La technologie sans contact NFC Aspects protocolaires et sécurité

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La technologie sans contact NFC – Aspects protocolaires et sécurité

Fabrice Peyrard, Emmanuel Conchon (emmanuel.conchon@irit.fr)

La technologie sans contact en champs proche

 Famille des technologies sans contact

 Etiquettes RFID (Radio Frequency Identification)

 Carte sans contact

 Stockage des données confidentielles avec garantie d’authenticité

 Near Field Communication (NFC)

 Les étiquettes RFID première génération

 Fonction d’identification

 Faible volume de données stockées/échangées

 Pas ou peu de sécurité

 Fonctionnement passif

 L’énergie est envoyée par le lecteur pour assurer la communication

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La technologie sans contact en champs proche

 Les cartes sans contact

 Date des années 80 sous la forme de badge (pour l’identification essentiellement)

 Dans les années 90, elles se sont développées sous la forme de carte de micro paiement, cartes de fidélités, de transport etc…

 Depuis les années 2000 des cartes sécurisées se sont imposées avec des fonctionnalités de stockage des données confidentielles, d’authentification…

 Exemple: le passeport biométrique

 Une carte = une fonction

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La technologie sans contact en champs proche

 Les cartes sans contact

 Mifare Classic (NXP)

 Taille: 1k (existe aussi en 4k)

768 octets de stockage répatis sur 16 secteurs

1 secteur de sécurité contenant deux clés (A et B) permettant de protéger l’accès aux autres secteurs

 Mifare UltraLight (NXP)

 Taille: 512bits

 Pas de sécurité

 Mifare DESFire (NXP)

 Intègre des algorithmes de chiffrement (3-DES, AES)

 Authentification basée sur MAC

 Test de proximité pour éviter les attaques par relay

 Certification Critère Commun EAL4+ (conçu, testé et vérifié méthodiquement)

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La technologie sans contact en champs proche

 Mifare Plus (NXP)

 La remplaçante de la Mifare Classic

 Renforcement de la sécurité avec une certification EAL 4

 FELICA (Sony)

 Clé de chiffrement générée dynamiquement à chaque transaction

 Certification Critère Commun EAL 4

 Topaz Tag Innovision

 Java Card Contactless

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La technologie sans contact en champs proche

 La technologie NFC

 Un équipement NFC peut avoir plusieurs fonctions et intégrer de manière native la sécurité

 Peut être vu comme une extension de la technologie RFID

 Caractéristiques

 Communication basée sur la technologie radio à 13.56 MHz

 Très courte portée 1 à 4 cm max

 Faibles débits (106 / 216 / 414 kbps)

 Communication établie sans paramétrage (no discovery, no pairing) en 0.1sec

 Deux types d’équipements:

 Lecteur actif (NFC Initiator)

 Tag passif (NFC Target)

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Comparaison des technologies PAN/BAN NFC et Internet des Objets (IoT)

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NFC et Internet des Objets (IoT)

 Wireless Pairing

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NFC et Internet des Objets (IoT)

 Applications domestiques

 Enregistrement de garantie

 Maintenance à distance

 Mise à jour de Firmware

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NFC et Internet des Objets (IoT)

 Applications domestiques

 Contrôle domotique

 Eclairage

 Température

 Consommation

 Compteurs

 …

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NFC et Internet des Objets (IoT)

 Objet avec composant NFC et bus I2C

 Interconnecté au microcontrôleur de l’objet

 En mode Peer-To-Peer si l’objet est autoalimenté

 En mode Tag si l’objet est alimenté par le lecteur (smarphone)

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NFC et Internet des Objets (IoT)

 Apple et NFC …

 Un rouleau compresseur du déploiement NFC …

 Centré sur le paiement sans contact (Apple Pay Service)

 Sécurité augmenté et garantie sur iPhone 6 et iPhone 6 Plus

 Un Secure Element embarqué

 Un biocapteur Touch ID fingerprint verification

 « An innovative biosensor security function built into the Apple Watch »

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Exemples de déploiement de solutions NFC/RFID

 Barcelona Contacless

 Plus de 8000 tags NFC déployés à travers la ville

 Fourniture d’informations locales sur le quartier

 Permet le téléchargement d’applications spécifiques

 Réservation de vélo

 …

 MediHandTrace à l’hôpital Nord de Marseille

 Suivi du respects des procédure d’hygiène des personnels infirmiers

 Etiquette RFID dans les chaussures de personnels

 Lecteur au niveau des distributeurs hydro alcooliques connectés

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NFC en France NFC en France

 Technologie poussée par l’Association Française du Sans Contact Mobile

 Marque Cityzi

 Repose sur la carte SIM comme élément de sécurité

 Orange, Bouygues Telecom et SFR notamment sont membres de l’AFSCM

 Les applications Cityzi reposent sur trois acteurs

 Le fournisseur de service

 Développe une cardlet qui sera stockée sur la carte SIM, une application mobile et une plateforme NFC

 L’opérateur mobile

 Fournit un espace sur la carte SIM pour le déploiement des cardlets ainsi qu’un service de téléchargement et de blocages OTA des applications

 L’utilisateur final

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NFC en France

17 Source: AFSCM « Vademecum » 2013

NFC en France

 Mise en œuvre d’une solution Cityzi

18 Source: AFSCM « Vademecum » 2013

NFC en France

 Validation de l’application Cityzi (cardlet + application)

 Effectuée par un laboratoire référencé par l’AFSCM

 Prend environ 15j et coute environ 5000€

 Valable jusqu’à la mise à jour de l’application

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 Mode Reader-Writer

 RFID: plusieurs tags et 1 lecteur,

 NFC: 1 tag et plusieurs lecteurs

 Mode Peer-To-Peer

 Mode Tag Emulation

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Mode de communication NFC

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NFC et normes

 Deux normes sont utilisées pour les communications en champs proches entre un lecteur et un tag

 ISO 14443-A (représente environ 85% des tags dans le monde)

 Poussée par Philips SemiConductors devenue depuis NXP et reposant sur al technologie MIFARE

 ISO 14443-B

 Poussée par Innovatron-Moreno

 Une norme définit les communications pour le voisinage (50-60cm)

 ISO 15693

 Equivalente à la norme ISO 18000-3 pour le RFID

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NFC et normes

 Le principal organisme en charge de la spécification des standards est le NFC Forum

 Regroupement de nombreux industriels (Samsung, Nokia, Sony, Visa…)

 Objectif de standardisation pour assurer l’inter-operabilité des équipements en définissant notamment le modèle des données

 Assure également une compatibilité avec la norme ISO 14443

 Les spécifications sont ensuite reprises est standardisées par plusieurs organismes dont l’ISO et l’ECMA

 ISO 18092 / ECMA 340: NFC IP-1

 ISO 21481 / ECMA 352: NFC IP-2

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NFC et normes

 D’autres organismes contribuent également sur des domaines spécifiques

 ETSI/SCP (Smart Card Platform) pour l’interface entre la carte SIM et le contrôleur NFC

 Global Platform pour les spécifications du Secure Element et l’hébergement des applications

 EMVCo pour l’impact sur les applications de paiement

Pile protocolaire NFC

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Pile protocolaire NFC

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Pile protocolaire NFC

 LLCP (Logical Link Control Protocol)

 SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol)

 NDEF (NFC Data Exchange Format)

 RTD (Record Type Definition): URI, smart poster, signature

 Applications:

 Bluetooth Secure Simple Pairing (SSP)

 Connection Handover of WiFi or Bluetooth communications

 Personal Health Device Communication ISO/IEEE Std. 11073-20601

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 NDEF Record

 Format de message

 Transport en P2P

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NDEF Messages NDEF Messages

 Les NDEF Record peuvent être de différents types:

 MIME (RCF 2046)

 URI (RFC 3986)

 NFC_FORUM_RTD: Smart poster

 EXTERNAL_RTD: Pour les types propriétaires

 Exemple pour l’URI

 Composé de deux champs

 URI ID code

Définit le protocole à utiliser

 URI field (en UTF-8)

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1 http://www.irit.fr

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NDEF Messages

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SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol)

 Protocole très simple basé sur le principe requête/réponse

 Taille maximum des messages échangés: 2³²-1

 Gestion de la fragmentation

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SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol)

 Protocole très simple basé sur le principe requête/réponse

 Taille maximum des messages échangés: 2³²-1

 Gestion de la fragmentation

 S’appuie sur la couche LLCP pour la création d’un canal de communication en mode connecté

 Format de messages

 Requête

 Réponse

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SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol)

 Requêtes

 Réponses

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Mode Reader / Writer

 Comparable aux QR-Codes

 En lecture en renvoyant une information (texte, URI, …) mais permet surtout…

 La réécriture de données

 La protection des données par des clés

 Différents conditionnements

 tags, stickers, porte-clés, montres, bracelets, …

 Technologies supportées

 ISO 14443 A/B, Mifare Ultralight, Classic/Standard 1K/4K

 NXP DESFire, Sony Felica, Innovision Topaz, Jewel tag

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Mode Peer-to-Peer

 Echange P2P bidirectionnel de données

 Entre terminaux mis dos-à-dos

 Principalement utilisé avec « Android Beam »

 Applications

 Partage de liens et de pages Internet

 Assistant de connections WiFi et Bluetooth

 Paiements sans contact (Google Wallet, Orange Cash)

 Echange de vCards

 E-ticketing

 …

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Mode Peer-to-Peer et Android

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Mode Peer-to-Peer et Android

 Format de données d’Android Beam: Messages NDEF

 Respect du standard du NFC-Forum

 Fourniture dans l’API d’un ensemble de classe permettant de manipuler les formats NDEF standards (URI, MIME…)

 Coté émetteur

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Mode Peer-to-Peer et Android

 Coté récepteur

 L’activité doit s’enregistrer pour découvrir les messages NDEF

Mode Peer-to-Peer et Android

 Les échanges Beam reposent en théorie sur SNEP/NPP mais le lien retour n’est pas disponible

 Impossible d’établir une communication bidirectionnelle avec un seul lien Android beam

 Complexifie la mise en place de mécanismes de sécurité

 Challenges

 Négociation de clés

 …

 Nativement il n’est pas possible d’accéder directement aux protocoles SNEP/NPP depuis l’API Android

 Android Beam nécessite une action volontaire de l’utilisateur « Tap » pour être initié

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Mode émulation de Tag

 Le terminal émule un tag passif

 Le lecteur ne distingue pas un tag réel d’un tag virtuel

 Le lecteur peut contenir plusieurs tags virtuels … fini les portes cartes encombrés

 Utilisation d’un ID par application (AID)

 Android peut émuler un tag si seulement si l’écran du smartphone est actif

 Exemples

 London Oyster Card (AID ?)

 Google Wallet (AID F0F00777FF5511)

 SwipeYours (AID A0000000031010) US-Card MSD (Magnetic Stripe Data)

 Visa payWave Payment System (AID A0000000031010)

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Mode émulation de Tag et Android

 Plusieurs cartes émulées peuvent cohabiter sur un terminal Android

 Pour déterminer la carte à utiliser Android s’appuie sur les Application IDs (AID)

 AID conformes à la norme ISO7816-4

42 Source:

http://developer.android.com/

guide/topics/nfc/nfc.html

Mode émulation de Tag et Android

 Possibilité d’utiliser le Secure Element en mode HCE

43 Source: http://developer.android.com/guide/topics/nfc/nfc.html

Mode émulation de Tag et Android

 Le mode HCE à la différence des autres modes ne fonctionne pas avec des Activités Android mais des services

 Peut fonctionner en arrière plan

44 Manifest

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Mode émulation de Tag et Android

 Plusieurs services peuvent fonctionner en parallèle s’ils utilisent des AID différents

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Mode émulation de Tag et Android

 Exemple échanges APDU

 CardEmulation et CardReader fournis par google

 AID de l’application: F222222222

 CardEmuSample.apkhttp://goo.gl/Ump1bZet CardReadSample.apkhttp://goo.gl/Nlo1GO

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Mode émulation de Tag et Android

 Interrogation de la carte émulée depuis un ACR122 grâce à libnfc

 Le téléphone Android est bien détecté comme un Tag

 APDU émis par l’ACR

 Réponse du terminal Android

 Dans la réponse nous trouvons

 l’acquittement de la demande (les 2 derniers octets): 90 00

 Le code transmis dans le reste de la réponse: 30 30 30 30 31 31 31 31 pour 00001111

 apdu_example.chttp://goo.gl/YMZkWC

 Compilation: # gcc –o apdu_example apdu_example.c -lnfc

NFC ET LA SÉCURITÉ

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Architecture sécurisée d’un terminal NFC

 Host-Controller

 Application Execution Environment (AEE)

 Contrôle, communications et périphériques (OS)

 NFC-Controller

 ContactLess Front-end (CLF)

 Conversion du signal HF et des données binaires

 Secure Element

 Trusted Execution Environment (TEE)

 Environnement sécurisé pour exécuter et stocker des applications et des données

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Architecture sécurisée d’un terminal NFC

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NDEF Signatures

 L’authenticité et le contrôle d’intégrité peuvent être assurés au niveau des messages NDEF grâce à un mécanisme de signature

 Enregistrement (Record) optionnel qui permet de signer les enregistrements qui le précède

 Rolland a montré en 2011 que ce mécanisme présentait des limitations

 Signature d’un groupe d’enregistrement mais pas nécessairement de l’ensemble

 Possibilité d’avoir des signatures différentes parfaitement légitimes prise une par une mais qui ne peuvent être associées

 Attaque par recomposition des enregistrements

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NDEF Signatures

Ex SmartPoster

Source: Rolland et al, « Security Vulnerabilities of the NDEF Signature Record Type», Proceedings of Third International Workshop on Near Field Communication 2011

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ISO/IEC 13157 (NFC-SEC)

 Publiée sous forme de standard en 2010

 Objectif: renforcer la sécurité au niveau Liaison de donnée sur un lien NFC

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ISO/IEC 13157 (NFC-SEC)

54 Elliptic Curve (EC) Key Pair

Elliptic Curve (EC) Key Pair

Avec KDF utilisant un algorithme AES-XCBC-128

ISO/IEC 13157 (NFC-SEC)

 SSE établit un secret partagé MK_SSEentre deux entités compatibles NFC-SEC

 SCH fournit un canal sécurisé entre entités NFC-SEC grâce aux clés MK_SCH, KE_SCH, KI_SCH

ISO/IEC 13157 (NFC-SEC)

(KISCH)

(KISCH) (KESCH)

(KESCH)

Destruction des secrets partagés et des clés associés au liens

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Failles de sécurité

 Attaques du chiffrement Crypto1 NXP Mifare Classic 1K

 Reverse Engineering

 Faiblesse du générateur pseudo-aléatoire

 Ecoutes passives (sniffing)

 Pas de chiffrement standard des échanges de données NFC

 Norme ISO/IEC 13157 pour le chiffrement Peer-To-Peer, mais aucune implémentation

 Captures de trafic Lecteur/Tag (Proxmark3)

 Clonage de Tags

 Nombreux contrôles d’accès utilisent seulement l’UID

 Carte NFC ‘chinoise’ entièrement réinscriptible (UID compris)

 Outils matériel Proxmark3

 Outils logiciel mfcuk, mfoc, nfc-mfclassic

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Failles de sécurité

 Exmple: clonage carte d’accès de l’Université de Toulouse

 Contrôle d’accès aux bâtiments, ascenseurs, laboratoires

 Identification uniquement avec l’UID de la carte

 Utilisation matérielle (3min)

 Proxmark3 NFC/RFID

 Carte MUT Mifare Classic 1K

 Carte ‘chinoise’ Mifare 1K

 Utilisation logicielle (30min)

 Debian 7.6 64bits

 NFCLib 1.7.1

 MFCUK/MFOC

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Failles de sécurité

 Pour copier une carte Mifare Classique, il faut pouvoir

 Cloner tous ses secteurs

 Besoin des clés A et B

 Copier son UID

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Failles de sécurité

 Pour retrouver les clés plusieurs solutions sont possibles

 Attaque par force brute

 Nested Attack

 S’appuie sur des vulnérabilités de l’algorithme Crypto 1 utilisé par les Mifare Classic

Le générateur de nombre aléatoire utilise des LFSR (Linear Feedback Shift Register) prédictibles

 Les nombres dépendent de la quantité de cycle d’horloge entre le moment où le lecteur est allumé et le moment où le nombre aléatoire est demandé

 Comme l’attaquant contrôle le protocole, il contrôle aussi le temps

 Nécessite de connaître au moins quelques clés (48bits)

Les clés par défaut sont connues

60 0xffffffffffff 0xa0a1a2a3a4a5 0xb0b1b2b3b4b5 0x4d3a99c351dd 0x1a982c7e459a 000000000000 0xd3f7d3f7d3f7 0xaabbccddeeff

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Failles de sécurité

 Echange protocolaire du processus d’authentification pour accéder au secteur

Avec Ar = succ₂(Nt) et At = succ₃(Nt)

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Failles de sécurité

 Principe de l’attaque

On s’authentifie auprès d’un bloc avec une clé connue pour obtenir un nonce Nt

On répète l’opération pour obtenir Nt’

Avec Nt et Nt’ on détermine la distance temporelle qui les séparent et donc le nombre de décalages du LFSR

A partir de ce moment, il ne reste plus qu’à tenter de s’authentifier sur un autre secteur

 Dark-side Attack

 Utilise les bits de parités pour retrouver les clés

Pendant l’authentification, le tag vérifie les bits de parités avant de vérifier Ar

Si un des 8 bits de parité est faux, le tag ne répond pas, s’ils sont corrects, le tag envoie un message d’erreur chiffré lorsque Ar est incorrect

 NACK code 0x5

Ce message chiffré est ensuite utilisé pour retrouver des bits de la clé

 Relativement rapide: 30min sur un laptop, 10min sur un matériel dédié type Proxmark 62

Attaque par relais

 Principe

 Les terminaux mobiles proposent de nombreux modes de communication

 WiFi

 Bluetooth

 4G

 …

 Peu de systèmes vérifient la présence physique de la carte

Attaque par relais

 Pour y remédier une solution consiste à utiliser un algorithme de bornage de distance ou Distance Bouding

 Introduit par Brands et Chaum en 1993

 Principe:

Mesure des temps aller retour des échanges entre le lecteur et le tag

Emission de trois échanges suivant des vitesses lente, rapide puis de nouveau lente

La partie rapide permet de détecter si un relay se trouve sur la communication

 Amélioré par Hancke et Kuhn en 2005 pour les RFID

Seulement 2 échanges un lent puis un rapide

L’échange lent permet d’échanger une valeur commune

L’échange rapide permet de lancer des défis n’admettant qu’un faible temps de réponse

 Solutions non parfaites

 Mafia Fraud, Terrorist Fraud, Distance Fraud etc.

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Attaque par relais

65 source: « Vulnérabilités des RFID » Zenk Security

NFC EN PRATIQUE

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NFC dans la pratique

 Environnement Linux sur la base Debian

 Raspberry Pi

 LibNFC 1.7.1

 Applications sous Android 4.4.2

 Lecteur NFC externe type ACR122

 Lecteur NFC enfichable type NXP Explorer

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Compilation et installation de libnfc

 git clonehttps://code.google.com/p/libnfc/

sudo autoreconf –vis

sudo ./configure --prefix=/usr --sysconfdir=/etc sudo make

sudo make install

 Détection des équipements

pi@raspberrypi ~ $ sudo nfc-scan-device

nfc-scan-device uses libnfc libnfc-1.7.1-12-gb978c45 2 NFC device(s) found:

- ACS / ACR122U PICC Interface:

acr122_usb:001:010

- ACS / ACR122U PICC Interface:

acr122_usb:001:009

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Interrogation des tags

pi@raspberrypi ~ $ sudo nfc-list

nfc-list uses libnfc libnfc-1.7.1-12-gb978c45 NFC device: ACS / ACR122U PICC Interface opened 1 ISO14443A passive target(s) found:

ISO/IEC 14443A (106 kbps) target:

ATQA (SENS_RES): 00 04 UID (NFCID1): 84 2b 47 f0 SAK (SEL_RES): 08

NFC device: ACS / ACR122U PICC Interface opened 1 ISO14443A passive target(s) found:

ATQA (SENS_RES): 00 04 UID (NFCID1): be 60 45 a8 SAK (SEL_RES): 08

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Interrogation simultanée des tags sur le même lecteur (déterminisme par l’anticollision)

ATQA (SENS_RES): 00 04 UID (NFCID1): be 60 45 a8 SAK (SEL_RES): 08

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Echange de bas niveau ISO DEP 14443-4

pi@raspberrypi ~ $ sudo nfc-dep-target

NFC device: ACS / ACR122U PICC Interface opened

NFC device will now act as: D.E.P. (undefined baud ratepassive mode) target:

NFCID3: 12 34 56 78 9a bc de ff 00 00 BS: 00

BR: 00 TO: 00 PP: 01

General Bytes: 12 34 56 78 Waiting for initiator request...

Initiator request received. Waiting for data...

Received: Hello World!

Sending: Hello Mars!

Data sent.

NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

pi@raspberrypi ~ $ sudo nfc-dep-initiator NFC device: ACS / ACR122U PICC Interface

openedD.E.P. (212 kbpspassive mode) target:

NFCID3: 12 34 56 78 9a bc de ff 00 00 BS: 00

BR: 00 TO: 09 PP: 03

General Bytes: 12 34 56 78 Sending: Hello World!

Received: Hello Mars!

nfc_initiator_deselect_target: RF Transmission Error

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Emulation UID

pi@new-host-4 ~ $ sudo nfc-emulate-uid

NFC device: ACS / ACR122U PICC Interface opened

[+] Try to break out the auto-emulation, this requires a second NFC device!

[+] To do this, please send any command after the anti-collision

[+] For example, send a RATS command or use the "nfc-anticol" or "nfc-list"

tool.

[+] Received initiator command:

[+] Configuring communication

[+] Done, the emulated tag is initialized with UID: DEADBEEF

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NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

ATQA (SENS_RES): 04 00 UID (NFCID3): 08 ad be ef SAK (SEL_RES): 20

ATS: 75 33 92 03

74

NFC Embarqué dans la pratique: Raspberry Pi / ACR122

 Ecriture tag Mifare Classic avec libnfc

 Ensemble des secteurs

 Clés A et B

 Conditions d’accès

root@labnfc:/home/fabrice/proxmark3/client#nfc-mfclassic w a dumpdata1.mfd NFC reader: ACS / ACR122U PICC Interface opened

Found MIFARE Classic card:

Guessing size: seems to be a 1024-byte card

Writing 64 blocks

|...|

Done, 63 of 64 blocks written.

root@labnfc:/home/fabrice/proxmark3/client#

75

La technologie sans contact NFC Aspects protocolaires et sécurité