]> git.zerfleddert.de Git - proxmark3-svn/blobdiff - armsrc/legicrfsim.c
Legic Tag Simulator (#666)
[proxmark3-svn] / armsrc / legicrfsim.c
diff --git a/armsrc/legicrfsim.c b/armsrc/legicrfsim.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..07a0a62
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,468 @@
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// (c) 2009 Henryk Plötz <henryk@ploetzli.ch>
+//     2016 Iceman
+//     2018 AntiCat
+//
+// This code is licensed to you under the terms of the GNU GPL, version 2 or,
+// at your option, any later version. See the LICENSE.txt file for the text of
+// the license.
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// LEGIC RF simulation code
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+#include "proxmark3.h"
+#include "apps.h"
+#include "util.h"
+#include "string.h"
+
+#include "legicrfsim.h"
+#include "legic_prng.h"
+#include "legic.h"
+#include "crc.h"
+
+static uint8_t* legic_mem;      /* card memory, used for sim */
+static legic_card_select_t card;/* metadata of currently selected card */
+static crc_t legic_crc;
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Frame timing and pseudorandom number generator
+//
+// The Prng is forwarded every 99.1us (TAG_BIT_PERIOD), except when the reader is
+// transmitting. In that case the prng has to be forwarded every bit transmitted:
+//  - 31.3us for a 0 (RWD_TIME_0)
+//  - 99.1us for a 1 (RWD_TIME_1)
+//
+// The data dependent timing makes writing comprehensible code significantly
+// harder. The current aproach forwards the prng data based if there is data on
+// air and time based, using GetCountSspClk(), during computational and wait
+// periodes. SSP Clock is clocked by the FPGA at 212 kHz (subcarrier frequency).
+//
+// To not have the necessity to calculate/guess exection time dependend timeouts
+// tx_frame and rx_frame use a shared timestamp to coordinate tx and rx timeslots.
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+static uint32_t last_frame_end; /* ts of last bit of previews rx or tx frame */
+
+#define TAG_FRAME_WAIT       70 /* 330us from READER frame end to TAG frame start */
+#define TAG_ACK_WAIT        758 /* 3.57ms from READER frame end to TAG write ACK */
+#define TAG_BIT_PERIOD       21 /* 99.1us */
+
+#define RWD_TIME_PAUSE        4 /* 18.9us */
+#define RWD_TIME_1           21 /* RWD_TIME_PAUSE 18.9us off + 80.2us on = 99.1us */
+#define RWD_TIME_0           13 /* RWD_TIME_PAUSE 18.9us off + 42.4us on = 61.3us */
+#define RWD_CMD_TIMEOUT      40 /* 40 * 99.1us (arbitrary value) */
+#define RWD_MIN_FRAME_LEN     6 /* Shortest frame is 6 bits */
+#define RWD_MAX_FRAME_LEN    23 /* Longest frame is 23 bits */
+
+#define RWD_PULSE             1 /* Pulse is signaled with GPIO_SSC_DIN high */
+#define RWD_PAUSE             0 /* Pause is signaled with GPIO_SSC_DIN low */
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Demodulation
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+// Returns true if a pulse/pause is received within timeout
+static inline bool wait_for(bool value, const uint32_t timeout) {
+  while((bool)(AT91C_BASE_PIOA->PIO_PDSR & GPIO_SSC_DIN) != value) {
+    if(GetCountSspClk() > timeout) {
+      return false;
+    }
+  }
+  return true;
+}
+
+// Returns a demedulated bit or -1 on code violation
+//
+// rx_bit decodes bits using a thresholds. rx_bit has to be called by as soon as
+// a frame starts (first pause is received). rx_bit checks for a pause up to
+// 18.9us followed by a pulse of 80.2us or 42.4us:
+//  - A bit length <18.9us is a code violation
+//  - A bit length >80.2us is a 1
+//  - A bit length <80.2us is a 0
+//  - A bit length >148.6us is a code violation
+static inline int8_t rx_bit() {
+  // backup ts for threshold calculation
+  uint32_t bit_start = last_frame_end;
+
+  // wait for pause to end
+  if(!wait_for(RWD_PULSE, bit_start + RWD_TIME_1*3/2)) {
+    return -1;
+  }
+
+  // wait for next pause
+  if(!wait_for(RWD_PAUSE, bit_start + RWD_TIME_1*3/2)) {
+    return -1;
+  }
+
+  // update bit and frame end
+  last_frame_end = GetCountSspClk();
+
+  // check for code violation (bit to short)
+  if(last_frame_end - bit_start < RWD_TIME_PAUSE) {
+    return -1;
+  }
+
+  // apply threshold (average of RWD_TIME_0 and )
+  return (last_frame_end - bit_start > (RWD_TIME_0 + RWD_TIME_1) / 2);
+}
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Modulation
+//
+// LEGIC RF uses a very basic load modulation from card to reader:
+//  - Subcarrier on for a 1
+//  - Subcarrier off for for a 0
+//
+// The 212kHz subcarrier is generated by the FPGA as well as a mathcing ssp clk.
+// Each bit is transfered in a 99.1us slot and the first timeslot starts 330us
+// after the final 20us pause generated by the reader.
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+// Transmits a bit
+//
+// Note: The Subcarrier is not disabled during bits to prevent glitches. This is
+//       not mandatory but results in a cleaner signal. tx_frame will disable
+//       the subcarrier when the frame is done.
+static inline void tx_bit(bool bit) {
+  LED_C_ON();
+
+  if(bit) {
+    // modulate subcarrier
+    HIGH(GPIO_SSC_DOUT);
+  } else {
+    // do not modulate subcarrier
+    LOW(GPIO_SSC_DOUT);
+  }
+
+  // wait for tx timeslot to end
+  last_frame_end += TAG_BIT_PERIOD;
+  while(GetCountSspClk() < last_frame_end) { };
+  LED_C_OFF();
+}
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Frame Handling
+//
+// The LEGIC RF protocol from reader to card does not include explicit frame
+// start/stop information or length information. The tag detects end of frame
+// trough an extended pulse (>99.1us) without a pause.
+// In reverse direction (card to reader) the number of bites is well known
+// and depends only the command received (IV, ACK, READ or WRITE).
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+static void tx_frame(uint32_t frame, uint8_t len) {
+  // wait for next tx timeslot
+  last_frame_end += TAG_FRAME_WAIT;
+  legic_prng_forward(TAG_FRAME_WAIT/TAG_BIT_PERIOD - 1);
+  while(GetCountSspClk() < last_frame_end) { };
+
+  // transmit frame, MSB first
+  for(uint8_t i = 0; i < len; ++i) {
+    bool bit = (frame >> i) & 0x01;
+    tx_bit(bit ^ legic_prng_get_bit());
+    legic_prng_forward(1);
+  };
+
+  // disable subcarrier
+  LOW(GPIO_SSC_DOUT);
+}
+
+static void tx_ack() {
+  // wait for ack timeslot
+  last_frame_end += TAG_ACK_WAIT;
+  legic_prng_forward(TAG_ACK_WAIT/TAG_BIT_PERIOD - 1);
+  while(GetCountSspClk() < last_frame_end) { };
+
+  // transmit ack (ack is not encrypted)
+  tx_bit(true);
+  legic_prng_forward(1);
+
+  // disable subcarrier
+  LOW(GPIO_SSC_DOUT);
+}
+
+// Returns a demedulated frame or -1 on code violation
+//
+// Since TX to RX delay is arbitrary rx_frame has to:
+//  - detect start of frame (first pause)
+//  - forward prng based on ts/TAG_BIT_PERIOD
+//  - receive the frame
+//  - detect end of frame (last pause)
+static int32_t rx_frame(uint8_t *len) {
+  int32_t frame = 0;
+
+  // add 2 SSP clock cycles (1 for tx and 1 for rx pipeline delay)
+  // those will be substracted at the end of the rx phase
+  last_frame_end -= 2;
+
+  // wait for first pause (start of frame)
+  for(uint8_t i = 0; true; ++i) {
+    // increment prng every TAG_BIT_PERIOD
+    last_frame_end += TAG_BIT_PERIOD;
+    legic_prng_forward(1);
+
+    // if start of frame was received exit delay loop
+    if(wait_for(RWD_PAUSE, last_frame_end)) {
+      last_frame_end = GetCountSspClk();
+      break;
+    }
+
+    // check for code violation
+    if(i > RWD_CMD_TIMEOUT) {
+      return -1;
+    }
+  }
+
+  // receive frame
+  for(*len = 0; true; ++(*len)) {
+    // receive next bit
+    LED_D_ON();
+    int8_t bit = rx_bit();
+    LED_D_OFF();
+
+    // check for code violation and to short / long frame
+    if((bit < 0) && ((*len < RWD_MIN_FRAME_LEN) || (*len > RWD_MAX_FRAME_LEN))) {
+      return -1;
+    }
+
+    // check for code violation caused by end of frame
+    if(bit < 0) {
+      break;
+    }
+
+    // append bit
+    frame |= (bit ^ legic_prng_get_bit()) << (*len);
+    legic_prng_forward(1);
+  }
+
+  // rx_bit sets coordination timestamp to start of pause, append pause duration
+  // and substract 2 SSP clock cycles (1 for rx and 1 for tx pipeline delay) to
+  // obtain exact end of frame.
+  last_frame_end += RWD_TIME_PAUSE - 2;
+
+  return frame;
+}
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Legic Simulator
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+static int32_t init_card(uint8_t cardtype, legic_card_select_t *p_card) {
+  p_card->tagtype = cardtype;
+
+  switch(p_card->tagtype) {
+    case 0:
+      p_card->cmdsize = 6;
+      p_card->addrsize = 5;
+      p_card->cardsize = 22;
+      break;
+    case 1:
+      p_card->cmdsize = 9;
+      p_card->addrsize = 8;
+      p_card->cardsize = 256;
+      break;
+    case 2:
+      p_card->cmdsize = 11;
+      p_card->addrsize = 10;
+      p_card->cardsize = 1024;
+      break;
+    default:
+      p_card->cmdsize = 0;
+      p_card->addrsize = 0;
+      p_card->cardsize = 0;
+      return 2;
+  }
+  return 0;
+}
+
+static void init_tag() {
+  // configure FPGA
+  FpgaDownloadAndGo(FPGA_BITSTREAM_HF);
+  FpgaWriteConfWord(FPGA_MAJOR_MODE_HF_SIMULATOR
+                  | FPGA_HF_SIMULATOR_MODULATE_212K);
+  SetAdcMuxFor(GPIO_MUXSEL_HIPKD);
+
+  // configure SSC with defaults
+  FpgaSetupSsc();
+
+  // first pull output to low to prevent glitches then re-claim GPIO_SSC_DOUT
+  LOW(GPIO_SSC_DOUT);
+  AT91C_BASE_PIOA->PIO_OER = GPIO_SSC_DOUT;
+  AT91C_BASE_PIOA->PIO_PER = GPIO_SSC_DOUT;
+
+  // reserve a cardmem, meaning we can use the tracelog function in bigbuff easier.
+  legic_mem = BigBuf_get_addr();
+
+  // init crc calculator
+  crc_init(&legic_crc, 4, 0x19 >> 1, 0x05, 0);
+
+  // start 212kHz timer (running from SSP Clock)
+  StartCountSspClk();
+}
+
+// Setup reader to card connection
+//
+// The setup consists of a three way handshake:
+//  - Receive initialisation vector 7 bits
+//  - Transmit card type 6 bits
+//  - Receive Acknowledge 6 bits
+static int32_t setup_phase(legic_card_select_t *p_card) {
+  uint8_t len = 0;
+
+  // init coordination timestamp
+  last_frame_end = GetCountSspClk();
+
+  // reset prng
+  legic_prng_init(0);
+
+  // wait for iv
+  int32_t iv = rx_frame(&len);
+  if((len != 7) || (iv < 0)) {
+    return -1;
+  }
+
+  // configure prng
+  legic_prng_init(iv);
+
+  // reply with card type
+  switch(p_card->tagtype) {
+    case 0:
+      tx_frame(0x0D, 6);
+      break;
+    case 1:
+      tx_frame(0x1D, 6);
+      break;
+    case 2:
+      tx_frame(0x3D, 6);
+      break;
+  }
+
+  // wait for ack
+  int32_t ack = rx_frame(&len);
+  if((len != 6) || (ack < 0)) {
+    return -1;
+  }
+
+  // validate data
+  switch(p_card->tagtype) {
+    case 0:
+      if(ack != 0x19) return -1;
+      break;
+    case 1:
+      if(ack != 0x39) return -1;
+      break;
+    case 2:
+      if(ack != 0x39) return -1;
+      break;
+  }
+
+  // During rx the prng is clocked using the variable reader period.
+  // Since rx_frame detects end of frame by detecting a code violation,
+  // the prng is off by one bit period after each rx phase. Hence, tx
+  // code advances the prng by (TAG_FRAME_WAIT/TAG_BIT_PERIOD - 1).
+  // This is not possible for back to back rx, so this quirk reduces
+  // the gap by one period.
+  last_frame_end += TAG_BIT_PERIOD;
+
+  return 0;
+}
+
+static uint8_t calc_crc4(uint16_t cmd, uint8_t cmd_sz, uint8_t value) {
+  crc_clear(&legic_crc);
+  crc_update(&legic_crc, (value << cmd_sz) | cmd, 8 + cmd_sz);
+  return crc_finish(&legic_crc);
+}
+
+static int32_t connected_phase(legic_card_select_t *p_card) {
+  uint8_t len = 0;
+
+  // wait for command
+  int32_t cmd = rx_frame(&len);
+  if(cmd < 0) {
+    return -1;
+  }
+
+  // check if command is LEGIC_READ
+  if(len == p_card->cmdsize) {
+    // prepare data
+    uint8_t byte = legic_mem[cmd >> 1];
+    uint8_t crc = calc_crc4(cmd, p_card->cmdsize, byte);
+
+    // transmit data
+    tx_frame((crc << 8) | byte, 12);
+
+    return 0;
+  }
+
+  // check if command is LEGIC_WRITE
+  if(len == p_card->cmdsize + 8 + 4) {
+    // decode data
+    uint16_t mask = (1 << p_card->addrsize) - 1;
+    uint16_t addr = (cmd >> 1) & mask;
+    uint8_t  byte = (cmd >> p_card->cmdsize) & 0xff;
+    uint8_t  crc  = (cmd >> (p_card->cmdsize + 8)) & 0xf;
+
+    // check received against calculated crc
+    uint8_t calc_crc = calc_crc4(addr << 1, p_card->cmdsize, byte);
+    if(calc_crc != crc) {
+      Dbprintf("!!! crc mismatch: %x != %x !!!",  calc_crc, crc);
+      return -1;
+    }
+
+    // store data
+    legic_mem[addr] = byte;
+
+    // transmit ack
+    tx_ack();
+
+    return 0;
+  }
+
+  return -1;
+}
+
+//-----------------------------------------------------------------------------
+// Command Line Interface
+//
+// Only this function is public / called from appmain.c
+//-----------------------------------------------------------------------------
+
+void LegicRfSimulate(uint8_t cardtype) {
+  // configure ARM and FPGA
+  init_tag();
+
+  // verify command line input
+  if(init_card(cardtype, &card) != 0) {
+    DbpString("Unknown tagtype.");
+    goto OUT;
+  }
+
+  LED_A_ON();
+  DbpString("Starting Legic emulator, press button to end");
+  while(!BUTTON_PRESS()) {
+    WDT_HIT();
+
+    // wait for carrier, restart after timeout
+    if(!wait_for(RWD_PULSE, GetCountSspClk() + TAG_BIT_PERIOD)) {
+      continue;
+    }
+
+    // wait for connection, restart on error
+    if(setup_phase(&card)) {
+      continue;
+    }
+
+    // conection is established, process commands until one fails
+    while(!connected_phase(&card)) {
+      WDT_HIT();
+    }
+  }
+
+OUT:
+  DbpString("Stopped");
+  FpgaWriteConfWord(FPGA_MAJOR_MODE_OFF);
+  LED_A_OFF();
+  LED_C_OFF();
+  LED_D_OFF();
+  StopTicks();
+}
Impressum, Datenschutz