一種跨行業(yè)多應用智能卡系統(tǒng)模型及實現(xiàn)

文章出處：http://www.sgrivertours.com 作者：董威 楊義先   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月22日

    智能卡可以安全地存儲個人私密信息并便于攜帶，逐漸成為身份鑒別和提供認證服務的關鍵模塊，現(xiàn)被廣泛應用于不同領域，被稱為信息時代的通行證。 

    隨著微電子技術的發(fā)展，智能卡硬件資源越來越豐富，使智能卡上實現(xiàn)通用操作系統(tǒng)、開發(fā)復雜應用以及存儲更多行業(yè)數(shù)據(jù)成為可能。同時，利用智能卡技術提供服務或進行增值業(yè)務推廣的行業(yè)逐漸增多，使跨行業(yè)多應用智能卡技術成為智能卡技術的發(fā)展方向。 

    通過研究智能卡工作原理和特點，分析了單應用卡的缺點，提出了一個支持跨行業(yè)多應用的智能卡軟件系統(tǒng)模型，分析了模型中各模塊關鍵技術及模型安全性，采用Java Card技術進行了實現(xiàn)，證明模型的可行性，最后討論了下一步的研究方向。 

1單應用智能卡技術分析 

1．1智能卡技術分析 

    ISO78l6系列規(guī)范對智能卡(Smart Card)的物理電氣特性、文件系統(tǒng)結構、通信協(xié)議進行了規(guī)定。智能卡不能單獨提供服務，必須配合終端(如帶卡讀寫器的電腦、手機等)工作，智能卡和終端之間采用應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Application Protocol Data Unit，APDU)進行通信。其中智能卡主要負責安全的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)存儲。對智能卡中敏感數(shù)據(jù)的操作由卡上的CPU完成，不需傳出卡外，只是由終端發(fā)出命令，卡內(nèi)部進行處理之后再給出相應的應答數(shù)據(jù)并表明處理過程成功或失敗，保證了信息的安全保密性。 

    智能卡以文件系統(tǒng)的形式組織管理數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)的邏輯結構如圖1所示。 

    文件系統(tǒng)整體結構為樹狀目錄結構，其中目錄文件MF(Master File)是所有文件的根節(jié)點，MF包含其它目錄文件DF(Dedicated File)和數(shù)據(jù)文件EF(Elementary File)。目錄文件DF可包含其它目錄文件和數(shù)據(jù)文件，不能用來存儲數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都存儲在不同目錄下的數(shù)據(jù)文件EF中，數(shù)據(jù)文件EF不能作為其它文件的目錄，是末節(jié)點。 

    通過設置文件訪問操作的安全機制，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全訪問。安全機制包括基于PIN 碼(Personal Identification Number)的身份鑒別、基于密鑰的身份鑒別、數(shù)據(jù)冗余校驗和數(shù)據(jù)加密。PIN 碼和密鑰由特殊的數(shù)據(jù)文件保存，用于進行文件訪問時的安全校驗。外部實體必須具有特殊的權限，才允許讀取和修改密鑰和密碼文件數(shù)據(jù)。 

    根據(jù)分析，智能卡應用主要體現(xiàn)為按照終端的APDU命令在智能卡上執(zhí)行相應的處理邏輯，用來完成安全認證、對卡上數(shù)據(jù)的讀寫操作以及進行操作的安全檢查等功能。 

1．2單應用卡技術分析 

    單應用智能卡是只能與同一類終端配合、提供單一行業(yè)服務的智能卡。單應用智能卡的應用由單個服務提供商開發(fā)，只有針對特定APDU命令的處理邏輯，只有一套文件系統(tǒng)來維護數(shù)據(jù)，用同一套PIN碼和密鑰保證文件數(shù)據(jù)的安全讀寫。單應用卡的應用和卡操作系統(tǒng)往往綁定在一起，優(yōu)點是結構緊湊、系統(tǒng)簡單，但卡的升級和增加APDU處理邏輯困難。 

    由于當前應用于各行業(yè)的智能卡主要是單應用智能卡，用戶需要使用多張智能卡才能得到不同行業(yè)的智能卡服務。由此產(chǎn)生如下問題：
 
    (1)用戶需保管多張智能卡，增加了用戶攜帶和管理卡的難度。 
    (2)多張卡往往會保存很多相同的數(shù)據(jù)信息，造成數(shù)據(jù)的重復存儲。 
    (3)單張智能卡數(shù)據(jù)存儲空間和數(shù)據(jù)處理能力未能得到充分利用，造成硬件資源的浪費。 
    (4)不同行業(yè)在開發(fā)自己服務的時候，需要各自開發(fā)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務，造成操作系統(tǒng)、同類指令處理邏 的重復開發(fā)。 
    (5)發(fā)卡后，無法動態(tài)添加應用，尤其是不同行業(yè)的應用添加困難、增值服務開發(fā)部署的困難。 
    (6)不同行業(yè)約定的具體APDU命令指令內(nèi)容不同，不利于終端的標準化和終端多應用的實現(xiàn)。多應用智能卡技術可以充分利用智能卡的硬件資源，減少持卡人攜卡數(shù)量，降低卡的使用成本。 

2多應用智能卡模型 

    當前智能卡提供的服務主要可分為3類： 

    (1)安全的個人數(shù)據(jù)存儲：如身份證卡。 
    (2)認證：如SIM卡。 
    (3)電子支付：如信用卡。 

    通過合理的系統(tǒng)設計，完全可以將以上的服務集成到同一張卡上。 

2．1多應用技術問題分析 

    多應用智能卡技術將多個應用提供商提供的應用發(fā)布在一張智能卡上而互不影響，在為用戶提供多種服務的同時，減少數(shù)據(jù)冗余，降低使用成本，提高新應用發(fā)布效互苤，為用戶攜帶、使用和管理智能卡提供便利。一張卡上開發(fā)多個應用尤其是不同行業(yè)間的應用，核心問題如下： 

    (1)不同的應用之IhI~1何做到互不干擾，防止應用問惡意訪問。包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件相互隔離和APDU命令處理邏輯隔離。 
    (2)如何在保證安全的基礎上實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)和處理邏輯的共享。 
    (3)終端如何識別和啟動智能卡上的不同應用。 
    (4)不同應用如何認證卡外實體(如終端、持卡人．卡工作所在的網(wǎng)絡等)?？ㄍ鈱嶓w如何認證卡。 
    (5)如何為不同的應用與終端建立安全通信通道。 
    (6)如何添加和刪除應用。 
    (7)發(fā)卡商和服務提供商如何分別管理控制自己的卡上應用。 

    針對上述問題，下文給出了一個多應用智能卡軟件系統(tǒng)模型。 

2．2模型整體結構 

    模型的設計原則遵從ISO7816相關規(guī)范，以便提高系統(tǒng)行業(yè)兼容性。系統(tǒng)結構如圖2所示。 

    (1)卡操作系統(tǒng)模塊：卡操作系統(tǒng)主要負責存儲器的管理、I／0通信等硬件相關的功能，同時完成對上層程序的管理?？ú僮飨到y(tǒng)為上層程序提供標準API(Application Programm—ing Interface)，上層的程序不需要直接操作硬件，實現(xiàn)應用和硬件的隔離、應用和系統(tǒng)的分離。 

    (2)多文件系統(tǒng)模塊：目前的智能卡主要以文件系統(tǒng)的邏輯形式維護數(shù)據(jù)，基于兼容性考慮，本模型的數(shù)據(jù)存儲采用文件系統(tǒng)結構，并將單文件系統(tǒng)改造為多文件系統(tǒng)。多文件系統(tǒng)邏輯結構由不同行業(yè)的專有文件系統(tǒng)和基本文件系統(tǒng)組成，每個文件系統(tǒng)的結構與單文件系統(tǒng)的結構相同。不同文件系統(tǒng)有各自的根節(jié)點，互不隸屬?；疚募到y(tǒng)主要包含卡的公共信息、基本文件系統(tǒng)自身的PIN 碼和密鑰，同時保存卡上應用的注冊信息。注冊信息在創(chuàng)建應用時寫入基本文件系統(tǒng)的注冊文件，用來為終端提供應用選擇的入口。行業(yè)專有文件系統(tǒng)保存各自的行業(yè)數(shù)據(jù)、密鑰和PIN 碼信息。為了安全，多文件系統(tǒng)需要滿足：所有的文件系統(tǒng)均可以共享基本文件系統(tǒng)內(nèi)容，但不同的文件系統(tǒng)嚴格透明，不能相互訪問；文件系統(tǒng)的安全訪問策略一致，但PIN碼和密鑰獨立。 

    (3)基本處理邏輯模塊：基于文件系統(tǒng)結構一致性，將文件系統(tǒng)訪問APDU命令接口規(guī)范化，進而實現(xiàn)統(tǒng)一的基本處理邏輯模塊?；咎幚磉壿嬆K由3個子模塊組成。其中文件服務子模塊完成不同行業(yè)通過標準APDU命令申請的文件服務。PIN 管理邏輯子模塊提供基本的PIN服務，完成基于密碼的用戶身份認證邏輯。密碼服務邏輯子模塊主要負責密鑰管理、基本加密算法服務、基于密碼的基本認證協(xié)議(外部實體認證卡內(nèi)應用，卡內(nèi)應用認證卡外實體)和通信信道數(shù)據(jù)加密服務。PIN 碼管理和密碼服務子模塊是智能卡安全的核心。密碼算法的選取需要考慮智能卡的硬件資源限制。不同應用共享文件處理邏輯模塊不會降低系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)安全性依賴于文件系統(tǒng)的獨立和PIN密碼、密鑰的獨立保密性，也就是安全不取決于處理流程的保密，而是取決于數(shù)據(jù)的獨立和密碼的保密性。 

    (4)行業(yè)專有處理邏輯模塊(可選項)：不同行業(yè)服務會要求處理特殊APDU命令，因此能在卡上動態(tài)添加行業(yè)專有邏輯可提高系統(tǒng)通用性。為了保證不同行業(yè)處理邏輯的獨立和安全，需要設置安全隔離機制對行業(yè)專有邏輯實施隔離。 

    (5)模型總結：本模型將應用和系統(tǒng)分離，使得應用的動態(tài)部署成為可能。模型中的應用由行業(yè)專有處理邏輯、基本處理邏輯，專有文件系統(tǒng)和基本文件系統(tǒng)組成。通過基本處理邏輯模塊和基本文件系統(tǒng)的共享，克服了資源的浪費，充分降低了卡的開發(fā)成本。不同應用的白有處理邏輯問通過隔離機制阻隔，行業(yè)文件系統(tǒng)間的互不隸屬、PIN 碼和密鑰的獨立存儲保證了數(shù)據(jù)和密碼的安全性。密碼服務子模塊提供卡與卡外實體的相互認證、數(shù)據(jù)通信的加密，基于密碼服務子模塊可實現(xiàn)高層的安全協(xié)議。 

2．3多應用卡工作流程 

2．3．1應用的添加和刪除流程 

    在卡上添加行業(yè)應用，首先終端和卡通過密碼服務子模塊進行身份認證，建立信任關系、協(xié)商信道會話密鑰、建立安全信道。然后獲得特權的終端用密文申請文件系統(tǒng)服務，卡通過密碼服務子模塊解密命令、檢查卡的安全狀態(tài)，在安全條件滿足的情況下，通過文件服務子模塊創(chuàng)建行業(yè)文件系統(tǒng)結構，根據(jù)終端的命令，將文件系統(tǒng)內(nèi)容初始化。最后在基本文件系統(tǒng)的注冊記錄文件中添加新應用的注冊信息。根據(jù)需要，可下載專有的處理邏輯到卡上，卡操作系統(tǒng)負責處理邏輯的注冊和管理。刪除卡上行業(yè)應用，其安全機制與添加過程一致。在安全狀態(tài)滿足的情況下，刪除這個應用(包括行業(yè)專有處理邏輯、專有文件系統(tǒng))。最后在基本文件系統(tǒng)的注冊記錄文件中刪除本應用的注冊信息?？ú僮飨到y(tǒng)負責處理邏輯注冊信息的刪除。 

2．3．2應用的工作流程 

    終端通過選擇并讀取基本文件系統(tǒng)的注冊記錄文件，獲得應用的注冊信息，根據(jù)注冊信息訪問某行業(yè)文件系統(tǒng)、激活行業(yè)專有邏輯。終端調(diào)用卡上不同服務時，發(fā)生應用切換，即：當前提供服務的文件系統(tǒng)發(fā)生切換，同時卡所能調(diào)用的行業(yè)專有邏輯也會發(fā)生切換，原來的行業(yè)專有邏輯不能被調(diào)用，卡的安全狀態(tài)復位。通過行業(yè)文件系統(tǒng)與專有邏輯的一致性切換和安全狀態(tài)復位機制，可保證應用的整體切換，阻止應用間惡意攻擊。 

2．4安全分析 

    安全是智能卡系統(tǒng)的核心，本多應用系統(tǒng)模型安全性并未降低，分析如下： 

    (1)多行業(yè)專有處理邏輯共存不會降低系統(tǒng)安全性。各行業(yè)處理邏輯間有隔離機制防護，只能在卡操作系統(tǒng)規(guī)定的程序空問內(nèi)運行，無法入侵系統(tǒng)和其它處理邏輯。各處理邏輯相互透明，卡操作系統(tǒng)通過隔離機制為每個邏輯模擬了一個單應用系統(tǒng)環(huán)境。如某處理邏輯模塊在功能設計和實現(xiàn)中存在問題，其缺陷僅能影響本行業(yè)服務，而不會影響其它正常服務，所以行業(yè)專有操作邏輯的失誤在多應用卡上造成的后果與單應用卡上相同。 

    (2)多個文件系統(tǒng)共存和基本處理邏輯的共享不會降低系統(tǒng)安全性。除基本文件系統(tǒng)為不同的應用共享外，其它文件系統(tǒng)相互獨立和透明，彼此之間互不影響。支撐文件系統(tǒng)安全機制的密碼和密鑰相互獨立，為文件系統(tǒng)提供獨立的安全空間，安全空間內(nèi)的文件系統(tǒng)安全性等同于單文件系統(tǒng)卡。 

    基本處理邏輯的設計不基于具體的文件系統(tǒng)內(nèi)容，而是對抽象的文件系統(tǒng)結構進行處理，不同的文件系統(tǒng)對基本處理邏輯來說是同一個對象。因而從文件系統(tǒng)的角度來看，共享的基本處理邏輯與單文件系統(tǒng)中的獨享處理邏輯沒有區(qū)別；從基本處理邏輯的角度來看，多文件系統(tǒng)結構與單文件系統(tǒng)結構不存在差別。 

    (3)發(fā)卡商和服務提供商共同管理卡和應用不會降低卡和應用的安全性。通過設計合理的密碼協(xié)議，可以保證多應用卡的安全管理而不降低應用的安全性。一個安全管理協(xié)議如下。首先定義兩類密鑰，卡管理密鑰和服務密鑰?？ü芾砻荑€負責對卡的管理權限進行認證；服務密鑰負責實現(xiàn)應用的安全機制。管理協(xié)議的框架如下： 

1)由發(fā)卡商定義所有卡的管理操作(如卡的生命周期的管理，應用的添加、刪除等)。 
2)發(fā)卡商按不同服務商的需要將卡管理操作分組，每組操作指定一個卡管理密鑰。 
3)發(fā)卡商將不同的卡管理密鑰分配給各服務提供商。 
4)發(fā)卡商通過和服務提供商分享卡管理密鑰共同管理卡，服務提供商用得到的卡管理密鑰進行身份認證，就可以執(zhí)行密鑰對應的某些卡管理操作。而發(fā)卡商擁有對卡的最高管理權限密鑰 不同服務商的卡管理密鑰不同，因而對卡的管理權不同，且無法互相偽裝。 
5)服務提供商在卡上獨立創(chuàng)建各自的服務密鑰，負責實施服務的安全機制。由于服務密鑰獨立于卡管理密鑰和其它的服務密鑰，因此無法用卡管理密鑰和其它服務密鑰替代本服務密鑰申請服務。 
6)服務商在卡管理上對卡商的依賴性保護了卡商管理卡的地位，同時其對自己應用的安全機制獨立負責。 

3模型實現(xiàn)及評估 

    模型實現(xiàn)的硬件平臺采用三星公司S3FS9QB智能卡芯片，系統(tǒng)軟件設計采用Java Card技術。Java Card技術是目前主流的卡操作系統(tǒng)技術，可提供用Java語言進行上層處理邏輯開發(fā)的運行環(huán)境，上層處理邏輯可以動態(tài)下載到卡上，系統(tǒng)為不同的處理邏輯提供防火墻隔離。 

    Java Card技術的防火墻和數(shù)據(jù)共享機制 可以有效完成處理邏輯的隔離和數(shù)據(jù)共享，但難以實現(xiàn)靈活的行業(yè)問數(shù)據(jù)共享。本模型中將行業(yè)數(shù)據(jù)以多文件系統(tǒng)的形式進行維護，克服了Java Card技術的缺點。 

    多文件系統(tǒng)模塊在實現(xiàn)中遵循了3GPP 電信組織(3rd Generation Partnership Project)定義的相關規(guī)范 J，使得模型實現(xiàn)具有通用性。密碼服務子模塊在實現(xiàn)中采用了GlobalPlatform技術的安全策略，可以實現(xiàn)發(fā)卡商和服務提供商對卡上各自應用的管理。 

    基于本多應用系統(tǒng)模型的實現(xiàn)，通過部署電信服務處理邏輯和電信業(yè)文件系統(tǒng)實現(xiàn)了SIM 卡服務功能，通過下載電子錢包處理邏輯和創(chuàng)建電子錢包文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了電子錢包服務，在一張卡上實現(xiàn)了多應用，證明了方案的可行性。 

    基于本模型，系統(tǒng)在部署新行業(yè)服務時，既要在卡上提供新APDU命令的處理邏輯，又要在卡讀寫終端上添加同樣的ADPU命令發(fā)送邏輯，為多應用部署和終端的標準化造成了障礙。本模型進一步的El標是在滿足兼容性前提下，研究非文件系統(tǒng)結構的數(shù)據(jù)存儲形式和設計基于APDU的卡與終端的高層通信協(xié)議。