IC卡技術講座之六 智能IC卡操作系統及其應用

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：   人氣： 發表時間：2011年09月17日

   目前,IC卡家族中檔次最高的智能IC卡,又稱CPU卡.顧名思義, 這種卡片上不但有存儲數據的存儲器和對外聯絡的通訊接口,還帶有具備數據處理能力的微處理器,實際上是一臺卡上的單片微機系統.為了管理這一系統中的硬件和軟件資源, 卡上存儲有進行數據讀寫和安全管理的程序,以及管理這些程序的卡上操作系統,即COS(Chip Operating system).COS與我們在PC機上常見的DOS和WINDOWS 等操作系統有很大不同,它是根據IC卡特點而開發的專用操作系統.COS受IC 卡存儲容量和微處理器性能的限制,主要功能是:控制IC卡與外界的信息交換;管理IC卡上各種存儲器;在IC卡內執行讀寫器的各種操作命令.有了CPU與COS,IC卡就有了智能.因此智能IC 卡具有超強的存儲性能,提供很高的信息安全性和可靠性.
    下面介紹一下智能IC卡COS 在幾個方面的基本功能,即資源管理,通訊管理,安全管理和應用管理.
    1.COS的資源管理
    作為操作系統,管理IC卡的硬件資源和數據資源是其基本任務.IC卡上的硬件資源包括CPU,ROM,EEPROM和RAM及通訊接口,這些都由IC卡上操作系統統一管理, 使外部不能直接控制這些資源,使IC卡對外表現為一個"黑匣子",從而加強了系統的保密性能.
    IC卡上的數據也以文件形式存在,但與PC機磁盤文件的形式不同,IC卡文件直接存放在卡上存儲器中,可以隨機讀寫或執行.
    在IC卡存儲區中,文件以層次結構來組織,不能越層存取. 卡上存在一個唯一的主文件,也就是文件系統的根,其中包含系統文件控制信息及可分配內存空間的信息.其下一層是對應于IC卡各種不同應用的專有文件,專有文件中含有各應用程序的控制信息和空間分配數據.不同應用由各專有文件執行,各自獨立. 專有文件由若干元文件組成,包括:用于存儲應用數據的工作元文件,提供安全加密,解密功能的管理元文件,控制程序運行的控制元文件等.
    2.COS的通訊管理
智能卡通訊管理主要功能是執行智能IC卡的信息傳送協議, 接收讀寫器發出的指令,并對指令傳遞是否正確進行判斷.一般可采用奇偶檢,CRC校驗等方式判斷傳輸錯誤.對于采用分組傳輸協議的系統, 還可以通過分組長度變化來檢出錯誤. 此外,IC卡能自動產生對指令的應答并發回讀寫器.也能為送回讀寫數據及應答信息自動添加傳輸協議所規定的附加信息.
    3.COS的安全管
智能卡操作系統最重要的功能之一就是數據安全管理. 這可以具體地分為用戶與IC卡的鑒別,核實功能以及對傳輸數據的加密與解密操作.
"鑒別"是指對IC卡本身的合法性進行驗證,判定一張IC卡是不是偽造的.如在前兩講中談到的多采用多種卡上設置的讀,寫,擦除密碼作為防偽的基本手段.而COS由于可以通過內部軟件運行來完成密碼轉換,因此智能IC 卡上實際寫入的密碼無法被讀寫器直接讀取,安全性能更強.而"核實"是指對IC卡持有人的合法性驗證. 由于用戶只能通過用戶口令來進行核實,為防止在口令傳輸中被人竊聽,常常利用COS 的功能對傳送口令進行加密和解密運算.
    "鑒別"與"核實"可以有效地防止非法用戶入侵和非法IC卡的使用. 而對傳輸與存儲數據的保密,則是通過COS對數據進行加密與解密的功能來實現的. 關于加密算法我們在上一講已作了簡單紹.這些算法由COS調用相應算法程序在讀寫IC卡時自動完成.因此智能卡讀寫時,通訊線上傳輸的不是存儲數據而是其密文. 這就有效地保證了數據通訊的安全性.
    4.COS的應用管理
    智能IC卡COS的應用管理功能是對讀寫器發來的命令進行判斷,譯碼和處理. 智能卡的各種應用以專有文件形式存在卡上,各專有文件則是由IC 卡的指令系統中指令排列所組成的.
    COS的基本指集具有國際標準,即ISO/IEC7816-4國際標準.標準中給出了基本命令集.但是由于IC卡操作系統還處于發展初期,所以并不要求各生產廠家嚴格執行這一標準.因此目前常見的幾種IC卡操作系統的命令各不相同,而且它們之間大多數互不兼容.但所提供的指令類型大致可分為以下幾種:
    數據管理類:如文件創建,讀出,寫入,刪除,關閉等.
    通訊控制類:信息管理,協議實現,響應獲取等.
    安全控制類:如內部認證,外部認證,數據校驗,加密,解密命令等.
    例如:德國G&D公司的STARCOS智能IC 卡具有28 條指令. 美國MOTOROLA 公司的MC68HC05SC系列智能卡,指令集中有指令50多條.
由于有了CPU和卡上操作系統,智能卡進行具體處理時,讀寫器與IC 卡之間通過"命令-響應對"方式進行控制.即讀寫器發出操作命令,智能卡接收命令,COS 對信念加以解釋,完成命令的解密與校驗.然后調用相應程序來進行數據處理, 產生應答信息,加密后送給讀寫器.在這里,COS除了負責命令的解釋執行之外, 還負責各應用文件的安全管理.
    綜上所述:智能卡上配備CPU與COS后,具有了獨立的資源管理,通訊管理,安全管理和應用管理能力.成為一臺完整的單片機系統.因此它不但能存儲數據, 保障數據安全,而且有極強的應用靈活性和可靠性,并且具備了脫機工作能力. 這使得智能卡成為IC卡中的姣姣者,成為IC卡的發展方向.目前智能卡的主要缺點是成本高. 但隨著微電子技術的發展,這一缺點將將會很快克服,智能卡的普及將指日可待.