智能卡基礎知識

文章出處：http://www.luckydriving.com 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2012年02月20日

    智能卡能在世界各地推廣，在不同系統中發(fā)揮她的作用，國際規(guī)范的制定是必不可少的。例如，智能卡的尺寸是由ISO7810標準規(guī)定的。ISO7816標準規(guī)定了卡用塑料的一些物理特性，包括溫差范圍、彈性、電子觸點的位置以及內置微芯片和外界進行信息交換的方式等。

    例如根據智能卡規(guī)范(ISO7816.1)，接觸式智能卡共有8個觸點，定義如下圖。智能卡正是通過這8個觸點與外界進行通信的。 觸點 定義 觸點 定義 C1 Vcc 供電電壓 C5 GND 接地 C2 RST 重置信號 C6 Vpp 編程電壓 C3 CLK 時鐘信號 C7 I/O 數據輸入/ 輸出 C4 保留 C8 保留

    其中ISO7816是接觸式卡智能卡必須遵循的國際規(guī)范。目前ISO7816已經陸續(xù)發(fā)布了9個部分:

    ISO7816-1：接觸式卡智能卡的物理特性 
    ISO7816-2：接觸式卡智能卡觸點的尺寸與位置 
    ISO7816-3：接觸式卡智能卡的電信號和傳輸協議 
    ISO7816-4：接觸式卡智能卡與外界交互的接口 
    ISO7816-5：接觸式卡智能卡應用的命名方式與注冊系統 
    ISO7816-6：接觸式卡智能卡與外界交互的數據對象 
    ISO7816-7：接觸式卡智能卡的結構化查詢語句 
    ISO7816-8：接觸式卡智能卡與安全有關的指令 
    ISO7816-9：接觸式卡智能卡附加指令與安全參數

    從ISO7816規(guī)范的發(fā)展，我們可以清楚地看到接觸式智能卡的從簡單到復雜慢慢完善的發(fā)展軌跡。ISO7816是研究接觸式智能卡的基礎，如果你對接觸式智能卡感興趣，那ISO7816可是必不可缺的資料。

    針對某些特殊的應用，如數字蜂窩式移動電話、信用卡（象Europay卡、Mastercard卡和 Visa卡）、電子錢夾（象Visacash、Multos與Proton）也制訂了一系列相應的標準。例如，在中國應用最多最廣泛的GSM系統中的SIM卡就得遵循GSM11.11, GSM11.14, GSM03.40等一系列規(guī)范。

    而我們這次討論的主題JAVA卡，她首先遵循ISO7816的規(guī)范,除此之外，她還遵循JAVA卡的一些規(guī)范：

    Java Card 2.1.1 Runtime Environment Specification 
    Java Card 2.1.1 Virtual Machine Specification 
    Java Card 2.1.1 Application Programming Interfaces Specification
    讀卡器與終端

    在討論讀卡器之前，我們先搞清“讀卡器”這一概念。廣義來講，“讀卡器”指所有可以對卡進行讀寫的設備。不過，在智能卡業(yè)，“讀卡器”是指那種必須與電腦相連，接受電腦發(fā)出相應指令來控制完成對卡的操作的設備。與“讀卡器”對應的設備，我們稱之為“終端”。“終端”是指那種能獨立對卡進行操作的設備，而無需電腦的幫助。讀卡器和終端都可以完成對智能卡的讀寫。

    由于讀卡器比終端更依賴于電腦，從而她比終端擁有更多的靈活性。最簡單的使用讀卡器的方式就是與PC相連。一般PC可以通過RS232串口，USB接口，PCMCIA接口，軟盤接口，并口，紅外線口等與讀卡器取得聯系。PC通過這些接口向讀卡器發(fā)出ISO指令，讀卡器收到指令后即對卡進行指令命令的讀寫，當卡完成這次讀寫操作后，回給讀卡器一個指令成功與否的相應，而讀卡器收到卡的相應后即告訴PC，PC這時根據相應的結果進行下一個ISO指令的操作。有關對智能卡的詳細操作指令，請參閱[智能卡的接口協議]。一般我們對智能卡進行編程，大多選用讀卡器來完成對卡的操作。

    一種最常見的終端就是商場和賓館中使用的POS機。她最大的特點：擁有自己的操作平臺和開發(fā)系統，能對卡進行獨立的讀寫，有Modem功能和打印交易功能。一般還有磁卡讀寫功能。

    智能卡的文件系統

    智能卡的文件系統有的象DOS的樹形文件系統。按ISO7816.4規(guī)定，智能卡的文件分為：DF(Dedicated File )和EF(Elementary File)。DF包含一些控制信息，它可以成為EF或DF的父文件。這有的象DOS中的目錄文件。EF是數據單位的集合，它不能成為任何文件的父文件。這有的象DOS中的TXT文件。

    一般而言，智能卡文件系統都有一個必須的根文件(ROOT)。它是DF文件。一般叫它MF(Master File主文件)。

    每個文件(包括DF和EF)都有一個文件的ID(兩個字節(jié))。如ROOT的ID一般為“3F00”。如要對文件進行讀寫操作，就必須先用“選擇”(Select)命令來選擇該文件的ID。

    EF的文件類型有：透明EF，線性定長EF，線性變長EF，循環(huán)EF。對后三種EF文件的操作需通過對它們所包含的記錄進行操作。如你有興趣希望進一步了解智能卡的文件結構，請參閱ISO7816。

    智能卡的接口協議

    一般而言，智能卡自身是沒有電源，顯示器，鍵盤，哪它是如何與外界進行通信的呢？在上面的文章中，我們已經知道：智能卡是通過它的8個觸點與讀卡器進行通信的。那它們是如何進行通信的呢？我們知道當兩臺PC進行通信時，進行數據交換時，它們必須服從一定的通信協議。卡與讀卡器的通信也是如此。根據ISO7816.4規(guī)定，智能卡與外界的通信數據接口為：APDU(Application Protocol DataUnits，應用協議數據單元)。APDU既制定了命令格式，也制定了響應格式。在卡的領域中，卡始終處在“主仆”關系中的“仆”的地位，即智能卡只能等待讀卡器或終端向它發(fā)送APDU，收到APDU后，智能卡執(zhí)行APDU中的命令，而后返回APDU響應。通過APDU命令和它的響應，卡就完成了與讀卡器或終端的通信。以下就是APDU的格式： Command APDU(APDU 命令) Mandatory Header(強制部分) Conditional Body(非強制部分) CLA INS P1 P2 Lc Data field Le“強制部分”表明這是APDU命令必須包括的部分，它包括： class (CLA)-, instruction (INS), and parameters 1 and 2 (P1 and P2). 每部分有一個字節(jié)。“非強制部分”表明并不是所有的APDU都有這些部分。

    其欄位所表示的意義分別為：

    CLA - Class Byte，用於識別applet 
    INS - Instruction Byte ，下達給applet之指令 
    P1 - 第一個指令參數 
    P2 - 第二個指令參數 (P1，P2 根據INS不同，也有不同的含義) 
    Lc - Data Field之長度 
    Data Field - 資料欄位 
    Le - 回傳資料之長度
    Response APDU (APDU 響應) Conditional Body(非強制部分) Mandatory Trailer(強制部分) Data field SW1 SW2
    其欄位所表示的意義分別為： 
    Data Field - return之資料欄位 
    SW1 - 執(zhí)行狀態(tài)參數1 (1 字節(jié)) 
    SW2 - 執(zhí)行狀態(tài)參數2 (1字節(jié))
    一般SW1 + SW2 =“9000”表明指令執(zhí)行成功。

    一個例子：

    如果我們要選擇(Select)SIM卡的ROOT文件，則APDU命令的格式如下： CLA INS P1 P2 Lc Data A0 A4 00 00 02 3F00 A0 代表這是SIM卡、A4代表這是Select指令、P1,P2在Select指令中沒有用、Lc說明Data的長度為2個字節(jié)、Data=3F00，是ROOT的文件ID而APDU響應為：9F1A，說明指令成功完成，而且你可以用Get Response命令得到1A長度的響應數據。關于對SIM卡的操作，請參考GSM11.11文檔。

    智能卡的安全性

    由于智能卡采用了不同的安全機理，這種安全機理主要體現在以下兩方面：其中用于微處理器卡的比用于只讀存儲器卡的要復雜一些。

    從卡上信息的讀取方面來控制：

    限制智能卡用戶的范圍

    有些智能卡，任何人都可以讀取卡上信息，象記錄病人姓名和血型的醫(yī)療卡，這種智能卡一般不設密碼，只要拿到卡的人都可以讀取卡上信息。 這時卡體本身就是一種保護。 
    對于只許持卡人讀取信息的智能卡通常采用一種叫PIN（個人識別碼）的密碼形式來保護卡上的信息，一般PIN由4至8位數字組成，通過鍵盤輸入讀卡器，它允許持卡人輸入三次密碼，如果三次輸的都不對，卡就會被鎖住，只有PIN碼對了，用戶才能對卡進行操作。當前也有一些更高級的密碼形式在開發(fā)研制之中。 
    對于只許第三方讀取信息的智能卡便只有發(fā)卡人才能讀取卡上信息。（譬如只有發(fā)卡行可以改寫電子錢夾上的信息）。這時這些智能卡由16-32位數字的密碼來保護。
    限制讀取智能卡信息的的方式（只讀、可添加、可修改或可擦寫）。存儲在智能卡上的信息一般被劃分為若干個部分： 
    只讀信息 
    只可添加的信息 
    只可更新的信息 
    無法讀取的信息 
    這樣有些密碼信息可以存儲在無法讀取的存儲區(qū)域中。

    從卡的結構和支持的加密算法來控制

    如上所述只有知道密碼的人才能使權使用智能卡，但如果需要通過無線電或電話線將卡上的信息向異地傳送，就還必須要有額外的防護手段。

    防護手段之一就是加密，這就好象把要傳送的信息翻譯成了誰也看不懂的外語。微處理器智能卡有加密和解密（把看不懂的東西再翻譯回來）的功能，使得在傳送存儲在卡上的信息的同時，也不用擔心會發(fā)生泄密。

    通過加密，智能卡可以把信息翻譯成數以億計的“外語”，并且在須要通信時，可以隨機地選擇其一。這種防范機制可以確保所用的卡和計算機都真實有效，使得幾乎沒有可能半路竊取傳送的信息。