IC卡系統的安全技術及IC卡消費系統應用實例

文章出處：http://hz-huyue.com 作者： 人氣： 發表時間：2012年03月11日

    摘要：討論了IC 卡及其應用系統的安全技術,從底層硬件、操作系統到上層應用軟件三個層次進行了分析。通過一個自動售貨機IC 卡消費系統的安全性設計方案著重說明了上層應用軟件的安全性設計。
    關鍵詞：IC 卡；安全技術；密鑰

    IC 卡是把具有存儲、加密及數據處理能力的芯片封裝于塑料基片中,形成了具有智能性又便于攜帶的卡片,作為電子信息的載體,近年來在金融、通信、交通及其它日常生活領域中都得到了廣泛的應用。

    IC 卡中通常保存了大量重要的信息,因此在IC 卡的使用中數據的保密性、安全性就顯得尤為重要。從系統工程的角度來看, IC 卡系統不單純是IC 卡與讀卡器之間的數據交換,還包含后臺主機系統、發卡系統等多個環節。除了IC 卡自身的高保密安全性,整個系統的設計都要考慮到如何保證高保密性、高可靠性。本文從IC 卡卡片、操作系統、應用系統幾個方面分別介紹了相關的安全技術,并介紹一個自動售貨機IC卡消費系統的安全技術設計方案。

    1 IC 卡及讀卡設備的安全性

    IC卡卡片自身的硬件結構提供了比磁條卡高出很多的安全可靠性,主要體現在芯片的技術和卡的制作工藝兩方面。IC卡的存儲芯片可分為ROM、OTP ROM、EPROM、EEPROM、邏輯加密存儲器等等,不同類型的存儲器在數據保存持久性、抗干擾能力、數據加密保護能力等方面都有所不同。在IC 卡的制造上也有許多安全保護的防偽方法,如:微線條技術、激光雕刻簽名、安全背景結構和熒光安全圖片等等。

    讀卡終端設備由于存在著受到信息被截取和復制、設備被仿造、終端設備誤操作等攻擊的可能性,因此在設計上需要保證較高的安全性。讀卡設備設計的關鍵是所選芯片的技術,目前有加密芯片、專用集成芯片、算法芯片等,可以不同程度地加強數據傳輸的可靠性和不可破譯性。

    2 IC 卡操作系統的安全性

    IC卡的操作系統是IC 卡卡片硬件與應用軟件之間的中間層,提供了對硬件的訪問、文件管理、安全機制等功能,實現了軟件與具體硬件配置的隔離,從而使軟件變得可移植,增強了卡的通用性。

    IC卡操作系統主要從文件管理、安全機制和指令集三個方面來保證安全性。

    2. 1 　文件管理

    一個好的操作系統在文件管理上應實現分層管理,對于公共數據、系統數據和專用數據要分別存儲和管理,對不同文件的訪問應設置不同的訪問權限,以實現必要數據共享的同時保證專用數據和系統數據的保密性。

    2. 2 　安全機制

    IC卡操作系統中的安全機制通常包含文件訪問權限、安全報文傳輸、防拔特性等。

    1) 文件訪問權限：文件訪問權限的設置禁止了對文件的非法訪問。這種權限的設置不僅存在于同一張卡中的不同應用上,也存在于同一個應用中不同的文件上。
    2) 安全報文傳輸：為了防止在IC 卡與讀卡設備的通訊過程中數據遭到惡意截獲和篡改,在一些關鍵數據的傳輸上要采用安全報文傳輸,主要采用加密和校驗手段,以保證傳輸數據的完整性和保密性。加密算法是保證數據安全可靠性的核心技術。
    3) 防拔特性：防拔功能是在IC 卡使用過程中遇到人為的拔卡破壞行為或掉電情況時能保存交易數據或恢復未完成的交易。具有防拔功能可以保護交易信息、減少用戶的損失,提高系統使用的可靠性。

    2. 3 　指令集

    IC卡操作系統指令集一般包括管理指令、交易指令和個人化指令。設計指令首先要符合IC 卡設計標準(如國際標準化組織制定的關于IC 卡特性、應用等的標準ISO7816、我國關于金融卡設計使用的標準《中國金融集成電路( IC) 卡規范》等) ,在此基礎上指令功能要清晰完善,并且指令越少越好。

    3 　應用系統的安全性

    IC 卡應用系統是以IC 卡和讀卡設備為基礎,包含主機、終端設備、發卡系統等多個部分的基于網絡的系統。應用系統自身的安全特性直接影響著整個系統的性能,其安全技術主要存在于兩個方面,一是密鑰的管理,一是應用系統網絡的安全性。

    3. 1 　密鑰的管理

    在IC 卡系統中,密鑰機制是保證IC 卡上的數據和IC 卡應用的保密性、可靠性的關鍵技術。通過密鑰才能夠在文件的訪問、數據的讀寫與傳輸等方面實現加密和權限控制,從而保證IC 卡在使用中的高可靠性。因此對于所有密鑰的管理要充分保證密鑰存儲、使用的安全可靠,避免密鑰被輕易竊取和越權使用。

    3. 2 　應用系統網絡的安全性

    IC 卡與終端設備、主機之間要不斷進行數據傳輸,網絡是普遍采用的傳輸手段。網絡上的各個節點,包括主機、發卡系統、終端設備等,以及節點間的互相通信都是可能受到攻擊的對象。所謂應用系統網絡的安全性不僅僅指實際的網絡傳輸系統的安全可靠,也包括網絡上各個節點自身運行的安全性。通常采取的措施包括:增強系統容錯能力、對各種異常情況的報警和故障后恢復能力;設置足夠的系統冗余和備份資源;主機和發卡系統與外界網絡之間建立防火墻等等。

    4 　自動售貨機IC 卡消費系統

    自動售貨機IC 卡消費系統是我們開發的一個IC 卡應用實例,以IC 卡代替傳統的硬幣和紙幣在自動售貨機上進行消費,所有符合中國人民銀行頒布的《中國金融集成電路( IC) 卡規范》的金融支付卡都可以在該系統上使用。因此該系統實現的基礎架構是銀行的金融卡發卡、使用、管理的整套系統。系統結構如圖1 所示,以銀行主機和中央數據庫為基礎,在自動售貨機上實現電子消費,并在售貨機與主機之間實現所有交易數據、指令的傳輸。應用程序存儲于自動售貨機的內部存儲器中,存儲器中還有一部分Flash Memory ,用于存儲所有需要保存的交易數據。

圖1 　自動售貨機IC 卡交易系統結構

    針對自動售貨機消費系統能夠提供方便快捷的消費這一特點,本系統中從系統結構、數據傳輸方法、文件管理、密鑰管理等方面設計并實現了消費應用的安全性設計,保證了IC 卡消費的方便、可靠。

    4. 1 　系統總體設計

    針對自動售貨機IC 卡消費系統的特點,本系統總體上采用脫機交易、脫機數據傳輸的工作方式。自動售貨機通常應用于商場、賓館、飯店等人流較多的地方,并且出售的均為小額商品,因此需要在硬件配置上方便簡單,用戶在購買商品時得到快捷方便的服務。總體設計充分滿足了這些需求,也保障了系統的安全性。

    4. 1. 1 　電子消費：采用電子錢包脫機交易方式實現消費功能。金融支付卡支持兩種消費方式,一種是使用電子存折進行聯機交易,交易數據直接通過網絡傳送到銀行主機;另一種是使用電子錢包進行脫機交易,定期將交易數據批量傳送到銀行主機。與聯機交易相比,脫機交易的交易過程不需要與主機進行通訊,時間短,速度快,方便用戶的使用。同時由于沒有對網絡的需求,為自動售貨機的放置提供了方便,也減少了因網絡傳輸易受到攻擊而帶來的不安全因素。

    4. 1. 2 　交易數據的上傳與主機指令回傳：使用了大容量管理卡以脫機方式在自動售貨機與銀行主機之間進行數據傳輸。由于采用了脫機交易方式,大量的交易數據都被保存在售貨機內,必須定時將這些數據上傳到銀行的主機,確保交易執行的完整性。脫機數據傳輸替代傳統的網絡傳輸,克服了網絡傳輸容易受到干擾、數據易被惡意截取或篡改等不足,提高了系統的安全性。

    管理卡的文件結構如圖2 所示。密鑰文件用于存儲IC卡身份認證、數據傳輸、校驗等所需要的密鑰。交易數據文件存儲從自動售貨機上下載的所有交易數據,這些數據定期下載并上傳至銀行主機。日志文件用于記錄數據下載及指令傳送的執行情況。銀行主機在處理交易數據后若有清除標識及掛失止付“黑名單”等指令數據可通過回傳指令文件存儲并傳送到自動售貨機上。交易數據文件和回傳指令文件都采用記錄文件格式,每一次交易的數據和每一條指令都作為一條記錄進行存儲。定期使用管理卡從自動售貨機上下載存儲的所有交易數據,將其轉儲到銀行主機,再根據需要從主機獲得有關清除標識、“黑名單”等指令,通過管理卡傳輸到自動售貨機上。

圖2 　管理卡的文件結構示意圖

    4. 2 　數據傳輸的設計與實現

圖3 　數據批量下載流程

    IC卡應用系統中最重要的部分就是數據的交互傳輸,在自動售貨機IC 卡消費系統中包括IC 卡(消費卡和管理卡) 與讀卡終端之間、讀卡終端與自動售貨機之間和管理卡與銀行主機間的數據傳輸。數據的安全可靠程度決定著整個系統的安全性能。為確保數據的保密性和安全性,數據傳輸分為兩個步驟:身份的互相認證和數據加密傳送,實現流程如圖3。

    ExternalAuthentication指令實現外部認證,確認讀卡設備的身份,保證只有合法的讀卡終端才能對其進行操作。
    InternalAuthentication 指令實現內部認證,確認IC 卡的身份,只有符合使用要求和權限的卡才能在自動售貨機上進行消費或下載交易數據。為實現雙重身份認證對管理卡上文件設置了相應的安全權限,必須在外部認證和內部認證通過的情況下才能進行其它操作。利用IC 卡操作系統提供的安全機制,為其所有文件設置訪問權限,當認證通過后將當前安全狀態寄存器設置為符合文件訪問權限的值,才能夠對文件進行訪問。

    具體實現舉例如下:

    1) IC 卡初始上電復位后安全寄存器狀態為0 ;
    2) 管理卡上訪問權限設置為5 ;
    3) 外部認證、內部認證順序執行,都通過后將安全寄存器設置為5。

    此時即可合法訪問文件。

    雙重身份認證的實現從消費終端和IC 卡兩方面減小了受到惡意攻擊的可能性,大大提高了系統安全性。

    身份認證通過后進行數據的傳輸。數據傳輸使用安全報文傳輸方式,先對數據進行加密,再對加密后的數據計算校驗數據MAC ,加密數據與MAC 一并傳輸。收到數據的一方對MAC 數據進行校驗檢查,校驗錯誤時發回錯誤信息,數據傳輸失敗。數據加密采用三重DES 算法,MAC 計算采用單DES加密算法。DES 算法是典型的對稱密鑰加密算法,通過非線性函數反復16 圈位移、置換和代替,以及對密鑰的置換移位等做法,實現數據的擴散與混亂,從而生成安全性很高的強密碼。三重DES 算法的使用更進一步加強了數據的保密性。

    4. 3 　密鑰管理

    所有的密鑰采用分類、分布存儲和管理的策略,將系統中的所有密鑰根據用途分為三類并分別存儲:

    1) 各個消費卡使用的密鑰:每張消費卡使用其中金融支付應用的交易子密鑰作為消費密鑰。保證一張卡上的所有金融消費都使用同一套密鑰,避免多余密鑰造成混亂。
    2) 各個管理卡使用的密鑰:管理卡在與自動售貨機和銀行主機通訊時都要首先進行身份認證,數據的傳輸過程為保證安全性也都采用了加密方式,因此每張管理卡都有自身的私有認證密鑰和傳輸密鑰。不同的管理卡私有密鑰獨立存儲,保證了管理卡上的數據不易被竊取,提高其安全可靠性。
    3) 用于所有卡身份認證和數據傳輸的公共密鑰。這些密鑰屬于不同消費卡或管理卡的共享密鑰,用于在對某一張消費卡或管理卡進行通信時派生對應的身份認證和傳輸子密鑰。將這些共享密鑰存儲在自動售貨機上的PSAM卡中而不存在每一張卡上,節省了各個卡的存儲空間,同時與每張卡上的子密鑰分離也降低了密鑰被竊取的可能性,增強可靠性。密鑰的分類存儲與管理增強了對密鑰自身的保護,有效抑制了通過竊取密鑰進行惡意破壞的可能性,從而加強了這個系統的安全可靠性。

    4. 4 　批量數據傳輸的完整性設計

    交易數據在售貨機內以記錄的方式存儲,每次交易形成一條記錄。下載時從售貨機中按存儲順序以記錄的方式逐條讀出交易數據,再以同樣的記錄格式寫入管理卡上的交易數據文件。為保證交易數據的安全完整,每一條記錄的讀取過程被設計為一個原子操作,并在數據從售貨機傳輸到管理卡的過程中設計了對存儲器存儲容量進行判斷的功能。每次讀取記錄前首先判斷管理卡的存儲空間是否夠用,如果不能繼續下載,則不再進行下載,其余數據仍保留在在自動售貨機內,留待下次下載。在每條記錄的下載過程中,如果出現斷電或其它意外則在售貨機上恢復此條記錄。管理卡在向主機上載數據時首先進行數據完整性的核查,若有不完整數據則將其清除。通過這些措施有效防止了數據的丟失和損壞。

    5 　總結

    IC卡系統的安全體系對于整個IC 卡系統的運行具有關鍵性的作用。在硬件、操作系統、應用系統都存在很多容易受到攻擊的環節,因此在設計中要充分考慮各個部分,采取相應的防范措施。本文介紹的自動售貨機IC 卡交易系統在應用系統端采用了脫機交易和交易數據脫機上傳,從總體設計、文件結構、數據傳輸、密鑰管理等多個方面實現了很好的安全性設計方案,保證了消費和數據管理的安全可靠性。

    參考文獻
    [1] 　王卓人,鄧晉均,劉宗祥. IC 卡的技術與應用[M] . 北京:電子工業出版社,1999.
    [2] 　中國金融標準化技術委員會. 中國金融集成電路( IC) 卡規范[M] . 北京:中國金融出版社,1998.

    作者簡介:李瑞鋒(1975 - ) ,女,黑龍江人,碩士研究生,主要研究方向:智能卡應用系統及其安全性; 　
    熊璋(1956 - ) ,男,湖北人,教授,博士生導師,主要研究方向:多媒體技術、分布式信息處理.