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智能卡及其COS( Chip Operating System片內操作系統)概述

2019-07-10 17:11:00
諾塔斯智能科技
原創
8265
摘要:智能卡是由硬件和軟件兩部分構成,智能卡的硬件部分是集成電路,集成電路的外在形式是芯片,內部組成是各種功能的集成部件,包括CPU、RAM、EEPROM、ROM、等,不同的芯片,其硬件配置不同,功能也不同。智能卡的軟件部分是COS, COS是用戶的應用程序與卡的交互界面,是卡內各硬件部件的總調度師,是卡的安全衛士,是實現各相關國際標準的基礎。COS通常都有自己的安全體系,它的安全性能通常是衡量COS的重要技術指標。
IC卡也叫集成電路卡(Integrated Circuit Card),是將一個專用的集成電路芯片 鑲嵌于塑料基片中,封裝成卡。

根據嵌入芯片類型的不同,IC卡可分為不同類型,包括存儲卡、邏輯加密卡、智能卡等。不同的卡片造價不同,其功能也不同。

存儲器卡,卡內的集成電路是電擦除可編程只讀存儲器EEPROM,它僅有數據存儲功能,沒有數據處理能力;存儲卡本身不提供硬件加密功能,只能存儲通過系統加密過的數據,很容易被破解。

邏輯加密卡,卡內的集成電路包括加密邏輯電路和電擦除可編程只讀存儲器EEPROM,加密邏輯電路在一定程度上保護著卡和卡中數據的安全,但只是低層次的防護,無法防止惡意的攻擊。

CPU卡,只有帶微處理器的IC卡才是嚴格意義上的智能卡。卡內的集成電路包括中央處理器CPU、電擦除可編程只讀存儲器EEPROM、隨機存儲器RAM以及固化卡操作系統COS(Chip Operating System)的只讀存儲器ROM。智能卡相當于一臺沒有顯示器和鍵盤的微型 計算機。

智能卡最基本的用途可歸納為:身份認證、數據載體、支付工具。隨著技術的發展和應用的普及,智能卡的用途會更加廣闊,比如可作為一些設備的嵌入模塊,可作為一些場合的專用模塊等。

智能卡屬于信息安全產品,其特點是體積小,便于攜帶;安全性好,存儲的信息難以非法讀取。相對而言,軟磁盤同樣是信息載體,在便攜性方面體積大、易損壞且不說,在安全性方面就明顯不同了,別人拿到手很容易讀出其中的信息,甚至不拿到手的情況下也可通過網絡采取黑客等手段取得磁盤中的信息。而智能卡內存放的信息,只有通過COS的安全控制,才能夠讀出,有的信息甚至在任何時候都不允許讀出。

智能卡是由硬件和軟件兩部分構成,智能卡的硬件部分是集成電路,集成電路的外在形式是芯片,內部組成是各種功能的集成部件,包括CPU、RAM、EEPROM、ROM、等,不同的芯片,其硬件配置不同,功能也不同。智能卡的軟件部分是COS, COS是用戶的應用程序與卡的交互界面,是卡內各硬件部件的總調度師,是卡的安全衛士,是實現各相關國際標準的基礎。COS通常都有自己的安全體系,它的安全性能通常是衡量COS的重要技術指標。

COS的功能包括:傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋,這是內部機理。在外部使用來看就只是有觸點的智能卡。

COS的開發,首先的解決傳輸管理問題,即I/O問題,智能卡通過觸點(非接觸卡是通過場與讀寫設備交換數據的,遵循的國際標準是14443)和讀寫設備交換數據的,就是對國際標準ISO7816-3的實現。

然后是文件管理,對各種類型的文件都要有一種訪問機制,以存儲用戶數據,既要高效,又要安全。COS的安全體系,是COS中的重要部分,是以密碼算法為基礎的,通過密碼算法,控制用戶的權限,什么情況下允許外部對智能卡進行什么操作。命令解釋是對行業規范中的命令和智能卡專用命令的實現,一條命令有時是多種功能的綜合體,命令解釋部分要對命令作出解釋,根據權限滿足情況,控制各種功能的實現。

COS的評判,一方面是看功能實現情況,有沒有按照應用行業的標準或規范,實現規定的指令,在功能方面是否存在隱患。另一方面是看安全性,安全性是智能卡的重要方面,如果留有明顯的安全漏洞,則COS是失敗的。一個好的COS還要有較高的運行效率。

安全性是COS的關鍵環節,COS創建一種安全體系,把這種體系的控制權以安全的方式移交給客戶,不留任何后門,客戶將利用這種安全體系保護用戶數據。一旦移交安全控制權,COS的開發商也和別人一樣,對智能卡上的數據智能靠合法權限進行操作,別無其他辦法。那么COS開發的難點就是這種提供客戶使用的安全體系。如果有人能夠找到突破口,對智能卡內的數據進行非授權訪問,則COS是失敗的。

密碼技術應用,是智能卡領域必然提及的問題。密碼算法不是信息安全的全部,但絕對是信息安全的重要基礎之一,沒有安全的密碼算法,就絕不會有信息安全。運用密碼技術,可保護數據的機密性、完整性、可認證性、不可否認性。所謂密碼,就是利用一種算法,用特定的密鑰對叫做明文的用戶數據進行變形處理,這個變換的過程叫做加密,經加密的數據是不可識別的,稱為密文,只有在合法情況下,用特定的密鑰,以規定的算法對密文進行逆向變換,才可恢復出明文,逆變換的過程叫做解密。現代密碼學中,算法是公開的,需要保密的是密鑰。

機密性的意思是,信息以密碼的方式存儲和傳輸,未被授權者看不懂其中的任何內容。而得到合法授權者,必然擁有相應的密鑰,可以用密鑰經密碼運算得到信息明文。

完整性的意思是,密碼信息的各部分是相互關聯的,具有不可篡改的特點,這是通過密碼應用中的協議或校驗實現的。如果密碼信息被篡改,則解密驗證的過程中必然就會發現問題,就知道密文已經不可靠了。

可認證性是說,用戶接收的信息后,能夠確認信息來源。

不可否認性的意義在于,當發送者用某種密碼發送出一份信息后,就已經無法否認他曾經發出該信息。

密碼算法是多種多樣的,主要有兩大類密碼算法,一類是對稱密鑰密碼算法,如DES,IDEA,AES等,另一類是非對稱密碼算法,如RSA,DSA等。

智能卡的安全性,在于COS中對密碼算法的使用,比如持卡人在卡終端上使用卡片,為了保護業主和持卡人雙方的利益,應用系統中可設置雙向認證過程,終端方面要檢查卡片是否合法,卡片方面也要檢查終端是否合法,這種檢查過程叫做認證,在認證過程中就可以使用密碼算法。智能卡對終端的認證步驟可以是這樣的,智能卡把一組隨機數傳送給終端,同時保存這組隨機數,終端對隨機數進行加密,把密文傳送給智能卡,智能卡對密文進行解密,把得到的結果和保存的隨機數進行比較,若一致,就可認定終端是合法的,若不一致,就可認定終端是非法的。這里面的道理是,合法的終端是知道認證所用的密鑰的,這是應用系統約定好的,于是才可驗證一致,而非法的終端沒有得到授權,不知道認證密鑰,認證不會通過。

這里有一個原理,即密碼算法的單向性,已知算法、密鑰、明文,計算密文很容易。但是反過來計算就很難了,已知算法、明文、密文,是計算不出密鑰的。

智能卡的資源很有限,遠比不上PC機的處理能力,要在智能卡內部實現各種密碼算法和相關協議,需要細致的優化,否則運算效率太低或根本沒有可用性。

智能卡是如何生產的,由誰生產的?這可以從智能卡的生產過程中知道。

智能卡生產中的過程之一就是芯片制造,芯片制造是半導體廠家在集成電路生產線上通過特定的制造工藝進行大批量的芯片生產,生產出的是未定型的芯片。芯片的制造,意味著巨額資金的投入、尖端技術的應用、風險的承擔。

COS開發商從半導體廠家訂制智能卡芯片的過程,是把半導體廠商生產的芯片和COS開發商生產的COS結合起來的過程,這個過程叫做掩膜,是在半導體廠家完成的,就是把COS代碼批量燒進芯片中集成的ROM中。生產出來的是定型了的產品。所以在智能卡領域,半導體廠商是芯片的供應商,半導體廠商的直接用戶是COS開發商。半導體廠商提供的芯片是智能卡的硬件部分。而COS開發商是智能卡產品的供應商,提供給用戶的是智能卡產品。

智能卡供應商還要把定型了的芯片封裝成模塊,這個過程叫做模塊封裝,是在模塊封裝廠完成的。有的COS開發商有自己的模塊封裝廠,有的COS開發商要委托選定的模塊封裝廠進行模塊封裝。根據ISO7816標準,用于卡片產品的模塊有8個觸點。制卡是智能卡生產的又一個步驟,是按客戶的要求印制塑料基片,即卡基,然后把模塊鑲嵌到卡基上,制成智能卡,制卡是在卡廠完成的。之后還要進行卡片初始化,卡片初始化是設置卡片的基本參數及安裝卡片傳輸密鑰,這是根據客戶的需要進行的。

智能卡供應商的直接客戶是發卡機構、運營商或業主、系統集成商,他們集成自己的應用系統,形成一定規模的智能卡應用環境,向智能卡供應商定購智能卡,把智能卡做個人化處理,然后發放到持卡人手里,投入使用,智能卡的最終用戶是持卡人。

那么,誰來開發COS呢?

COS的研發是復雜的工程,非專業廠家無需自行開發COS,即使是大的智能卡用戶、系統集成商、芯片供應商,也是一樣。

原因在于:

COS屬于系統軟件,從開發到投放市場,需要長期的測試、修改完善過程,還得通過權威機構的認證;在我國,推出智能卡產品首先需要應用行業的測試認可,比如中石化的加油卡、銀行的金融卡等都有專門的行業標準,而且還需要國家密碼管理委員會辦公室的安全認證,被認可為定點生產或定點銷售的單位,才可進行智能卡的生產或銷售。

COS的體系結構和智能卡的安全性直接相關,在具有穩定的開發團隊和多年的經驗積累條件下,才能夠開發出合格的COS,其中包括各種攻擊和反攻擊的經驗積累以及抵抗攻擊的措施。

正式的智能卡產品必須是硬掩膜的,每種容量、每個版本都需要做掩膜,費用不菲。智能卡芯片技術的不斷發展要求COS也要不斷升級,不是專業開發商則難以跟蹤潮流。

智能卡行業是典型的規模型高科技產業,每年沒有數千萬張以上的銷量,開發COS得不償失。世界著名的半導體廠商一般都不推廣自己的COS,而是依靠COS開發商將其智能卡芯片推向市場。

因此目前,國內只有介入智能卡行業較早的專業開發商因為經驗積累豐富,產品成熟穩定,市場份額較大,才能在技術上達到國際先進水平,與國外的COS相抗衡。

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