CPU卡應用方案和密碼管理技術(shù)

文章出處：http:// 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月08日

    本文以LEGIC的CPU卡應用方案——“卡中卡”為例，對CPU卡應用中的加密算法進行了綜合性介紹，指出基于通用加密方法的CPU系統(tǒng)的安全 性也存在一定的安全隱患。建議CPU卡應用時選用通過安全認證（GP，EAL+），最好是采用AES加密方法的CPU卡技術(shù)；在COS的選擇上，最好采用 具有通訊安全認證的系統(tǒng)，以及最好采用JAVA基礎的COS，如JCOP等。

    端到端的安全性

    在整個讀卡的過程中，LEGIC提供的CPU卡應用方案，不單從最前端的卡片上為數(shù)據(jù)保密，到最終把讀取的數(shù)據(jù)從讀卡器發(fā)出去的過程中，都有非常嚴密的保護。圖1是卡片到數(shù)據(jù)在空中的傳輸，到讀卡器收集數(shù)據(jù)，到讀卡器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€點對點的數(shù)據(jù)安全示意圖。 

圖1

    1、卡片內(nèi)的數(shù)據(jù)保護

    該CPU卡獨有的MTSC（主令牌系統(tǒng)）是一個密鑰管理系統(tǒng)。而每個令牌內(nèi)都存有一個密鑰基因。保護數(shù)據(jù)的密鑰是由密鑰基因加上卡 片的UID號，通過運算程式，在卡片初始化的過程中而產(chǎn)生的。所以卡片經(jīng)過初始化后，就建立了“一卡一密”和“一扇一密”來保護扇段內(nèi)的數(shù)據(jù)。采用的加密 方法，除了通用的DES、3DES、SHA-1之外，也有新的CPU卡應用中采用AES加密方法。由于系統(tǒng)提供的讀頭及CPU卡上應用程序，并支持在線更 新，安全保障有了保證。

    系統(tǒng)不單對卡片內(nèi)的數(shù)據(jù)作出保護，如應用需要的話，就連公開的序列號（UID）也可以進行加密保護。這樣就可保證UID的唯一性，也同時增強安全性。

    系統(tǒng)雖然應用了多樣化密鑰（DiversifyKey）的概念去保護卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，但每一種芯片卡的密鑰運算程式都不一樣。這對“黑 客”而言，破解一種芯片的密鑰運算方法，不代表同時把其他種類的芯片一起解破，實際上，他又要從頭開始。除了傳統(tǒng)高安全的邏輯加密技術(shù)之外，寫在CPU卡 內(nèi)的數(shù)據(jù)不單只靠COS的密鑰保護，同時也保護自己的數(shù)據(jù)，這樣不只更安全，而且不會和其他應用發(fā)生沖突，這也是CPU卡應用上的獨到之處。

    2、讀卡器和卡片之間的數(shù)據(jù)傳輸

    所有讀卡器和卡片在通訊開始時，都會通過一個鑒證程序來確保在讀卡器前面的卡片是不是一張真正的CPU卡片，而非“克隆卡”。這樣做的好處是，可以防止有人嘗試盜取空中傳輸數(shù)據(jù)的企圖。

    讀卡器和卡片之間的通訊是絕對不會把保護數(shù)據(jù)的密鑰在空中傳輸，這是為了確保密鑰的安全性。

    所有數(shù)據(jù)的傳輸都可選用自有的加密方法，也可以選用市場上通用的DES、3DES或AES（只在AFS4096上實現(xiàn)）的加密方法。這樣做的好處是，即使數(shù)據(jù)在傳輸中被盜取，也無法解開數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容。

    所有數(shù)據(jù)的傳輸都可以加驗證功能（CRCCheck），這樣也確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及可靠性。

    3、讀卡器的安全性

    CPU卡的讀卡器都有自動消除令牌功能，以配合讀卡器一經(jīng)非法打開，存儲的令牌將自動消除。這相對用PSAM卡儲存密鑰要安全得多。因為萬 一坐卡器或POS終端被盜，PSAM卡也會一起被盜?，F(xiàn)時的PSAM卡技術(shù)和對應的DES算法被廣泛應用，但它的安全性一直存在爭論。其一，DES作為 lucifer算法的改進版本，但卻從lucifer算法的密碼長度128位，變成了56位。56位的密碼應該不足以抵御窮舉攻擊。其二，DES內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中至關重要的S盒的設計標準是保密的，無法確信真是安全。而密碼相關信息存于芯片內(nèi)部，安全性更好。

    CPU卡的讀卡器需接受相關令牌的授權(quán)才可對相關的卡片作出讀寫操作，無需進行密碼的傳遞。授權(quán)卡是實物形式，可以授權(quán)及取回，從而減少管理風險。

    4、讀卡器到電腦通訊安全

    讀寫器到電腦之間的通訊，還可以采用鑒證及加密來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護。其實現(xiàn)與無線接口的三次認證類似，不再詳述。以上所有不同的安全功能，都在技術(shù)基層上增加了本身的復雜性，相對的也增加了技術(shù)本身的抗破解能力。

    密碼管理系統(tǒng)

    密碼管理一般包括密碼生成、密碼分散、密碼傳遞，下面的密碼管理是建設部的密碼管理的介紹。

    密鑰卡中新密鑰的產(chǎn)生主要有兩類方式：即直接在密鑰卡中產(chǎn)生新密鑰；在其它安全設備中產(chǎn)生新密鑰，然后裝載到密鑰卡中。產(chǎn)生新密鑰 的數(shù)據(jù)，可以是碼單、密鑰種子等形式。碼單實際上是密鑰種子的一種形式，它將種子數(shù)據(jù)分成幾部分，分別由不同的人控制，這樣可以提高系統(tǒng)的安全性。 

    不同的應用密鑰是根據(jù)加密算法進行分散運算取得的。經(jīng)過從種子數(shù)據(jù)、到應用主密鑰、地區(qū)分密鑰、卡分散密鑰等多層次逐級分散。 密鑰分散的目的，即使某個子密鑰泄露了，那也不會威脅管理主密鑰的安全，因為無法從子密鑰和分散數(shù)據(jù)推導出主密鑰，從而提高了系統(tǒng)的安全性，降低了安全風 險和管理成本。

    密碼傳輸過程中，用傳遞密碼來保護其安全性。

    從密碼管理系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)不難看出，其管理復雜程序是很大的，而且主要依靠人或制度來管理。還要使用專用的加密機。例如商密管理條例 規(guī)定，泄露商用密碼技術(shù)秘密、非法攻擊商用密碼或者利用商用密碼，從事危害國家的安全和利益的活動，情節(jié)嚴重，構(gòu)成犯罪的，依法追究刑事責任。

    密碼管理方法除了建設部用的加密機來管理密碼外，還有采用物理化的密碼管理方法。只要實物管理好令牌（實物卡），就能保護好系統(tǒng)的安全性。

    主令牌系統(tǒng)

    該CPU卡應用方案，對每個合作伙伴發(fā)出的令牌都是全世界唯一的。所以，從每一個令牌所產(chǎn)生的所有子令牌，也是全世界唯一的。每一 個令牌都可以生成256個子令牌，每個子令牌又可以生成256個子子令牌，依此類推，最多可生成12層深。這就是一個很大的主令牌系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所 示。 

圖2

    每一個子令牌可以編成3種不同功能的授權(quán)卡

    IAM卡：用作初始化授權(quán)卡（IAM+：可以限制發(fā)卡的數(shù)量）；

    SAM卡：用作初始化應用系統(tǒng)；

    GAM卡：通用授權(quán)卡，可生成下一級的子令牌。

    2、每一個生成出來的子令牌的權(quán)限都是可以控制的

    例如：這令牌能否再生成下一級的令牌；這令牌能否自我生成另一個同樣的子令牌，這樣整個令牌系統(tǒng)都在操控之中。

    而且初始化卡片的令牌（IAM）和初始化讀卡器的令牌（SAM）是分開兩個不同的令牌，這可實現(xiàn)更高安全性。

    卡中卡技術(shù)

    在現(xiàn)有市場上的大部分非接觸式技術(shù)，都是用邏輯加密技術(shù)，因絕大部份的非接卡本身不帶CPU，所以加密的程序還是不及接觸式的 CPU卡。而且，非接觸式的卡可以不停地被嘗試去讀和試，這是有利于黑客不停地去嘗試破解。雖然接觸式的CPU卡比較安全，而且內(nèi)存量要比邏輯加密卡要大 很多，但正常的損壞還是會發(fā)生。

    這樣，結(jié)合了CPU卡和非接觸式卡的雙界面卡，就產(chǎn)生了，如圖3所示。 

圖3

    因此，雙界面技術(shù)，結(jié)合了射頻技術(shù)和接觸式技術(shù)的優(yōu)勢——內(nèi)存大、靈活、非接觸式以及安全性極高。