多應(yīng)用安全智能卡結(jié)構(gòu)的研究

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年03月18日

    摘要：為克服現(xiàn)有的智能卡及其芯片操作系統(tǒng)所存在的安全缺陷,提出了一種支持一卡多用和用戶下載程序的新型安全智能卡結(jié)構(gòu),增加了硬件中斷、操作標(biāo)志,以及內(nèi)存地址比較寄存器、程序地址比較寄存器和數(shù)據(jù)地址比較寄存器,從硬件上為實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用的隔離、確保用戶程序和數(shù)據(jù)的安全提供了保證. 新型安全智能卡在CPU 中增加若干新指令,將操作模式分為系統(tǒng)模式和用戶模式,由特殊的狀態(tài)標(biāo)志位來決定是用戶模式還是系統(tǒng)模式,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模式和用戶模式間的相互轉(zhuǎn)換. 指令區(qū)分為普遍指令和特殊指令,只有系統(tǒng)程序可以使用特殊指令,并增加硬件中斷以防止用戶程序訪問地址比較寄存器范圍以外的地址空間. 最后給出了新型安全智能卡的應(yīng)用實(shí)例.
    關(guān)鍵詞： 智能卡；芯片操作系統(tǒng)；一卡多用

     一、引 言

    智能卡(Smart Card)是一種鑲嵌有單片機(jī)芯片的卡片。由于智能卡內(nèi)含CPU，硬件資源豐富，而且有芯片操作系統(tǒng)的支持，因而安全性高，它已成為一種重要的安全設(shè)備，特別是在電子商務(wù)、電子金融和電子政務(wù)迅速發(fā)展的今天，智能卡將作為身份憑證、電子錢包、電子存折和各種證書以及重要數(shù)據(jù)的載體，發(fā)揮越來越重要的作用。

    智能卡正朝著安全、高速、方便的方向迅速發(fā)展。隨著一卡多用以及用戶下載程序的需求不斷增加，現(xiàn)有的智能卡及其芯片操作系統(tǒng)就暴露出一些安全缺陷。它們或者不提供用戶下載功能，即給所有用戶提供固定不變的操作系統(tǒng)，或者允許用戶下載程序但只是試圖從軟件上實(shí)現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)及其程序的保護(hù)，例如對執(zhí)行下載用戶命令的用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，只有那些擁有某些秘密信息的用戶才能下載用戶命令。然而僅從軟件角度進(jìn)行安全保護(hù)是不夠的，仍然存在安全隱患。一方面攻擊者可能通過某種渠道獲得這些秘密信息，另一方面不能杜絕具有合法下載權(quán)限的用戶進(jìn)行惡意破壞。一旦用戶命令下載成功，則芯片操作系統(tǒng)就無法對這些下載的用戶命令進(jìn)行監(jiān)控，因?yàn)橄螺d的用戶命令和操作系統(tǒng)處于同一級別，用戶命令也用CPU的匯編指令來實(shí)現(xiàn)，只要是合法指令，CPU就會執(zhí)行。因?yàn)橹噶钍擒浖淖畹讓?，芯片操作系統(tǒng)也是建立在指令之上的。這樣為特定應(yīng)用下載的命令就可以對其他應(yīng)用的程序或數(shù)據(jù)進(jìn)行訪間。如果一個(gè)應(yīng)用下載的命令中含有對另一應(yīng)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改的指令，那么芯片操作系統(tǒng)是不能控制其指令的執(zhí)行的。

    為克服上述缺陷，本文提出了一種新型的安全智能卡結(jié)構(gòu)，它具有如下技術(shù)特點(diǎn):

    ·支持一卡多用，適應(yīng)面寬，便于攜帶管理。 
    ·支持用戶下載程序，使用靈活方便。 
    ·不同應(yīng)用程序由物理隔離保護(hù)，確保數(shù)據(jù)安全。 
    ·具有密碼協(xié)處理器，可大大提高密碼運(yùn)算速度。 
    ·具有 U SB接口，便于實(shí)現(xiàn)電子鑰匙功能和高速數(shù)據(jù)傳輸。 
    ·內(nèi)部具有看門狗電路，系統(tǒng)可靠性高。

    本文首先從軟硬件兩個(gè)方面論述一卡多用安全智能卡的結(jié)構(gòu)原理，以及實(shí)現(xiàn)對多個(gè)應(yīng)用區(qū)隔離的安全方案，即限制特定用戶命令的訪間范圍，真正達(dá)到對多個(gè)應(yīng)用區(qū)進(jìn)行保護(hù)的目的，然后討論這種新型安全智能卡的一種應(yīng)用實(shí)例。

    二、新型安全智能卡的硬件結(jié)構(gòu)

    新型安全智能卡首先從硬件上為實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用的隔離、確保用戶程序和數(shù)據(jù)的安全提供了支持，增加了硬件中斷、操作標(biāo)志，以及內(nèi)存地址比較寄存器、程序地址比較寄存器和數(shù)據(jù)地址比較寄存器。新型安全智能卡芯片由CPU、各種存儲器(RAM, ROM, EEP-ROM, Flash Memory),密碼協(xié)處理器、串行通信、地址隔離和中斷控制邏輯等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 新型安全智能卡的芯片結(jié)構(gòu)

    新型安全智能卡中的CPU主要由時(shí)鐘邏輯、中斷邏輯、定時(shí)器邏輯、串行通信、并行I/O、片選邏輯、總線接口、指令邏輯、算術(shù)邏輯、寄存器文件等部分組成，CPU可采用 8位或 16位，最好使用RISC技術(shù)和流水線技術(shù)以提高速度，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 新型安全智能卡的CPU結(jié)構(gòu)

    為了支持用戶下載程序、一卡多用，同時(shí)確保各用戶數(shù)據(jù)安全，必須對多個(gè)用戶區(qū)進(jìn)行隔離保護(hù)。通過地址隔離，把不同的應(yīng)用限制在不同的區(qū)域，從而確保數(shù)據(jù)的安全。在新型安全智能卡的CPU中增加了操作標(biāo)志和一個(gè)硬件中斷。操作標(biāo)志用以區(qū)分當(dāng)前操作模式是系統(tǒng)模式還是用戶模式，新增中斷用以在某應(yīng)用的用戶命令訪間系統(tǒng)或其他應(yīng)用的地址空間時(shí)通知芯片操作系統(tǒng)以終止該用戶命令的執(zhí)行。進(jìn)行存儲區(qū)之間隔離保護(hù)的方法之一是對相應(yīng)的存儲區(qū)域設(shè)立地址比較寄存器，分別有內(nèi)存地址上、下界地址寄存器，程序地址上、下界寄存器和數(shù)據(jù)地址上、下界寄存器。在用戶模式時(shí)，程序的訪問要受地址比較寄存器的限制，只有地址比較寄存器所限定的地址空間才可被訪問。當(dāng)處于某一區(qū)域的程序執(zhí)行時(shí)，其所訪間的存儲區(qū)地址都要與上、下界寄存器的值比較，如果不越界便可訪問，如果越界則不能訪問且產(chǎn)生硬件中斷，操作系統(tǒng)將終止程序的執(zhí)行，從而保證特定應(yīng)用下載的用戶命令只能訪問其自身的地址空間，而不能對系統(tǒng)或其他應(yīng)用的用戶命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)存儲區(qū)之間的隔離保護(hù)。而在系統(tǒng)模式時(shí)，程序的訪問不受任何限制，可以訪問整個(gè)地址空間。

    上、下界寄存器的值是軟件可設(shè)置的，由芯片操作系統(tǒng)對其進(jìn)行管理，靈活方便。而且每一類比較寄存器只需要一對上、下界寄存器就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用存儲區(qū)的隔離保護(hù)。

    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及與應(yīng)用，由于Internet所固有的開放性、無國界、自由性的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)安全尤其是網(wǎng)絡(luò)信息交互時(shí)出現(xiàn)的身份鑒別、電子簽名、數(shù)據(jù)加密等間題已經(jīng)成為人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。新型安全智能卡中設(shè)計(jì)了USB接口，以便于實(shí)現(xiàn)電子鑰匙(Electronic Key)功能和高速數(shù)據(jù)傳輸。

    在新型安全智能卡中，ROM空間用于存儲COs和一些固定數(shù)據(jù)。RAM空間用于存放中斷向量、系統(tǒng)棧以及中間數(shù)據(jù)等,EEPROM/Flash Memory用于存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)、用戶程序或用戶數(shù)據(jù)。

    為了確保數(shù)據(jù)安全，智能卡中必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名。數(shù)字簽名可通過公開密鑰密碼RSA和ECC來實(shí)現(xiàn)。無論是RSA還是ECC，其運(yùn)算都是極復(fù)雜的。完全依靠8位或16位CPU來軟件實(shí)現(xiàn)RSA和ECC，其速度將是很慢的。為了提高速度，必須采用硬件支持。因此，在智能卡中設(shè)計(jì)了密碼硬件協(xié)處理器，以適合智能卡的應(yīng)用。

    串行通信邏輯支持各種協(xié)議的智能卡通信。CPU提供一個(gè)全雙工雙向通信控制器，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 串行通信控制器結(jié)構(gòu)

    由于CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理，主要寄存器都是軟件可編程的，因此使得通信程序的編寫將變得十分容易。