CPU卡應(yīng)用方案和密碼管理技術(shù)

本文以LEGIC的CPU卡應(yīng)用方案——“卡中卡”為例，對(duì)CPU卡應(yīng)用中的加密算法進(jìn)行了綜合性介紹，指出基于通用加密方法的CPU系統(tǒng)的安全性也存在一定的安全隱患。建議CPU卡應(yīng)用時(shí)選用通過(guò)安全認(rèn)證(GP，EAL+)，最好是采用AES加密方法的CPU卡技術(shù);在COS的選擇上，最好采用具有通訊安全認(rèn)證的系統(tǒng)，以及最好采用JAVA基礎(chǔ)的COS，如JCOP等。

一、端到端的安全性

在整個(gè)讀卡的過(guò)程中，LEGIC提供的CPU卡應(yīng)用方案，不單從最前端的卡片上為數(shù)據(jù)保密，到最終把讀取的數(shù)據(jù)從讀卡器發(fā)出去的過(guò)程中，都有非常嚴(yán)密的保護(hù)。圖1是卡片到數(shù)據(jù)在空中的傳輸，到讀卡器收集數(shù)據(jù)，到讀卡器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)安全示意圖。

圖1

1、卡片內(nèi)的數(shù)據(jù)保護(hù)

該CPU卡獨(dú)有的MTSC(主令牌系統(tǒng))是一個(gè)密鑰管理系統(tǒng)。而每個(gè)令牌內(nèi)都存有一個(gè)密鑰基因。保護(hù)數(shù)據(jù)的密鑰是由密鑰基因加上卡片的UID號(hào)，通過(guò)運(yùn)算程式，在卡片初始化的過(guò)程中而產(chǎn)生的。所以卡片經(jīng)過(guò)初始化后，就建立了“一卡一密”和“一扇一密”來(lái)保護(hù)扇段內(nèi)的數(shù)據(jù)。采用的加密方法，除了通用的DES、3DES、SHA-1之外，也有新的CPU卡應(yīng)用中采用AES加密方法。由于系統(tǒng)提供的讀頭及CPU卡上應(yīng)用程序，并支持在線更新，安全保障有了保證。

系統(tǒng)不單對(duì)卡片內(nèi)的數(shù)據(jù)作出保護(hù)，如應(yīng)用需要的話，就連公開(kāi)的序列號(hào)(UID)也可以進(jìn)行加密保護(hù)。這樣就可保證UID的唯一性，也同時(shí)增強(qiáng)安全性。

系統(tǒng)雖然應(yīng)用了多樣化密鑰(DiversifyKey)的概念去保護(hù)卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，但每一種芯片卡的密鑰運(yùn)算程式都不一樣。這對(duì)“黑客”而言，破解一種芯片的密鑰運(yùn)算方法，不代表同時(shí)把其他種類的芯片一起解破，實(shí)際上，他又要從頭開(kāi)始。除了傳統(tǒng)高安全的邏輯加密技術(shù)之外，寫(xiě)在CPU卡內(nèi)的數(shù)據(jù)不單只靠COS的密鑰保護(hù)，同時(shí)也保護(hù)自己的數(shù)據(jù)，這樣不只更安全，而且不會(huì)和其他應(yīng)用發(fā)生沖突，這也是CPU卡應(yīng)用上的獨(dú)到之處。

2、讀卡器和卡片之間的數(shù)據(jù)傳輸

所有讀卡器和卡片在通訊開(kāi)始時(shí)，都會(huì)通過(guò)一個(gè)鑒證程序來(lái)確保在讀卡器前面的卡片是不是一張真正的CPU卡片，而非“克隆卡”。這樣做的好處是，可以防止有人嘗試盜取空中傳輸數(shù)據(jù)的企圖。

讀卡器和卡片之間的通訊是絕對(duì)不會(huì)把保護(hù)數(shù)據(jù)的密鑰在空中傳輸，這是為了確保密鑰的安全性。

所有數(shù)據(jù)的傳輸都可選用自有的加密方法，也可以選用市場(chǎng)上通用的DES、3DES或AES(只在AFS4096上實(shí)現(xiàn))的加密方法。這樣做的好處是，即使數(shù)據(jù)在傳輸中被盜取，也無(wú)法解開(kāi)數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容。

所有數(shù)據(jù)的傳輸都可以加驗(yàn)證功能(CRCCheck)，這樣也確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及可靠性。

3、讀卡器的安全性

CPU卡的讀卡器都有自動(dòng)消除令牌功能，以配合讀卡器一經(jīng)非法打開(kāi)，存儲(chǔ)的令牌將自動(dòng)消除。這相對(duì)用PSAM卡儲(chǔ)存密鑰要安全得多。因?yàn)槿f(wàn)一坐卡器或POS終端被盜，PSAM卡也會(huì)一起被盜。現(xiàn)時(shí)的PSAM卡技術(shù)和對(duì)應(yīng)的DES算法被廣泛應(yīng)用，但它的安全性一直存在爭(zhēng)論。其一，DES作為lucifer算法的改進(jìn)版本，但卻從lucifer算法的密碼長(zhǎng)度128位，變成了56位。56位的密碼應(yīng)該不足以抵御窮舉攻擊。其二，DES內(nèi)部結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的S盒的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是保密的，無(wú)法確信真是安全。而密碼相關(guān)信息存于芯片內(nèi)部，安全性更好。

CPU卡的讀卡器需接受相關(guān)令牌的授權(quán)才可對(duì)相關(guān)的卡片作出讀寫(xiě)操作，無(wú)需進(jìn)行密碼的傳遞。授權(quán)卡是實(shí)物形式，可以授權(quán)及取回，從而減少管理風(fēng)險(xiǎn)。

4、讀卡器到電腦通訊安全

讀寫(xiě)器到電腦之間的通訊，還可以采用鑒證及加密來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。其實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接口的三次認(rèn)證類似，不再詳述。以上所有不同的安全功能，都在技術(shù)基層上增加了本身的復(fù)雜性，相對(duì)的也增加了技術(shù)本身的抗破解能力。

二、密碼管理系統(tǒng)

密碼管理一般包括密碼生成、密碼分散、密碼傳遞，下面的密碼管理是建設(shè)部的密碼管理的介紹。

密鑰卡中新密鑰的產(chǎn)生主要有兩類方式：即直接在密鑰卡中產(chǎn)生新密鑰;在其它安全設(shè)備中產(chǎn)生新密鑰，然后裝載到密鑰卡中。產(chǎn)生新密鑰的數(shù)據(jù)，可以是碼單、密鑰種子等形式。碼單實(shí)際上是密鑰種子的一種形式，它將種子數(shù)據(jù)分成幾部分，分別由不同的人控制，這樣可以提高系統(tǒng)的安全性。

不同的應(yīng)用密鑰是根據(jù)加密算法進(jìn)行分散運(yùn)算取得的。經(jīng)過(guò)從種子數(shù)據(jù)、到應(yīng)用主密鑰、地區(qū)分密鑰、卡分散密鑰等多層次逐級(jí)分散。密鑰分散的目的，即使某個(gè)子密鑰泄露了，那也不會(huì)威脅管理主密鑰的安全，因?yàn)闊o(wú)法從子密鑰和分散數(shù)據(jù)推導(dǎo)出主密鑰，從而提高了系統(tǒng)的安全性，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和管理成本。

密碼傳輸過(guò)程中，用傳遞密碼來(lái)保護(hù)其安全性。

從密碼管理系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)不難看出，其管理復(fù)雜程序是很大的，而且主要依靠人或制度來(lái)管理。還要使用專用的加密機(jī)。例如商密管理?xiàng)l例規(guī)定，泄露商用密碼技術(shù)秘密、非法攻擊商用密碼或者利用商用密碼，從事危害國(guó)家的安全和利益的活動(dòng)，情節(jié)嚴(yán)重，構(gòu)成犯罪的，依法追究刑事責(zé)任。

密碼管理方法除了建設(shè)部用的加密機(jī)來(lái)管理密碼外，還有采用物理化的密碼管理方法。只要實(shí)物管理好令牌(實(shí)物卡)，就能保護(hù)好系統(tǒng)的安全性。

三、主令牌系統(tǒng)

該CPU卡應(yīng)用方案，對(duì)每個(gè)合作伙伴發(fā)出的令牌都是全世界唯一的。所以，從每一個(gè)令牌所產(chǎn)生的所有子令牌，也是全世界唯一的。每一個(gè)令牌都可以生成256個(gè)子令牌，每個(gè)子令牌又可以生成256個(gè)子子令牌，依此類推，最多可生成12層深。這就是一個(gè)很大的主令牌系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

·每一個(gè)子令牌可以編成3種不同功能的授權(quán)卡

·IAM卡：用作初始化授權(quán)卡(IAM+：可以限制發(fā)卡的數(shù)量);

·SAM卡：用作初始化應(yīng)用系統(tǒng);

·GAM卡：通用授權(quán)卡，可生成下一級(jí)的子令牌。

每一個(gè)生成出來(lái)的子令牌的權(quán)限都是可以控制的。

例如：這令牌能否再生成下一級(jí)的令牌;這令牌能否自我生成另一個(gè)同樣的子令牌，這樣整個(gè)令牌系統(tǒng)都在操控之中。

而且初始化卡片的令牌(IAM)和初始化讀卡器的令牌(SAM)是分開(kāi)兩個(gè)不同的令牌，這可實(shí)現(xiàn)更高安全性。

四、卡中卡技術(shù)

在現(xiàn)有市場(chǎng)上的大部分非接觸式技術(shù)，都是用邏輯加密技術(shù)，因絕大部份的非接卡本身不帶CPU，所以加密的程序還是不及接觸式的CPU卡。而且，非接觸式的卡可以不停地被嘗試去讀和試，這是有利于黑客不停地去嘗試破解。雖然接觸式的CPU卡比較安全，而且內(nèi)存量要比邏輯加密卡要大很多，但正常的損壞還是會(huì)發(fā)生。

這樣，結(jié)合了CPU卡和非接觸式卡的雙界面卡，就產(chǎn)生了，如圖3所示。

圖3

因此，雙界面技術(shù)，結(jié)合了射頻技術(shù)和接觸式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)——內(nèi)存大、靈活、非接觸式以及安全性極高。

CPU卡是當(dāng)今市場(chǎng)上較為安全的技術(shù)，CPU卡的安全性取決于CPU內(nèi)的COS(Chip/Card Operating System)。

該方案的卡中卡技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把該方案芯片內(nèi)的安全基制，以軟件的形式模擬灌入到CPU卡中。就好像在CPU卡的內(nèi)存內(nèi)，建立了一個(gè)數(shù)據(jù)保險(xiǎn)庫(kù)一樣。它不僅在雙界面卡的基本安全性上又增加了獨(dú)有的高安全的保護(hù)功能，而且還有非接觸式的靈活性。目前，該安全軟件是建立在JavaCOS上，包括Jcop版本2.2以上和GD的SmartCafé’Expert——目前世界上最安全及常用的COS。當(dāng)然，該安全軟件經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改就可灌進(jìn)不同的CPU卡和COS之上。另外，卡中卡方案還可以在第三方雙界面卡中通過(guò)“軟件”方法植入“LEGIC卡”的方案;如圖4所示。

圖4

五、方便實(shí)現(xiàn)“一卡通”

該方案中所有卡片均采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配技術(shù)，并采用獨(dú)有的密碼管理方法—主令牌管理MTSC，提供了一個(gè)包括卡片安全管理，讀寫(xiě)和密碼管理的一體解決方案。只要是該方案合作伙伴提供的讀寫(xiě)設(shè)備，都支持這個(gè)安全規(guī)則。從而保證了高安全性。

卡片內(nèi)存(在CPU卡中稱文件)具有如圖5所示動(dòng)態(tài)分配特征。

基于此，可以方便實(shí)現(xiàn)一卡通，也可分步實(shí)施。后面系統(tǒng)可以共享共用數(shù)據(jù)，并不影響已有系統(tǒng)的應(yīng)用。

卡中卡技術(shù)將CPU卡應(yīng)用的安全性與密碼管理技術(shù)結(jié)合起來(lái)了，定將會(huì)使CPU卡應(yīng)用推廣注入新的動(dòng)力。

六、CPU卡的COS與卡安全性

根據(jù)信息安全產(chǎn)品強(qiáng)制性認(rèn)證實(shí)施規(guī)則--智能卡COS產(chǎn)品要求，所有COS產(chǎn)品必須通過(guò)安全認(rèn)證才可商用。從而說(shuō)明，安全性對(duì)評(píng)價(jià)COS的重要性。國(guó)內(nèi)主要的COS有復(fù)旦FMCOS2.0、東信和平的東信COS3.0、捷德starChina、握奇TimeCOS等。

卡COS是基于通用安全加密方法，因此加密方法仍是卡片安全的基石。該方案卡中卡采用基于JAVA的JCOP或SmartCaféExpert，選用的COS均有GP認(rèn)證，它廣泛應(yīng)用于電子證照等安全要求最好的領(lǐng)域。

目前，國(guó)際上智能卡的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了高峰發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)智能卡的應(yīng)用也如火如荼。智能卡廣泛應(yīng)用于金融、社保、市民公交卡等各個(gè)方面。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CPU卡將成為應(yīng)用的重點(diǎn)，不要盲目認(rèn)為CPU卡有個(gè)COS就認(rèn)為安全性沒(méi)有問(wèn)題了，而是要根據(jù)實(shí)際情況，合理部署相應(yīng)COS及應(yīng)用。