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智能CPU卡式电能表卡口防攻击电路分析

来源:一卡通世界      作者:韩诚      2012-2-3 11:44:39

    摘要:CPU卡式电能表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、IC卡技术对用电量进行计量并采用预付费结算方式( 费控) 的新型电能表。在国家智能电网的建设中,今后将逐步实现“全覆盖、全采集、全费控”的“三全”目标,智能卡式电能表的安装与更换就是适应这一目标的基础工作。智能卡式电能表不仅具有传统的计量功能,同时还可通过电力载波传输数据,尤其CPU卡的应用彻底转变了传统的缴费模式。随着该类电能表的普及,电能表安全问题突出显现,尤其对电能表卡口的攻击就是重要的一方面,为此,针对电能表卡口的攻击方式及防攻击电路进行了研究与分析。

    随着IC卡技术的不断成熟,在各行各业中应用日益广泛。在众多的IC卡中,接触型CPU卡性价比较高,由于其售价低、保密性好、读写器价格低廉和易于嵌入终端产品而得到最广泛的应用。目前在国网系统无论量控,还是费控电能表基本采用该种模式实现预付费功能,由此改革了传统用电体制,提高了用电管理水平。CPU卡作为专用电量、电价、电费等参数的传递介质,对应于电能表卡座接口将进行各类信息的接收,因此对卡座的攻击成为一部分人获得不法利益的途径,为此从硬件方面采取必要的措施,设计一种防攻击电路尤显必要。

    1 IC卡卡口攻击方式

    1. 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。

    1. 2 IC卡卡口的攻击方式

   
为防止对IC卡卡口产生破坏性的攻击,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以下四类卡口攻击:

    ( 1) 高压静电攻击( 例如使用煤气点火器) ;

    ( 2) 短路攻击( 使用短路金属片插入卡口) ;

    ( 3) 高压直流攻击( 对VCC 输入直流高电压) ;

    ( 4) 高压交流( 例如在任意两引线间加入交流220V) 。以上4 类攻击方法如不采取有效的防护措施,都将会使电能表单片机、电路、电源损坏而失去对消费对象的控制,攻击者攻击成功后可不付费而获得消费。并且上述攻击都是电攻击,基本不会留下攻击证据,从而无法确认责任属性。

    1. 3 IC卡卡口防攻击的难点

   
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已损坏; 第三,成本需较低,否则用户不能接受; 第四,攻击撤消后应能快速恢复正常工作状态; 最后还需要较小的体积和极高的可靠性。设计一种同时满足上述要求的电子部件,实属不易。

    2 几种卡口防攻击电路比较

   
纵观卡式电能表发展历程,早期对卡口防攻击重要性认识不足,带来一系列问题,影响到卡式电能表市场的占有率,经过不断的探索、总结,目前对卡口的防攻击已提到一个新的高度,卡口防攻击电路在实践中相应不断地进行了改进、优化。以下是几种不同的IC卡卡口防攻击电路。

    2. 1 早期IC卡卡口防攻击电路

   
早期的IC卡卡口防攻击电路,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。

图1 早期IC 卡卡口防攻击电路
图1 早期IC卡卡口防攻击电路

    2. 1. 1 防攻击原理

   
图1 中的IC卡卡口防攻击专用模块采用PTCM5 - 05B301 - 501RM 模块,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。

    2. 1. 2 防攻击特点

   
( 1) 具有快速响应,快速自恢复;

    ( 2) 性能稳定;

    ( 3) 抗攻击范围广( DC2500V,AC600V,静电30000V) 。

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