卡口攻击及几种卡口防攻击电路的比较-电子工程世界

　　目前在预付费电能表上已得到推广，并广泛应用。预付费电能表实现了先交费后用电，改革了传统用电体制，提高了用电管理水平。利用IC卡作为专用电量的传递工具，对应的电表则控制相应的消费。也就是说：若能破坏对应电表的消费控制能力即可获得利益。而电表类产品生产量巨大，一但出现漏洞，损失巨大。本文主要对卡口攻击及几种卡口防攻击电路进行比较分析。

　　一、IC卡卡口攻击

　　1.IC卡卡口的安全状况

　　现有的IC卡卡口线，主要有电源线(Vcc及GND)、信号线、时钟线、复位线等几类组成。在实际产品设计中，电源线一般直接引至产品电源、时钟线接至公共时钟源或接至单片机、信号线与复位线一般直接接至单片机或接口芯片。由于需要插入IC卡，故以上引线均接往IC卡座。而IC卡的卡口可插入一块简易PCB板将上述引线引出。这样上述引线将暴露在电表外壳之外，极易受到攻击。

　　2.IC卡卡口的攻击方法

　　要实现如何防止IC卡卡口攻击，首先应了解有哪几种卡口攻击方法。电表在实际挂网运行中主要有下四类卡口攻击：

　　a)高压静电攻击(例如使用煤气点火器);

　　b)短路攻击(使用短路金属片插入卡口);

　　c)高压直流攻击(往VCC输入高电压直流);

　　d)高压交流(例如在任意两引线间加入交流220V)。

　　以上四类攻击方法如不采取有效的防护措施，都将会使电表单片机、电路、电源损坏而失去对消费对象的控制。而上述攻击是电攻击基本不会留下攻击证据而无法追究。

　　攻击者攻击成功后可不付费而获得消费。

　　3.IC卡卡口防攻击的困难

　　仔细分析上述四类攻击，若要全部防护，实非易事。首先，抗攻击电路的耐压应极高，应在20KV以上，再者其反应速度应小于100ns否则保护动作时保护对象己损坏，第三成本需较低否则用户不能接受，第四是攻击撤消后应能快速恢复正常工作状态，最后还需要较小体积和极高可靠性。设计一个电子部件要同时满足上述要求，实属不易。

　　二、几种卡口防攻击电路比较

　　对预付费电能表来说，如何解决卡口抗攻击问题至关重要。针对我公司预付费电能表的发展历程，早期对卡口防攻击重要性认识不够，如今深刻认识到卡口能否防攻击关系到表计的性能，更关系到我公司在预付费电能表市场的占有率，因此需不断地对卡口防攻击电路加以改进，并优化。以下是几种不同的IC卡卡口防攻击电路。

　　1.第一种IC卡卡口防攻击电路

　　第一种IC卡卡口防攻击电路(我公司最早的防攻击电路)，主要采用IC卡卡口防攻击专用模块，再加上双开关二极管等器件组成。

　　如图1所示：

　　①图1中的IC卡卡口防攻击专用模块PTCM5-05B301-501RM工作原理：在IC卡的正常读写状态之下，PTC热敏电阻相当于一串接于线路中的限流电阻。而在异常状态下(受到攻击)，将导致流过PTC热敏电阻的电流增大，使其阻值呈现阶跃性变化，快速上升4-5个数量级而呈断开状态(高阻态)，达到保护目的。

　　PTCM5-05B301-501RM防攻击专用模块由上述五个完全相同的通道组成。

　　②PTCM5-05B301-501RM防攻击专用模块电气参数：

　　a)额定零功率电阻值：(300~500)Ω

　　b)稳压范围：5.6V

　　c)不动作电流：15mA

　　d)动作电流：50mA

　　③特点：

　　a)具有快速响应，快速自恢复

　　b)性能稳定

　　c)抗攻击范围广(DC2500V,AC600V,静电30000V)

　　④第一种IC卡卡口防攻击电路存在的问题：

　　a)通过专用引线板之引线，将外部220V交流电源叠加至卡座电源后，时间一长就会把双二极管烧掉(耐压不够)，使插卡不起作用(没有破坏卡座以外的电路)，没有起到防攻击效果。此电路设计不够合理，没必要使用双二极管，防攻击专用模块完全可以抵抗卡口攻击，存在质量隐患。

　　b)表计在高温下工作时，防攻击专用模块的热敏电阻阻值会变大，而此时用户去售电插卡，就有可能使卡座的电源被拉底，从而导致表计售电不成功。挂网运行的部分表计已经出现过此类情况，有些地区表计是挂在户外的，当中午太阳暴晒时去插卡，怎么插卡读卡都不能成功;而当早上或者天气凉快的时候去插卡，读卡就可以成功。另外一方面，每张IC卡存在其内阻不同的现象，有些内阻比较大的IC卡，也会使卡座的电源被拉底，导致插卡不成功。

　　2.第二种IC卡卡口防攻击电路

　　针对第一种IC卡卡口防攻击电路存在的问题，进行整改，经过测试验证，提出了第二种IC卡卡口防攻击电路，对其电路和防攻击模块都进行了优化。具体如图4所示：

　　第二种I C卡卡口防攻击电路，去掉了起不到防攻击效果的双二极管保护电路，并对防攻击模块进行优化，由原先的热敏电阻(300~500Ω)+稳压管(5.6V)五组完全相同的通道，更改为卡座电源采用热敏电阻(30~60Ω)+TVS管(6.8V)通道，其它四组通道与原先相同。

　　①PTCM5-05B301-501/300-600RM防攻击专用模块电气参数：

　　a)额定零功率电阻值：(300~500)Ω/(30~60)Ω

　　b)稳压范围：5.6V/6.8V

　　c)不动作电流：15mA/30mA

　　d)动作电流：50mA/200mA

　　②优点：

　　a)降低了成本。去掉了双二极管等器件，同时减小了卡板PCB面积。

　　b)能够抗击高压交流和直流攻击，短路攻击，静电攻击等。

　　c )卡座电源采用热敏电阻( 3 0~6 0Ω)+TVS管(6.8V)通道方式，减小卡座电源的限流电阻，同时采用TVS管(电阻减小，使导通速度加快，通过TVS管瞬间吸收大电流，使表计内部电路不致于被破坏。)无论表计在高温下工作，还是IC卡自生内阻偏大，都能使表计正常售电读卡。

　　上述防攻击电路已经可以抵抗卡口受到的攻击，但对于不同的表计电路有可能还会使表计受到攻击损坏，因此还需对电路进行优化改进。下面是实践过程中碰到的问题，如图5所示。

　　此电路的IC卡信号线是通过74HC08D与门芯片与防攻击专用模块相连。当瞬间对卡座电源加220V交流电压时，74HC08D芯片(CMOS管)很容易被击穿(其它信号线加220V交流电压，不会把芯片烧坏)。由于卡座电源端的热敏电阻减小到30~60Ω，虽然有TVS管保护，但瞬间还是有尖电压进去，击穿与门芯片。

　　后来在卡座电源VAA上加一个0.1μF电容，在TVS管保护的同时增加电容的滤波功能，把尖脉冲滤掉，从而达到保护的效果。

　　3.第三种IC卡卡口防攻击电路

　　采用现有的防攻击专用模块电路价格有点偏高。如何在保证质量的前提下，设计一个电路与防攻击专用模块实现相同的功能，而价格又比较低。经过理论和实践论证，采用热敏电阻+稳压管(或TVS管)电路方式来取代防攻击专用模块。具体电路如图6所示。