.auth_button.config(state=tk.DISABLED)

        log = ""

        

        # --- 步驟 1: 讀卡器請求認證 ---

        log += f"1. 讀卡器 (PCD) 發送認證請求：\n"

        log += f"   - 參數：使用 Key A, 區塊地址 {block_input}, 卡片 UID。\n"

        

        # --- 步驟 2: 卡片發出挑戰 (Nonce 1) ---

        nonce1 = self.generate_nonce()

        log += f"2. 卡片 (PICC) 回覆挑戰：\n"

        log += f"   - 傳輸：發送隨機數 Nonce 1 ({nonce1})。\n"

        

        # --- 步驟 3: 讀卡器響應與密鑰檢查 ---

        log += f"3. 讀卡器執行密鑰計算並回覆：\n"

        

        is_key_correct = (key_input == self.CORRECT_KEY)

        if is_key_correct:

            # 密鑰正確 - 模擬成功響應

            log += f"   - 內部：讀卡器使用正確密鑰 ({key_input}) 對 Nonce 1 進行加密計算。\n"

            log += f"   - 傳輸：發送 Nonce 2 和加密計算結果給卡片。\n"

            

            # --- 步驟 4: 卡片驗證 ---

            log += f"4. 卡片內部驗證：\n"

            log += f"   - 結果：讀卡器的計算結果與卡片內部計算結果一致。\n"

            self.card_access_status.set("認證成功！現在可以讀寫區塊資料。")

            self.result_label.config(foreground='green')

        else:

            # 密鑰錯誤 - 模擬失敗響應

            log += f"   - 內部：讀卡器使用錯誤密鑰 ({key_input}) 進行計算。\n"

            log += f"   - 傳輸：卡片收到結果後，發現計算不符。\n"

            

            self.card_access_status.set("認證失敗！密鑰不匹配或流程出錯。")

            self.result_label.config(foreground='red')

            

        self.log_text.set(log)

        self.auth_button.config(state=tk.NORMAL)

if __name__ == "__main__":

    root = tk.Tk()

    app = MifareAuthenticationSimulator(root)

    # 設置視窗大小，讓內容更容易呈現

    root.geometry("500x500") 

    root.mainloop()

輸入參數： 視窗上方有兩個模擬輸入欄位：

• 密鑰 (Key A/B)： 預設為正確的密鑰 FFFFFFFFFFFF。

• 區塊地址： 預設為 4（模擬存取扇區 1 中的一個資料區塊）。

成功認證： 保持密鑰為預設值，點擊「執行認證」，流程紀錄會顯示成功的四個步驟，最終結果顯示綠色的「認證成功」。

失敗認證： 將密鑰修改為任意錯誤的值 (例如 111111111111)，點擊「執行認證」，流程紀錄會顯示到步驟 3，但最終結果顯示紅色的「認證失敗」。