智能卡技術及其在數字電視中的應用

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：江蘇省泰州市廣播電視局（臺） 馮傳崗   人氣： 發表時間：2011年09月22日

提到智能卡，人們首先會想到信用卡，因為標準的智能卡看上去很像信用卡，人們通過信用卡上的磁條可查閱到簡單的只讀信息。但智能卡比信用卡要復雜的多，智能卡是將一個有著數據存儲和計算功能的計算芯片，鑲嵌在一張名片大小的塑料卡片上，要通過一種叫“讀卡器”的設備才能訪問芯片中的數據。    

　　數字電視智能卡是要與數字電視機頂盒配合使用，機頂盒相當于讀卡器，又能像計算機一樣工作。由于數字電視智能卡有一個內置的處理器和一個與數字電視機頂盒通信的接口，當然它還包含一些集成的內存，允許經營者向智能卡下載數據和應用。因而就要求數字電視智能卡必需具有高度的安全性，以確保未經授權的用戶不能訪問數字電視系統的各類業務項目的服務。    

      目前，數字電視智能卡的主要功能是被用于安全存儲、解密授權和訪問權限，同時向機頂盒授權，在數字電視將來的應用領域里，智能卡還可以被編程，發揮電子錢包的功能，為在線購物和其他即時付費等業務項目提供服務。    

一 智能卡的特點及類型    

　　1. 智能卡的特點    

　　在當今網絡系統應用中，智能卡除了有大容量性、穩定性、可攜帶性、兼容性等特點外，還有著兩個最為重要的特點：個人身份性和密文性。    
　　所謂個人身份性，是指智能卡可以表明持卡人的身份。如今在各式各樣的交易中，最終都要確認交易方的身份，智能卡通過存儲在卡里的一個ID（Identity：身份）號，就可以方便的表明持卡人的身份了。    

　　所謂密文性，是指智能卡可以以密文的形式存儲某些數據。有些智能卡還能利用自帶的微處理器進行動態的數據加/減密。    

　　2. 智能卡的類型    

　　智能卡按其嵌入的芯片種類分，可以分為接觸式智能卡和非接觸式智能卡兩大類，見表1。   

表1   

　　接觸式智能卡從其卡的結構來分，又可以分為只讀存儲智能卡和微處理器智能卡兩大類，見表2。    

表2  

　　3. 智能卡的文件系統   

　　智能卡的文件系統如同計算機DOS（磁盤操作系統）的樹形文件系統。按照ISO（International Standards Organization：國際標準化組織）7816標準第四部分的規定，智能卡的文件分為：DF（Dedicated File：專注文件）和EF（Elementary File：基本文件）兩種。DF中包含一些控制信息，它可以成為EF或DF的母文件，如同DOS中的目錄文件。EF是數據單位的集合，它不能成為任何文件的母文件，這有的象DOS中的TXT（DOS文件擴展名；是普通的ASCII碼文本文件）文件。   

　　智能卡文件系統都有一個必須的ROOT（根文件），它是DF文件，一般稱為MF（Master File：主文件）。每個文件（包括DF和EF）都有一個文件的ID號（兩個字節），如：ROOT的ID號一般為“3F00”。如果你要對文件進行讀/寫操作，就必須先用Select（選擇）命令來選擇該文件的ID號。EF的文件類型有：透明EF，線性定長EF，線性變長EF，循環EF。對后三種EF文件的操作需通過對它們所包含的記錄進行操作。  
   
二 智能卡的國際規范——ISO 7816   

　　ISO 7816是智能卡必須遵循的國際標準，ISO 7816中規范了智能卡所用的塑料材料的一些物理特性，包括溫差范圍、彈性、電子觸點的位置以及內置微芯片和外界進行信息交換的方式等；ISO 7816標準的第一部分，規范了接觸式智能卡共有8個觸點（見表3），智能卡正是通過這8個觸點與外界進行通信的。ISO 7810標準規范了智能卡的尺寸。到目前為止ISO 7816標準已經陸續發布了九個部分，從表4中可以清楚地看到接觸式智能卡的從簡單到復雜慢慢完善的發展軌跡。  

表3  

表4 

三 數字電視接收智能卡的安全性  

　　1. 智能卡的基本安全要求  

　　智能卡采用的安全機理很多，一般說來，用于微處理器卡的比用于只讀存儲器卡的安全機理要復雜一些。但它們其基本的安全要求如下：  

　　（1）物理保密  

　　物理保密實際上是從卡上信息的讀取方面，來限制智能卡用戶的范圍。“若不憑借特別的技巧和工具，是無法對軟件和硬件作增刪或替換；對敏感數據的輸入、存儲或任何非授權的訪問/修改，只能通過有效的刺探才能達到；任何部分的故障或暴力破壞也不會導致敏感數據的泄漏。”  

　　有些智能卡，任何人都可以讀取卡上信息，這時卡體本身就是一種保護。如：記錄病人姓名和血型的醫療卡，這種智能卡一般不設密碼，只要拿到卡的人都可以讀取卡上信息。  

　對于只許第三方讀取信息的智能卡，只有發卡人才能讀取卡上信息。如：只有發卡的機構可以改寫電子錢夾上的信息。這時這些智能卡由16至32位數字的密碼來保護。 

　　（2）邏輯保密  

 　　邏輯保密實際上是從卡上信息的讀取方面，來限制讀取智能卡信息的方式。“當處于一種敏感狀態時，不允許有兩個以上的委托方的參與；口令的輸入必須以保護其他敏感數據的相同方式得到保護。”  

　　存儲在智能卡上的信息一般被劃分為若干個部分。如：只讀信息；只可添加的信息；只可更新的信息；無法讀取的信息。這樣有些密碼信息可以存儲在無法讀取的存儲區域中。  

　　如果，只有知道密碼的人才能有權使用智能卡，但如果需要通過無線電或電話線將卡上的信息向異地傳送，就還必須要有額外的防護手段。  

　　（3）密鑰管理  

　　密鑰管理實際上是從卡的結構和所支持的加密算法，來控制讀取智能卡信息的方式。“對于非對稱密鑰管理，必須支持ISO 11568第四、第五部分的規范；對稱密鑰的管理必須符合ISO 11568第二、第三部分的規范。密鑰算法必須采用規范已經批準的算法，并且嚴格保管密鑰。”  

　　2. 智能卡的密鑰算法  

　　通過加密，智能卡可以把信息翻譯成各類符號等，并且在須要通信時，可以隨機地選擇其一。這種防范機制可以確保所用的卡和計算機都真實有效，使得幾乎沒有可能半路竊取傳送的信息。微處理器智能卡有加/解密（把看不懂的東西再翻譯回來）的功能，使得在傳送存儲在卡上的信息的同時，也不用擔心會發生泄密。  

　　智能卡的加密技術是按照密鑰算法的公開與否來分的，目前可分為SKE（Secret Key Encryption：即秘密密鑰加密系統，又稱為對稱密鑰算法）和PKE（Public Key Encryption：公開密鑰加密系統，又稱為不對稱加密算法）兩種。SKE算法和PKE算法的區別主要是：加/減密密鑰的一致與否。  

　　（1）SKE算法  

　　所謂SKE算法，是指加密密鑰和解密密鑰是相同的。為了安全性，密鑰要定期的改變。對稱算法速度快，所以在處理大量數據的時候被廣泛使用，其關鍵是保證密鑰的安全。  

　　（2）PKE算法  

　　所謂PKE算法，是指分別存在一個公鑰和一個私鑰，公鑰公開，私鑰保密。公鑰和私鑰具有一一對應的關系，用公鑰加密的數據只有用私鑰才能解開，其效率低于對稱密鑰算法。  

　　3. 數字電視接收智能卡的安全  

　　數字電視接收智能卡的安全，不但要具備以上智能卡的基本要求，而且還應具備其它所特有的安全要求，這就是數字電視智能卡和數字電視機頂盒之間的認證。  

四 數字電視智能卡與機頂盒的認證/協議  

　　由于微處理智能卡帶有微處理器，支持著SKE算法和PKE算法，同時微處理智能卡的尺寸大小極方便于攜帶，所以它必然成為CADTV（Cable Digital Tele Vision：有線數字電視）網絡數據傳遞和身份認證極佳的安全模塊。  

　　1. 數字電視智能卡與機頂盒的認證  

　　數字電視接收智能卡和機頂盒之間的認證，主要是防止在機頂盒中使用未經授權的智能卡，認證方法主要有基于共享密鑰的身份鑒別和基于證書的身份鑒別。  

　　目前，數字電視智能卡與機頂盒之間的認證關系，基本上是由CADTV廣播系統的CAS（Conditional Access System：條件接收系統）供應商所指定的算法來完成的，一般的認證關系有兩個層次：其一是對數字電視智能卡和機頂盒建立簡單的鏈接關系，如同夫妻搭配一樣驗證其合法有效性；其二是在整個數字電視CAS密鑰體系下對智能卡與機頂盒間的通訊實施加密，非常嚴格地驗證卡與機頂盒嚴密的數學算法關系，以達到強化商業安全的目的。  

　　這種驗證的嚴密數學算法關系，源自國際標準ISO 7816提供的無差錯連結的鏈路級通信協議，其主要是T＝0協議和T＝1協議，一旦建立了鏈路協議，就能定義一種應用協議，利用鏈路實現卡上應用程序與機頂盒上的其他應用程序之間進行通信。ISO和IEC（International Electrotechnical Commission：國際電工委員會）共同規范了這類的應用協議，其目的有兩個：一是提供一致的、存儲與檢索卡上信息的文件系統；二是以API（Application Program Interface：應用程序接口）形式訪問智能卡上安全服務的協議。  

　　2. 鏈路級通信  

　　T＝0協議試圖把應用協議的元素與鏈路協議的元素混合起來，而T＝1協議相當于數據鏈路協議。  

　　鏈路級通信的T＝0協議是一個面向字節的協議，以命令響應的方式動作，在該方式中，連接的讀卡機端向卡發送一條命令，卡執行讀卡機所命令的操作，再送回一個響應。在T＝0協議中，錯誤檢測是通過奇偶校驗位進行的。T＝0協議的TPDU（Transport Protocols Data Units：傳輸協議數據單元）具有兩種不同的數據結構：一個是從讀卡機發到卡的命令；另一個是卡送到讀卡機的響應。  

　　T＝1協議是面向塊的協議。T＝1協議中的差錯檢測是通過LRC（縱向冗余效驗）完成，所使用的算法在ISO 3309中有定義。T＝1協議使用三種不同類型的塊，但每種塊具有相同的結構。  

五 結語  

　　隨著數字電視技術和網絡技術的發展，通過網絡進行電子購物等商業活動將日益增多。在數字電視未來的應用領域里，智能卡還可以被編程來發揮電子錢包的功能。用于在線購物和其他即時付費服務。這些商業活動往往是通過公開網絡進行數據傳輸，這就對網絡傳輸過程中數據的保密性提出了更高的要求，這些要求主要包括：  

    * 對敏感的文件進行加密，即使別人截獲文件也無法得到其內容；   
    * 保證數據的完整性，防止截獲人在文件中加入其他信息；   
    * 對數據和信息的來源進行驗證，以確保發信人的身份。  

    現在業界普遍采用PKE和SKE相結合的方式來滿足以上要求。  

參考文獻：  
    1、《有線數字電視中間件指導性意見》 中華人民共和國廣播電影電視行業技術要求 2003年6月  
    2、《有線數字電視條件接收系統應用指南》 中華人民共和國廣播電影電視行業技術要求 2003年6月  
    3、《有線數字電視廣播業務信息應用指南》 中華人民共和國廣播電影電視行業技術要求 2003年6月