網絡計算機中IC卡讀寫器子系統設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：王非 羅海勇   人氣： 發表時間：2011年10月17日

    隨著網絡的飛速發展和計算機技術的不斷進步，計算機應用模式正發生著巨大的變革。網絡計算機（NC）的出現標志著計算機體系結構的革新，代表著未來計算機系統的發展方向。由于網絡計算機可以采用開放源碼操作系統，為發展帶有自主知識產權的核心技術創造了有利條件。在開放源代碼的操作系統中，Linux是一種較好的選擇。它源代碼公開，可以根據要求自行剪裁并且穩定，對資源要求低，有大量應用軟件支持。按照網絡電腦的特定需求，可以開發出具有自主智能產權的CPU，從而提高網絡電腦的安全。網絡電腦走的是一種網絡服務器集中式管理的道路，具有成本低廉、管理費用低的優勢。

    為此，國家863計算機軟硬件技術主題發展規劃提出了以下要求：組織優勢力量，研究網絡計算機系統的關鍵技術，研制網絡計算機系列產品，選擇若干典型應用領域的進行應用示范，以此推動國產微處理器芯片和系統軟件的發展，促進我國電子政務、網絡教育、金融、社區服務、企業管理等方面的信息化建設。

    隨著計算機網絡的迅速發展，網絡計算機的安全問題顯得非常突出。尤其在某些特殊領域，如電子政務等，安全問題顯得極端重要。目前，在計算機安全方面，有各種不同的方法，但效果都不太好。本文提出的智能IC卡技術，在網絡計算機是一種全新的方法，能夠很好地實現網絡計算機的安全。智能IC卡（Smart IC）具有較高的安全性，以前主要用在金融、電信等領域，筆者把此技術推廣應用到網絡計算機，以提高安全性。智能IC卡本身含有自行研制的COS（Chip OS）和加密算法，并采用多密鑰、多加密算法體系，對所有的敏感數據文件加密保護。如圖1所示。

    IC卡子系統是整個網絡計算機系統網絡安全的核心，它保存了加密算法所需要的私有密鑰，供加密算法對網絡上傳輸的數據加密使用。

    1 IC卡讀寫器硬件開發方案

    IC卡作為一種信息技術可以廣泛應用于許多行業領域，如金融、電信等，不同領域均有各自不同的應用特點、應用環境和應用要求。IC卡在某一領域的應用，必須適應該領域的特點。國際上有關組織及部分針對各個領域的不同要求，制定了IC卡在某一領域應用所應參考或遵循的應用標準。不過所有智能IC卡都必須符合國際標準化組織的ISO/IEC 7816國際標準。讀寫器的硬件也必須遵循ISO/IEC 7816國際標準。

    ISO/IEC 7816標準要求IC卡與IC卡讀寫器使用串行通信，時序要求非常嚴格。常用的MCS51系列單片機速度較慢，每個指令周期需要12個機器周期，較難達到該標準所要求的嚴格時序。Microchip公司的PIC系列單片機采用RISC結構，每個指令周期為4個時鐘周期，并且除轉移指令外，所有指令都可以在一個指令周期內完成，速度較快，能夠滿足該標準對時序的嚴格要求。所以采用一片PIC16C73單片機作為IC卡讀寫器的控制器。

    讀寫器與IC卡的通信，采用半雙工的ISO 7916-3字符幀協議標準。3.57MHz的晶振為IC卡和讀寫器提供時鐘。在缺省工作方式下，IC卡和讀寫器的通信速率為9600bps。即時鐘頻率為3.57MHz，每372個時鐘輸入或輸出一個比特位。在未來需要較高通信速度時，可以在對程序作較小改動的前提下，提高晶振頻率，如采用2×3.57MHz的晶振。

    IC卡讀寫器與NC之間的通信，可以采用USB接口、并口、串口、PS/2口等多種方案。采用USB接口可以實現即插即用和熱拔插等功能。但使用USB接口，電路和協議都很復雜，并且增加USB接口器件會較大地增加系統成本。并口有較高的通信速度，但通信線路較多，硬件比較復雜，可靠性不好，且IC卡讀寫器并不需要太高的通信速度，故使用并口也不是理想的方案。而PS/2口一般固定給鍵盤和鼠標等標準外設使用，使用PS/2口就會占用這些標準外設的接口，故也不在考慮范圍之內。使用串口通信雖然速度慢，但卻具有硬件成本低、軟件實現簡單、運行可靠等優點。而通信速度完全可以滿足IC卡讀寫器的要求。所以IC卡讀寫器采用了RS232串口與NC主機通信的方案。

    整個系統使用5V電壓供電。IC卡讀寫器采用低功耗設計，系統電源從RS232接口的信號線上獲得。RS232接口的電壓為±12V,經過電源穩壓器件LP2950將12V電壓變為+5V，給IC卡讀寫器所有器件提供電源。

    IC卡讀寫器硬件的原理框圖如圖2所示。

    IC卡各引腳接到單片機I/O口上，由單片機對IC卡進行讀寫。由于PC（NC）機的RS232接口電平與單片機的邏輯電平不同，所以需要對串口信號進行電平轉換。圖2中使用了電平轉換器件。它把單片機的TTL邏輯電平轉化為RS232接口的±12V電平，實現單片機與RS232的透明傳輸。轉換后的信號直接接在RS232接口上。

    2 IC卡讀寫器軟件開發方案

    IC卡讀寫器驅動程序由讀寫器與IC卡通信的通信程序、讀寫器與NC或PC通信的通信程序以及NC與讀寫器通信的驅動程序三部分組成。其中，NC與IC卡讀寫器通信的程序符合PC/SC規范，它與PC/SC規范的中間件結合，向應用程序提供符合PC/SC規范的API函數。

    2.1 讀寫器與IC卡通信的通信程序

    該通信程序采用ISO 7816-3字節協議標準編制。使用T=0，即字符協議，主要實現與IC卡的通信。由于選用的時鐘為3.57MHz，在IC卡I/O口默認的9600bps通信速度下，每隔372個系統時鐘脈沖，I/O狀態可能變化一次。所以，為了準確讀取IC卡I/O狀態，在IC卡輸出的每一位脈沖中間，即I/O啟動186個時鐘周期后，讀取I/O狀態。為了排除可能的干擾，在186個時鐘周期的兩側再采樣兩點，共取樣三點。三個采樣點之間每兩個點間隔24個時鐘周期。如果三點取樣值都為1，則輸出為1；如果三點取樣值都為0，則輸出為0；如果三點取樣值中有兩點為1，一點為0，則輸出為1；如果三點取樣值中兩點為0，一點為1，則輸出為0。

    2.2 讀寫器與NC的通信的通信程序

    讀寫器與NC的通信程序采用異步串行口協議，雙方通信先握手取得同步，然后再進行串行口通信。讀寫器通過串口接收NC發來的命令，并將執行結果通過串口發回。讀寫器與NC的通信在不影響讀寫器與IC卡通信的前提下完成。

    2.3 NC的驅動程序

    NC通信程序駐留于NC，它與讀寫器的通信程序通信。這個程序符合PC/SC規范。規范規定的分層模塊結構見下圖。

    圖中的ICC就是Integrated Circuit Card，即IC卡。IFD就是Interface Devices，即IC卡讀寫器。IC卡插入讀寫器后，通過IC卡讀寫器IFD與NC驅動程序的IFD Handler層通信。ICC Resource Manager層管理各種不同的IC卡讀寫器和IC卡資源。

    每一種IC卡讀寫器通過各自的IFD Handler接口函數與ICC Resource Manager層通信，ICC Resource Manager層根據上層軟件的要求，將上層軟件發來的命令分別發到相應的IFD Handler，再通過它發給IC卡讀寫器和IC卡。而ICC-Aware Applications層對上層應用軟件提供一個通用的API接口，以滿足不同的應用程序對不同的IC卡和讀寫器的編程要求。Service Provider層介于ICC-Aware Applications層和ICC Resource Manager層之間，要吧提供文件的存取控制和驅動程序的加密通信功能。當然，在不使用加密通信功能時，也可以不用這一層。

    NC的驅動程序根據規范要求，提供符合標準的IFD Handler層接口函數，其余各部分由符合規范的中間件提供。應用程序調用間件提供的API函數發送命令。中間件把應用程序發來的命令編譯成動態鏈接庫的IFD Handler接口函數發給IC卡讀寫器，最終發給IC卡。最后，IC卡將返回結果通過一系列相反的過程返回給應用程序。

    3 Smart IC卡開發方案

    IC卡芯片具有寫入數據和存儲數據的能力，IC卡存儲器的內容根據需要可以有條件地由外部讀取，以供內部信息處理的判定。根據卡中所嵌入的集成電路的不同可以分成三類：

    （1）存儲器卡，卡中的集成電路為EEPROM（可以用電擦除的可編程只讀存儲器）；
    （2）邏輯加密卡，卡中的集成電路具有加密邏輯和EEPROM；
    （3）CPU卡，卡中的集成電路包括中央處理器CPU、EEPROM、隨機存儲器RAM以及固化在只讀存儲器ROM中的片內操作系統COS（Chip Operating System）。

    除此之外，IC卡根據讀寫方式不同，可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡兩種。由于網絡安全要求，IC卡在使用時必須一直插在讀寫器內。非接觸IC卡由于其讀寫器沒有專用卡座，盡管有壽命長等優點，但不適用于網絡安全應用。

    同時，由于CPU卡計算能力強，可以使用自己的COS操作系統，甚至使用硬件完成加密算法。而IC存儲卡僅具有存儲功能，安全性不如CPU卡好，的怪SNCS（Smart Network Computer System）的IC卡子系統采用接觸式CPU卡。

    網絡計算機安全系統的IC卡設計滿足標準化（國際標準）和智能化，既有安全性又有易維護性。它由硬件和軟件兩部分組成。

    （1）硬件

    采用CPU卡，它含有CPU及RAM、ROM等。具有優秀的安全性能，可能有效防止黑客對IC卡解密。

    （2）軟件

    ·通信程序：IC卡軟件即COS（Chip Operating Systarm），它是智能卡芯片內的一個監控軟件，用于接收和處理外界發給智能卡的各種信息，管理卡內的存儲器，并給出相應的應答信息。它有IC卡與讀寫器的通信程序。該通信程序完成與讀寫設備之間的通信，必須滿足7816-3字符幀協議。該協議含有T=0字符傳送協議和T=1數據塊傳送協議。
    ·安全文件系統：COS文件系統與普通文件系統不同，它著重強調文件系統的安全性，除提供通常的字符流文件操作外，還提供記錄文件的讀寫操作等。對每種不同的文件操作進行不同的訪問權限保護。COS中的文件系統與上層應用軟件的用戶權限管理相結合，共同完成對IC卡文件的訪問。由于IC卡的文件存儲介質采用EEPROM，每次寫文件操作時，必須對要寫入的介質先進行擦除操作。
    ·安全機制：安全機制用于身份鑒別和IC卡與讀寫設備雙方的認證工作及各種數據的加密、數據完整性檢查等操作。每個用戶IC卡上都有用戶的一個私鑰，服務器把用公鑰加密后的數據經IC瞳用自己的私鑰解密后將正確的信息通過網絡送給服務器，由服務器根據解密的信息完成對用戶權限的鑒別。
    ·加解密算法：加解密算法，用于對傳入IC卡的數據進行加、解密，此外它還提供擴展接口，方便用戶增加新的加密算法。
    ·命令解譯：命令解譯是COS的上層軟件，它實現ISO7816-4的各種命令和CA命令。

    根據串口竊電IC卡讀寫器設計技術思想，IC卡讀寫器采用低功耗元器件（PIC16C73B低功耗單片機和74LV125A等），同時采用分離元件取代MAX系列的RS232接口電路，實現了無需外接電源的串口IC卡讀寫器。經實驗測試，整個電路功耗低于10mA，完全可以由串口提供電源。

    本項目實現的串口IC卡讀寫器完全符合ISO7816-1/2/3標準以及PC/SC規范；軟件實現采用分層結構，實現了T=0的字符傳輸協議。

    經實驗測試，讀寫器穩定可靠地實現IC卡復位應答、讀IC卡讀寫器件狀態字、讀一個隨機數據、讀取IC卡序列號以及選擇一個文件等操作；在計算機與IC卡之間，可以實現數據的透明傳輸。此IC卡子系統既可以工作在Linux平臺上，也可以工作在Windows系列平臺上。