住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡系統(tǒng)密鑰管理知識

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月01日

    第1章 密碼機(jī)在城市一卡通項目中的重要性

    隨著IC應(yīng)用的迅猛發(fā)展，IC卡已經(jīng)由原來的公交應(yīng)用逐漸拓展到小額消費(fèi)、自來水、燃?xì)狻⒐岬裙檬聵I(yè)繳費(fèi)、數(shù)字社區(qū)中門禁、停車場的管理等多應(yīng)用領(lǐng)域，各地單一的公交IC卡應(yīng)用發(fā)展成為城市一卡通已是必然趨勢。

    在城市一卡通項目中，由于應(yīng)用的不斷增加，原有數(shù)據(jù)驗證的方式已經(jīng)不能完全滿足快速發(fā)展的需要，如何快速且又準(zhǔn)確的判斷出交易的合法性，成為各城市一卡通運(yùn)營機(jī)構(gòu)較為頭痛的問題。密碼機(jī)的使用就可以解決這一問題，并將我們重新帶入了新的應(yīng)用領(lǐng)域，使城市一卡通項目提升了一個更高的安全級別。

    密碼機(jī)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

    1、交易驗證與卡片初始化

    相比于以前的采用交易驗證（TAC）主密鑰卡的方式，密碼機(jī)的引入優(yōu)勢在于：
    1) 支持多進(jìn)程連接，并發(fā)能力強(qiáng)，交易驗證速度快；
    2) 穩(wěn)定性高；
    3) 支持多重方式的交互，可移植性強(qiáng)；
    4) 密碼機(jī)管理方便，安全強(qiáng)度高。

    2、卡片充值

    相比以前的采用ISAM卡的方式，密碼機(jī)的引入優(yōu)勢在于：充值終端如未實現(xiàn)與密碼機(jī)的安全連接，將不能完成對卡片充值流程，安全強(qiáng)度高。但此模式對網(wǎng)絡(luò)的依賴度較高，不過在目前通訊方式飛速發(fā)展的情況下，此問題將被弱化。

    通過對密碼機(jī)引入后的優(yōu)勢分析，我們可以看到，雖然在城市一卡通的建設(shè)成本有所增加，但是在應(yīng)用中引入密碼機(jī)后，可以提升整個項目的安全性與穩(wěn)定性，工作效率也會得到很大提高。因此，在整個城市一卡通項目中使用密碼機(jī)是完全必要的，也是十分重要的。

    第2章 密鑰基本知識

    密碼：是通信雙方按約定的法則進(jìn)行信息特殊變換的一種重要保密手段。
    算法：是指完成一個任務(wù)準(zhǔn)確而完整的描述，在密碼學(xué)中就是進(jìn)行明密變換的法則。
    密鑰：控制加解密轉(zhuǎn)換操作的符號序列。
    密文：不可理解的文字或信號。
    明文：可理解的文字或信號。
    加解密：雙方按照約定的算法，根據(jù)密鑰（指示變換的參數(shù)）將變明文為密文，稱為加密變換；變密文為明文，稱為解密變換。

    第3章 密鑰管理系統(tǒng)

    密鑰是IC卡安全的保證，因此密鑰的安全管理是最基本也是最核心的功能。因此對密鑰的產(chǎn)生和傳輸兩個過程，要保證相當(dāng)高的安全性。

    從基本功能上來看，密鑰管理系統(tǒng)是比較簡單和清晰的，它的主要作用就是完成密鑰的產(chǎn)生和密鑰的傳遞這兩類功能。

    第4章 密鑰管理系統(tǒng)—密鑰傳輸

    在密鑰管理中，涉及最多的操作就是密鑰的傳遞。在多級的密鑰管理體系中，密鑰需要在各級之間進(jìn)行分散傳遞，最后傳遞到用戶卡中。在基于對稱密碼體系的安全系統(tǒng)中需要數(shù)據(jù)傳遞雙方擁有相同的加密密鑰，這樣才能保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。

    密鑰載體A由導(dǎo)出密鑰對被傳遞的工作密鑰進(jìn)行加密，并把密文送入密鑰載體B；在密鑰載體B，由導(dǎo)入密鑰對密文進(jìn)行解密，將明文的密鑰記錄存如工作密鑰區(qū)中。這樣能夠確保密鑰在傳遞過程中不被泄露。從密鑰載體A導(dǎo)出某個密鑰時所使用的導(dǎo)出密鑰必須和密鑰載體B導(dǎo)入該密鑰時所使用的導(dǎo)入密鑰相同。

    在密鑰管理中，最可能出現(xiàn)安全問題的環(huán)節(jié)就是建立密鑰之間的安全通道，以及新密鑰的生成，因為，這些操作都有可能將密鑰以某中形式的明文暴露出來。前面已經(jīng)我們討論過系統(tǒng)的安全性問題，我們的結(jié)論是不存在絕對安全的系統(tǒng)或策略，我們的目標(biāo)是將系統(tǒng)的安全漏洞限制在最小的范圍內(nèi)，并且使安全漏洞的風(fēng)險最低，維護(hù)系統(tǒng)安全的代價最小。根據(jù)這一基本出發(fā)點(diǎn)，在多級密鑰管理系統(tǒng)中需要對各級管理中心加強(qiáng)管理，這是比較容易做到的。實際上，在密鑰管理中還可以采用一些輔助的手段和方法來加強(qiáng)對系統(tǒng)的安全漏洞的保護(hù)。

    第5章 密鑰管理系統(tǒng)—密鑰生成

    在密鑰管理系統(tǒng)中，我們將專門用于密鑰管理的智能卡稱為密鑰卡。

    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(shè)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。

    直接在密鑰卡中產(chǎn)生新密鑰：這種方式比較簡單實用，它直接將碼單作為“生成密鑰”命令的輸入數(shù)據(jù)來完成該操作。

    在其它安全設(shè)備中產(chǎn)生新密鑰：在基于對稱密碼體系的密鑰管理系統(tǒng)中，只要安全設(shè)備和目標(biāo)密鑰卡中有相同的加密密鑰，就可以確保在密鑰的裝載過程中密鑰不被泄露。

    在產(chǎn)生新密鑰的過程中，最主要的安全問題是對原始生成數(shù)據(jù)的保護(hù)問題。可能采取的措施是將原始生成數(shù)據(jù)分成幾部分，分別由不同的人員來保管。原始生成數(shù)據(jù)的泄露會影響到整個系統(tǒng)的安全。
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    第6章 密鑰管理系統(tǒng)—密鑰分散

    不同的應(yīng)用密鑰是根據(jù)加密算法進(jìn)行分散運(yùn)算取得的。經(jīng)過從種子數(shù)據(jù)、到應(yīng)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(dǎo)出主密鑰，提高了系統(tǒng)的安全性、降低了安全風(fēng)險和管理成本。

    主密鑰：上一級管理中心的密鑰稱作主密鑰；
    子密鑰：由主密鑰經(jīng)過分散運(yùn)算生成的密鑰；
    密鑰分散：由主密鑰生成子密鑰的運(yùn)算過程；
    分散數(shù)據(jù)：用于密鑰分散的計算數(shù)據(jù)。

    第7章 建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu)

    建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)采用3DES加密算法，采用中心級密鑰系統(tǒng)、地方級密鑰管理中心二級管理體制，安全共享公共錢包消費(fèi)密鑰，應(yīng)用維護(hù)主密鑰，交易驗證（TAC）密鑰。

    安全體系結(jié)構(gòu)主要包括兩類密鑰：全國通用的消費(fèi)/維護(hù)主密鑰、發(fā)卡單位的充值/應(yīng)用密鑰。根據(jù)密鑰的用途，系統(tǒng)采用不同的處理策略。

    公共錢包消費(fèi)密鑰，應(yīng)用維護(hù)主密鑰，交易驗證（TAC）密鑰是整個系統(tǒng)的根密鑰，只能由中心級密鑰（建設(shè)部）管理系統(tǒng)產(chǎn)生和控制，并裝載到下發(fā)的PSAM卡中；充值和其他應(yīng)用密鑰由地方級密鑰管理中心利用中心級密鑰（建設(shè)部）管理系統(tǒng)下發(fā)的發(fā)卡母卡產(chǎn)生，并裝載到密鑰母卡或硬件加密機(jī)中。

    第8章 建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)

    建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)采用規(guī)范、可靠和統(tǒng)一的密鑰安全管理體系，使用城市公用事業(yè)IC卡安全認(rèn)證模塊和標(biāo)準(zhǔn)加密算法，能夠確保IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的安全、可靠和穩(wěn)定。

    建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)遵循統(tǒng)一生成、統(tǒng)一分發(fā)、統(tǒng)一管理的原則，由中央級密鑰管理系統(tǒng)和地方級密鑰管理系統(tǒng)組成。兩級密鑰系統(tǒng)基于不同的側(cè)重點(diǎn)分別產(chǎn)生不同用途的應(yīng)用密鑰，為城市公用事業(yè)IC卡應(yīng)用提供安全保障。

    建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計原則：
    密鑰管理系統(tǒng)遵循《建設(shè)事業(yè)集成電路（IC）卡應(yīng)用技 術(shù)》，方便各發(fā)卡單位自主發(fā)卡，實現(xiàn)讀卡機(jī)具共享；
    密鑰管理系統(tǒng)采用3DES加密算法，采用中心級密鑰（建設(shè)部）管理系統(tǒng)、城市密鑰管理中心（地方），實現(xiàn)公共主密鑰的安全共享；
    在充分保證密鑰安全性的基礎(chǔ)上，支持IC卡密鑰的生成、注入、導(dǎo)出、備份、恢復(fù)、更新、服務(wù)等功能，實現(xiàn)密鑰的安全管理；
    密鑰使用受到嚴(yán)格的權(quán)限控制，不同人員對不同密鑰的讀、寫、更新、使用等操作具有不同的權(quán)限；
    密鑰應(yīng)用服務(wù)以密鑰母卡和硬件加密機(jī)的形式提供。

    第9章 建設(shè)事業(yè)IC卡密鑰管理系統(tǒng)的安全機(jī)制

    1．地方級密鑰管理中心應(yīng)用密鑰的安全產(chǎn)生：在地方級密鑰管理中心，由四位主管人員分別輸入4位數(shù)字組成密鑰種子，通過3DES加密算法得到地方級密鑰管理中心的應(yīng)用主密鑰。而密鑰種子則以密鑰卡和密碼信封的形式由由地方發(fā)卡機(jī)構(gòu)安全保管。以備將來更新或恢復(fù)主密鑰時使用。
    2．以安全報文傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行密鑰傳遞：在密鑰管理系統(tǒng)中，密鑰的導(dǎo)入、導(dǎo)出要采用安全報文傳輸?shù)姆绞剑荑€卡中用于密鑰導(dǎo)入、導(dǎo)出的密鑰，以提高密鑰傳遞的安全性。
    3．密鑰母卡和密鑰母卡傳輸卡配合使用：密鑰母卡由密鑰母卡傳輸卡保護(hù)，在使用密鑰母卡前，必須用傳輸卡對密鑰母卡進(jìn)行認(rèn)證，只有認(rèn)證成功后，密鑰母卡才能被正常使用，這也是保證密鑰系統(tǒng)安全性十分重要的因素。
    4．不同應(yīng)用的密鑰存放在密鑰母卡不同的專用文件目錄下：密鑰母卡中針對不同的應(yīng)用，將建立不同的專用文件目錄(DF)，不同應(yīng)用的密鑰以安全報文的形式保存在相應(yīng)的文件目錄下，每一個文件目錄下都有自己的導(dǎo)入、導(dǎo)出密鑰，即不同應(yīng)用的主密鑰的導(dǎo)入、導(dǎo)出密鑰也可以不相同。
    5．通過限制密鑰的用途來控制密鑰的使用：密鑰導(dǎo)入到母卡時，要設(shè)置密鑰的用途，即設(shè)置主密鑰只能用于分散，或只能用于導(dǎo)出，或即可以分散也可以導(dǎo)出，密鑰系統(tǒng)以此來限制密鑰的使用，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。
    6．PSAM卡發(fā)卡：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心對所有的PSAM卡進(jìn)行統(tǒng)一洗卡和發(fā)卡，并將消費(fèi)主密鑰裝載到PSAM卡中。
    7．密鑰存儲和備份：密鑰管理系統(tǒng)中密鑰的采用密鑰卡或硬件加密機(jī)的形式存儲，而采用密鑰卡和密碼信封的形式進(jìn)行密鑰備份。

    第10章 城市公用事業(yè)專用安全認(rèn)證卡

    能夠提供必要的安全機(jī)制以防止外界對終端所儲存或處理的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行非法攻擊的硬件加密模塊。

    安全認(rèn)證卡的硬件設(shè)計應(yīng)能夠保證在物理上限制對其內(nèi)部存儲的敏感數(shù)據(jù)的認(rèn)證與竊取，以及對安全存取模塊的非授權(quán)使用和修改。一旦安全存取模塊受到非法的篡改及攻擊，其自身應(yīng)能夠立即完成對內(nèi)部敏感數(shù)據(jù)的有效保護(hù)，要實現(xiàn)這些目標(biāo)，安全存取模塊應(yīng)具有防竊等相應(yīng)機(jī)制。

    安全認(rèn)證卡的構(gòu)造應(yīng)滿足下列要求：
    即使通過特別的工具或?qū)Ｓ脟?yán)重破壞的方法，也不能對模塊的硬件或軟件進(jìn)行增加、替換或修改；
    任何對敏感數(shù)據(jù)的訪問或修改，只有通過對模塊的授權(quán)才能達(dá)到；
    安全存取模塊的任何部分的損壞或失效都不會導(dǎo)致敏感數(shù)據(jù)的泄露；
    如果安全存取模塊是由多個分離的部分組合而成，而處理的數(shù)據(jù)又應(yīng)在這些部件之間傳遞，那么各部件須保持相同的安全級別。

    安全認(rèn)證卡的邏輯安全要求 ：
    在使用過程中，主密鑰需要修改，則應(yīng)使用安全報文。而要實現(xiàn)這一過程通常應(yīng)在特殊的授權(quán)情況下完成，對外部不能存在任何取得密鑰的機(jī)會；
    為避免偽操作，存放在安全存取模塊中的不同類型的主密鑰應(yīng)與不同特定的應(yīng)用操作相結(jié)合；
    安全存取模塊的邏輯設(shè)計應(yīng)保證，調(diào)用任何單一功能或組合功能，都不會導(dǎo)致敏感數(shù)據(jù)的泄露。對于某些敏感數(shù)據(jù)操作，應(yīng)有一定的權(quán)限限制；
    安全存取模塊中可以存放多組不同版本不同索引的主密鑰。所有的主密鑰通常應(yīng)在終端機(jī)使用之前被下裝到安全存取模塊中；
    所有脫機(jī)交易相關(guān)的主密鑰和敏感數(shù)據(jù)應(yīng)存儲在安全存取模塊中；
    安全存取模塊應(yīng)可以實現(xiàn)對稱密鑰算法。

    安全認(rèn)證卡的種類 ：
    PSAM（Purchase Secure Access Module）卡：由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心發(fā)行的可以用于對IC卡進(jìn)行脫機(jī)消費(fèi)交易認(rèn)證的安全認(rèn)證卡，安裝在各類消費(fèi)類IC卡終端中。
    ESAM（Embedded Secure Access Module）：由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心發(fā)行的可以用于對IC卡進(jìn)行脫機(jī)消費(fèi)交易認(rèn)證的嵌入式安全認(rèn)證模塊，安裝在各類表具類IC卡終端中。
    ISAM（Input Secure Access Module）卡：由城市的城市公用事業(yè)IC卡發(fā)行單位發(fā)行可以用于對IC卡進(jìn)行充值安全認(rèn)證的卡（模塊），安裝在各類充值類IC卡終端中。ISAM卡的出現(xiàn)并不具有典型意義，ISAM卡放置在充值終端設(shè)備內(nèi)，脫機(jī)充值交易中控制充值交易安全，脫機(jī)充值的模式是小額支付系統(tǒng)早期的模式，基于安全、風(fēng)險、政策、技術(shù)發(fā)展等考慮，目前ISAM卡作為一個過渡產(chǎn)品。

    第11章 建設(shè)行業(yè)專用加密機(jī)

    建設(shè)行業(yè)專用加密機(jī)是用于‘城市公用事業(yè)IC卡應(yīng)密鑰管理系統(tǒng)’的硬件加密設(shè)備。在硬件上具有一定的防物理攻擊能力，在軟件上對密鑰的生成、存放、備份和運(yùn)算進(jìn)行權(quán)限控制，并可采取一定策略進(jìn)行審計。由于硬件加密機(jī)具備了攻擊防范能力，所以密鑰可以在硬件加密機(jī)中以相對較低的成本安全地保存，而且所有密鑰運(yùn)算可在安全的物理環(huán)境中完成。

    建設(shè)行業(yè)專用加密機(jī)必須能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
    密鑰分散功能，從保存在加密設(shè)備中的發(fā)卡行主密鑰分散出唯一的IC卡應(yīng)用子密鑰；
    過程密鑰生成功能，根據(jù)子密鑰和輸入數(shù)據(jù)，分散出過程密鑰；
    數(shù)據(jù)加密功能，根據(jù)子密鑰或過程密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加、解密；
    MAC產(chǎn)生功能，根據(jù)MAC過程密鑰和需要進(jìn)行計算的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的校驗碼；
    授權(quán)請求密文校驗功能，根據(jù)交易數(shù)據(jù)校驗密文的正確性；
    授權(quán)響應(yīng)密文生成功能，根據(jù)交易數(shù)據(jù)產(chǎn)生密文。

    如果沒有加密機(jī)，密鑰運(yùn)算過程在未經(jīng)保護(hù)的機(jī)器上實現(xiàn)，必然導(dǎo)致密鑰在內(nèi)存中以明文形式出現(xiàn)，在這種狀況下為保護(hù)密鑰安全所需花費(fèi)的成本將遠(yuǎn)高于硬件加密機(jī)的成本。如果在多臺機(jī)器上進(jìn)行密鑰運(yùn)算，密鑰還需在機(jī)器之間進(jìn)行傳遞，這也會明顯降低安全性或增加安全成本。采用加密機(jī)之后，密鑰運(yùn)算集中在加密機(jī)中進(jìn)行，使密鑰運(yùn)算更為高效，而且在加密機(jī)之間傳遞密鑰也相對容易些。

    加密機(jī)可以減輕密鑰管理員的責(zé)任，降低密鑰管理工作的成本。由于加密機(jī)本身提供了管理接口和監(jiān)控接口，密鑰可以在加密機(jī)中得到有效的管理。密鑰的生成、作廢、替換等等工作都可以通過加密機(jī)接口提供，從而使密鑰管理工作大為簡化。

    為了整個密鑰管理體系的安全，加密機(jī)應(yīng)由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心進(jìn)行統(tǒng)一的初始化，裝載密鑰。