《IC卡技术及其应用 教学课件 ppt 作者 杨振野 IC卡技术及其应用chap04》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IC卡技术及其应用 教学课件 ppt 作者 杨振野 IC卡技术及其应用chap04（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、IC卡技术及其应用,杨振野 编著,中国科学院教材建设专家委员会教材建设立项项目 高等院校信息与电子技术类规划教材,第四章 CPU卡及其应用系统,4.1 CPU卡概述 4.2 AT90SC系列CPU卡 4.3 CPU卡操作系统 4.4 SIM卡 4.5 CPU卡的开发与应用,前言,CPU卡：IC卡中包含有CPU，也可称为智能卡或微处理器卡 IC卡芯片操作系统 ：chip operation system，COS 含有ROM、RAM和EEPROM,前言,CPU卡可以是接触式的，也可以是非接触式的，甚至双界面卡 与逻辑加密卡相比，CPU卡具有安全存储容量更大、安全性更高且密钥管理灵活等优势，特别在数
2、据安全方面具有了逻辑加密存储卡所不易实现的功能 用于对数据安全性有较高要求的系统，如金融、社会保险、电子签名、软件加密等,CPU 卡 概 述,CPU卡的构成 接触式CPU卡的引脚和通信协议符合ISO/IEC7816的规定 非接触式CPU卡的接口符合ISO/IEC14443所规定的TYPE A或TYPE B通信协议,CPU 卡 概 述,CPU卡硬件构成示意,CPU 卡 概 述,CPU卡的构成 有些CPU卡内自带随机数发生器，使得加密处理更为方便。 有些CPU卡内装有协处理器，用来专门处理加密、解密算法，这样不仅减轻了CPU的程序处理负担，同时也大大缩短了处理时间。,CPU 卡 概 述,CPU卡的
3、内核 有8bit、16bit和32bit 目前应用较多的仍为8bit单片机，但其有些指令可以处理16bit数据，如乘除指令 最新的CPU卡的内核中还嵌入了ARM/SC100内核,CPU 卡 概 述,CPU卡的Flash存储器 用来存储单片机程序，即COS。 EEPROM通常是存储数据，数据的输入与输出由单片机按照COS的设定来控制。,CPU 卡 概 述,常用CPU卡 CPU卡还没有真正意义的国产卡 制造CPU卡的厂商主要有Atmel公司、Hitachi公司、Motorola公司、Philips公司、Siemens公司和Thomson公司,CPU 卡 概 述,CPU卡的接口方法 非接触式CPU卡
4、的接口与一般的非接触式IC卡完全一样 接触式CPU卡的接口与前述的接触式IC卡接口方法基本一样，只是有些接触式CPU卡（特别是作为SIM卡使用时）还使用了C6引脚，并将其作为VPP（编程电压）,CPU 卡 概 述,（VPP）引脚的使用 1）通电过程：RST为低电平VCC通电VPP通电然后开始正常工作 2）断电过程：RST为低电平CLK为低电平VPP断电CLK为低电平VCC断电,AT90SC系列CPU卡,基本特征 集成了AVR微处理器（内含一个16bit定时器、分两级优先的5个中断源）、Flash程序存储器、EEPROM数据存储器、随机数发生器和符合ISO/IEC7816标准的通信接口电路 触点
5、安排符合ISO7816标准 有的型号还自带专门用于加密、解密的协处理器。,AT90SC系列CPU卡,基本特征 COS可以由用户自行下载。保证用户的COS源代码不会泄露出去，从而具有更高的安全性和灵活性。 是否可以重载Flash也可以由用户的COS来设置，实现了重复下载和一次性下载两种模式。,AT90SC系列CPU卡,安全防范特性 1）具有唯一的器件系列代码，可以用于防范IC卡的复制。 2）电压过低保护，当器件供电电压过低时自动产生安全防护中断，确保数据的完整性。,AT90SC系列CPU卡,安全防范特性 3）防追踪保护，当时钟（SCL）频率低于500kHz时，器件也会自动产生安全防护中断，这一功
6、能可以防范低频或静态追踪分析。因为同步记录并分析传送数据时，如果被记录或分析的数据变化越快对记录分析装置的要求就越高。,AT90SC系列CPU卡,安全防范特性 4）程序代码加密，防范COS的非法复制。 5）具有64bit的传输代码，可保护芯片在运输过程中不被盗用。,AT90SC系列CPU卡,两种节电工作方式 闲置模式：CPU停止工作，芯片上其他部分继续工作。在闲置状态下，电流大约是芯片处于完全工作状态时电流的15。 休眠模式：芯片上一切活动均被挂起，RAM中还保留数据。在休眠状态下，芯片的电流通常低于15，最低可达到0.6。,AT90SC系列CPU卡,主要技术参数 1）工作电压与具体型号有关，
7、分为4种：1.625.5 V（宽电压）；2.75.5 V（宽电压）；2.73.3 V（3V供电）；4.55.5 V（5V供电）。 2）静电防护：6kV。,AT90SC系列CPU卡,主要技术参数 3）Flash程序存储器改写次数不少于10 000。 4）EEPROM擦写次数不少于500 000。 5）数据保存时间不少于10年。,AT90SC系列CPU卡,AT90SC3232C型CPU卡的构成 AVR RISC（精简指令集）增强型结构 高性能的ALU（算术逻辑单元）可在一个时钟周期内完成取指令、运算和输出的工作 ALU的操作:：算术、逻辑和位操作功能,AT90SC系列CPU卡,AT90SC3232
8、C型CPU卡的构成 32个工作寄存器 6个寄存器可以被组成3对16bit的间接寻址指针X、Y、Z 哈佛结构，程序区和数据区分开 程序计数器（PC）16bit 访问64K的地址空间,AT90SC系列CPU卡,AT90SC3232C型CPU卡的构成 符合ISO/IEC7816的规定 8个触点： C1（VCC）、C2（RST）、C3（CLK）、C4（NC）、C5（GND）、C6（NC）、C7（I/O），C8（NC）,AT90SC系列CPU卡,AT90SC3232C型CPU卡的构成,AT90SC系列CPU卡,AT90SC3232C的协处理器和RAM 16bit的协处理器（SC16） 1KB的RAM 可
9、以方便快速地完成公共密钥和私有密钥的运算（如RSA）,CPU卡操作系统,芯片操作系统： COS（chip operation system） COS中所约定的命令，是用户的应用接口程序与CPU卡的交互界面，是实现按相关国际标准进行数据传输的基础 COS对数据所作的加密、解密处理对CPU卡中的数据起着安全防范作用 每种COS通常都有自己独特的安全体系，其安全性能是衡量一种COS的重要指标,CPU卡操作系统,COS的主要功能 控制CPU卡与外界的信息交换 COS最基本的要求 异步字符传输的 T0协议 异步分组传输的T=1协议 管理CPU卡内的存储器并在卡内部完成各种命令的处理,CPU卡操作系统,C
10、OS的体系结构 文件管理（FM，存储管理） 对EEPROM中的用户文件进行管理 除了安排存储区，它还要核实文件操作命令的权限并建立标志，以保证访问数据文件的快速性和安全性。 传输管理（TM，通信管理） 按通信协议的规定实现与外部的信息交换，并检查信息是否被正确地传送,CPU卡操作系统,COS的体系结构 安全管理（SM） 对所传送的信息进行安全性的检查或处理，防止非法窃听或侵入 包括对密码输入、存储、修改和核对的管理，以及密码算法的管理等 应用管理（AM，命令解释） 对所接收的操作命令进行解释，判断所接收的命令及参数是否正确，执行相应的操作并给出应答,CPU卡操作系统,COS的文件管理 文件系统
11、 文件结构 文件选择,CPU卡操作系统,文件系统,CPU卡操作系统,文件系统MF（master file） 主控文件，每张CPU卡中必须有一个且只能有一个MF，相当于整个文件系统的根目录。 MF包含了文件控制参数以及文件安全属性等信息。 是在CPU卡的个性化过程中首先被建立起来的，在卡的整个生命周期内一直存在并保持有效,CPU卡操作系统,文件系统DF（dedicated file） 专用文件，相当于目录文件 存储了某个应用的全部数据以及与应用操作相关的安全数据。 当访问某个专用文件下的文件时，受访问权限的限制。,CPU卡操作系统,文件系统DF（dedicated file） 其大小在被建立时确
12、定后不能再更改。 为了保证各个DF相互独立，只能从文件系统的MF层次选择一个DF，对DF下的数据进行的操作由各当前系统的状态机控制,CPU卡操作系统,文件系统 EF（elementary file） 基本文件 存在于MF或DF下，内容为数据或密钥 存储数据的EF又称为工作基本文件，在满足了一定的条件时可由外部读取或更改 工作基本文件四种存放形式：二进制形式、定长记录形式、变长记录形式、循环记录形式,CPU卡操作系统,文件系统 EF（elementary file） 安全基本文件或内部文件：存储密钥和个人识别码的文件称为，内容不可读出，只能在取得一定权限时对文件进行修改 CPU卡利用安全基本文件
13、进行安全管理，要在MF或DF建立后才能建立，在MF和每个DF下只能建立一个安全基本文件，但每个文件中的KEY和PIN码类型由用户指定,CPU卡操作系统,文件系统 EF（elementary file） 每个KEY（密钥）都可以定义不同的修改权限。 CPU卡中最为重要的存取方式还是随机存取方式，也就是卡的用户在得到授权后，可以直接访问文件中的某个数据单元或记录。,CPU卡操作系统,文件结构 文件头标 文件类型 访问权限 注册信息 文件体,CPU卡操作系统,文件结构 文件标识符，FID（file identifier），2B，用于标识文件的内容和作用。不同的文件可以有相同的FID，但在一个DF下的
14、两个不同的文件不能使用相同的FID 短文件标识符，Short FID，5bit二进制数，用于文件的隐含选择,CPU卡操作系统,文件结构 AID（application identifier，应用标识符，参见ISO/IEC78165），516B，由5B RID和011B PIX组成。 RID，5B，由国家或国际的注册管理机构分配，包含有国家代码、应用类别和应用编号。 PIX，011B，由系列号和版本号组成。,CPU卡操作系统,文件选择 MF的选择： 当CPU卡复位时，COS就固定选择了MF。当然，也可以从任何位置由指定FID（3F00）来选择MF。 DF的选择： 可以通过FID或其DF名来选择。
15、,CPU卡操作系统,文件选择 EF的选择： 当访问EF时，必须先选择相应的MF或DF。对显式文件，通过FID选择；对隐式文件，通过Short FID选择。,CPU卡操作系统,CPU卡从制造到应用三个阶段 在制造厂商完成CPU卡的制造后，CPU卡中的COS处于未初始化阶段 制造厂商封装完成后进行卡片初始化和检测，之后该卡处于未个性化阶段 将CPU卡交给发卡方（经销商）后，发卡方须正确地使用个性化密钥才能使CPU卡个性化，之后CPU卡处于个性化阶段,CPU卡操作系统,COS的安全体系 安全状态 安全属性 安全状态跳变机制 密码算法,CPU卡操作系统,安全状态 指CPU卡在当前所处的一种安全级别 两
16、个4bit寄存器用来指明CPU卡的安全状态 一个指示MF的安全状态，即整个CPU卡所处的安全级别 另一个指示当前应用的安全状态,CPU卡操作系统,安全状态 共16种，即0HFH中的某一种 CPU卡复位后，指示MF安全状态的寄存器变为0 应用目录的改变不影响MF安全状态，只有MF下的密钥校验或外部认证才能改变MF安全状态,CPU卡操作系统,安全状态 当前应用的安全状态复位后自动清0 只能用当前应用的口令核对或外部认证才能改变当前应用安全状态 如当前的目录为MF，则当前应用的安全状态等于MF的安全状态。,CPU卡操作系统,安全属性 对某个文件进行某种操作时必须达到的安全状态，又可称访问权限 访问权限是按安全状态取值区间来描述的 如果定义一种权限可自动获得，则定义该权限为0Y即可,CPU卡操作系统,安全状态跳变机制 COS通过校验存储密钥和外部认证两种方法来实现安全状态的转变，校验存储密钥只在DF下有效 安全状态不存在级别高低，同样的操作可定义为各种安全状态：可用一种改变手段实现从某一种安全状态到另一种安全状态的转变，既可以从0变
