基于PBOC的智能卡操作系统的设计.doc

基于PBOC2.0智能卡操作系统设计起源：中国一卡通网作者：胡云肖，杨波，孙涛，郭延海公布时间：-03-0610:08:22字体:[大中小]关键字：智能卡一卡通PBOC2.0摘要：针对智能卡市场需求，摒弃了存放卡设计思想，采取文件系统和安全访问机制联合设计及模块化设计方法，在文件结构中加入二进制和统计文件概念，进行了可靠性存放设计。在智能卡操作系统数据存取和文件管理模块上，设计并实现了应用防火墙和一卡多用功效。该设计增加了智能卡可靠性、适用性及灵活性。伴随中国CPU卡技术快速发展，在身份识别、安全认证、金融消费等领域得到了广泛应用，逐步成为中国IC卡应用主流产品，市场需求量必将出现质飞跃。在宽广市场需求背景下，CPU卡会产生良好社会和经济效益，所以系统安全性就显得愈加关键。多年来，中国很多厂商全部开展了智能卡芯片及COS研制开发，尤其是在COS开发上，中国已经有几家企业走在了市场前列，在国际中国市场取得了一席之地，中国单纯依靠进口芯片、模块情况已经结束。现在国产COS所选择芯片关键有Infineon、ST、HITACHI、SAMSUNG、Philips、明华、大唐电信、华虹等。这些芯片价格不一样，功效上也有很大差异，功效强大芯片会支持内置随机数产生器、CRC校验模块、DES和EC2加速模块等。本设计和现在存在COS设计相比，含有以下多个特点：(1)采取文件系统和安全访问机制联合设计；(2)摒弃了存放卡设计思想，在文件结构中加入二进制文件和统计文件概念；(3)在软件设计上采取优异模块化设计方法；(4)采取可靠性存放设计。1设计标准本设计紧密结合智能卡市场需求，严格遵照密码产品设计规范，努力争取从硬件和软件两个层面达成国家信息化安全要求。在硬件设计上，选择经过国密认证智能卡芯片，内部微处理器采取8位字长中央处理器，卡片内部逻辑结构图1所表示。图1CPU模块内部逻辑结构图在软件设计上，针对目前智能卡应用实际需求，量身定制了有特色文件存放结构、安全访问控制机制和存放可靠性设计方案。采取可靠、优异模块化设计，使得操作系统能够支持市场主流应用，并在需要情况下快速扩展支持新应用需求，采取ISO14443TypeA接口协议，可靠性高，适用性广。本设计完全符合国际、中国家标准准，支持ISO／IEC7816协议标准，支持ISO／IEC14443TypeA和TypeB标准，符合《中国金融集成电路(IC)卡规范》，符合《建设事业非接触式CPU卡COS技术要求》。2总体设计在对以往多种智能卡操作系统体系结构进行深入剖析基础上，针对其中数据独立、密钥独立、数据在传输中完整性方面不足，进行了改善和完善。将操作系统划分为4个模块，分别为传输管理、安全管理、应用管理和文件管理，模块工作原理图2所表示。接口设备(IFD)向Ic卡(ICC)发送一条命令工作过程。在首先传输管理模块根据ISO7816—3标准对物理层传输信号进行解码并传输给安全模块。若为加密传输，则安全模块进行加解密操作并将结果传输给应用管理模块；若不是加密传输则信息直接传输给应用管理模块。应用管理模块依据预先设计要求，解析检验此命令正当性及实施条件，检验经过则实施此命令。假如此命令包含信息存取，则文件管理模块检验其是否满足预先设计存取安全条件，若条件满足则实施相关数据存取操作并发送响应到IFD。整个过程中任何检验失败将立即退出并返回对应犯错信息。图2模块工作原理图2．1传输管理传输管理器负责智能卡和接口设备之间数据通信，接收过程中要处理对输人数据缓冲，响应过程控制数据发送。传输管理器在正确地接收到命令后交给下一个功效模块进行处理，最终还要把该命令实施结果返回给接口设备。数据在传输方法上有4种类型：明文方法、明文校验方法、密文方法和密文校验方法。对以明文方法进行传输数据由传输管理器直接送给命令处理模块。当数据以校验或密文方法传输时需要加解密运算器对数据进行处理，并设定卡片安全状态，即对数据进行线路保护。对传输信息进行保护是信息安全最关键方面，为预防对传输信息非法截取，采取选定加密算法对传输信息进行加密保护，使非法截取信息不可读、不可知，具体过程图3所表示。图3数据线路保护2．2安全管理安全管理归纳为认证操作、存取权限控制和数据加解密3个部分。2．2．1认证操作认证操作包含口令认证、内部认证和外部认证3个方面。(1)口令认证：用户经过命令Verify输入口令，然后首先判定密码文件中指定密码错误计数器值是否已是最大。如否，则和密码进行比较，比较成功设置相关寄存器值，下一步操作时需首先判定此寄存器值。不然，错误计数器加1，需再次输入口令比较。(2)内部认证：提供了利用接口设备发来随机数和本身存放相关密钥进行数据认证功效，是设备对卡片认证。当该相关密钥在MF文件时，命令能够用来判别整个卡；当该相关密钥在一个D