基于Java Card的校園一卡通的應(yīng)用設(shè)計

文章出處：http://www.mjagi.com 作者：李明江   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月17日

    隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展，高等院校也向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化邁進，普遍使用計算機信息系統(tǒng)來進行各個部門的管理工作。但由于各部門的管理信息系統(tǒng)起步不同、平臺不同，造成各部門的系統(tǒng)相對獨立，數(shù)據(jù)信息無法兼容互通，各個部門形成相對獨立的數(shù)據(jù)孤島，這樣一些公共基礎(chǔ)信息的準(zhǔn)確性和及時f生都無法保障。特別有些部門已逐步建立起自己的智能卡應(yīng)用系統(tǒng)，造成了學(xué)生(學(xué)生證、考試卡、借書證、飯卡、上網(wǎng)卡)和教職工身上持有多張卡，造成不方便的同時，也讓資源不能合理配置和共享，使整個學(xué)校的管理水平下降。

    校園一卡通是以智能卡為信息載體，適用于校園消費和管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并能實現(xiàn)與校園網(wǎng)的對接。智能卡中的硬件資源是非常有限的。一個最普通的智能卡具有256字節(jié)的RAM ，16K字節(jié)的ROM和4K一8K字節(jié)的EEPROM；而最高檔次的智能卡當(dāng)前也只有4K字節(jié)的RAM，64K字節(jié)ROM和64K字節(jié)的EEPROM；更多智能卡的硬件配置位于二者之間。另一方面，智能卡對安全性、執(zhí)行效率、事件處理等方面的要求也是很高的。智能卡應(yīng)用程序在開發(fā)時都以匯編語言外加C語言為主，需要對智能卡硬件有很深的專業(yè)知識，編程復(fù)雜，開發(fā)速度慢，成本高。

    在智能卡的生命周期中，可能會受到各種各樣的攻擊，有些可能是無意識的誤操作，更多的是蓄意的行為。影響智能卡安全的有以下一些基本問題：

    (1)智能卡和接口設(shè)備之間的信息流通。這些信息可以被截取分析，從而可被復(fù)制或插入假信號。

    (2)模擬智能卡(或偽造智能卡)。模擬智能卡與接口設(shè)備之間的信息，使接口設(shè)備無法判斷出是合法的還是模擬的智能卡。

    (3)在交易過程中更換智能卡。在授權(quán)過程中使用的是合法的智能卡，而在交易數(shù)據(jù)寫入之前更換成另一張卡，從而將交易數(shù)據(jù)寫入替代卡中。

    (4)修改信用卡中控制余額更新的日期。信用卡使用時需要輸入當(dāng)天日期，以供卡判斷是否是當(dāng)天第一次使用，即是否應(yīng)將有效余額項更新為最高授權(quán)余額(允許一天內(nèi)支取的最大金額)，如果修改控制余額更新的日期(即上次使用的日期)，并將它提前，則輸入當(dāng)天日期后，接口設(shè)備會誤認(rèn)為是當(dāng)天第一次取款，于是將有效余額更新為最高授權(quán)余額，因此利用竊來的卡可取定最高授權(quán)的金額。

    (5)商店雇員的作弊行為。接口設(shè)備寫入卡中的數(shù)據(jù)不正確，或雇員私下將一筆交易寫成兩筆交易，因此接口設(shè)備不允許被借用、私自拆卸或改裝。

    1 Java Card的構(gòu)架

    1．1 Java Card介紹

    Java智能卡技術(shù)就是將智能卡技術(shù)和Java語言的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的一門集軟件、安全和加密、單機和網(wǎng)絡(luò)以及有關(guān)社會管理、金融和商貿(mào)專業(yè)知識和技術(shù)的綜合技術(shù)。Java CARD充分利用了Java“一次編寫，隨處運行”的能力，使Java也能在智能卡和其他存儲容量相對匱乏的設(shè)備上得以應(yīng)用。Java卡是一種能運行Java語言程序的智能卡，它在有限資源環(huán)境下的智能卡中支持Java語言的一個子集，是Java嵌入到智能卡中的一種新的應(yīng)用。它以其多應(yīng)用的支持、良好的安全特性、主流的面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境、應(yīng)用程序在線動態(tài)下載等眾多優(yōu)點進一步推動了智能卡技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)時代的應(yīng)用和發(fā)展。同時，Intemet和移動計算技術(shù)的發(fā)展也對Java卡技術(shù)提出了更高的需求。

    Java智能卡開發(fā)人員不必象原來的IC卡或智能卡開發(fā)人員那樣，要對IC卡或智能卡的硬件有很深的專業(yè)知識，需要對芯片編寫6805和8051的匯編語言程序。Java智能卡開發(fā)人員能從供應(yīng)商那里獲得現(xiàn)成的Java智能卡產(chǎn)品以及集成Java開發(fā)環(huán)境，使Java智能卡開發(fā)人員能集中主要精力在應(yīng)用細(xì)節(jié)、方法擴充、庫及創(chuàng)新上。運用Java Card技術(shù)可以使卡上應(yīng)用程序的開發(fā)工作更加容易，同時也能加強運作于不同廠商的智能卡跨平臺作業(yè)能力。Java Card可以使許多以前由于卡片COS限制無法實現(xiàn)的想法得以實現(xiàn)。Java卡的API規(guī)范為智能卡制定了一個Java語言的特殊子集，目前的版本為2．2。Java卡的特色：
    (1)平臺獨立：Java卡Applet能夠在不同卡片的JCRE上執(zhí)行，即通過JVM的機制來達(dá)到跨平臺的能力；
    (2)一卡多用：在同一個Java卡中能夠存放多個Java卡Applet，并且也能夠下載新的Applet，從而達(dá)到“一卡多用”的目的；
    (3)復(fù)用：可以根據(jù)需要刪除Java卡上的應(yīng)用或增加新的應(yīng)用，而無需更換新的智能卡，這樣大大增強智能卡的靈活性；
    (4)與現(xiàn)有智能卡兼容：Java卡能與國際標(biāo)準(zhǔn)IS07816(智能卡標(biāo)準(zhǔn))以及工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)(如Europay／Master Card／Visa，EMV)相容；
    (5)應(yīng)用開發(fā)簡單快速：開發(fā)人員無需了解復(fù)雜的智能卡硬件和智能卡專用的技術(shù)，就可以進行智能卡應(yīng)用的開發(fā)，從而大大減少開發(fā)時間和降低開發(fā)難度；
    (6)開發(fā)環(huán)境和開發(fā)人員豐富：開發(fā)人員可以任意選擇他們所熟悉和喜歡的開發(fā)工具，幾乎當(dāng)今所有流行的Java開發(fā)環(huán)境都可以被用來進行Java卡的開發(fā)。

    1．2 java Card體系結(jié)構(gòu)

    符合JavaCard2．2的Java Card體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，Java Card ROM 中的最底層代碼是訪問存儲器(包括RAM、ROM和EEPROM)和I／0的設(shè)備驅(qū)動程序，根據(jù)需要，也可能包括訪問加密處理器的驅(qū)動程序。這些驅(qū)動程序都是用C或匯編語言實現(xiàn)的，從而大大提高了Java Card執(zhí)行效率。JavaCard虛擬機(JCVM)，它是傳統(tǒng)的JVM的簡化版本。將負(fù)責(zé)控制上層應(yīng)用程序?qū)ava Card硬件驅(qū)動程序的訪問。Java卡的API為智能卡制定了一個Java語言的特殊子集。各種上層應(yīng)用程序都被稱為印一plet。Applet可以動態(tài)裝載到Java卡上，使得開發(fā)人員無需了解復(fù)雜的智能卡硬件和智能卡專用的技術(shù)，就可以進行智能卡應(yīng)用的開發(fā)，從而大大減少開發(fā)時間和降低開發(fā)難度。由于Java虛擬機的使用，Java卡的Applet能夠在不同卡片的JCAE(Java Card Application Environment)上執(zhí)行，即透過Java虛擬機的機制來達(dá)到跨平臺的能力。

Java Card 體系結(jié)構(gòu)

    2 校園一卡通應(yīng)用設(shè)計

    根據(jù)不同的需求，智能卡有以下幾方面的應(yīng)用：

    (I)管理部門應(yīng)用。①教師資格認(rèn)證管理；②學(xué)生注冊認(rèn)證；③學(xué)歷／學(xué)位信息管理；④助學(xué)貸款管理、就業(yè)輔助服務(wù)；⑤體育比賽服務(wù)。

    (2)校園內(nèi)應(yīng)用。①校園管理應(yīng)用；②校園消費管理；③身份認(rèn)證管理；④圈存。

    (3)校外應(yīng)用。①學(xué)歷／學(xué)位信息識別；② 電子檔案；③可信個人數(shù)據(jù)服務(wù)。

    基于java card的校園一卡通系統(tǒng)綜合了門禁、消費、通卡管理、賬務(wù)管理、結(jié)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫娴臉I(yè)務(wù)需要，校園一卡通應(yīng)用系統(tǒng)是建立在校園網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過校園局域網(wǎng)，中心系統(tǒng)可以對各功能子系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理；各功能子系統(tǒng)可以進行信息傳遞和交流，用戶可以對個人信息進行查詢。系統(tǒng)整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要分為幾個部分，如圖2所示：

    2．1 個人信息認(rèn)證

    校園一卡通具有記錄學(xué)生的系別、專業(yè)、姓名、身份證號碼、出生年月、性別、戶口所在地等個人基本信息，具有個人信息電子認(rèn)證功能，可以嵌人身份證及照片信息、學(xué)歷學(xué)籍信息。可以為各種考試、圖書館、門禁、考勤、網(wǎng)絡(luò)中心、校醫(yī)院提供所需的身份認(rèn)證。

    2．2 電子錢包

    校園一卡通具有銀行卡的全部功能，它既能實現(xiàn)原有銀行磁條卡的全部大額消費功能，又能實現(xiàn)電子錢包的小額消費的全部功能。

    2．3 學(xué)生管理

    實現(xiàn)學(xué)生在校期間的注冊，注銷，成績單管理等功能。

    2．4 交費

    實現(xiàn)學(xué)生交納學(xué)費、上機、醫(yī)療、用餐、校內(nèi)購物、浴室使用等費用功能。

    2．5 信息查詢服務(wù)

    提供查詢信息功能包括：選修課程查詢、考試成績查詢、招聘信息、助學(xué)獎學(xué)情況、家庭情況查詢、個人學(xué)校電子檔案查詢服務(wù)等。

    基于java card校園卡的各類卡的數(shù)據(jù)設(shè)計按如下進行：

    (1)教職員工卡(教育管理卡)，由以下三個數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成：

圖2 校園一卡通應(yīng)用示意圖

    a)基本應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放在智能卡整個生命周期中不會改變的信息。包括發(fā)卡機構(gòu)數(shù)據(jù)文件、持卡人基本信息文件、照片信息數(shù)據(jù)元、指紋信息元。
    b)公共應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放教職員工的基本信息文件等由學(xué)校維護的反映持卡人通用信息的文件。
    c)學(xué)校內(nèi)部管理應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放學(xué)校自行定義管理的、在校內(nèi)使用的信息，如醫(yī)療信息、門禁信息、圖書館讀者信息等。

    (2)在校學(xué)生卡，在公共數(shù)據(jù)區(qū)與內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)的基礎(chǔ)上增加了注冊數(shù)據(jù)區(qū)與交通應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，由四個數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成：

    a)基本應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放在學(xué)生卡的整個生命周期內(nèi)不會改變的信息，被組織存放學(xué)生卡教育環(huán)境對應(yīng)的Applet下。
    b)公共應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放由學(xué)校維護的反映持卡人通用信息的文件。
    c)學(xué)校內(nèi)部管理應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放在校內(nèi)使用的信息，如身份信息、門禁信息、圖書館讀者信息等，各學(xué)?？梢愿鶕?jù)實際需要進行必要的擴充。
    d)學(xué)生注冊數(shù)據(jù)區(qū)：記錄學(xué)生注冊信息，學(xué)歷信息，電子檔案。

    (3)畢業(yè)生卡，由四個數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成：

    a)基本應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：存放在畢業(yè)生卡的整個生命周期內(nèi)不會改變的信息，被組織存放在畢業(yè)生卡的Applet下。
    b)可信個人信息應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：可信個人信息是指由學(xué)校擔(dān)保在學(xué)生畢業(yè)時一次錄入的信息，包括學(xué)生11PD(可信個人數(shù)據(jù))標(biāo)識信息、生物特征信息、個人基本信息、課程考試成績、水平考試成績、獎懲信息等。
    c)學(xué)生就業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)．fi2錄學(xué)生的首次就業(yè)的信息、跟蹤學(xué)生就業(yè)信息。由教育管理部門維護。
    d)學(xué)生貸款應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：記錄學(xué)生的貸款信息、誠信信息。

    3 安全性分析

    在設(shè)計過程中，充分考慮了智能卡應(yīng)用系統(tǒng)中常見的安全性問題，并結(jié)合了Java Card技術(shù)在安全性方面的優(yōu)勢，其安全方面具有如下特點：

    3．1 系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)具有安全性，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)的可靠性。為保證系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)嚴(yán)格選用操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)平臺，設(shè)計防病毒功能，保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并建立備份系統(tǒng)，定期自動進行全量及增量備份。在系統(tǒng)中采用射頻證卡作為身份識別，并在關(guān)鍵信息的處理、傳輸中采用加密處理，防止信息的非法訪問，確保系統(tǒng)的不可攻擊性。

    3．2 軟件環(huán)境的安全性系統(tǒng)采用Java Card技術(shù)，使用了當(dāng)前最流行的Java語言作為軟件開發(fā)環(huán)境。Ja—va Applet受Java安全性的限制，而Java Card系統(tǒng)的安全性模式在很多方面與標(biāo)準(zhǔn)Java有所不同。比如Java Card不支持安全管理器類、語言的安全策略是由虛擬機實施的。Java Applet創(chuàng)建可存儲和處理資料的對象，對象由創(chuàng)建該對象的Applet所擁有。即使Applet有對某個對象的引用，它也不能調(diào)用該對象的方法，除非它擁有該對象，或該對象已確定共享。某個Applet可與另一個Applet或所有Applet共享其對象。Applet是Java Card內(nèi)的獨立實體。其選擇、執(zhí)行和功能不受駐留在同一張卡上的其它Applet的影響。

    3．3 網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性?？煽啃园ňW(wǎng)絡(luò)運行的可靠性、各硬件設(shè)備的可靠性、所運行軟件的可靠性，并在系統(tǒng)中加入掉電保護、數(shù)據(jù)備份等手段來保證系統(tǒng)的正常、長期的運行。可以采用實時與非實時相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，系統(tǒng)管理中心有中心數(shù)據(jù)庫，各子系統(tǒng)又具有本地庫，各本地庫與中心通過校園網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，使各應(yīng)用子系統(tǒng)依賴校園網(wǎng)，又可脫離校園網(wǎng)單獨運行，這樣增加了運行的安全可靠性。消費終端都有自備電池，能在斷電的情況下工作，消費終端有存儲功能可保存一定的消費記錄。

    4 總結(jié)

    雖然目前校園通卡建設(shè)的相關(guān)研究和解決方案很多，但對采用一種什么樣的技術(shù)應(yīng)用于校園通卡系統(tǒng)中，能方便的移植形成統(tǒng)一的校園通卡建設(shè)模式，同時安全性高，可擴展性強，在這方面的研究卻很少。正是在這種前提下由于Java Card技術(shù)的本身特性，我們把它引入到校園通卡建設(shè)的研究中來，以解決目前校園通卡建設(shè)存在的可移植性不強、平臺安全隱患、可擴充性不高等問題。旨在運用先進的Java Card技術(shù)，使用簡單高效的開發(fā)環(huán)境，更加快捷、安全地實現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”的構(gòu)想。