面向PBOC2.0的智能卡操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文章出處：http://www.mjagi.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2013年05月02日

    摘要：針對(duì)智能卡的市場(chǎng)需求，摒棄了存儲(chǔ)卡的設(shè)計(jì)思想，采用文件系統(tǒng)與安全訪問機(jī)制聯(lián)合設(shè)計(jì)及模塊化的設(shè)計(jì)方法，在文件結(jié)構(gòu)中加入二進(jìn)制和記錄文件的概念，進(jìn)行了可靠性存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)。在智能卡操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取和文件管理模塊上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用防火墻和一卡多用的功能。該設(shè)計(jì)增加了智能卡的可靠性、適用性及靈活性。

    隨著我國(guó)CPU卡技術(shù)的快速發(fā)展，在身份識(shí)別、安全認(rèn)證、金融消費(fèi)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，逐漸成為我國(guó)IC卡應(yīng)用的主流產(chǎn)品，市場(chǎng)需求量必將出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。在廣闊的市場(chǎng)需求背景下，CPU卡會(huì)產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，因此系統(tǒng)的安全性就顯得更加重要。

    近年來，國(guó)內(nèi)許多廠商都開展了智能卡芯片及COS的研制開發(fā)，特別是在COS開發(fā)上，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有幾家公司走在了市場(chǎng)前列，在國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)取得了一席之地，我國(guó)單純依賴進(jìn)口芯片、模塊的狀況已經(jīng)結(jié)束。目前國(guó)產(chǎn)COS所選用的芯片主要有Infineon、ST、HITACHI、SAMSUNG、Philips、明華、大唐電信、華虹等。

    這些芯片價(jià)格不同，功能上也有很大差別，功能強(qiáng)大的芯片會(huì)支持內(nèi)置隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器、CRC校驗(yàn)?zāi)K、DES和EC2加速模塊等。

    本設(shè)計(jì)與目前存在的COS設(shè)計(jì)相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)采用文件系統(tǒng)與安全訪問機(jī)制的聯(lián)合設(shè)計(jì)；(2)摒棄了存儲(chǔ)卡的設(shè)計(jì)思想，在文件結(jié)構(gòu)中加入二進(jìn)制文件和記錄文件的概念；(3)在軟件設(shè)計(jì)上采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)方法；(4)采用可靠性存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)。

    1 設(shè)計(jì)原則

    本設(shè)計(jì)緊密結(jié)合智能卡的市場(chǎng)需求，嚴(yán)格遵循密碼產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)范，力求從硬件和軟件兩個(gè)層面達(dá)到國(guó)家信息化安全的要求。在硬件設(shè)計(jì)上，選用通過國(guó)密認(rèn)證的智能卡芯片，內(nèi)部的微處理器采用8位字長(zhǎng)的中央處理器，卡片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPU模塊內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖

    在軟件設(shè)計(jì)上，針對(duì)當(dāng)前智能卡應(yīng)用的實(shí)際需求，量身定制了有特色的文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、安全訪問控制機(jī)制和存儲(chǔ)可靠性設(shè)計(jì)方案。采取可靠、先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，使得操作系統(tǒng)能夠支持市場(chǎng)的主流應(yīng)用，并在需要的情況下迅速擴(kuò)展支持新的應(yīng)用需求，采用ISO14443 TypeA接口協(xié)議，可靠性高，適用性廣。本設(shè)計(jì)完全符合國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，支持ISO／IEC 78 16協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持ISO／IEC 14443 TypeA和TypeB標(biāo)準(zhǔn)，符合《中國(guó)金融集成電路(IC)卡規(guī)范》，符合《建設(shè)事業(yè)非接觸式CPU卡COS技術(shù)要求》。

    2 總體設(shè)計(jì)

    在對(duì)以往各種智能卡操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析的基礎(chǔ)上，針對(duì)其中數(shù)據(jù)獨(dú)立、密鑰獨(dú)立、數(shù)據(jù)在傳輸中完整性方面的不足，進(jìn)行了改進(jìn)和完善。將操作系統(tǒng)劃分為4個(gè)模塊，分別為傳輸管理、安全管理、應(yīng)用管理和文件管理，模塊工作原理如圖2所示。

    接口設(shè)備(IFD)向Ic卡(ICC)發(fā)送一條命令的工作過程。在首先傳輸管理模塊按照ISO7816—3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行解碼并傳遞給安全模塊。若為加密傳輸，則安全模塊進(jìn)行加解密操作并將結(jié)果傳輸給應(yīng)用管理模塊；若不是加密傳輸則信息直接傳輸給應(yīng)用管理模塊。應(yīng)用管理模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)要求，解析檢查此命令的合法性及執(zhí)行條件，檢查通過則執(zhí)行此命令。如果此命令涉及信息存取，則文件管理模塊檢查其是否滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的存取安全條件，若條件滿足則執(zhí)行有關(guān)數(shù)據(jù)存取操作并發(fā)送響應(yīng)到IFD。整個(gè)過程中任何檢查失敗將立即退出并返回相應(yīng)出錯(cuò)信息。

圖2 模塊工作原理圖

    2．1 傳輸管理

    傳輸管理器負(fù)責(zé)智能卡和接口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，接收過程中要處理對(duì)輸人數(shù)據(jù)的緩沖，響應(yīng)過程控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。傳輸管理器在正確地接收到命令后交給下一個(gè)功能模塊進(jìn)行處理，最后還要把該命令的執(zhí)行結(jié)果返回給接口設(shè)備。

    數(shù)據(jù)在傳輸方式上有4種類型：明文方式、明文校驗(yàn)方式、密文方式和密文校驗(yàn)方式。對(duì)以明文方式進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由傳輸管理器直接送給命令處理模塊。當(dāng)數(shù)據(jù)以校驗(yàn)或密文方式傳輸時(shí)需要加解密運(yùn)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并設(shè)定卡片的安全狀態(tài)，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線路保護(hù)。對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行保護(hù)是信息安全的最重要的方面，為防止對(duì)傳輸信息的非法截取，采用選定的加密算法對(duì)傳輸信息進(jìn)行加密保護(hù)，使非法截取信息不可讀、不可知 ，具體過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)的線路保護(hù)

    2．2 安全管理

    安全管理歸納為認(rèn)證操作、存取權(quán)限控制和數(shù)據(jù)加解密3個(gè)部分。

    2．2．1 認(rèn)證操作

    認(rèn)證操作包括口令認(rèn)證、內(nèi)部認(rèn)證和外部認(rèn)證3個(gè)方面。
    (1)口令認(rèn)證：用戶通過命令Verify輸入口令，然后首先判斷密碼文件中指定密碼的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值是否已是最大。如否，則與密碼進(jìn)行比較，比較成功設(shè)置相關(guān)寄存器的值，下一步操作時(shí)需首先判斷此寄存器的值。否則，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加1，需再次輸入口令比較。
    (2)內(nèi)部認(rèn)證：提供了利用接口設(shè)備發(fā)來的隨機(jī)數(shù)和自身存儲(chǔ)的相關(guān)密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)認(rèn)證的功能，是設(shè)備對(duì)卡片的認(rèn)證。當(dāng)該相關(guān)密鑰位于MF文件時(shí)，命令可以用來鑒別整個(gè)卡；當(dāng)該相關(guān)密鑰位于一個(gè)DF文件時(shí)，命令可以用來鑒別該DF文件。
    (3)外部認(rèn)證：用于對(duì)卡片外部的安全認(rèn)證。計(jì)算的方法是利用卡片中的外部認(rèn)證密鑰，對(duì)卡片產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)和接口設(shè)備傳輸進(jìn)來的認(rèn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，卡片將比較輸入的結(jié)果是否與卡片自己計(jì)算的結(jié)果一致，如果一致，則外部認(rèn)證成功。

    2．2．2 存取權(quán)限控制

    操作系統(tǒng)對(duì)特定存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行權(quán)限限制以進(jìn)行保護(hù)，此類存儲(chǔ)區(qū)分別被設(shè)置了讀、寫、擦除的存儲(chǔ)權(quán)限值。當(dāng)對(duì)相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行操作時(shí)，操作系統(tǒng)首先檢測(cè)操作是否符合存儲(chǔ)權(quán)限。本設(shè)計(jì)使用的安全機(jī)制稱為狀態(tài)字(也稱AC字，16 bit)轉(zhuǎn)移機(jī)制，每一種安全狀態(tài)字都代表一種不同的安全級(jí)，智能卡將保持其安全狀態(tài)字節(jié)中所代表的狀態(tài)。智能卡中有兩個(gè)安全狀態(tài)字，其中高字節(jié)表示當(dāng)前DF文件的父DF文件的安全狀態(tài)，低字節(jié)表示當(dāng)前DF文件的安全狀態(tài)。當(dāng)通過查找命令從高應(yīng)用文件層進(jìn)入到它的子DF文件的時(shí)候，當(dāng)前DF文件的安全保護(hù)字節(jié)將被清空，高應(yīng)用文件層的DF文件的安全字節(jié)將被作為當(dāng)前文件的父DF文件的安全狀態(tài)字節(jié)，使用CDF—AC來表示當(dāng)前DF文件的安全狀態(tài)字節(jié)，PDF— AC來表示當(dāng)前文件的父DF文件的安全狀態(tài)字節(jié)。

    安全屬性是指對(duì)某個(gè)文件進(jìn)行某種操作時(shí)所必須滿足的條件，也就是在進(jìn)行某種操作時(shí)要求安全狀態(tài)寄存器的值是什么。安全屬性又稱訪問權(quán)限，一種訪問權(quán)限在建立該文件時(shí)用一個(gè)字節(jié)指定¨ 。狀態(tài)字轉(zhuǎn)移機(jī)制遵循以下的規(guī)則：

    復(fù)位后，MF文件將被自動(dòng)選擇為當(dāng)前的應(yīng)用文件。并且CDF_AC=0x00，PDF—Ac=0xO0。從當(dāng)前的應(yīng)用文件查找它的子DF文件：PDF_AC=CDF—AC，CDF_AC=0xO0。從當(dāng)前的應(yīng)用文件查找它的父DF文件：CDFAC =PDF_AC，PDF_ AC=0x00。如果當(dāng)前應(yīng)用文件的父DF文件時(shí)MF文件，那么：CDF_AC=PDF_AC。

    只有“外部認(rèn)證”與“口令認(rèn)證”這兩種方式可以改變當(dāng)前安全狀態(tài)字節(jié)，一旦安全狀態(tài)字節(jié)被改變了，該狀態(tài)將一直保持到進(jìn)入另一個(gè)應(yīng)用文件為止?；疚募拇嫒∫约皯?yīng)用命令的執(zhí)行都由定義的各自不同的安全狀態(tài)來決定。在安全狀態(tài)不滿足的情況下，智能卡將返回“6982”l15]，即“安全狀態(tài)不滿足”。

    2．2．3 數(shù)據(jù)加解密

    本設(shè)計(jì)使用了對(duì)稱密碼算法(DES)與國(guó)密算法(SM1／SSF33)相結(jié)合的方法，可根據(jù)具體要求，選擇合適算法。其中對(duì)稱密碼算法，加密密鑰和解密密鑰是相同的，加解密速度快，可用來處理大量數(shù)據(jù)信息，是至今為止應(yīng)用最廣泛的算法，以目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)和費(fèi)用還無法攻破，但是密鑰很容易在傳輸中被截獲 。在每次啟用密碼算法前，系統(tǒng)都臨時(shí)協(xié)商隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)真隨機(jī)數(shù)參與運(yùn)算，進(jìn)一步加強(qiáng)整個(gè)加密過程數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，對(duì)防破解起到重要作用。密鑰存儲(chǔ)在卡內(nèi)，密鑰只有在安全條件滿足的情況下使用，但是不能讀取，保證在任何情況下密鑰不會(huì)從卡片中泄露。

    2．3 應(yīng)用管理

    對(duì)外部輸入的每條命令做語法分析，分析和檢查命令參數(shù)是否正確，然后根據(jù)命令參數(shù)的含義執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊，并返回響應(yīng)。如果執(zhí)行出錯(cuò)，將從該模塊直接返回錯(cuò)誤信息。

    2．4 文件管理

    文件管理器控制文件的操作和訪問。在做數(shù)據(jù)操作前，文件管理器將根據(jù)文件的安全屬性檢查卡的安全狀態(tài)，以確定是否允許當(dāng)前操作。

    智能卡中文件系統(tǒng)由3種文件組成，即主文件(MF)、目錄文件(DF)和基本文件(EF)，同數(shù)據(jù)塊一樣主要根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。在整個(gè)文件架構(gòu)中，存在一個(gè)具有唯一標(biāo)識(shí)符“3F00”的特殊專有文件，稱為主文件(MF)，任何其他的DF或者EF都必須在主文件下創(chuàng)建。每個(gè)DF下可以包含多個(gè)DF和EF，包含下級(jí)目錄的文件為DDF，不包含下級(jí)目錄的文件為ADF。當(dāng)智能卡復(fù)位后(上電復(fù)位或者熱復(fù)位)MF文件將自動(dòng)被選擇作為當(dāng)前文件，智能卡文件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能卡的文件系統(tǒng)

    DF文件的存儲(chǔ)空間在“Create DF”的過程中定義，一旦DF文件被創(chuàng)建，那么之后它的存儲(chǔ)空間就不能再改變，因此MF文件的存儲(chǔ)空問將決定整個(gè)智能卡可使用的空間。每個(gè)DF文件有54個(gè)字節(jié)的文件頭，每個(gè)EF文件有39個(gè)字節(jié)的文件頭。與之相似，EF文件的存儲(chǔ)空間也是在“Create EF”的過程中定義，在ISF中每種密鑰都有16個(gè)字節(jié)的密鑰頭，在EF文件中每一個(gè)變長(zhǎng)記錄都有兩個(gè)字節(jié)的記錄頭。因此創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用時(shí)，就可以根據(jù)以上的文件結(jié)構(gòu)定義精確計(jì)算出所需要的整個(gè)存儲(chǔ)空間的大小(包括文件體、每個(gè)文件頭和記錄頭的空間凈需求)。

    本設(shè)計(jì)摒棄了存儲(chǔ)卡的設(shè)計(jì)思想_1 。在文件結(jié)構(gòu)中加入二進(jìn)制文件和記錄文件的概念，減少了對(duì)卡片做個(gè)人化時(shí)的不便，充分地進(jìn)行整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大化利用了CPU卡的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，給了用戶很大便利。采用文件系統(tǒng)與安全訪問機(jī)制的聯(lián)合設(shè)計(jì)。將文件存儲(chǔ)和應(yīng)用防火墻進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，使智能卡的文件系統(tǒng)可支持多層DF文件結(jié)構(gòu)，用戶可以利用這種結(jié)構(gòu)在一張卡實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用¨ 。不同DF文件的安全狀態(tài)由內(nèi)部的防火墻隔開，不同的應(yīng)用都有各自的安全機(jī)制而互不影響。對(duì)DF和ISF的文件采取固定的文件頭結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化文件系統(tǒng)空間的計(jì)算，提高卡片工作的可靠性?？煽啃源鎯?chǔ)的設(shè)計(jì)，保證了在任何情況下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性，并定義了可靠的機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在意外掉電的情況下能夠可靠恢復(fù)。

    3 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

    本設(shè)計(jì)使用Keil uVision4作為開發(fā)平臺(tái)，所有的程序開發(fā)都在平臺(tái)上完成。選擇8052單片機(jī)芯片，使用C語言作為開發(fā)語言，選擇TMC程序仿真器對(duì)程序進(jìn)行仿真測(cè)試，可以通過Keil uVision4的仿真按鈕將TOE程序下載到仿真器中，并在程序中設(shè)置相關(guān)斷點(diǎn)對(duì)程序進(jìn)行仿真測(cè)試。

    4 結(jié)語

    本設(shè)計(jì)硬件存儲(chǔ)容量大，軟件設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好，能夠支持多應(yīng)用，符合智能卡產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展潮流，具有良好的應(yīng)用前景?？▋?nèi)部防火墻可以進(jìn)行應(yīng)用隔離，把身份認(rèn)證、社保、銀行、醫(yī)療、商業(yè)、公路收費(fèi)、公園卡以及其他應(yīng)用集成到一個(gè)智能卡中，既可以提高服務(wù)效率、工作效率、服務(wù)質(zhì)量和管理水平，又能夠有效地利用卡資源，降低使用成本。今后，如何進(jìn)一步提高可靠性又不失其靈活性，是智能卡發(fā)展中需要長(zhǎng)期面對(duì)和解決的問題?！渡綎|科學(xué)》（濟(jì)南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東省網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  胡云肖，楊波，孫濤，郭延海）

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