CPU卡應(yīng)用系統(tǒng)密鑰管理技術(shù)

文章出處：http://www.mjagi.com 作者：廣州市明華澳漢科技有限公司技術(shù)部   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月11日

    一、密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前提

    密鑰管理是密碼技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代密碼學(xué)中，在密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)之外，又獨(dú)立出一支密鑰管理學(xué)。密鑰管理包括密鑰的生成、分配、注入、保管、銷(xiāo)毀等環(huán)節(jié)，而其中最重要的就是密鑰的分配。IC卡的密鑰管理機(jī)制直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性、靈活性、通用性。密鑰的生成、發(fā)行、更新是系統(tǒng)的一個(gè)核心問(wèn)題。

    為保證一個(gè)大型的CPU卡應(yīng)用系統(tǒng)的安全使用、保證信息不被侵犯，應(yīng)在系統(tǒng)實(shí)施前建立起一套完整的密鑰管理系統(tǒng)。密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在安全、靈活的前提下，可以安全地產(chǎn)生各級(jí)主密鑰和各類(lèi)子密鑰，并將子密鑰安全地下發(fā)給子系統(tǒng)的發(fā)卡中心，用來(lái)產(chǎn)生SAM卡、用戶(hù)卡和操作員卡的各種密鑰，確保以上所有環(huán)節(jié)中密鑰的安全性和一致性，實(shí)現(xiàn)集中式的密鑰管理。在全省內(nèi)保證各個(gè)城市能夠發(fā)行自己的用戶(hù)卡和密鑰卡，并由省級(jí)管理中心進(jìn)行監(jiān)控。

    二、密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

    1．系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)

    本文以一個(gè)省級(jí)醫(yī)療保險(xiǎn)CPU卡應(yīng)用系統(tǒng)為例，介紹密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是面向省級(jí)醫(yī)療保險(xiǎn)行業(yè)、在各個(gè)城市進(jìn)行應(yīng)用的系統(tǒng)，系統(tǒng)最終所發(fā)行的卡片包括SAM卡和用戶(hù) 卡。SAM卡將放在多種脫機(jī)使用的設(shè)備上；用戶(hù)卡是由用產(chǎn)自己保存與使用并存儲(chǔ)用產(chǎn)的基本信息和電子資金信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保障系統(tǒng)既具有可用性、開(kāi)放性，又具有足夠的安全性。

    本系統(tǒng)密鑰的存儲(chǔ)、傳輸都是使用智能卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹悄芸ň哂懈叨鹊陌踩浴Ｓ脩?hù)卡(提供給最終用戶(hù)使用的卡片)上的密鑰根本無(wú)法讀出，只是在達(dá)到一定的安全狀態(tài)時(shí)才可以使用。SAM卡(用來(lái)識(shí)別用戶(hù)卡的認(rèn)證密鑰卡)中的密鑰可以用來(lái)分散出用戶(hù)卡中部分脫機(jī)使用的密鑰，但也無(wú)法讀出。各級(jí)發(fā)行密鑰母卡上的密鑰在達(dá)到足夠的安全狀態(tài)時(shí)可以導(dǎo)出，但導(dǎo)出的密鑰為密文，只有送到同類(lèi)的卡片內(nèi)才可以解密。

    本系統(tǒng)的安全機(jī)制主要有卡片的物理安全、智能卡操作系統(tǒng)的安全、安全的算法、安全的密鑰生成與存儲(chǔ)、密鑰的安全傳輸與分散、保障安全的管理措施與審計(jì)制度。

    2．密鑰的分層管理

    密鑰主要分層進(jìn)行管理，即省級(jí)密鑰管理中心只負(fù)責(zé)生成種子密鑰，各個(gè)城市根據(jù)密鑰種子負(fù)責(zé)生成自己的密鑰系統(tǒng)和用戶(hù)卡，這樣既可以在全省范圍內(nèi)統(tǒng)一規(guī)劃，又可以靈活使用。

    3．安全的密鑰管理體制

    密鑰受到嚴(yán)格的權(quán)限控制，特別是對(duì)密鑰的使用權(quán)限進(jìn)行分級(jí)管理和控制；密鑰的生成、注入、導(dǎo)出等功能由發(fā)卡中心(省醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理。

    三、系統(tǒng)功能

    密鑰管理系統(tǒng)的目標(biāo)就是安全地產(chǎn)生各級(jí)主密鑰和各類(lèi)子密鑰。并將子密鑰安全地下發(fā)給子系統(tǒng)的發(fā)卡中心，用來(lái)產(chǎn)生SAM卡、用戶(hù)卡和操作員卡中的各種密鑰，確保以上所有環(huán)節(jié)中密鑰的安全性和一致性，實(shí)現(xiàn)集中式的密鑰管理。系統(tǒng)通過(guò)IC卡硬件、IC卡操作系統(tǒng)、合理的密鑰管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的安全管理規(guī)定來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。

    密鑰管理系統(tǒng)是IC卡應(yīng)用系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，主要功能有密鑰的產(chǎn)生、分配、使用、更新和銷(xiāo)毀。

    1．密鑰的生成
    產(chǎn)生省級(jí)各類(lèi)主密鑰和市級(jí)各類(lèi)子密鑰：產(chǎn)生用戶(hù)卡和操作員卡的各種密鑰。密鑰生成主要由三種形式結(jié)合使用：
    ·使用安全可靠、快速的軟件生成方法；
    ·使用卡片存儲(chǔ)密鑰；
    ·使用加密機(jī)生成密鑰。在密鑰生成過(guò)程中，必須在安全、保密的環(huán)境下進(jìn)行。
    2．密鑰的分配：密鑰生成之后，再根據(jù)不同的業(yè)務(wù)種類(lèi)進(jìn)行密鑰的分發(fā)。之后將密鑰下發(fā)給城市，并保證密鑰的安全性和一致性。密鑰在IC卡中以密文的形式進(jìn)行下裝或分發(fā)到各個(gè)子系統(tǒng)，并且密鑰受到相應(yīng)的安全控管，只有達(dá)到安全條件才可以使用密鑰進(jìn)行分配或下裝。IC卡作為傳輸密鑰的載體，由于其自身的安全系數(shù)非常高，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)完全可以有效進(jìn)行密鑰傳輸和分發(fā)。
    3．密鑰的使用：在各個(gè)分系統(tǒng)和IC卡中，可以設(shè)計(jì)密鑰使用的安全條件，只有達(dá)到密鑰的安全使用條件，才可以使用密鑰進(jìn)行相應(yīng)的操作。而且密鑰的使用過(guò)程中，都是以非可見(jiàn)性的形式存儲(chǔ)的，任何人都沒(méi)有權(quán)限進(jìn)行讀取，包括卡片制造商和系統(tǒng)商。密鑰在受到非法攻擊時(shí)，能夠自行鎖住，從而達(dá)到防止非法破譯的目的。
    4．密鑰的更新：密鑰的更新涉及到的安全問(wèn)題比較多，由于大多數(shù)密鑰的更新是在安全強(qiáng)度較弱的環(huán)境進(jìn)行的，且涉及的范圍很大，所以應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地進(jìn)行密鑰更新。如果需要更新密鑰，可以在安全保密的狀態(tài)下，密鑰以密文的形式，并且在一定的安全條件管理下，定期地進(jìn)行更新。
    5．密鑰的失效：密鑰在使用一段時(shí)間后，由于安全的需要，可以將其強(qiáng)制失效，但可以起用備份密鑰進(jìn)行管理。如果密鑰受到非法攻擊，其也可以自動(dòng)換效，以保護(hù)整個(gè)密鑰系統(tǒng)的安全。密鑰卡和存有關(guān)鍵數(shù)據(jù)的IC卡失效之后，必須回收秘密銷(xiāo)毀。

    密鑰管理系統(tǒng)主要分為兩大模塊：
    ·省級(jí)密鑰管理模塊
    ·市級(jí)密鑰管理模塊

    省級(jí)密鑰管理模塊的主要功能是產(chǎn)生省級(jí)主密鑰，并為各城市產(chǎn)生城市主密鑰，以密鑰卡的形式傳輸?shù)礁鞒鞘?，同時(shí)在密鑰卡上記錄發(fā)卡信息以便跟蹤審計(jì)，密鑰卡的文件結(jié)構(gòu)和使用方法以書(shū)面形式記載。

    市級(jí)密鑰管理模塊的主要功能是生成SAM卡、生成和安裝用戶(hù)卡上的各種密鑰并且初始化用戶(hù)卡。

    四、密鑰管理系統(tǒng)的運(yùn)行與管理地點(diǎn)的設(shè)置

    考慮到醫(yī)療保險(xiǎn)IC卡發(fā)行的要求，密鑰管理系統(tǒng)應(yīng)在省或市醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心運(yùn)行與管理。其中生成母密鑰的密碼應(yīng)在省勞動(dòng)和社會(huì)保障廳或市勞動(dòng)和社會(huì)保障局封存。

    五、密鑰管理系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)

    1．母密鑰生成模塊

    該模塊負(fù)責(zé)生成醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)的根密鑰(即母密鑰)，只能在省醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心使用與控制。在完成二級(jí)密鑰的生成后，應(yīng)將母密鑰卡進(jìn)行封存。母密鑰的生成必須在高度安全保密的情況下進(jìn)行，并由少數(shù)人進(jìn)行管理。生成母密鑰的種子由相關(guān)各部門(mén)的主要負(fù)責(zé)入輸入，然后再使用安全算法進(jìn)行處理，最終生成醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)的母密鑰。母密鑰生成之后，分成多個(gè)載體進(jìn)行保存和使用。

    ·存放到IC卡中生成母密鑰卡(密鑰不可見(jiàn))用于生成二級(jí)密鑰卡，并且每張每密鑰卡都受到PLN和外部認(rèn)證密鑰卡的保護(hù)，也就是說(shuō)在生成母密鑰卡的同時(shí)也給每張母密鑰卡生成一個(gè)PLN和外部認(rèn)證密鑰，且相對(duì)應(yīng)生成外部認(rèn)證密鑰卡，在使用母密鑰卡生成二級(jí)密鑰時(shí)，首先輸入個(gè)人密碼，然后母密鑰卡和外部認(rèn)證卡進(jìn)行雙向認(rèn)證，達(dá)到使用母密鑰的安全條件后才可以使用母密鑰生成下級(jí)密鑰。
    ·密鑰種子必須以書(shū)面的形式嚴(yán)格保密存儲(chǔ)且必須分開(kāi)由幾個(gè)人各掌管一部分。
    ·母密鑰的作用是生成二級(jí)密鑰。

    2．二級(jí)密鑰生成模塊

    用母密鑰根據(jù)醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)的要求，生成二級(jí)密鑰。二級(jí)密鑰包括：發(fā)卡主密鑰、市級(jí)主密鑰、省級(jí)應(yīng)用主密鑰。該級(jí)別的密鑰由省醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心使用與保管。

    發(fā)卡主密鑰的作用：用于生成與發(fā)卡相關(guān)的各級(jí)功能密鑰，即發(fā)放密鑰、掛失密鑰、補(bǔ)辦密鑰、注銷(xiāo)密鑰、充值密鑰、查詢(xún)密鑰。
    市級(jí)主密鑰的作用：根據(jù)系統(tǒng)要求，生成與市級(jí)應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用密鑰。
    省級(jí)應(yīng)用主密鑰的作用：根據(jù)系統(tǒng)功能要求，生成各種功能的省級(jí)應(yīng)用密鑰。

    3．發(fā)卡密鑰生成模塊：該模塊將按要求生成各個(gè)市的發(fā)卡密鑰。
    4．市級(jí)密鑰生成模塊：該模塊將按要求，用本市的市級(jí)主密鑰生成相應(yīng)的各種應(yīng)用密鑰。
    5．省級(jí)應(yīng)用密鑰生成模塊：該模塊將按要求，用省級(jí)應(yīng)用主密鑰生成省級(jí)各種應(yīng)用密鑰。
    6．密鑰管理：該模塊將按要求，對(duì)所有密鑰的生成、發(fā)放進(jìn)行記錄與管理，并負(fù)責(zé)各種密鑰卡的掛失、注銷(xiāo)、黑名單、補(bǔ)辦等管理。

    六、密鑰的安全特性

    1．密鑰的裝載
    密鑰的裝載采用方式，其控制過(guò)程如下：
    ·卡片主控密鑰在卡片主控密鑰的控制下更新；
    ·應(yīng)用主控密鑰在片卡主控密鑰的控制下裝載；
    ·應(yīng)用主控密鑰在應(yīng)用主控密鑰的控制下更新；
    ·應(yīng)用主密鑰在應(yīng)用主控密鑰的控制下裝載和更新。

    2．密鑰的訪(fǎng)問(wèn)
    ·密鑰不允許直接讀；
    ·密鑰必須在主控密鑰的控制下更新；
    ·各級(jí)密鑰不能被外界直接訪(fǎng)問(wèn)，只能接受內(nèi)部操作系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令進(jìn)行計(jì)算；
    ·計(jì)算臨時(shí)密鑰產(chǎn)生的結(jié)果只保留在卡片內(nèi)部，不能被外界直接訪(fǎng)問(wèn)。

    3．密鑰的屬性：密鑰的使用都有一定的限制，必須滿(mǎn)足密鑰屬性的要求。

    七、密鑰的生成流程（略）

    八、系統(tǒng)的發(fā)卡流程

    1．IC卡生產(chǎn)發(fā)行過(guò)程的安全機(jī)制
    當(dāng)省或城市向卡廠(chǎng)訂購(gòu)卡片時(shí)，制造商使用傳輸密鑰裝入測(cè)試合格的IC卡芯片內(nèi)制成卡片，運(yùn)送省級(jí)或城市IC管理中心。傳輸密鑰用來(lái)控制IC卡的安全傳輸，以防止卡片在生產(chǎn)商和省級(jí)或城市之間運(yùn)送時(shí)被替換。
    當(dāng)省級(jí)或市級(jí)IC卡管理中心接到訂購(gòu)的IC卡后，首先使用傳輸密鑰對(duì)卡片進(jìn)行鑒別，以檢驗(yàn)卡片的合法性，防止非法卡片。
    鑒別通過(guò)后，將省級(jí)或市級(jí)IC卡管理中心自己的主控密鑰用廠(chǎng)商傳輸密鑰加密，載入到IC卡中，再在IC卡中用廠(chǎng)商傳輸密鑰解密，得到主控密鑰用來(lái)替換掉IC卡中的傳輸密鑰，之后才可以在本系統(tǒng)內(nèi)使用主控密鑰進(jìn)行密鑰的裝載。
    2．發(fā)卡流程
    用來(lái)發(fā)行用戶(hù)卡的IC卡由指定的用戶(hù)卡制造商提供。省級(jí)或市級(jí)給每個(gè)授權(quán)的用戶(hù)卡制造商發(fā)放一張用戶(hù)卡傳輸主密鑰卡，卡廠(chǎng)將傳輸主密鑰裝入測(cè)試合格的IC卡芯片內(nèi)制成卡片，再運(yùn)送市級(jí)IC卡應(yīng)用管理中心。
    市級(jí)IC卡管理中心首先使用用戶(hù)卡制造主密鑰卡對(duì)這些卡片進(jìn)行認(rèn)證，確保卡片安全傳輸，認(rèn)證通過(guò)以后，使用市級(jí)主密鑰卡、城市主密鑰卡授權(quán)卡、SAM卡母卡、SAM卡母卡授權(quán)將這些卡片初始化成用戶(hù)卡。