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動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡文件系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

文章出處:http://m.overnightmodel.com 作者:中國(guó)一卡通網(wǎng) 收編   人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年10月08日

[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:本文根據(jù)ISO7816國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了智能卡文件類(lèi)型及組織結(jié)構(gòu)、文件訪問(wèn)及管理,同時(shí)詳細(xì)設(shè)計(jì)了文件系統(tǒng)中文件分配表和文件管理指令,使其可以滿足動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)應(yīng)用的需求。

    引言

    智能卡或稱(chēng) IC 卡,英文名稱(chēng)為SMART Card 或Integrated CircuitCard。它是由一個(gè)集成電路芯片嵌 于塑料基片中封裝而成??ㄖ械募呻娐钒ㄖ醒胩幚砥?CPU) ,閃存(EEPROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM) 等[1]。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡允許一張卡片上可以同時(shí)容納多個(gè)應(yīng)用,并且在 不同的場(chǎng)合使用不同的應(yīng)用,同時(shí)應(yīng)用本身還可以根據(jù)需要隨時(shí)下載到卡中或從卡中刪除。這給供卡 方、發(fā)卡方和持卡方都帶來(lái)了好處。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡將是智能卡未來(lái)發(fā)展的總趨勢(shì)。

    1 智能卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型

    1.1 文件的類(lèi)型及組織結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)遵守ISO/IEC 781* 標(biāo)準(zhǔn)所定義文件標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),可以支持專(zhuān)用文件(DF)和基本 文件(EF)兩種文件??▋?nèi)的文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)由下列專(zhuān)用文件的結(jié)構(gòu)化分級(jí)組成,在根處的DF 稱(chēng)為主文件(MF)。該MF 是必備的。其他DF 是任選的。定義兩種類(lèi)型的EF:1)內(nèi)部EF(KEF)。 存儲(chǔ)那些預(yù)期由卡解釋的數(shù)據(jù)。如密鑰。2)工作EF(WEF)。存儲(chǔ)那些預(yù)期不由卡解釋的數(shù)據(jù)。

    EF 結(jié)構(gòu)有以下幾種,1)透明結(jié)構(gòu)。指的是二進(jìn)制的或雜亂無(wú)章的結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō),一個(gè)透明文 件根本沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的文件可以通過(guò)使用偏移值進(jìn)行讀出和寫(xiě)入。READ BINARY 和 UPDATE BINARY 命令可用于這些方面。2)記錄結(jié)構(gòu)。是基于鏈接固定長(zhǎng)度的記錄文件結(jié)構(gòu),這種 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以自由存儲(chǔ),存取的最小單位是一個(gè)記錄。該操作系統(tǒng)支持線性定長(zhǎng)記錄結(jié)構(gòu),并且記 錄長(zhǎng)度必須為4 個(gè)字節(jié)的偶數(shù)倍數(shù),并且小于一頁(yè)大小,這樣就防止一條記錄跨頁(yè)存儲(chǔ)。

    文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。文件系統(tǒng)是一個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu),根目錄為MF。MF(主文件)是 特殊的文件,是文件系統(tǒng)的根,在卡片中唯一存在,相當(dāng)于DOS 的根目錄。EF(基本文件)建在DF 下,存儲(chǔ)應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)和管理信息。DF(專(zhuān)有文件)一般僅相當(dāng)于DOS 的子目錄,但主文件MF 的一個(gè)DF 則代表了一個(gè)應(yīng)用。MF 下和應(yīng)用的根DF 下都有一KEF,用于存儲(chǔ)密鑰或PIN。MF 下的 DF 中建立的EF 和DF 都只能由該應(yīng)用使用,其他應(yīng)用不能訪問(wèn)。

    智能卡中的目錄文件(MF 和DF)僅由文件頭標(biāo)組成,EF 文件是由文件頭標(biāo)和文件體兩部分組 成的。文件頭中包含文件的標(biāo)識(shí)、大小、訪問(wèn)權(quán)限和其他基本信息。文件頭的長(zhǎng)度是一定的。EF 的 文件體就是各種卡片應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)元。其大小是在文件創(chuàng)建時(shí)就確定的。

    1.2 文件訪問(wèn)以及文件管理

    所有EF 文件頭中都含有屬性字段,指明此文件的特殊信息。屬性字段占兩字節(jié),字段中的每一 比特位代表一種屬性。它們?cè)趧?chuàng)建時(shí)確定,不允許更改。目前只使用了前三個(gè)比特位,分別是:

    1)可刪除屬性。此屬性位為1 表示可以被刪除,0 表示不可被刪除。

    2)可寫(xiě)屬性。此屬性位為1 表示可以被修改,0 則表明此文件為只讀文件。

    3)可讀屬性。此屬性位為1 表明此文件可以被瀏覽,0 表示不可以被瀏覽。

    應(yīng)用要對(duì)文件訪問(wèn)需要達(dá)到一定的安全狀態(tài)。當(dāng)該應(yīng)用的進(jìn)程現(xiàn)有狀態(tài)滿足所需要狀態(tài),并且符 合和該文件的屬性要求時(shí),該進(jìn)程才能訪問(wèn)文件。當(dāng)前進(jìn)程的安全狀態(tài)是由其是否滿足當(dāng)前目錄文件 下的KEF 中的相應(yīng)密鑰決定的。在MF 下僅有DF(應(yīng)用目錄),沒(méi)有EF 文件,其KEF 則只含有創(chuàng) 建密鑰,讀密鑰,刪除密鑰。而一般的KEF 文件中含有四個(gè)密鑰,分別是讀密鑰,寫(xiě)密鑰, 創(chuàng)建密 鑰,刪除密鑰。

    為了方便文件管理,有一些典型變量要保存在 RAM 中,把這些變量封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體CMB, 放在進(jìn)程的PCB 中。一個(gè)CMB 塊包含如下變量:1)mfhead。此變量總指向最高層MF 文件頭地址。 2)mfsecurity。此變量表明MF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初始值在進(jìn)程建立時(shí)賦值。3)dfsecurity。此變量 表明現(xiàn)行選擇的DF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初值在進(jìn)程建立時(shí)賦值。4)currentdf、currentwef。這兩個(gè) 變量分別為當(dāng)前DF、當(dāng)前WEF 文件頭地址。在進(jìn)程時(shí)它們的值為NULL,在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中由 SELECT 命令顯式賦值。5)currentrecord_adr。此變量在當(dāng)前WEF 為記錄結(jié)構(gòu)時(shí)使用,它指向當(dāng)前使 用記錄號(hào), 如為透明文件,無(wú)效地址。在進(jìn)程建立或者重新選擇WEF 時(shí),其值被賦為0。由記錄結(jié)構(gòu) WEF 讀、寫(xiě)命令更改。6)currentef_kef。此變量為當(dāng)前DF 下KEF 文件頭地址。當(dāng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí),就 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)CMB 塊,其 currentdf 被賦為當(dāng)時(shí)正在訪問(wèn)的DF,安全狀態(tài)被賦為0。如果currentdf 為 0 時(shí),表示當(dāng)前的工作目錄為MF。

    1.3 EEPROM 的劃分

    該智能卡的EEPROM 大小為256K,其中分為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)(32K),應(yīng)用代碼去(160K),系統(tǒng)區(qū) (16K)以及交換區(qū)(48K)。

    應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)存放著應(yīng)用的配置數(shù)據(jù),并且都是以文件的形式存儲(chǔ)的。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的 EEPROM 是 以頁(yè)的形式動(dòng)態(tài)分配給各個(gè)應(yīng)用,每頁(yè)大小為32 字節(jié)。每個(gè)文件的頁(yè)地址信息由文件分配表詳細(xì)記 錄。應(yīng)用代碼區(qū)存放著應(yīng)用的運(yùn)行代碼。應(yīng)用代碼區(qū)分為40 塊,每塊大小為4K。塊和應(yīng)用是一一對(duì) 應(yīng)的關(guān)系,即每塊對(duì)映一個(gè)應(yīng)用。系統(tǒng)區(qū):存放操作系統(tǒng)的信息以及用于管理應(yīng)用及文件的一些系統(tǒng) 表:應(yīng)用使用表,文件分配表,文件打開(kāi)表,數(shù)據(jù)區(qū)使用表。文件打開(kāi)表是用來(lái)防止讀寫(xiě)沖突的,當(dāng) 某文件正在被改寫(xiě)時(shí),需要給該文件上鎖,等對(duì)該文件操作完成后再對(duì)該文件解鎖。

    數(shù)據(jù)區(qū)使用表記錄了應(yīng)用數(shù)據(jù)文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲(chǔ)情況,當(dāng)一個(gè)應(yīng)用要訪問(wèn)某一個(gè)數(shù)據(jù)文件時(shí),需要查看該表,檢查 該文件是否屬于該應(yīng)用,防止應(yīng)用篡改其他應(yīng)用的數(shù)據(jù)文件。操作系統(tǒng)的信息用超級(jí)塊記錄。交換區(qū) 就是當(dāng)內(nèi)存不足時(shí),使用交換區(qū)來(lái)擴(kuò)充內(nèi)存。

    2 文件系統(tǒng)

    2.1 文件分配表

    該操作系統(tǒng)中,文件系統(tǒng)僅設(shè)計(jì)到應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū),和應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)以及應(yīng)用代碼去無(wú)關(guān),所以文件系 統(tǒng)占32K 的EEPROM 空間。數(shù)據(jù)區(qū)是以頁(yè)的形式分配給文件的,每頁(yè)大小是32 字節(jié),共設(shè)有1024 頁(yè)。存儲(chǔ)在系統(tǒng)區(qū)的文件分配表占用1K 空間。分配表如圖2 所示:該表一共有1024 頁(yè)(用十六進(jìn)制 表示),第1 頁(yè)代表數(shù)據(jù)區(qū)的前32 個(gè)字節(jié),以后依次類(lèi)推。當(dāng)表項(xiàng)為FFFF,表示文件結(jié)束。當(dāng)記錄 為FFFE 時(shí),該頁(yè)可用。每頁(yè)的表項(xiàng)記錄該文件下一頁(yè)的頁(yè)碼。如圖所示。該文件占用的頁(yè)碼分別是 1,0xC,0xD,0x10,0x14。

    2.2 文件管理的指令

    1)SELECT FILE(選擇文件):建立文件成功后,才能進(jìn)行文件選擇,面向?qū)ο笪募芾硐到y(tǒng)要 求在文件被選中之后才可以進(jìn)行存取處理。文件選擇就是通知操作系統(tǒng)即將對(duì)哪個(gè)文件進(jìn)行訪問(wèn)。新 文件的成功選擇將導(dǎo)致前面的選擇無(wú)效。這就意味著在任何時(shí)候被選中的文件只有一個(gè)。該文件系統(tǒng) 的支持根據(jù)文件的FID 進(jìn)行文件的選擇。

    2)CREATE FILE(創(chuàng)建文件):該命令允許在智能卡中建立EF、KEF、DF。在執(zhí)行該命令之前, 必須先達(dá)到特定的安全狀態(tài)。在創(chuàng)建時(shí),判斷創(chuàng)建地址是否有效,即CMB 塊的相應(yīng)地址。同時(shí)創(chuàng)建 時(shí)會(huì)影響目錄樹(shù)的結(jié)構(gòu),可能需要修改其父親節(jié)點(diǎn)或者其兄弟節(jié)點(diǎn),因此要檢測(cè)所影響的結(jié)點(diǎn)是否可 以訪問(wèn),如果需要修改的節(jié)點(diǎn)不可被訪問(wèn),該命令則不能執(zhí)行。對(duì)于EF 和KEF,他們都擁有文件體, 則根據(jù)其大小具體分配。在申請(qǐng)頁(yè)面時(shí),一次把所需要的頁(yè)數(shù)全部分配給該文件,并且在文件分配表 里建立好映像。然后文件系統(tǒng)再根據(jù)文件分配表,把文件體寫(xiě)入EEPROM 中。

    3)DELETE FILE(刪除文件):是把指定的智能卡的文件從存儲(chǔ)器中刪除,其釋放的存儲(chǔ)空間由 操作系統(tǒng)收回。文件系統(tǒng)的文件是存儲(chǔ)在應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū),因此該命令的操作對(duì)象是數(shù)據(jù)區(qū)的文件,并不 涉及其他存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)。MF 為文件系統(tǒng)的根目錄,是不可被刪除的。

    KEF 為DF 中的密鑰文件, 僅刪除KEF 會(huì)對(duì)其上層DF 造成極大的安全隱患,因此不提供單純的刪除KEF 操作,把該操作是嵌 入在刪除DF。該命令分為兩類(lèi):刪除DF 和刪除EF。刪除DF 函數(shù)僅刪除沒(méi)有子DF 文件的DF 文件, 如果所刪除的DF 具有直接子DF 文件(可以有EF 文件),則DF 不能直接刪除,需要首先刪除子DF文件,然后再使用本函數(shù)刪除。該操作會(huì)影響其父親節(jié)點(diǎn)或兄弟節(jié)點(diǎn)以及子EF 節(jié)點(diǎn),所以刪除之前 需要查看文件打開(kāi)表,檢查這些文件是否可以訪問(wèn),如果有不可以訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn),則退出返回相應(yīng)的錯(cuò) 誤信息。

    當(dāng)然執(zhí)行該操作之前,必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)。刪除EF 時(shí),操作對(duì)象是CMB 塊中 的當(dāng)前工作文件EF,因此要?jiǎng)h除某EF 之前需要先選擇該文件。如果當(dāng)前工作文件地址無(wú)效,則返回 相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。當(dāng)然執(zhí)行該操作之前,必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)并且該EF 具有可刪除屬性。

    4)VERIFY 命令用來(lái)把傳送給智能卡的秘密對(duì)象和所存儲(chǔ)的基準(zhǔn)值相比較,根據(jù)比較結(jié)果,改 變CMB 塊中的安全狀態(tài)。該操作系統(tǒng)的密鑰存儲(chǔ)在密鑰文件KEF 中,位于MF 的KEF 被用來(lái)作為 智能卡中所有應(yīng)用通用的密鑰,如果是DF 的KEF,則它僅可用于在DF 內(nèi)的有關(guān)應(yīng)用,即應(yīng)用的專(zhuān) 用密鑰。

    該命令的操作對(duì)象默認(rèn)為CMB塊中指向的當(dāng)前所使用密鑰文件。一般的密鑰文件含有四個(gè)密鑰, 分別是:
    (1)瀏覽密鑰:滿足該密鑰后,可以讀該目錄下的所有EF 文件和子DF 頭標(biāo)。
    (2)更新密 鑰:滿足該密鑰后,可以在該目錄下的所有EF 文件中執(zhí)行更新操作。
    (3)刪除密鑰:滿足該密鑰后, 可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作。
    (4)創(chuàng)建操作:滿足該密鑰后,可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作。因此, verify 函數(shù)就是判斷其滿足相應(yīng)的密鑰,然后改變CMB 塊中的安全狀態(tài),使其可以執(zhí)行后需操作。

    對(duì)于每一個(gè)密鑰都有一個(gè)重試計(jì)數(shù)器。對(duì)于肯定的比較結(jié)果,它被賦予零,對(duì)于否定的比較結(jié)果, 它增量1。如果重試計(jì)數(shù)器達(dá)到對(duì)大值,則絕對(duì)沒(méi)有任何可能再進(jìn)行對(duì)密鑰的進(jìn)一步比較。為了保證 安全,先對(duì)計(jì)數(shù)器字段加一并寫(xiě)入到記錄中。然后比較讀出密鑰和輸入密鑰是否匹配。匹配則將0 寫(xiě) 入到記錄的計(jì)數(shù)器字段中,并將安全狀態(tài)設(shè)置為OK 結(jié)果狀態(tài)。否則將安全狀態(tài)設(shè)置為NOK 結(jié)果狀 態(tài),并返回允許嘗試的剩余次數(shù)或記錄被鎖。

    3 結(jié)論

    本文研究并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡文件系統(tǒng)。利用文件分配表為每個(gè)文件建立映像,利用 CMB 塊進(jìn)行文件管理,設(shè)置文件訪問(wèn)機(jī)制保證了每個(gè)應(yīng)用的讀寫(xiě)安全,最后詳細(xì)設(shè)計(jì)文件操作命令,使得 應(yīng)用可以對(duì)文件進(jìn)行建立,刪除等操作。 

本文關(guān)鍵詞:智能卡,集成電路,IC卡,芯片
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