一种多应用一卡通的数据访问机制

一种多应用一卡通的数据访问机制

随着微型电子技术和管理软件的发展，消除贫困的卡结算应用程序的发展和应用在各个领域都显著增加。例如，2004年，波兰公民卡。1信息资源管理智能卡的操作系统(CardOperatingSystem,COS)管理着卡上的信息资源,包括通信管理模块、安全管理模块、应用处理模块,文件管理模块。要解决逻辑攻击和非法读卡端访问模式下数据存储存的安全问题,首先要了解多应用智能卡的数据存储文件系统。智能卡的COS文件系统结构2许多应用智能机器人的系统和状态2.1多应用数据安全的安全机制多应用智能卡通过内置的安全系统实现对上述内部资源的安全保护,每个文件都有相互关联的的安全条件,包括请求相互的身份验证、密码验证等,总体包含3个部分:安全状态,安全属性和安全机制。1)安全状态智能卡有全球、应用特定、文件特有和命令特定4个安全状态,具体定义请参考规范ISO/IEC7816-4。2)安全属性文件系统的安全属性至关重要,安全属性定义哪些行为在什么条件下是被允许的,除一些特殊文件,一般文件的安全属性依赖于它的类别(DF或EF),被标注在可选的文件控制信息(FileControlInformation,FCI)文件中或父文件中。3)安全机制多应用智能卡中的安全机制包括:卡和应用PIN码验证、内部认证、外部认证。当访问命令的安全条件得到满足,COS提高到相应的安全状态,然后检查安全状态是否符合待访问文件的安全属性。例如,当持卡人进行某个应用操作时,就必须进行PIN码验证及内、外部认证的组合使用。2.2数据安全的保护虽然目前智能卡的安全机制可以保障信息安全,但对于无密钥证书保护的多应用智能卡,终端的安全得不到有效的保护,攻击者可能绕过多应用智能卡的安全机制,直接访问或者攻击卡内信息。例如,智能卡访问是由读卡终端管理,攻击者可以利用合法终端在独占模式下的逻辑缺陷,通过某种类型的变化进行攻击,如通过连续返回值变化测定访问命令,隐藏命令进程注入、内核注入等方式的非法信息的读写;智能卡在共享模式打开时,合法的程序中完成安全检查,同时,一个非法终端也对智能卡进行访问,就能绕过安全检查,敏感的信息可能会被读取、覆盖、或更换;合法行业终端在共享模式下,没有密钥的许可和消息来源验证,对其他业的数据进行跨界非法读取、删除或篡改等。为有效阻止上述安全隐患,本文基于椭圆曲线公私密钥算法,提出适合多应用智能卡的密钥证书读卡端认证和数据安全会话的保护机制。3隐私保护机制对于多行业终端设备访问的多应用智能卡数据保护,主要分为两个部分,前期为卡片出厂后多行业的发卡,包括密钥证书生成、DF目录创建、数据的写入加载等;后期是以密钥证书为基础,通过椭圆曲线算法实现行业访问卡内本行业目录数据的安全会话机制部分,包括公私钥加解密方式的行业特定标识与卡内对应目录DF的身份认证、会话密钥协商以及数字签名,和基于3DES算法的密文会话等安全措施。本节针对卡和卡内应用,研究基于椭圆曲线算法的密钥证书的算法原理、证书生成、初始安全加载等。3.1密钥证书的分类概述据前文分析和图1所示文件系统结构可知,在多应用智能卡中至少需要设计两级多个密钥证书。一级可证书是MF下的密钥证书,记作Cert3.2椭圆曲线算法多应用智能卡中的密钥证书,可由卡机构、应用机构或者第三方证书授权中心(CertificateAuthority,CA)生成。本文基于中国国家密码管理局2010年12月17日发布的椭圆曲线算法SM2定义在素域Fp(p是大于3的素数)的椭圆曲线方程E为式中:(x,y)为曲线的点坐标;a,b为Fp域上的元素;modp表示做模p运算。则椭圆曲线E(Fp)定义为Fp上的所有有理点P(x,y)与O(无穷远点)组成的集合根据上述定义以及SM2算法的安全规定,椭圆曲线E的参数为(p,a,b,P,n),其中p是一个大于2在椭圆曲线参数确定后,用随机数发生器产生整数d∈[1,n-1],通过基点P,计算点Q=(x同样,行业应用机构通过CA或者自己按照上述原理可生成Cert3.3密钥证书和数据的加载按照多应用智能卡证书分类和文件系统结构,CA签发的密钥证书和卡与行业应用数据的安全加载分为两个阶段:1)Cert初始加载后的多应用智能卡文件系统结构如图3所示。2)Cert3.4数据的个人化当卡发行机构和行业应用机构完成密钥证书数据文件的安全初始加载后,持卡人就可以在行业柜台完成个人数据的个人化,进行使用。其后,多应用智能卡各级目录下密钥证书的更新由相应机构来操作。如存在于MF下的Cert4基行业会话通道持卡人在进行行业业务应用过程时,终端设备与多应用智能卡进行会话,经过图4所示流程,按照规范ISO/IEC7816-4给卡片的加电、协商通信、选择行业应用标识符(ApplicationIdentifier,AID),启动行业应用程序,建立基行业会话通道。这时在前文密钥证书的基础上需要建立与对应的安全会话通道,包括基于SM2密钥证书的行业读卡端与卡的认证、密钥协商、DES密文会话和数字签名及验签等。4.1行业端卡检验行业读卡终端与卡的认证是通过卡内该行业应用程序调用对应证书中的固定内容验证来完成的。ID1)ECC加密过程:A使用B的E_PK(4)密文C是一个点对{C2)ECC解密过程:智能卡内该行业应用程序B使用自己的私钥E_SK(1)计算:C′=ID(2)根据ECC密钥对产生的原理:E_PK(3)则解密明文:C′=ID(4)智能卡内行业程序提取行业Cert使用相同方法,卡片可以逆向验证行业端卡是否合法。4.2会话密钥使用当双方身份鉴定合法,行业读卡端A与卡内行业应用程序B通过4.1节的加密方式,用各自的私钥和对方的公钥商定一个只有他们知道的会话密钥,用以业务密文会话使用。由前文确定的椭圆曲线参数可知,密钥协商过程如下:1)A执行(3)随机选取F(4)计算:T4)B收到(T(1)利用E_SK(2)计算:S=R(3)取_K=H(S,k由E_PK4.3读卡端des算法计算步骤为防止在共享模式下其他行业合法终端绕过身份验证的越界访问和数据传输的明文泄露,对行业读卡端发送卡片的命令或数据做数字签名设行业读卡端A待签名的发送消息为M,行业特定标识符为ID1)行业读卡端A产生签名(1)计算:_M=M||ID(2)计算哈希值:E=H(_M);(3)用随机发生器产生随机数k∈[1,n-1];(4)计算椭圆曲线点:G(x(5)计算:R=(E+x(6)计算:S=((1+S_SK2)读卡端DES算法以密钥_K产生的密文C=EK(_M+(R,S),_K),其中EK()为DES算法的加密函数,具体加密过程参考文献[11]。3)卡内行业应用B以_K解密的DES明文C′=_M′+(R,S)=DK(C,_K),其中DK()为DES算法的解密函数,具体解密过程参考文献[11]。4)卡内行业应用程序B接收的消息为M′,接收消息的签名为(R′,S′),则接收消息的验签过程为:(1)检验S′∈[1,n-1]与S′∈[1,n-1]两者是否成立,若有一个不成立则验签失败。(2)计算:_M′=ID(3)计算哈希值:E′=H(_M′)。(4)计算:T=(R′+S′)modn,若T=0,则验证不通过。(5)计算椭圆曲线点:G′(x(6)计算:_R=(E′+x当验签成功,则可确定行业读卡端A发送而来的命令或者数据来源合法有效,卡内程序B进行数据处理或者下一步操作;否则,反馈错误应答。4.4基于基于基于pan码的身份认证多应用智能卡中各行业应用可以设置不同或者相同的PIN码,通过PIN码验证,能够确认持卡人与卡的合法关系,但对终端设备访问卡内数据的安全性无关,因此本文不在赘述,其验证过程请参考资料5标准1:mcf下的ecc算法密码体制由前文章节可知,本文所设计的保护方法,前期阶段处于MF下的Cert另外,本方案中采用的ECC算法密码体制,与现有智能卡应用的RSA&DSA算法相比6使用ecc算法实现本文基于ECC算法的密钥证书对数据的保护方法,满足当前Java卡、类Java卡和Multos卡等多应用智能卡片的安全要求,可以效地消除所存在的逻辑攻击隐患。该方法主要保护卡发行机构、行业应用机构、持卡人与卡之间的信息进行安全交互,限制非法终端的攻击和合法终端的跨界非法访问。在软硬件实现方面,该方法中使用的ECC算法密码机制较其他算法机制具有运算速度快、易实现和成本低的优势,更适合容量和运算速度受限的多应用智能卡。