智能卡芯片操作系統命令的分析與實現

郭劍嵐 陳俞強 郭鴻志

1東莞職業(yè)技術學院計算機工程系 廣東 523808

2廣東工業(yè)大學計算機學院 廣東 510006

0 前言

本文主要闡述了智能卡COS的體系結構、基本功能模塊和工作原理等內容，同時對智能卡命令系統的相關理論作了著重闡述，包括了命令特征分析、命令分類方法、命令系統模型和開發(fā)方法的探討等。接著用特殊應用的命令設計與實現來舉例說明，以此驗證理論的正確與否。

1 COS體系結構

COS直接運行于芯片平臺上，是智能卡內軟件的核心部分，也是卡片所支持全部應用的基礎。COS的主要任務是從智能卡傳出和傳入數據、控制命令的執(zhí)行、管理文件、維護內存空間、管理和執(zhí)行加密算法、執(zhí)行應用代碼。因此，可以將智能卡COS的體系結構模型劃分為COS內核層和應用層兩大部分（如圖1所示）。

圖1 智能卡COS體系結構模型

2 COS基本功能模塊

根據智能卡COS的體系結構模型，可以得到COS內核的邏輯功能模塊主要分為四大部分：通信管理模塊、文件系統模塊、安全控制模塊和命令解釋模塊。下面分別論述各個模塊的具體功能。

2.1 通信管理模塊

通信管理模塊主要是依據智能卡所使用的信息傳輸協議，對由讀寫設備發(fā)出的命令進行接收，同時把對命令的響應按照傳輸協議的格式發(fā)送出去。通信管理模塊確保智能卡與終端的信息傳輸正確無誤，保證雙方對傳輸的信息解析具有一致性。整個通信過程中需要處理ATR的發(fā)送、通信參數的PPS協商、APDU報文格式和具體的通信協議T=0或T=1協議等幾個重要的問題。

2.2 文件系統模塊

文件系統是COS的重要模塊之一，它負責組織、管理和維護智能卡內存儲的所有的數據。智能卡上的數據或應用是以文件的形式存放在FLASH或EEPROM等存儲介質中的，COS通過對智能卡內的文件系統的管理和組織來實現對數據信息和應用的存儲和管理。

2.3 安全控制模塊

安全控制模塊是智能卡COS中最為核心的模塊，它對智能卡內數據提供安全保障，同時也對外提供安全定義。在智能卡中，COS安全模塊的內容主要包括加密算法的實現、系統的安全服務和安全控制策略的實現。它涉及到卡的鑒權與驗證方式的選擇，包括COS在對卡中文件進行訪問時的權限控制機制，還關系到卡中信息的保密機制。

2.4 命令解釋模塊

命令解釋模塊是芯片操作系統的重要組成部分，它負責解析卡片與終端之間交互的信息指令，并作相應的處理。命令是卡片和外界交互的基礎，命令處理是COS的主要職能，它也是系統代碼和應用代碼之間的重要接口。終端和卡片之間的通信過程都是基于命令響應的方式處理的，COS利用IO接口接受命令報文，通過命令解釋器來解釋報文內容，并進行相應的處理，最終通過IO接口返回響應狀態(tài)和響應數據。

COS命令解釋的調度流程包括外部命令的接受，命令處理流程的啟動以及命令響應數據和狀態(tài)的送回。其中，APDU命令報文的接收是按照CLA、INS、P1、P2、P3、DATA數據域的順序依次接收，并將接收結果保存在命令緩沖區(qū)的相應字段中。若數據接收失敗，則命令報文的輸入中斷退出。不同的命令具有惟一的指令代碼INS，COS主守護流程根據終端發(fā)出的APDU命令的INS，跳轉到相應的命令處理模塊中進行處理。在命令解釋模塊中，不僅要對相應的命令的參數P1、P2、P3進行嚴格檢查，還應對命令的執(zhí)行的安全條件進行檢測。

3 COS功能模塊之間的狀態(tài)轉換及調度關系

傳統的COS各模塊之間的調度關系一般采用層次調度關系，COS中所有從文件系統中到終端的數據都需要經過安全模塊的處理，包括數據的加解密，對文件訪問是否符合當前的安全條件，命令的執(zhí)行操作是否在安全環(huán)境中。

改進的COS各模塊之間的調用關系采用與層次結構相似的調度方式，但與傳統的調用方式相比，具有更高的效率。改進的調用方式主要體現在安全控制模塊的設置上（如圖2所示）。

改進的COS模塊調用方式中，不是所有信息都需要進行安全處理，例如連續(xù)對同一文件進行訪問時就不需要重復進行安全處理，而是根據命令的類別來進行適當的安全處理。這樣節(jié)省了系統開銷，提高了系統的效率。

圖2 改進COS模塊關系

功能層各模塊之間的關系為程序調度請求和數據響應關系，模塊的輸出為程序調度請求，輸入為調度后得到的數據響應，調度和響應均以事務來表示，而事務表示一組數據以及在數據上的一組操作。圖3表示了改進COS模塊調用方式中模塊的調度關系和狀態(tài)轉換，表1列出了模塊狀態(tài)轉換及調度關系。

圖3 模塊狀態(tài)轉換及調度關系圖

表1 模塊狀態(tài)轉換及調度關系表

4 COS命令在PKI中的實現

由于互聯網的迅速發(fā)展和普及，人們對網上身份認證的要求也越來越高，PKI體系成了解決Internet的安全問題的最優(yōu)解決方案。IC卡由于體積小、安全性高、攜帶方便等特點而被迅速引入到PKI體系結構中來，成為了目前PKI體系最佳的支持平臺。智能卡通過實現非對稱加密算法，成為一張PKI卡。由于密鑰在卡內生成，加解密工作在卡內完成，不會以明文形式出現，同時與PIN結合，可防止盜用，加上數據可長期保存以及便于攜帶和操作等特點，因而它可以成為數字簽名的理想載體。

智能卡在PKI中主要工作為：數字簽名和簽名驗證、加解密運算操作、證書和密鑰的存儲、證書的解析等。與PKI應用相關的智能卡常用命令是以ISO/IEC7816-8規(guī)范為基礎上建立的，歸納如表2所示。

下面選取ENCRYPT命令作詳細說明。ENCRYPT命令功能主要用于對數據進行非對稱算法（RSA算法）的加密計算，輸入的是加密前的明文、密鑰，輸出的是加密后的密文，在執(zhí)行本命令之前先執(zhí)行MANAGE SECURITY ENVIRONMENT命令。加密算法在此處選用RSA算法，編碼格式為RSAESPKCS1-V1_5。該命令報文結構如表3所示。

表2 PKI應用相關命令

表3 數據加密命令報文

該命令實現的偽代碼如下：

STATUS pki_Encrpyt（）

{ readUART（DAT，LEN）; //將明文內容放在DAT緩沖區(qū)中

if（TRUE == CheckSecCond（）&& TRUE ==CheckP1P2（））

{//檢測安全操作條件和參數P1P2

GetKey（）; //從卡中獲取RSA密鑰

PKCS_1V5_ENCODE（DAT，LEN）; //對原始數據進行PKCS1-V1_5編碼

Encrypt（data_encode，KEY）; //進行加密運算

return SW9FXX; //返回狀態(tài)，有xx字節(jié)長度的密文數據需要取出

} else

return ERROR; } //返回錯誤狀態(tài)

為了加強密鑰計算的安全性和數據保密性，一般運算需要對原始報文按照一定格式進行編碼，實際運算是對編碼以后數據的運算。此處采用的編碼格式為RSAES-PKCS1-V1_5編碼格式，詳細編碼格式和加密流程參照PKCS#1和PKCS#11規(guī)范。

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