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(jié)構(gòu)、基本功能模塊和工作原理等內(nèi)容，同時對智能卡命令系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)來舉例說明，以此驗證理論的正確與否。

1 COS體系結(jié)構(gòu)

COS直接運行于芯片平臺上，是智能卡內(nèi)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(shù)據(jù)、控制命令的執(zhí)行、管理文件、維護內(nèi)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(jié)構(gòu)模型劃分為COS內(nèi)核層和應用層兩大部分（如圖1所示）。

圖1 智能卡COS體系結(jié)構(gòu)模型

2 COS基本功能模塊

根據(jù)智能卡COS的體系結(jié)構(gòu)模型，可以得到COS內(nèi)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(tǒng)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(jù)智能卡所使用的信息傳輸協(xié)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(xié)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?shù)男畔⒔馕鼍哂幸恢滦?。整個通信過程中需要處理ATR的發(fā)送、通信參數(shù)的PPS協(xié)商、APDU報文格式和具體的通信協(xié)議T=0或T=1協(xié)議等幾個重要的問題。

2.2 文件系統(tǒng)模塊

文件系統(tǒng)是COS的重要模塊之一，它負責組織、管理和維護智能卡內(nèi)存儲的所有的數(shù)據(jù)。智能卡上的數(shù)據(jù)或應用是以文件的形式存放在FLASH或EEPROM等存儲介質(zhì)中的，COS通過對智能卡內(nèi)的文件系統(tǒng)的管理和組織來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(nèi)數(shù)據(jù)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(nèi)容主要包括加密算法的實現(xiàn)、系統(tǒng)的安全服務和安全控制策略的實現(xiàn)。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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(shù)據(jù)。

COS命令解釋的調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)域的順序依次接收，并將接收結(jié)果保存在命令緩沖區(qū)的相應字段中。若數(shù)據(jù)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(jù)終端發(fā)出的APDU命令的INS，跳轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換及調(diào)度關系

傳統(tǒng)的COS各模塊之間的調(diào)度關系一般采用層次調(diào)度關系，COS中所有從文件系統(tǒng)中到終端的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過安全模塊的處理，包括數(shù)據(jù)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(diào)用關系采用與層次結(jié)構(gòu)相似的調(diào)度方式，但與傳統(tǒng)的調(diào)用方式相比，具有更高的效率。改進的調(diào)用方式主要體現(xiàn)在安全控制模塊的設置上（如圖2所示）。

改進的COS模塊調(diào)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(jù)命令的類別來進行適當?shù)陌踩幚?。這樣節(jié)省了系統(tǒng)開銷，提高了系統(tǒng)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(diào)度請求和數(shù)據(jù)響應關系，模塊的輸出為程序調(diào)度請求，輸入為調(diào)度后得到的數(shù)據(jù)響應，調(diào)度和響應均以事務來表示，而事務表示一組數(shù)據(jù)以及在數(shù)據(jù)上的一組操作。圖3表示了改進COS模塊調(diào)用方式中模塊的調(diào)度關系和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，表1列出了模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換及調(diào)度關系。

圖3 模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換及調(diào)度關系圖

表1 模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換及調(diào)度關系表

4 COS命令在PKI中的實現(xiàn)

由于互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及，人們對網(wǎng)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(jié)構(gòu)中來，成為了目前PKI體系最佳的支持平臺。智能卡通過實現(xiàn)非對稱加密算法，成為一張PKI卡。由于密鑰在卡內(nèi)生成，加解密工作在卡內(nèi)完成，不會以明文形式出現(xiàn)，同時與PIN結(jié)合，可防止盜用，加上數(shù)據(jù)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(shù)字簽名的理想載體。

智能卡在PKI中主要工作為：數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如表3所示。

表2 PKI應用相關命令

表3 數(shù)據(jù)加密命令報文

該命令實現(xiàn)的偽代碼如下：

STATUS pki_Encrpyt（）

{ readUART（DAT，LEN）; //將明文內(nèi)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(shù)P1P2

GetKey（）; //從卡中獲取RSA密鑰

PKCS_1V5_ENCODE（DAT，LEN）; //對原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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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