智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)＊

王文韜， 周志洪， 李建華， 姚立紅， 伍軍

(1上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海，200240；2上海交通大學(xué)深圳研究院，深圳，518057；3信息網(wǎng)絡(luò)安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201204)

智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)＊

王文韜1，3， 周志洪1，2， 李建華1， 姚立紅1，3， 伍軍1

(1上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海，200240；2上海交通大學(xué)深圳研究院，深圳，518057；3信息網(wǎng)絡(luò)安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201204)

智能IC卡因其自身安全性、便捷性被越來越多地應(yīng)用于電子政務(wù)、電子商務(wù)等領(lǐng)域，而智能IC卡自身需要一定的檢測機(jī)制來保障其使用時的安全性。利用安全沙箱技術(shù)保證檢測環(huán)境安全、干凈，基于微軟PC/SC規(guī)范通過APDU指令集導(dǎo)入密鑰，可以實(shí)現(xiàn)智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)，其核心為根據(jù)基準(zhǔn)算法庫檢驗(yàn)密碼算法正確性。實(shí)際檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對智能IC卡的密碼算法檢測，檢測過程符合國家密碼行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

智能IC卡；安全沙箱；PC/SC；APDU

0 引言

智能IC卡是將一個帶有微處理器和存儲器等微型集成電路芯片微嵌入符合ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)卡基中，做成卡片形式，由于其固有的信息安全、便于攜帶、比較完善的標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，在身份認(rèn)證、交通運(yùn)輸?shù)仍S多領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。因IC卡自身安全性可以減少銀行卡欺詐風(fēng)險損失以及能夠滿足銀行卡多行業(yè)、多功能的應(yīng)用需求，由磁條卡轉(zhuǎn)向IC卡的金融IC卡遷移計(jì)劃正在全球?qū)嵤?。此外IC卡在涉及到民生的醫(yī)療社保、加油站收費(fèi)等領(lǐng)域的使用更加頻繁。IC卡的廣闊應(yīng)用市場前景也對其自身算法安全性提出更高要求。然而，市場上一些智能IC卡并未獲得銷售許可證，或者其內(nèi)部加解密算法與產(chǎn)品說明不符合，這些違規(guī)的IC卡產(chǎn)品將對電子政務(wù)、電子商務(wù)等領(lǐng)域帶來極大安全隱患，帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時嚴(yán)重影響IC卡的使用前景。因而十分有必要對智能IC卡密碼算法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。本系統(tǒng)選擇PC/SC接口，在獲得一定權(quán)限的情況下，與智能IC卡進(jìn)行APDU(Application Protocol Data Units，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)通信，檢測IC卡內(nèi)存在的密碼算法類型、種類，并通過與基準(zhǔn)算法庫算法進(jìn)行對比來驗(yàn)證算法實(shí)現(xiàn)的正確性。此外，為了防止出現(xiàn)驅(qū)動沖突問題，檢測系統(tǒng)加入了安全沙箱。

1 系統(tǒng)密碼算法檢測方法的選取

由于智能IC卡自身的安全保護(hù)，對于密鑰信息的輸入輸出有諸多限制，這使得其算法檢測有一定困難。目前檢測方法主要有:

1)從硬件層進(jìn)行:硬件層是通過側(cè)信道攻擊中的入侵式和半入侵式攻擊的方法獲取IC卡密鑰等敏感信息來進(jìn)行檢測，這種方法需要復(fù)雜的儀器設(shè)備才能進(jìn)行，且需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，在實(shí)際隨地檢測環(huán)境中應(yīng)用不方便；

2)從中間層進(jìn)行:中間層是通過調(diào)用CSP或PKCS＃11中間件的方式與IC進(jìn)行通信來檢測，它的前提是需要所有被檢測IC卡的CSP驅(qū)動，這種方法實(shí)現(xiàn)比較繁雜，在無法獲知對方具體IC卡型號和驅(qū)動的情況下無法進(jìn)行；

3)從底層的APDU進(jìn)行:根據(jù)ISO7816.4規(guī)定，智能卡與外界的通信數(shù)據(jù)接口為APDU，而利用微軟的PC/SC規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)PC與智能IC卡的最底層的通信，從而對其密碼算法進(jìn)行檢測。該方法實(shí)現(xiàn)比較簡單，但是在已經(jīng)獲取該IC卡的APDU指令集的基礎(chǔ)上，而APDU指令集一般都在各產(chǎn)商根據(jù)自身需求設(shè)計(jì)的不公開的COS(Chip Operating System，片內(nèi)操作系統(tǒng))中，獲取不易。

考慮到目前國家密碼管理局正在進(jìn)行各廠商智能IC卡的COS統(tǒng)一規(guī)范的工作，在未來可以直接通過該標(biāo)準(zhǔn)COS手冊來選擇APDU指令和智能IC卡進(jìn)行通信，因而最終選擇該方法實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)。

2 PC/SC規(guī)范與APDU指令集

PC/SC規(guī)范是一個基于WINDOWS平臺的一個標(biāo)準(zhǔn)用戶接口(API)，作為讀卡器和卡與計(jì)算機(jī)之間的一個標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)商的卡和讀卡器之間的互操作。微軟在其Platform SDK中實(shí)現(xiàn)了PC/SC，作為連接智能卡讀卡器與計(jì)算機(jī)的一個標(biāo)準(zhǔn)模型，提供了獨(dú)立于設(shè)備的API，并與Windows平臺集成。因此，我們可以用PC/SC接口來訪問智能卡。

智能IC卡與外界都是以APDU為載體來傳輸信息。一條APDU命令含有一個命令頭和一個命令體，如表1所示。命令頭由四個數(shù)據(jù)元組成，即類CLA，命令I(lǐng)NS和兩個參數(shù)P1和P2。命令體可有不同長度，包括數(shù)據(jù)域Data，表示數(shù)據(jù)域Data長度的Lc和表示數(shù)據(jù)域期望數(shù)據(jù)的長度Le。

表1 APDU命令格式

APDU命令的應(yīng)答由數(shù)據(jù)和狀態(tài)字組成，如表2所示。SW1和SW2是卡片執(zhí)行命令的返回代碼，任何命令的返回信息都至少由一個狀態(tài)字組成。狀態(tài)字說明了命令處理的情況，即命令是否被正確執(zhí)行及失敗原因。

表2 APDU響應(yīng)格式

3 智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)框架

智能IC卡檢測系統(tǒng)主要是對IC卡中加解密算法進(jìn)行檢驗(yàn)，包括分組密碼算法(對稱算法)、非對稱密碼算法以及密碼雜湊算法。實(shí)際應(yīng)用中，智能IC卡密碼算法檢測存在以下幾方面需求:

1)對于指定的加解密算法，判斷智能IC卡是否支持該種算法，并驗(yàn)證算法實(shí)現(xiàn)是否正確。

2)能夠?qū)⒚糠N算法的檢測結(jié)果進(jìn)行存儲和分析。

3)對每種智能IC卡進(jìn)行的每次檢測必須在一個安全、干凈的環(huán)境中進(jìn)行。

基于以上需求，智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，主要由前臺交互平臺、算法正確性檢測模塊、后臺數(shù)據(jù)庫三大部分組成。

圖1 智能IC卡密碼算法檢測系統(tǒng)框圖

前臺交互平臺負(fù)責(zé)信息的輸入和輸出，與后方檢測系統(tǒng)進(jìn)行交互，并可以通過前臺觀察、控制整個檢測過程。智能IC卡通過讀卡器連接到前臺，在開始進(jìn)行檢測時，通過前臺控制界面開啟安全沙箱，處于安全沙箱中的算法檢測模塊開始進(jìn)行算法檢測，得到檢測結(jié)果后輸出到前臺交互界面。

算法正確性檢測模塊是整個檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵核心環(huán)節(jié)，它處于安全沙箱之中，可以對智能IC卡存在的密碼算法進(jìn)行檢測。在檢測過程中，需要基準(zhǔn)算法庫給出具體加解密算法所需的明文數(shù)據(jù)、加密算法標(biāo)識符、密鑰數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的密文數(shù)據(jù)，該基準(zhǔn)算法庫由國家密碼管理局提供并認(rèn)可。檢測模塊基于PC/SC協(xié)議，利用APDU指令集向智能IC卡輸入相應(yīng)明文、導(dǎo)入密鑰、與基準(zhǔn)算法庫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比等操作來進(jìn)行算法正確性驗(yàn)證。在獲得驗(yàn)證結(jié)果后，向前臺交互平臺輸出結(jié)果的同時，將結(jié)果保存到后臺數(shù)據(jù)庫中。

后臺數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲檢測結(jié)果，方便信息的備份查詢，也可用于將來的進(jìn)一步檢測。數(shù)據(jù)庫信息都是由算法正確性檢測模塊對每種智能IC卡檢測產(chǎn)生得到，主要包含了每種算法名稱、類型、密鑰長度，算法驗(yàn)證結(jié)果等。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 算法正確性檢測模塊

算法正確性檢測模塊是智能IC卡算法檢測系統(tǒng)最關(guān)鍵最重要的部分，它根據(jù)基準(zhǔn)算法庫提供的明文數(shù)據(jù)和密鑰數(shù)據(jù)，基于PC/SC協(xié)議將這些信息利用APDU指令集發(fā)送到被檢測智能IC卡中，并利用智能IC對獲取的明文進(jìn)行對應(yīng)算法加密，將加密得到的密文與基準(zhǔn)算法庫中密文進(jìn)行對比，從而得出算法正確性檢測結(jié)果。該過程主要關(guān)鍵點(diǎn)是PC/SC與智能卡的通信流程，主要難點(diǎn)是如何將基準(zhǔn)算法庫中得到的密鑰導(dǎo)入到智能IC卡中。

PC/SC訪問智能IC卡是通過已定義的接口函數(shù)。PC/SC接口包含30多個以Scard為前綴的函數(shù)，所有函數(shù)原型都在winscard.h中聲明，應(yīng)用程序需要包含winscard.lib，所有函數(shù)的正常返回值都是SCARD_S_SUCCESS。在這30多個函數(shù)中，常用的函數(shù)只有幾個，與智能卡的訪問流程(如圖2)對應(yīng)。

圖2 PC/SC訪問智能IC卡流程圖

其中，指ScardTransmit向智能卡發(fā)送的指令就是APDU指令，通過APDU指令可以進(jìn)行相關(guān)的密鑰導(dǎo)入、加解密運(yùn)算等操作。該模塊可以針對各種常見對稱密碼算法(如DES、AES、SM1等)、非對稱密碼算法(如RSA、SM2等)和HASH算法(MD5、SM3等)來進(jìn)行檢測。這里以DES加密算法為例，其具體算法檢測流程如圖3所示:

圖3 算法檢測過程

1)從基準(zhǔn)算法庫中得到需要檢測的加密算法ID，以及加密所需的密鑰數(shù)據(jù)，密鑰數(shù)據(jù)包括了密鑰的長度和密鑰算法的具體二進(jìn)制數(shù)值。

2)將算法ID和密鑰數(shù)據(jù)導(dǎo)入到安全沙箱，系統(tǒng)識別算法ID后進(jìn)入其所需導(dǎo)入密鑰文件的流程:如為導(dǎo)入DES密鑰，首先需要通過Verify Pin驗(yàn)證口令來獲得權(quán)限，之后使用Create File來創(chuàng)建文件，并Select File選定該文件，最后使用Update Binary將基準(zhǔn)算法庫對應(yīng)密鑰數(shù)據(jù)按照COS手冊規(guī)定的文件格式寫入到二進(jìn)制文件中，這樣就完成了密鑰文件的導(dǎo)入過程。當(dāng)然，為了保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和對發(fā)送方的認(rèn)證，建議按照COS手冊計(jì)算出MAC值后使用安全報文進(jìn)行密鑰導(dǎo)入。

4)將3)中的結(jié)果與基準(zhǔn)算法庫中標(biāo)準(zhǔn)的密文結(jié)果進(jìn)行對比，如果兩者相同，說明該算法實(shí)現(xiàn)正確；結(jié)果不同則說明檢測的智能IC卡算法實(shí)現(xiàn)有問題。

其它算法檢測過程與DES加密算法檢測過程類似，只是在算法導(dǎo)入過程會有差異，針對不同的密碼算法需要提前準(zhǔn)備其密鑰導(dǎo)入過程，從而在獲得算法ID后可直接進(jìn)行密鑰導(dǎo)入，密鑰導(dǎo)入后按照相應(yīng)密碼算法檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種檢測即可。

4.2 安全沙箱技術(shù)

為了保證檢測系統(tǒng)對于市場上的智能IC卡能做到即插即用式檢測，必須提前在檢測系統(tǒng)中安裝好不同品牌IC卡讀卡器的驅(qū)動程序，但由于IC卡讀卡器種類繁多，各種驅(qū)動程序之間經(jīng)常會出現(xiàn)沖突現(xiàn)象，而且驅(qū)動也會出現(xiàn)無法卸載干凈的情況，同時IC卡讀卡器驅(qū)動也會有操作系統(tǒng)不支持等情況出現(xiàn)。為此，檢測系統(tǒng)引入了安全沙箱技術(shù)來構(gòu)建虛擬環(huán)境，保證檢測在安全、干凈、有效的環(huán)境中進(jìn)行。安全沙箱是虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，是一種程序的隔離運(yùn)行機(jī)制，其目的是限制不可信進(jìn)程或不可信代碼運(yùn)行時的訪問權(quán)限，出現(xiàn)問題時可復(fù)原系統(tǒng)。從操作系統(tǒng)和軟件角度出發(fā)，沙箱實(shí)現(xiàn)途徑分為三類:用戶態(tài)的沙箱實(shí)現(xiàn)機(jī)制、內(nèi)核態(tài)的沙箱實(shí)現(xiàn)機(jī)制和混合類型的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

檢測系統(tǒng)采用輕量級虛擬機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)安全沙箱，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序隔離。該安全沙箱還能實(shí)現(xiàn)功能包括:在被測智能IC插入讀卡器后，虛擬機(jī)將其驅(qū)動程序在驅(qū)動程序庫中找到，安裝在安全沙箱中，安全沙箱啟動算法正確性檢測模塊；檢測過程中，安全沙箱需要識別基準(zhǔn)算法庫中獲取的算法ID，查找出對應(yīng)的密鑰導(dǎo)入流程，并在運(yùn)算結(jié)束后對比檢測結(jié)果，輸出檢測結(jié)果到前臺交互平臺和后臺數(shù)據(jù)庫；檢測結(jié)束，安全沙箱通過快照方式回溯到未安裝智能IC卡驅(qū)動狀態(tài)，相當(dāng)于徹底卸載驅(qū)動程序。

5 檢測結(jié)果

檢測系統(tǒng)硬件環(huán)境是IBM T440筆記本，其CPU為酷睿i5－2430M，軟件環(huán)境:Host操作系統(tǒng)是自定義裁剪的Linux操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)是利用Oracle VirtualBox實(shí)現(xiàn)的Windows XP SP3操作系統(tǒng)。VirtualBox需要安裝VirtualBox Extension Pack的拓展包，以此來保證USB設(shè)備兼容性。進(jìn)行檢測智能IC卡是某公司某型號IC卡，且已獲得該IC卡的COS手冊。首先對智能IC卡的DES加密算法進(jìn)行檢測，之后給出對其它算法進(jìn)行檢測的結(jié)果。

(1)DES加密算法正確性檢測

基準(zhǔn)算法庫首先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如表3所示(都是16進(jìn)制表示)。其中，明文和密文長度都是64位；密鑰的有效長度為56位，另8位為校驗(yàn)位，采用的加密模式為前后字節(jié)沒有關(guān)聯(lián)的ECB模式。

表3 基準(zhǔn)算法庫產(chǎn)生的DES算法數(shù)據(jù)

安全沙箱根據(jù)算法ID查找并進(jìn)入密鑰導(dǎo)入流程，通過Update Binary將密鑰寫入文件中，最后通過DESData Encrypt對明文進(jìn)行加密，最終得到的密文為:

C3 C1 B5 FD D0 EA 3C A4

與基準(zhǔn)算法庫中密文一致，說明檢測結(jié)果正確，該智能IC卡可以實(shí)現(xiàn)DES加密算法。

(2)其他算法檢測結(jié)果

其他算法檢測過程同DES類似，只是在密鑰導(dǎo)入等過程有差異。最終檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 某型號智能IC卡算法檢測結(jié)果

從圖4可以看出，該款I(lǐng)C卡支持RC2/RC4、DES/3DES、MD2/MD4/MD5等密碼算法，雖然也支持SSF33和SCB2算法，但這兩種算法實(shí)現(xiàn)過程有問題，無法通過算法驗(yàn)證。從以上檢測結(jié)果可見該智能IC密碼算法檢測系統(tǒng)能夠?qū)χ悄躀C進(jìn)行算法正確性檢測。

6 結(jié)語

由于金融IC卡遷移等現(xiàn)實(shí)情況導(dǎo)致市場上智能IC卡的應(yīng)用劇增，與此同時出現(xiàn)了各種品牌的違規(guī)智能IC卡危害人們財產(chǎn)安全和日常生活。面向質(zhì)量檢測與監(jiān)管機(jī)構(gòu)等部門的需求，設(shè)計(jì)出了智能IC密碼算法的檢測系統(tǒng)，其核心技術(shù)是利用安全沙箱和基準(zhǔn)算法庫并基于PC/SC規(guī)范和APDU指令對智能IC卡密碼算法進(jìn)行測試。但目前的檢測是在已知該IC卡的COS手冊基礎(chǔ)上，下一步工作是在國家密碼管理局發(fā)布統(tǒng)一的COS規(guī)范且各產(chǎn)商按照該規(guī)范生產(chǎn)智能IC卡后，通過該規(guī)范調(diào)用APDU進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用式的“盲檢測”。

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[8] 國家密碼管理局.GM/T 0016－2012，中華人民共和國密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－智能密碼鑰匙密碼應(yīng)用接口規(guī)范[S].北京:國家密碼管理局，2012:2－5.

Detection System of Smart IC－Card Cryptographic Algorithm

WANGWen－tao1，3，ZHOU Zhi－h(huán)ong1，2，LIJian－h(huán)ua1，YAO Li－h(huán)ong1，3，WU Jun1
(1School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2Shenzhen Research Institute of Shanghai Jiaotong University，Shenzhen Guangdong 518057，China；3Key Lab of Information Network Security，Ministry of Public Security，Shanghai201204，China)

Owing to its safety and convenience，smart IC－card is increasingly applied in e－government，e－commerce and other fields.However，certain detectionmechanism is required to guarantee its safety during utilization.With the sandbox technology for providing a safe and clean detection environment and by importing key through APDU based on Microsoft PC/SC specification，a detection system of smart IC－card cryptographic algorithm is proposed and implemented.Its kernel technology is to check the correctness of cryptographic algorithm in accordancewith algorithm base test.Experimental results show that this detection system can achieve cryptographic algorithm detection of smart IC－card，and the detection process conforms to the related standards of internal encryp tion industry.

smart IC－card；sandbox；PC/SC；APDU

TN918.2

A

1009－8054(2015)05－0117－04

??法庫中調(diào)取所需要加密的明文數(shù)據(jù)，利用短文件標(biāo)識符定位2)中導(dǎo)入的密鑰文件，使用RSA Data Encrypt來對明文數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，得到密文數(shù)據(jù)。

王文韜(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

周志洪(1979—)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；

李建華(1965—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；

姚立紅(1974—)，女，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榘踩僮飨到y(tǒng)；

伍 軍(1979—)，男，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)楣た匦畔踩??！?/p>

2014－09－09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.60903191)，上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃(No.13XD1425100)，國家電網(wǎng)科技部項(xiàng)目:網(wǎng)絡(luò)攻擊深度分析與監(jiān)控技術(shù)研究(No.5246811140009)，信息網(wǎng)絡(luò)安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(No.C13609)