1、,磁卡与IC卡识别技术,电子信息工程学院,本课程主要内容,图像识别技术,条码识别技术,语音识别技术,射频识别技术,生物特征识别技术,其它识别技术,磁卡及IC卡识别技术,本课程主要内容,图像识别技术,条码识别技术,语音识别技术,射频识别技术,生物特征识别技术,其它识别技术,磁卡及IC卡识别技术,通常，磁卡的一面印有说明提示性信息,另一面则有磁层或磁条，具有2-3个磁道以记录有关信息数据。,磁卡的概念,磁卡是以液体磁性材料或磁条为信息载体，将液体磁性材料涂覆在卡片上（或存折）或将宽约 6-14mm的磁条压贴在卡片上（如银联卡）。,磁卡的分类及特点,视使用基材的不同，磁卡可分为PVC 卡、 PET卡
2、和纸卡三种。视磁层构造的不同，又可分为磁条卡和全涂磁卡两种。 磁卡成本低廉，易于使用，便于管理，且具有一定的安全特性，因此它的发展得到了许多世界知名公司，特别是各国政府的鼎立支持，使得磁卡的应用领域非常广泛，如电话预付费卡、门票、储蓄卡、信用卡等。,磁卡的记录原理,根据电磁学理论，可把磁性材料假定为由许多非常细小的磁畴组成。磁畴本身具有南极和北极，相当于一块小的永久磁铁。磁性材料在未经磁化时，磁畴的排列杂乱无章，彼此的磁性相互抵消，因此整体来说不显示磁性。如果我们让磁性材料置于磁场内，磁畴受到磁化力的影响就会产生一种趋向于统一排列的趋势，磁性材料就被磁化了。,磁卡的记录原理,当磁场强度 H较小
3、时，磁畴的排列方向还不能完全一致，彼此间相互抵消磁力的现象还不能完全消除，因此磁性材料对外显示的磁性即磁感应强度 B 还不能达到最大值。如果增加磁场强度 H的值，磁畴的排列更趋整齐，这时磁性材料的磁感应强度 B 也将增大。当磁场强度 H达到某个临界值的时候，磁性材料的磁感应强度 B 将达到最大值，此后再增加磁场强度H ，磁性材料也不会有更大的磁感应强度 B 。 当磁性材料达到磁饱和状态后，如果减小磁场强度 H ，磁性材料的磁感应强度B并不沿着起始磁化曲线减小， B的变化滞后于H的变化，这种现象叫磁滞。,磁卡的记录原理,磁性材料的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时
4、，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。,磁卡的记录原理,磁头由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线圈构成。记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或者磁头以一定的速度移动，磁头的空隙和磁性面相接触。磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时（因为磁卡或磁头是移动的），便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁 Br。,磁卡的记录原理,磁卡上面的剩余磁感应强度 Br在磁卡工作过程中起着决定性的作用
5、。当磁卡以一定的速度通过磁头的空隙时时，因为空隙的有效磁阻远大于工作磁头铁芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的绝大部分输入到工作磁头铁芯，并与工作磁头上线圈绕组发生交连，因而感应出电动势，从而传输了被记录的信号。,磁卡国际标准 主要是对卡的物理特性和记录技术进行规定： ISO 7810：规定了卡的物理特性，包括卡的材料、构造、尺寸。磁卡的尺寸为：宽度 85.72mm85.47mm 高度 54.03mm53.92mm 厚度 0.760.08mm 卡片四角圆角半径 3.18mm 一般讲卡的尺寸为：85.5 54 0.76 ISO 78111：规定了卡上凸印字符的要求（字符集、字体、字符间距和字符高度）。
6、ISO 78112：规定了卡上磁条的特性、编码技术和编码字符集。 ISO 78113：规定了ID-1型卡上凸印字符的位置 ISO 78114：规定了卡上只读的Track1 和Track2 的记录技术标准。 ISO 78115：规定了卡上可读写的Track3的记录技术标准。,磁卡的国际标准,一般而言，磁卡上的磁带有 3 个磁道，分别为 Track1，Track2 和Track3。每个Track都记录着不同的信息，这些信息有着不同的应用。 Track1 和Track2是只读磁道，在使用时磁道上记录的信息只能读出而不允许写或修改。 Track3 为读写磁道，在使用时可以读出，也可以写入。 Track
7、1，2，3 宽度相同，大约在 2.80mm左右，用于存放用户的数据信息；相邻两个 Track 约有 0.05mm 的间隙，用于区分相邻的两个磁道。,磁卡的物理结构及数据结构,Track1：记录密度为210BPI，可以记录09 数字及AZ 字母等；总共可以记录多达79 个数字或字符（包含起始结束符和校验符），每个字符由7 个bit 组成。由于Track1 上的信息不仅可以用数字09 来表示，还能用字母AZ 来表示信息，因此Track1 上信息一般记录了磁卡的使用类型、范围等一些“标记”性、“说明”性的信息。例如银行用卡中，Track1 记录了用户的姓名、卡的有效使用期限以及其它的一些“标记”信息
8、。 Track2：记录密度为75BPI，可以记录09 数字，不能记录AZ 字符，总共可以记录多达40个数字（包含起始结束符和校验符）；每个数据由5 个bit 组成。 Track3：记录密度为210BPI，可以记录09 数字，不能记录AZ 字母，总共可以记录多达107 个数字或字符（包含起始结束符和校验符）；每个字符由5 个bit 组成。,磁卡的物理结构及数据结构,磁卡应用系统的构成要素,一个标准的磁卡应用系统通常包括：磁卡、接口设备（磁卡读写器）、PC，较大的系统还包括通信网络和主计算机等，如下图所示：,磁卡,磁卡读写器,磁卡的使用,磁卡使用中容易受到诸多外界磁场因素的干扰 ：磁卡在钱包、皮夹
9、中距离磁扣太近，甚至与磁扣发生接触。 与带磁封条的通讯录、笔记本接触。 与手机等能够产生电磁辐射的设备长时间放在一起。 与电视机、收录机等有较强磁场效应的家用电器距离过近。 在超市使用磁卡时，与超市中防盗用的消磁设备距离太近甚至接触。 多张磁卡放在一起时，两张卡的磁条互相接触。 另外，磁卡受压、被折、长时间磕碰、曝晒、高温，磁条划伤弄脏等也会使磁条卡无法正常使用。同时，在刷卡器上刷卡交易的过程中，磁头的清洁、老化程度，数据传输过程中受到干扰，系统错误动作，收银员操作不当等都可能造成磁卡无法使用。,磁卡的安全性及存在的问题,磁卡难以满足对安全性要求较高的应用需求： 磁卡的保密性和安全性较差 。磁
10、条上的信息比较容易读出，非法修改磁条上的内容也较容易，所以大多情况下磁卡都是作为静态数据输入使用。虽然Track3 可读写，并且有金额字段，也只是用于小金额的应用领域，例如电话卡。 使用磁卡的应用系统需要有可靠的计算机系统和中央数据库的支持 。在金融行业，作为金融交易卡的磁卡，一般配合强大、可靠的计算机网络系统使用，金额、交易记录等信息，均保存在金融机构计算机的数据库中，用户所持的卡片只是提供用户的主帐号等索引信息，便于在数据库中迅速找到用户数据。,小结,磁卡的记录原理 磁卡的物理结构及数据结构 磁卡应用系统的构成要素 磁卡技术的优缺点 实际生活中的磁卡应用实例,IC卡的概念,IC卡又称集成电
11、路卡（Integrated Circuit Card），其外观是一块塑料材料，通常还印有各种图案、文字和号码，称为“卡基”，在“卡基”的固定位置上嵌装一种特定的IC芯片。 应用领域：银行、交通、通信、卫生、社保、公用事业,IC卡的发展及应用情况,1972年，Roland Mereno（法）提出IC卡设想。 1976年，Bull 公司（法）研制出世界上第一张IC卡。IC卡自问世以来，在欧洲发展最快。 美国磁卡使用十分普遍，很长时间IC卡应用进展缓慢，主要在安全性要求较高的领域才应用IC卡。例如，美国军人的身份证全部使用IC卡识别系统。 新加坡大学生的学生证都用IC卡，它既可作为身份证明，又可记录
12、学生成绩、图书及体育用品的借用情况、出勤情况，也可在校内作餐卡及小额费时使用。 中国IC卡应用发展最快的是各类行业性卡，如电信领域的公用电话IC卡和移动通信SIM卡、石化领域的加油卡、劳动和社会保障部门的社会保障卡、建设部门的城市公用事业卡等。,IC卡的分类,根据读写方式的不同可将 IC 卡分为接触式IC卡和非接触式 IC卡两种类型。,接触式IC卡。所谓接触式IC卡，就是在使用时通过有形的金属电极触点将卡的集成电路与外部接口设备直接接触连接，提供集成电路工作的电源并进行数据交换的IC卡。接触式IC卡表面个或个镀金触点，用于与读写器接触，通过电流信号完成读写。读,写操作（称为刷卡）时须将IC卡插
13、入读写器，读写完毕，卡片自动弹出，或人为抽出。接触式IC卡刷卡读写速度相对慢，但可靠性高，多用于存储信息量大，读写操作复杂的场合。,IC卡的分类,非接触式IC卡。 非接触式IC卡与接触式IC卡有同样的芯片技术和特性，最大的区别在于卡上设有射频信号或红外线收发器，在一定距离内即可收发读写器的信号，因而和读写设备之间无机械接触。在IC卡的电路基础上带有射频收发及相关电路的非接触式IC卡被称作“射频卡”或“RF卡”。 这种 IC卡常用于身份验证，电子门禁等场合。卡上记录信息简单，读写要求不高，卡型较灵活，可以做成各种形式。,根据 IC 内芯片类型的不同，可以把 IC 卡分为存储器卡、逻辑加密卡和CP
14、U卡三种类型。,IC卡的分类,存储器卡。存储器卡卡内嵌入的芯片为存储器芯片，它具有 如下特点：,卡内嵌入的芯片多为通用E2PROM（或Flash Memory）；无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取；卡片制造中也很少采取安全保护措施；不完全符合或支持 ISO/IEC 7816国际协议，而多采用 2 线 串行通信协议（I2C总线协议）或 3 线串行通信协议（SPI 协议）。,IC卡的分类,存储器卡的逻辑结构：,存储器卡功能简单，没有（或很少有）安全保护逻辑，但价格低廉，开发使用简便，存储容量增长迅猛，因此多用于某些内部信息无须保密或不允许加密（如急救卡）的场合。 存储器卡的代表产品为美
15、国Atmel公司的E2PROM 卡 AT24Cxx系列和AT93系列，Flash Memory卡AT45D系列。,IC卡的分类,AT24Cxx系列IC卡芯片的参数：,IC卡的分类,逻辑加密卡。逻辑加密卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行存取操作。逻辑加密卡信息保密性较好，使用与普通存储器卡相类似。逻辑加密的结构如下图所示：,IC卡的分类,逻辑加密卡具有如下特点：,具有安全控制逻辑，安全性能较好。同时采用ROM、PROM、E2PROM等存储技术。从芯片制造到交货，均采取较好的安全保护措施，如运输 密码TC(Transport Code)的使用。
16、支持ISO/IEC 7816国际标准。为提高安全性，逻辑加密卡的存储空间被分为多个不同的 功能区。,IC卡的分类,一种典型的存储结构：,IC卡的分类,逻辑加密卡的应用场合： 由于具有一定的保密功能，且价格较CPU卡低，因此在需要保密但对安全性要求不是太高的场合，逻辑加密卡得以大量应用，如电话卡、网吧上网卡、停车卡等，已成为目前IC卡在非金融领域的最主要的应用形式。 逻辑加密卡的代表产品为： Atmel的AT88SC06/101/102/200 Philips的PC2032/2042 Siemens的SLE4404/4406/4418/4428/4432/4432/4442,IC卡的分类,CPU
17、卡。 CPU卡也称智能卡（Smart Card），在 IC卡家族中出现最晚，也最具生命力。CPU卡中的集成电路包括：CPU：CPU一般均为兼容于位字长单片机（如MC68HC05、Intel8051等）的微处理器，它将在片内操作系统（COS）的控制下，实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。E2PROM：供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密码、密钥、应用文件等，116 KB；RAM：随机存储器，存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓存器， 128 B1 KB ；ROM：只读存储器，存放片内操作系统（Chip Operation System，COS）， 316 KB
18、；I/O接口：负责与读写终端进行通信。,IC卡的分类,CAU：加密运算协处理器。CPU 卡通常采用 DES、RSA 等加密、解密算法提高系统的安全度，8位的 CPU 将难以胜任，因此多设有专用加密、解密运算协处理器 CAU。 例如，Siemens 的 SLE44C20，内含 8 位字长的 CPU、15 KB 的ROM、32 B的 PROM、2 KB的 EEPROM 和 256 B的RAM。,IC卡的分类,CPU卡具有如下特点：,有很高的数据处理和计算能力以及较大的存储容量，因此应用的灵活性、适应性较强。 极强的安全防伪能力。它不仅可验证卡和持卡人的合法性，而且可鉴别读写终端，已成为一卡多用及对
19、数据安全保密性特别敏感场合的最佳选择，如银行和手机SIM卡等。 真正意义上的“智能卡”。,IC卡的分类,根据与外界数据传输方式的不同可将IC卡分为串行通信卡和并行通信卡。串行通信卡是目前最常用的卡，也是目前国际标准中所规定的接口方式。,采用串行方式与外界交换信息，卡芯片引脚较少，易于封装和接口。但随着芯片存储容量的增大，引发了两个问题：一是芯片面积急剧增长，给卡的封装带来困难；二是读写时间过长，读写 1 MB的容量需要12分钟。 并行通信卡由于采用并行通信，故不存在上述确定，但国际标准中尚无此类接口标准。深圳艾柯电子公司研制的并行IC卡的引脚数多达32个，不仅速度极快，而且容量增大。与串行通信
20、卡一样，它也有存储型、逻辑加密型和CPU型，并已在纳税申报等系统中得以应用。,IC卡的国际标准,ISO/IEC 推出的7816国际标准是IC卡遵循的主要国际标准，它有10个部分，分别对IC卡的物理特性、触点尺寸与位置、电信号与传输协议、行业间交换命令等做出了详细规定。 IC卡外形图：,IC卡的国际标准,IC卡内部结构剖视图：,半导体芯片。半导体芯片是 IC卡的核心组成部分，一般为采用0.380.8 m的 HCMOS 或 NMOS工艺制造的超大规模集成电路。在半导体芯片中包括存储器、译码电路、接口驱动电路、逻辑加密控制电路，甚至微处理器单元（CPU）等各种功能电路。其外形大小约为 2 mm1 m
21、m0.3 mm。,IC卡的国际标准,IC卡内部结构剖视图：,电极膜片。电极膜片是半导体芯片的引脚与外部设备接触连接的导电体，实际是一种精密的印刷电路板。电极膜片的大小约为：长 9.6213.65 mm，宽9.3211.56 mm。电极膜片的外形一般为矩形或椭圆形，这种形状上的差异主要是为了改善卡片的抗扭曲方面的机械特性。电极膜片上共有多个芯片电极，每个电极的中心位置和最小面积是有规定的，但各电极表面分隔形状没有规定。,.,IC卡的国际标准,IC卡内部结构剖视图：,塑料基片。塑料基片是半导体芯片和电极膜片的载体，一般采用 PVC、PET 和 ABS塑料材料。目前国内IC卡基片材料大都使用 PVC
22、。 但随着制卡技术不断发展和对工业环保的要求，PVC材料的使用将会逐渐受到一定的限制。塑料基片的大小，为85.6 mm53.98 mm 0.75 mm。,IC卡的国际标准,IC卡有8个触点，即集成电路引脚，从C1到C8，如下图所示。国际标准ISO/IEC 7816-2对 IC卡的触点尺寸和芯片位置以及功能作了具体的规定。,IC卡的国际标准,国际标准ISO/IEC 7816-2 规定的IC卡的触点功能：,IC卡应用系统的构成要素,一个标准的IC卡应用系统通常包括：IC卡、IC卡接口设备（IC卡读写器）、PC，较大的系统还包括通信网络和主计算机等，如下图所示：,IC卡应用系统的构成要素,（1）IC
23、卡。IC卡是由持卡人掌管的、记录有持卡人特征代码和文件资料的便携式信息载体。 （2） IC卡读写器。IC 卡读写器是卡与 PC 进行信息交换的桥梁，而且常常是 IC卡的能量来源。其核心通常为工业控制单片机，如Intel的51系列等。 （3）PC。PC是系统的核心，完成信息汇总、统计、计算、处理、报表的生成、输出和指令的发放、系统的监控管理以及卡的发行与挂失、黑名单的建立等。 （4）网络与计算机。在金融服务等相对大的系统中，网络是使前端PC与上级控制、授权、服务、管理中心，即中央计算机（主计算机）连接的必备条件。,IC卡芯片SLE4442介绍,SLE4442 是德国 Siemens 公司生产的逻
24、辑加密卡。它具有 256 个Byte 的存储容量和完全独立的可编程安全代码（Programmable Security Code，PSC）存储器。 SLE4442的能够满足通常应用领域的各种要求，是目前国内应用较多的一种IC卡芯片。,（1）采用多存储器结构； （2）按照字节寻址； （3）2线连接协议，复位响应满足ISO/IEC 7816-3标准； （4）触点配置及串行接口满足ISO/IEC 7816（同步传输协议）； （5）仅当正确输入 3Byte 的可编程安全代码（PSC）后方可修 改数据； （6）芯片采用NMOS工艺技术，每个字节的写入/擦除编程时间 为2.5 ms； （7）数据保持时间至
25、少10年。,IC卡芯片SLE4442介绍,SLE4442的特点如下：,IC卡芯片SLE4442介绍,SLE4442的存储器包括 3个存储器：256Byte的E2PROM型主存储器；4Byte 的 PROM 型保护存储器；4Byte 的 E2PROM 型加密存储器。,主存储器,保护存储器,加密存储器,IC卡芯片SLE4442介绍,主存储器为可重复擦除使用的E2PROM型存储器，按字节寻址、擦除和写入。主存储器的地址是从0（00H）255（FFH），共256 Byte。主存储器可分为保护数据区和应用数据区。,主存储器前 32 Byte 为保护数据区，地址从0（00H）31（1FH）。这部分的数据读
26、出不受限制，但擦除和写入操作均受到保护存储器内部数据状态的限制。根据这一特性，保护数据区一般均作为IC卡的标识数据区，存放一些固定不变的标识参数，如厂商代码、发行商代码等。 主存储器后224 Byte为应用数据区，地址从32（20H）255（FFH）。这部分的数据读出不受限制，但擦除和写入均受控于加密存储器数据校验比较结果的影响。,IC卡芯片SLE4442介绍,保护存储器是一个4Byte的一次性可编程只读存储器（PROM），它按位寻址和写入，每个被写 “0” 的Bit所对应控制的主存储器的字节单元不再接受任何擦除和写入操作命令，从而使得该字节单元内的数据不可再被改变。因此，对保护存储器单元的写
27、入一定要特别小心。,IC卡芯片SLE4442介绍,加密存储器是一个 4Byte 的 E2PROM 型存储器。在这个存储器中，第 1个 Byte 为“密码输入错误计数器”。密码输入错误计数器的有效位是低 3 位。在芯片初始化时，计数器设置成“111”。这一个字节是可读的，每次比较密码时，先要判定计数器中是否还有“1”。如果还有“1”，则将一个“1”写成“0”，然后进行比较“校验字”操作。如果比较结果一致，则密码错误计数器将允许进行擦除操作（注意，芯片不能自动进行擦除操作），同时打开主存储器、保护存储器和加密存储器，并允许进行擦除和写入操作。如果比较结果不一致，则密码输入错误计数器中“1”减少1
28、个。只要计数器的内容不全为“0”，则芯片的比较“校验字”操作还允许再次进行。当连续3次输入错误密码后（即密码计数器减少为0），则芯片的存储单元将全部被锁死。由此可见，加密存储器可以理解为进入整个芯片的“关卡”。,IC卡芯片SLE4442介绍,SLE4442接口设备的硬件组成包括：卡座（IC卡适配插座）、输入接口电路、存储器、微处理器和外围接口组成，如下图所示：,IC卡技术的特点,IC卡具有以下特点：存储容量大：存储容量可达兆字节，可存储文字、声音、图形、 图象等各种信息；体积小，重量轻，抗干扰能力强，便于携带，易于使用；安全性高：IC卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略，可以 控制卡内不同区
29、域的存取特性。加密IC卡本身具有安全密码，如 果试图非法对之进行数据存取则卡片自毁，不可再进行读写；对网络要求不高：IC卡的安全可靠性使其在应用环境中对计算机 网络的实时性、敏感性要求降低，有利于在网络质量不高的环境中使用。,IC卡与磁卡的区别,IC卡应用实例：通信领域,1996年，原邮电部发布了IC卡公用电话及管理系统技术要求，并开始大力发展IC卡公用电话。电话IC卡是一种带集成电路芯片的电话卡，话费余额存在芯片上，可以在全国范围内漫游，使用十分方便。从1996年起到2002年，IC卡公用电话的装机量猛增，超过了130万部，共发行电话IC卡超过5亿张，销售额超过200亿元。IC卡公用电话极大地方便了群众生活，具有很好的经济效益和社会效益。公用电话也成为中国电信的一个重要的收入来源，2001年，公用电话的收入占中国电信固定电话总收入的16。,IC卡应用实例：社保,IC卡应用实例：公用事业,小结,IC卡的概念 存储器卡、逻辑加密卡及CPU卡的定义、特点及 使用范围； IC卡应用系统的构成要素； IC卡应用实例； IC卡技术的特点。,
