（信息与通信工程专业论文）基于智能卡的数字版权管理系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 2 0 0 5 年随着中国数字内容市场的快速发展，d r m 技术( 数字版权管理技术) 得到了广泛应用，已经初具市场规模。目前在d r m 领域应用最多的是流媒体的 d r m ，但从长远的角度看移动d r m 市场无疑是今后发展的热点与趋势。本文正是 在这样的背景下，研究了基于智能卡的数字版权管理系统的实现。 本项目是一个较复杂的系统，其中综合使用了以下技术：智能卡技术、加解 密技术、认证技术以及数字版权管理技术。在论文的写作过程中，作者首先分别 详细阐述了这4 种技术的原理，为本项目的实现奠定理论基础。其中，智能卡部分 描述了智能卡的体系结构，着重分析了智能卡的片内操作系统；在加密技术部分， 比较抽象地介绍了3 种加密算法：对称密钥算法、非对称密钥算法和哈希摘要算法； 在认证部分，作者在定义认证的基础上，着重介绍了本项目中使用的认证方式一密 码认证；在d r m 部分，分析了d r m 技术的原理。在本项目的实现过程中，智能卡 部分由其他项目组负责，作为底层驱动，向上层的应用模块提供服务。作者主要 负责在操作系统一级上实现功能比较简单的数字版权管理系统，其可以概括为两 大模块：加密模块与认证模块。加密模块建立在操作系统上，而认证模块需要调 用加密模块中的各种密码算法实现。 加密模块部分集成了对称密码算法d e s 与3 d e s ，非对称密码算法r s a 以及消 息摘要函数m d 5 。其中分组密码算法d e s 与3 d e s 采用了e c b 与c b c 的链接模式。 r s a 算法实现时采用了效率不错的蒙哥马利模乘算法。加密模块对外提供统一的 接口，上层通过相应的参数进行密码算法的特定调用。 建立在加密模块之上的认证模块可以概括为两大部分：用户身份识别和智能 卡物理设备与网络服务器的相互认证。其中，用户身份识别用于鉴别用户身份的 合法性；智能卡物理设备与网络服务器的相互认证用于智能卡物理设备与网络服 务器合法性的相互认证和鉴权。 本文在项目研究与实现的基础上，对r s a 密码算法硬件实现进行了一定的程 度的研究，提出了一些有待深入研究的若干问题。 关键字：加密算法、认证、数字版权管理、智能卡 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fc h i n a sd i g i t a lm a r k e ti n2 0 0 5 ，d r mt e c h n o l o g y ( d 唔t a lr i g h tm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y ) h a sa l r e a d yb e g u nt ot a k es h a p ea n db e e n w i d e l yu s e d n o w a d a y si nt h ed r mf i e l d ，d r mi ns t r e a mm e d i ai sm o s tu s e d b u ti n t h el o n gt e r m ，t h e r ei sn od o u b tt h a tr e m o t ed r mm a r k e tw i l lb et h ed e v e l o p m e n t h o t s p o ta n dt e n d e n c y t h i sp a p e ri ss t u d y i n gt h er e a l i z a t i o no f d r ms y s t e mb a s e do ni c c a r dj u s ta g a i n s ts u c hb a c k g r o u n d t h i sp r o j e c ti sam o r ec o m p l i c a t e ds y s t e m ，w h i c hi n c o r p o r a t e st h ef o l l o w i n g t e c h n o l o g i e s ：i cc a r dt e c h n o l o g y , e n c r y p t i o na n dd e e r y p t i o nt e c h n o l o g y , a u t h e n t i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dd r mt e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fw r i t i n gt h i sp a p e r , t h ew r i t e rf i r s t e l a b o r a t e st h ep r i n c i p l e so ft h ef o u rt e c h n o l o g i e sm e n t i o n e da b o v er e s p e c t i v e l y , w h i c h l a yt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no ft h i sp r o j e c t a m o n gt h e m ，t h ep a r to f i cc a r dd e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r eo fi cc a r d ，a n a l y z i n gt h eo p e r a t i n gs y s t e mo fi cc a r d c h i p t h ep a r to fe n c r y p t i o nt e c h n o l o g ya b s t r a c t l yi n t r o d u c e s t h r e ec r y p t o g r a p h i c a l g o r i t h m s ：s y m m e t r i ck e ya l g o r i t h m ，a s y m m e t r i ck e ya l g o r i t h m sa n dh a s hd i g e s t a l g o r i t h m i nt h ep a r to fa u t h e n t i c a t i o n ，t h ew r i t e rh i g h l i g h t st h ea u t h e n t i c a t i o nm e t h o d u s e di nt h i sp r o j e c t - p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o n 1 1 1t h el a s tp a r to fd r m ，i ta n a l y z e st h e p r i n c i p l e so fd r mt e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fi t sr e a l i z a t i o n ，t h ep a r to fl cc a r d ，a sa nu n d e r l y i n gd r i v e rt os e r v e u p p e ra p p l i c a t i o nm o d u l e s ，i si nt h ec h a r g eo fo t h e rp r o j e c tt e a m s t h ew r i t e ro ft h i s p a p e ri sp r i m a r i l yr e s p o n s i b l ef o rt h er e a l i z a t i o no fr e l a t i v e l ys i m p l ed r m o nt h el e v e l o fo p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a l ls u m m a r i z ea st w om o d u l e s ：e n e r y p t i n gm o d u l ea n d a u t h e n t i c a t i o nm o d u l e e n c r y p t i n gm o d u l ei sb a s e do nt h eo p e r a t i o ns y s t e m ，w h i l e a u t h e n t i c a t i o nm o d u l ec a nb er e a l i z e do n l yb yi n v o k i n gt h ec r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m si n e n e r y p t i n gm o d u l e e n c r y p t i o nm o d u l eh a si n t e g r a t e dt h es y m m e t r i cc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h md e sa n d 3 d e s ，a s y m m e t r i cc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h mr s a a n da b s t r a c tm e s s a g ef u n c t i o nm d 5 a m o n gt h e mt h eb l o c kc i p h e ra l g o r i t h md e sa n d3 d e sh a sa d o p t e de c ba n dc b c l i n km o d e ；r s ah a sa d o p t e de f f i c i e n tm o n t g o m e r ym o d u l a rm u l t i p l i c a t i o na l g o r i t h m i i a b s t r a c t a n de n e r y p t i n gm o d u l ep r o v i d e sau n i f i e di n t e r f a c ea n dt h eu p p e rl e v e li sr e a d yf o r s p e c i f i cc a l l so fc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h mt h r o u g hc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s a u t h e n t i c a t i o nm o d u l eb a s e do ne n c r y p t i n gm o d u l ec a l lb es u m m a r i z e da st w o p a r t s ：u s e ri d e n t i f i c a t i o n ，i c c a r d p h y s i c a l d e v i c ea n dn e t w o r ks 蹦c e rm u t u a l a u t h e n t i c a t i o n u s e ri d e n t i f i c a t i o ni su s e dt oi d e n f i 矽t h el e g i t i m a c yo ft h eu s e ri d e n f i 哆 a n di cc a r dp h y s i c a ld e v i c ea n dn e t w o r ks e r v e rm u t u a la u t h e n t i c a t i o ni sf o r t h em u t u a l a u t h e n t i c a t i o no fl cc a r dp h y s i c a ld e v i c ea n dn e t w o r ks e r v e rl e g i t i m a c y a tt h eb a s i so fp r o j e c ts t u d ya n dr e a l i z a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e ss o m ep r o b l e m s c o n c e r n i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fr s ac r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h mt os o m e e x t e n ta n da l s op r o p o s e sac e r t a i nn u m b e ro fp r o b l e m sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：e n c r y p t i o na l g o r i t h m ，a u t h e n t i c a t i o n ，d r m ，s m a r tc a r d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 坚垦蘧叠日期：岬年6 月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：p 寄趣哈 导师签名：枸义毙 日期：枷c 1 年6 月专日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着i n t e m e t 和数字化技术的快速发展，网上交易和传播的电子书、电子报纸、 音乐、电影、图片、游戏和软件等数字内容越来越多。然而，由于数字化内容很 容易被复制、修改和传播，网上传播的数字内容存在大量的盗版和侵权问题，使 数字内容拥有者的利益受到了损失，挫伤了他们使用互联网扩展业务的积极性。 因此，对数字内容的版权保护就显得越来越重要。 自2 0 0 0 年以来，d r m 技术越来越受到人们的重视，越来越多的数字内容通 过d r m 技术保护，实现了数字内容的增值服务，例如电子书通过d r m 系统，进 行网上销售，或者把电子书卖给有d r m 保护的数字图书馆，使出版社在出版纸书 的同时，通过电子书的销售获得更多的收益。d r m 技术给出版业带来的影响已经 越来越明显，在电子书、电子报纸、电子杂志等数字内容的销售方面，d r m 技术 已发挥出了重要的作用。 1 1 研究背景 数字版权管理( d i g i t a lf i g h t sm a n a g e m e n t ，d r m ) 【l 】是保护数字内容免受未经 授权的播放和复制的一种方法。它为内容提供者保护他们的私有视频、音乐或其 他免受非法复制和使用提供了一种手段。d r m 技术通过对数字内容进行加密和附 加使用规则对数字内容进行保护，其中，使用规则可以断定用户是否符合播放数 字内容的条件。使用规则一般可以防止内容被复制或者限制内容的播放次数。操 作系统和多媒体中间件负责强制实行这些规则。 需要保护的节目被加密，即使被用户下载保存，没有得到数字节目授权中心 的验证授权也无法播放，从而严密地保护了节目的版权。 1 1 1d r m 的现状 2 0 0 5 年随着中国数字内容市场的快速发展，d r m 技术得到了广泛应用，已经 初具市场规模，其中移动d r m t 2 1 市场更是获得了广泛的关注。根据( ( 2 0 0 7 年数字 版权管理( d i m ) 研究报告，2 0 0 5 年，移动d r m 厂商收入规模达到1 0 0 0 万元， 同比增长3 3 3 ，到2 0 0 6 年底到达2 5 0 0 万元，用户规模从2 0 0 5 年的7 5 0 万人增 电子科技大学硕士学位论文 长到2 0 0 6 年的1 9 0 0 万人。 目前在d r m 领域应用最多的是流媒体的d r m t 3 1 。流媒体业务目前在我国还 是处于概念宣传期和用户消费习惯培育期，没有形成大规模的商用，各运营商都 在2 0 0 4 年制定了各自的流媒体业务发展计划。中国电信、中国网通都在不同程度 上推出了视频点播、视频直播、在线音乐等流媒体业务。流媒体技术广泛用于互 联网多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、 远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网的信息服务的方方面面。i n t e m e t 的 迅猛发展和普及为流媒体业务的发展提供了强大的市场动力，流媒体业务正变得 日益流行。近几年来，基于宽带有线网络的流媒体技术应用获得了长足发展，基 于移动通信网络的流媒体技术也日益走向成熟。 目前市面用的较多的是基于微软技术的d r m 和海海软件的d r m 。微软的 d r m 目前已被一款叫f m r u s e 4 w r a 的软件所破解，虽然微软采取了一定的措施， 但是每次只要一出台，黑客也会马上升级f m r u s e 4 w m ，又能实现破解，因此微软 对该问题一直没有真正有效的解决方案。海海软件则凭借自身在d r m 领域数年的 研发经验，于2 0 0 7 年8 月成功推出了全新一代的d r m 系统xd r m ，有效解决了 微软d r m 的破解问题。 1 1 2d r m 的发展趋势 2 0 0 7 年7 月1 日正式实施的信息网络传播权保护条例为数字版权保护提 供了法律依据。自此，数字版权保护被提升到了一种新的高度。在将来，d r m 的 发展应该会有两个热点，其一是基于p 2 p 流媒体的d r m ，其二是移动d r m ，本 项目属于移动d r m 的范畴。 l 、p 2 p 流媒体的推出最早流行于校园网络，通过校园内部网络的架设服务器， 借助p 2 p 流媒体的技术，使得校园学生同时在网络上观看视频时可以相互共享流 资源，减少服务器压力，有效提高在线视频的流畅度。于是一夜之间，p 2 p 流媒 体就火爆开来，网络收看直播节目( 体育比赛、大型活动) 、收看影视剧、综艺节 目，为p 2 p 应用打开了个新的模式。随着p 2 p 流媒体的发展，基于p 2 p 流媒体 的d r m 也面临着良好的发展机遇。 2 、移动网络的增值服务越来越多，直接导致数字内容对d r m 的需求增加。 智能移动设备、3 g 等这些高科技产品与技术让人们的移动生活正日益丰富起来， 用手机看电子书、听音乐、玩游戏、看电影己不再是什么稀奇事。手机成了内容 2 第1 章绪论 增值的一个新平台，这对内容提供商来说，无疑是一件好事，但是，如何获得他 们的版权利益呢? d r m 引入移动增值业务就成为必需。2 0 0 6 年7 月，赛迪顾问发 布的中国移动d r m 市场现状及投资前景研究报告显示，2 0 0 5 年中国无线业 务中应用d r m 技术的用户达到7 5 0 万人，预计到2 0 1 0 年全国移动d r m 用户将 达到1 5 亿人，这对d r m 技术厂商来说是一个具备巨大发展潜力的市场。 1 2 研究方法与意义 1 2 1 研究方法 结构化方法【4 】和面向对象方法 5 】是两种主要的软件开发方法。结构化分析方法 ( s t r u c t u r e dm e t h o d ，结构化方法) 是强调开发方法的结构合理性以及所开发软件的 结构合理性的软件开发方法。结构是指系统内各个组成要素之间的相互联系、相 互作用的框架。结构化开发方法提出了一组提高软件结构合理性的准则，如分解 与抽象、模块独立性、信息隐蔽等。针对软件生存周期各个不同的阶段，它有结 构化分析( s a ) 、结构化设计( s d ) 和结构化程序设计( s p ) 等方法。 结构化分析方法给出一组帮助系统分析人员产生功能规约的原理与技术。它 一般利用图形表达用户需求，使用的手段主要有数据流图、数据字典、结构化语 言、判定表以及判定树等。 结构化分析的步骤如下：分析当前的情况，做出反映当前物理模型的d f d ； 推导出等价的逻辑模型的d f d ；设计新的逻辑系统，生成数据字典和基元描 述；建立人机接口，提出可供选择的目标系统物理模型的d f d ；确定各种方 案的成本和风险等级，据此对各种方案进行分析；选择一种方案：建立完整 的需求规约。 结构化设计方法给出一组帮助设计人员在模块层次上区分设计质量的原理与 技术。它通常与结构化分析方法衔接起来使用，以数据流图为基础得到软件的模 块结构。s d 方法尤其适用于变换型结构和事务型结构的目标系统。在设计过程中， 它从整个程序的结构出发，利用模块结构图表述程序模块之间的关系。结构化设 计的步骤如下：评审和细化数据流图；确定数据流图的类型；把数据流图 映射到软件模块结构，设计出模块结构的上层；基于数据流图逐步分解高层模 块，设计中下层模块；对模块结构进行优化，得到更为合理的软件结构；描 述模块接口。 3 电子科技大学硕士学位论文 本项目使用了结构化开发方法，采用了自顶而下的软件开发模式。需求由客 户提出。在此基础上，首先进行系统的总体分析与设计，根据功能划分出子模块， 然后分别实现并做单元测试。在各模块正确并且满足功能需求后，进行子模块的 集成，运行高一级的测试最后进行总体功能测试。 本项目是一个较复杂的系统，其中综合使用了以下技术：智能卡技术、加解 密技术、认证技术以及数字版权管理技术。在本项目的实现过程中，智能卡部分 由其他人员负责，作为底层驱动，向上层的应用模块提供服务。作者主要负责在 操作系统一级上实现功能比较简单的数字版权管理系统，其可以概括为两大模块： 加密模块与认证模块。加密模块建立在操作系统上，而认证模块需要调用加密模 块中的各种密码算法实现。在本文的第二部分，对项目涉及的4 种技术从原理上 做了详细的分析与研究，为本项目的研究与实现奠定了理论基础。本文的第三章 是对本项目的总体分析与概要设计，第四章是本项目的详细设计与实现。 1 2 2 研究意义 现如今，对于多媒体( 如音视频) 的发行，大多是采用光盘作为发行的介质， 然而光盘这种发行介质存在以下2 个无法克服的缺陷：首先，光盘盗版由于难度 较小，因此盗版现象日益猖獗，严重损害了内容提供商的利益与积极性；其次， 光盘只能一次性的作为发行介质，不能重复使用。因此笔者设想智能卡设备可以 作为光盘介质之外的另一个媒介。上述的智能卡设备，可以很好的克服光盘的第 二个缺陷，并且因为智能卡包含3 2 位的微控制器、s r a m 以及实时操作系统【6 j ， 它强大的组成使它拥有区别于普通光盘的智能化特征，在加上d r m 技术后，使多 媒体盗版变得异常困难，可以很好的保护内容提供商的利益。当内容提供商采用 智能卡发行音视频等数字资源时，所有的内容均被经过加密处理，当用户将智能 卡设备连接上p c 机时，首先必须进行用户身份认证，认证通过后，才可以使用智 能卡设备内的数字内容；并且用户也可以通过i n t e m e t 登入内容提供商或许可的服 务器网站进行数字内容的下载( 同样是加密后的) 。 智能卡设备内置大容量f l a s h 介质，由于这种存储介质价格低廉，它的使用已 为大众所接受，这使得采用这种智能卡设备作为发行介质成为可能。本项目中采 用的智能卡设备是由宰木木微电子( 中国) 有限公司设计研发的，我们将这个智能卡 设备称之为s s c ( 大容量智能卡) ，它采用了a r m 公司生产的a r m 7 t d m i 微处 理器，总线3 2 位，内置6 4 k b 的s r a m ，详细介绍请参考本文第二章。将d r m 4 第1 章绪论 技术与智能卡设备s s c 相结合，可以为多媒体的发行在光盘之外提供一种全新的 途径。 1 3 本文的工作与内容组织 1 3 1 研究内容 如前所述，随着互联网技术的迅猛发展，网上交易和传播的电子书、电子报 纸、音乐、电影、图片、游戏和软件等数字内容越来越多。由于数字内容易于拷 贝的特点，导致这些数字内容的盗版日益猖獗，对广大内容提供商的经济利益造 成了巨大的损失。因此，d r m 技术应运而生。 一方面，移动d r m 技术是d r m 技术未来发展的热点与趋势，同时，智能卡 设备作为现如今广泛使用的移动设备之一，他t r - 者的结合可以实现智能卡移动 设备的数字内容的版权保护。本项目不仅要向读者阐述一般的d r m 技术，更要向 读者朋友介绍在这种智能卡设备上实现的d r m 技术。 本文所实现的系统是一个涉及多种技术的较复杂的系统。因此在本文的写作 过程，即本项目的实现过程中，首先会向各位读者详细介绍本项目中将会使用的 技术，如加解密技术，认证技术，d r m 技术，智能卡技术等。在此基础上，便开 始了本项目的分析设计与实现。参考结构化设计方法的流程，本文首先对项目做 了总体分析与设计，根据各个功能将本项目划分为一系列子模块，然后逐一实现， 最后进行集成。 1 3 2 研究成果 本文在分析研究加解密技术，认证技术，d r m 技术，智能卡技术的基础上， 在智能卡设备上实现了数字版权管理系统。在本系统中，智能卡设备使用的是料木 微电子公司研发的大容量智能卡s s c ，其中内置a r m 处理器与6 4 k b 的s r a m 。 运行在s s c 上的是i t c o s i i 操作系统【7 1 。本项目是一个跨越硬件与软件的嵌入式 系统。在硬件开发部分，由专门的硬件研发人员负责；操作系统人员负责底层驱 动、内寸分配、资源管理等，以向上面的应用程序提供服务；在本项目的实现过 程中，笔者属于上层开发：首先在操作系统的基础上生成了加密模块，此加密模 块涵盖了对称秘钥算法d e s 、3 d e s ( 采用e c b 与c b c 的链接模式) ，非对称秘 钥算法r s a 以及消息摘要算法m d 5 。加密模块对外采用统一接口，根据参数调用 电子科技大学硕士学位论文 相应的加密函数进行密码运算。其次在加密模块与操作系统的基础上，笔者实现 了认证模块，此认证模块主要由二部分认证组成，即用户身份识别以及移动设备 与网络服务器端的双向认证。当用户将此智能卡设备连接p c 时，会自动弹出窗口 要求用户输入密码，进行身份合法性的鉴别。通过身份识别后，用户可以使用设 备上的内容。当用户需要从网络服务器下载数字内容时，卡端根据唯一的i d 与服 务器端的进行双向认证，一旦成功，便可以将服务器端的内容下载到卡端存放。 1 3 3 论文导读 本文其余的部分，按照如下的章节形式组织论文内容： 第2 章：对本项目涉及的四种技术从原理上进行介绍，为本项目的研究与实 现奠定理论基础。这些技术包括智能卡技术、加解密技术、认证技术与d r m 技术。 第3 章：本项目的总体分析与设计。根据功能将系统划分为一系列子模块， 并对模块做一定程度的分析。 第4 章：结合第3 章的分析，对划分出的子模块进行详细设计。给出数据结 构及流程图，并给出相应的函数接口，最后对实现的模块进行了测试。 6 第2 章项目涉及的相关理论技术 第2 章项目涉及的相关理论技术 在本项目中，综合应用了现如今比较成熟的多种技术，包括智能卡技术，加 解密技术，认证技术与数字版权保护技术。下面分4 节分别加以描述。 2 1 智能卡技术 在当今社会中，越来越多地使用着形形色色的“卡 ，如常见的乘车卡、饭堂 卡和电话卡等。对于这些卡，以其记录信息的方式不同可以分为光电卡、磁卡、 磁条卡、条码卡和i c 卡等。在上述各种卡中，i c 卡具有更高的数据安全性，因而 应用最为广泛，如金融财务、软件加密、社会保险、医疗卫生、商品零售、休闲 娱乐、管理等各种领域。 i c 卡是集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 的英文简称f8 1 。将一片专用集成电 路镶嵌于符合i s o i e c 7 8 1 6 标准的基片中，即制成一张i c 卡。当然也可以封装成 纽扣、钥匙牌和各种装饰物等特殊形状。 2 1 1i c 卡的发展历程 早在1 9 6 8 年，德国的j u r g e nd c t h l o f f 和h e l m u tg r o t r u p p 就提出了将集成电路 装入身份识别卡中的想法，并于同年获得了专利授权。1 9 6 9 年1 2 月，日本的 k u n i t a k aa r i m u r a 提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1 9 7 0 年获得专利授 权，当时被称为识别卡或i d 卡( i d e n t i f i c a t i o nc a r d ) 。然而，在当时，他们仅仅提 出把集成电路芯片加入卡中，并没有具体给出完整的应用方案。直至1 9 7 4 年，系 统地i c 卡运作方案才由法国的r o l a n dm o r e n o 提出，从而启动了i c 卡发展的进程。 1 9 7 5 年，法国的c i i h o n e y w d lb u l l 公司生产出第一张包含了集成电路芯片和相应 触点的i c 卡。1 9 7 7 年6 月，c h h o n e y w e l lb u l l 公司将4 kb i t s 的m o s 存储器引 入芯片，形成了存储型i c 卡的雏形。1 9 7 8 年，第一张采用s i e m e n ss i k a r t 集成 电路芯片的i c 卡身份识别及交易卡( i d e n t i f i c a t i o na n dt r a n s a c t i o nc a r d ) 诞生了。 1 9 7 8 年，四家法国银行向c h h o n e y w d lb u l l 公司提出了一份有关对存储型i c 卡 需求的简报，希望他们能够制造出符合尚武交易需求的i c 卡。1 9 8 0 年3 月，法国 的存储卡研究组织( m e m o r yc a r dg r o u p ) 正式成立。同年7 月，存储卡研究组织正 7 电子科技大学硕士学位论文 式接收c i i h o n e y w e l lb u l l 、f l o n i c s e h l u m b e r g e r 、p h i l i p s 三家公司为i c 卡制造商。 1 9 8 0 年1 1 月，第一张装有c p u 的i c 卡( c a r d i a cp a c e m a k e ri d e n t i t yc a r d ) 诞生， 卡中装有c p 8 微处理器，由c i i h o n e y w e l lb u l l 公司制造。1 9 8 4 年，法国的p t t ( p o s t s ，t e l e g r a p h sa n dt e l e p h o n e s ) 将i c 卡用于电话卡，由于i c 卡具有良好的 安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。 随后，国际标准化组织i s o 与国际电工技术委员会i e c 的联合技术委员会为 i c 卡及相关技术制定了一系列的国际标准和规范，极大地推动了i c 卡的发展进程。 当前，世界上生产i c 卡的企业主要有s i e m e n s 、a t m e l 、m o t o r o l a 、b u l l ( 法 国布尔公司) 、s c h l u m b e r g e r ( 法国斯伦贝谢公司) 、i s s i 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s ( 意 法半导体有限公司) 、s a m s u n g 、p h i l i p s 、t o s h i b a 、h i t a c h i 等公司。国内i c 卡及相 关产品的生产企业主要有上海复旦微电子股份有限公司、深圳市明华澳汉科技有 限公司、北京握奇智能科技有限公司、北京航天金卡电子工程公司、北京中电智 能卡公司、华旭金卡有限公司、北京华大集成电路设计中心、上海贝岭股份有限 公司、北京清华同方微电子有限公司、北京大唐微电子技术有限公司、上海华虹 集团有限公司、天津环球磁卡股份有限公司、深圳德诚信用卡制造有限公司等。 中国i c 卡产业起步虽晚，但发展迅速，通过引进先进的i c 卡封装生产线，在短 短的几年时间里，整体生产能力达到2 亿张左右。全国i c 卡应用装置的开发和系 统集成厂商也达到5 0 0 家左右。 金卡工程作为中国信息化建设的起步工程之一，于1 9 9 3 年启动实施。随着金 卡工程建设的不断深入发展，i c 卡的应用领域不断扩展，目前已经建立起一条完 整的i c 卡产业链，各类i c 卡、i c 卡读写机( 具) 等产品已占据了国内i c 卡市场 8 0 以上的份额，新兴的i c 卡产业已成为国民经济新的持续增长点。 在国内，2 0 0 0 年i c 卡发行量约为2 3 亿张，2 0 0 4 年约为3 3 亿张，2 0 0 5 年i c 卡市场需求量约为1 0 亿张。 2 1 2 智能卡 如果i c 卡中包含有c p u ，则成为智能卡【9 】。因为有了c p u ，则i c 卡中必须 有相应的程序支持，即i c 卡芯片操作系统( c h i po p e r a t i o ns y s t e m ，c o s ) 。所以， 智能卡中至少还要含有r o m 、r a m 和e e p r o m 等几个组成部分，用以支持c o s 的运行。 由于i c 卡中装有c p u ，使得i c 卡具有了更为强劲的功能。智能卡具有安全 8 第2 章项目涉及的相关理论技术 存储容量更大、安全性更高等优势。所以，智能卡多用于对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。智能卡芯片逻辑结构见图2 1 。 只读存储器随机存储器 电可擦可编程只读存储 器 图2 1 智能卡芯片逻辑结构 下面分别描述下各模块的具体功能： i o 接口：芯片与外界联系的唯一通道，也是芯片中标准化最高的模块。根据 芯片提供的交互界面的不同，i o 模块可以分为接触式与非接触式两种。 m p u ：微处理器( m i n ip r o c e s s o ru n i t ) 是i c 卡芯片的核心，在功能上类似于 p c 机上的c p u 。完成基本的指令运行、存储控制和逻辑控制等，早期芯片中的 m p u 没有运算功能，还需要算数协处理器的支持，目前这一协处理器已经成为了 芯片的基本配置，包含在m p u 模块中了。 c a u ：除了m p u 提供的基本运算之外，为了支持应用的安全，一些中高端的 芯片还提供一些常用算法的协处理器( c i p h e ra r i t h m e t i cu n i t ) ，例如奇偶校验、 d e s 、m a c 计算，非对称密钥的相关算法。c a u 在某些低端芯片中可能不存在。 r o m ：芯片内的只读存储区，c o s 代码和一些基本常数都存储在这里，在芯 片掩模阶段这些代码和数据一起写入，在使用阶段不能进行修改。 r a m ：类似于p c 上的内存，使卡片使用阶段的临时数据空间，在卡片每次 复位时自动清零，掉电以后数据也全部丢失，所以只能用来存储一些中间数据。 e e p r o m ：相当于p c 中的硬盘空间，是卡片c o s 和应用的数据区，在卡片 掉电以后能够保持数据。 在上述三种存储器内，r a m 的存取速度是最快的，r o m 只能读不能写， e e p r o m 可读可写，但是所需的时间较长，所以，在c o s 的设计中，需要高效充 分的利用r a m 资源，最大程度地减少e e p r o m 的读写操作。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 智能卡操作系统 之所以智能卡能够支持这么多复杂的应用，其便利和安全的基础便是卡内操 作系统c o s 。和传统的p c 软件系统相比较，c o s 在i c 系统中的地位类似于 w i n d o w s 、u n i x 这样的操作系统。从功能上来说，c o s 并不是一个完整意义的操 作系统，更类似于一个监控程序【1 0 】，它提供的主要功能包括以下几个部分： l 、i c 卡的上电复位 2 、芯片底层硬件的驱动 3 、卡片对外接口交互 4 、卡内内存空间的维护 5 、卡内文件系统的维护 6 、系统运行安全的控制 7 、命令的处理 8 、应用代码的执行 c o s 是面向应用的针对性开发，针对不同类型的应用，c o s 的功能也千差万 别。但是，从c o s 的总体结构分析，不同c o s 所包含的模块以及模块之间的连接 关系有很大的相似性。下图2 2 是一个典型的c o s 结构。 应用服务接口 系统调度 高级系统服务 基本系统服务 图2 2 典型片内操作系统c o s 结构 这样层次划分的主要原则是，将应用代码从c o s 主体中独立出来，提供统一 的接口进行管理；将和c o s 底层驱动相关的操作独立出来，便于上层代码的复用 与移植；整个系统通过监控的主流程进行统一的调度管理。层次与层次之间通过 服务的方式进行调用，内部实现透明化。 l o 第2 章项目涉及的相关理论技术 2 1 4s s c 芯片控制器 本项目中使用的芯片是由料木微电子( 中国) 有限公司研发的，其结构类似于 普通的芯片，s s c 芯片控制器( s s c p m 0 1 w 0 0 1 ) 【l l 】的主要属性包括： 1 、a r m 7 t d m i ( m a x 4 0 m h z ) 2 、3 2 b i ts y s t e mb u s 3 、2 5 6 k bu s e rp r o g r a mf l a s h 4 、6 4 k bu s e rd a t af l a s h 5 、6 4 k b0 一w a i rs t a t es r a m 6 、b o o t r o m 7 、i s 0 7 8 1 6i n t e r f a c e s s c 芯片控制器( s s c - p m 0 1 w 0 0 1 ) 的体系结构如下图2 3 所示： 厂3 2b i t 、厂d m a 、( 厂e x tm e m o r y x h i g hs p e e d lc p u e n g i n e c o n t r o l l e r i o 厂p e r i p h e r a l 、 3 2b i ts y s t e mb u s b u s ( ) 厂m e m o r y 、 n t r o 一e r ( 从m 卜 竺：竺h e r a l 、 m g 嬲卜 ( - 础卜 i t m o r y p r o t e c t i o nu n i s 0 7 8 1 6 ) ( a d v p o w e r 、厂s e c u r i t y 、 _ ( 洲删。)m a n a g e m e n t j je n g i n e 图2 3s s c 芯片控制器( s s c p m 0 1 w 0 0 1 ) 的体系结构 2 2 常用加密算法 随着计算机的广泛使用，尤其是i n t e r n e t 的出现与发展，信息安全受到越来越 多人的关注，象社会安全和经济安全等一样作为国家安全的重要组成部份，各国 政府都予以高度重视。 电子科技大学硕士学位论文 作为信息安全基础的密码学真正成为科学是在1 9 世纪末和2 0 世纪初期，特 别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了 空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策【l2 1 。随着社会的发展，在生活中 有越来越多使用密码的例子，密码学的应用已融入了日常生活。 密码学的英文单词c r y p t o g r a p h y 来源于词根c r y p t o ( 隐藏或秘密) 以及 g r a p h y ( 写) ，所以密码学是- - f o 用秘密方式写东西的艺术。一般来讲，人们通常认 为密码学是一种将信息表述为不可读的方式，并且有一种秘密方法可以将信息恢 复出来。密码学提供的最基础的服务就是使得通信者能够互相发送信息，并避免 其他人员读取信息的内容。 密码算法有三种函数：哈希函数，秘密密钥函数和公开密钥函数【l3 1 。公开密钥 函数使用两个密钥，秘密密钥函数使用一个密钥，而哈希函数不使用任何密钥。 密码算法的安全性包括保密性与可靠性。 2 2 1 对称密码算法 2 2 1 1 几种对称密码算法简述 对称密码算法又叫秘密密钥算法，它使用一个密钥。给定一个消息( 称为明文) 和一个密钥，加密产生不可读的数据( 称为密文) ，其长度和明文的长度大致相同。 而解密与加密相反，但使用的密钥和加密使用的密钥相同。对称密码算法的大致 原理如图2 4 所示： 图2 4 对称密码算法原理 常用的秘密密钥算法有d e s 、i d e a 及a e s 等。下面分别简要介绍。 数据加密标准( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ，d e s ) 是1 9 7 7 年由美国国家标准局发 布的，用于商业应用和非机密的政府应用。该算法是由m m 公司在其l u c i f e r 算法 1 2 第2 章项目涉及的相关理论技术 的基础上设计的，后被国家标准局所采用。d e s 算法使用5 6 b i t 的密钥，将6 4 b i t 的分组加密，输出6 4 b i t 的密文。其密钥看起来似乎是6 4 b i t ，但事实上每个8 b i t 字节中的一位被用于奇偶校验，所以事实上每个字节只包含7 b i