CSP在基于智能卡的移動終端中的開發與應用

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：聶曼，譚成翔，汪海航   人氣： 發表時間：2011年10月07日

    1 引言

    由于移動公網的廣泛發展和手機PDA 的大力普及，移動終端作為固網上業務服務器的訪問接入終端也變得越來越常見。然而，移動終端通過基于GPRS／CDMA的移動公網接入業務服務器的過程存在著較大的安全風險。在沒有執行任何安全保護措施的情況下，移動終端就與業務服務器進行數據傳輸，很容易導致雙方傳輸的數據被別有用心的人截取或者篡改，如果這些數據涉及到商業敏感信息，這將對雙方的利益帶來巨大的損失。并且，移動終端雖然體積小巧，方便攜帶，也容易丟失和被盜，再加上設備的非授權使用，授權用戶的不合理或者惡意的行為，這些全都會帶來安全威脅。因而，尋找給移動終端和業務服務器的訪問過程增加安全性的解決方案是人們追求的目標。IPSec VPN技術是目前普遍使用的方法，先在公共網絡上建立一個私有隧道，然后才在這個隧道上進行雙方的數據傳輸。這樣，安全性確實會得到一定的提高，但是如果沒有智能卡的幫助，安全性還是會大打折扣。因此，針對這種情況，設計了一個基于智能卡的移動IPSec VPN安全接入終端系統，本文重點介紹該系統中CSP的開發。

    2 相關背景

    2.1智能卡與PC／SC規范

    智能卡是一張內含嵌入式集成電路芯片的信用卡般大小的塑料卡，具有儲存信息量大，數據保密性好，抗干擾能力強，儲存可靠，讀寫設備簡單，使用靈活，操作速度快，脫機工作能力強，易于攜帶等特點。本系統所使用的智能卡是一張特制的內含有交換密鑰對，簽名密鑰對和證書用以提供加解密、認證等服務的電子卡。

    PC／SC規范是一套為集成電路卡(ICC)與個人計算機系統設計進行交互的規范，能夠讓智能卡方便地訪問WindoW平臺。其主要優點就是讓應用程序不必為了與智能卡通信而去了解智能卡讀卡器的細節，應用程序通過PC／SC規范和智能卡讀卡器通信，后者再通過ISO7816與智能卡進行通信來獲取智能卡提供的服務，其傳輸的包結構是TPDU。

    1．2 Crypto API體系結構與CSP

    Crypto API是微軟提供的一套公共接口，包含了一系列的函數，為應用程序提供加解密、數字簽名、哈希等安全服務，而應用程序不必關心其具體實現。不同的供應商可以開發獨立的加密模塊，這些模塊成為加密服務提供者(Cryptographic Service Provider CSP)，完成密鑰生成／交換、加解密、數字簽名、認證等服務的真正模塊。微軟默認的CSP是RSA Based Provider，使用RSA公司的加密算法。一個系統中可以加載多個CSP模塊，它們相互獨立。應用程序可以使用任意一個CSP模塊，而不必關心它的具體實現，每個CSP都對Crypto API進行不同的實現。

    Crypto API的體系結構如圖1所示。 

   從圖1可以看出，它分為應用層：系統層和加密服務提供層。處于應用層的應用程序通過Crypto API來調用CSP模塊提供的各種服務。

    3 軟硬件結合的CSP開發

    本文介紹的移動安全接入終端系統在WINCE下開發，使用WIND0w MOBILE 5．0 SDK。系統分兩層，彼此間相互獨立，上層進行撥號，下層給上層提供CSP支撐，上下兩層通過系統來整合。CSP可以基于軟件實現，也可以基于硬件實現，還可以基于軟硬件結合實現。基于軟件實現的C SP，其使用的密鑰對及算法與操作系統有關，安全性不高；而基于硬件實現的CSP雖然安全性較高，但是費用昂貴；而基于軟硬件實現的CSP， 由于將密鑰技術對生成和加解密操作與操作系統分離，所以其密鑰的管理和加解密比基于軟件的CSP安全提高了很多，而與安全性方面沒有多少關系的部分使用軟件實現，費用比基于硬件實現的CSP降低了許多，可以說是一種比較折中的選擇。本系統使用的CSP采用軟硬件結合的方案， 目標是提供一個基于SDIO智能卡的CSP。哈希、解密等功能是不需要硬件實現的， 因此這些部分可以用軟件實現。而WINCE系統中包含了這部分的軟實現，所以在設計中可以利用現有資源，只在需要硬實現的部分才對卡進行操作，這樣既提高了性能又不影響安全性。

    在對卡的調用中， 命令和響應報文要符合IS07816-4標準，因此需要一個將數據根據智能卡指令組裝成智能卡可識別的APDU的程序，由此程序負責數據格式的轉換。

    根據以上設計原理的分析，可得圖2所示的CSP系統結構圖。 

    將CSP的實現分為3個模塊：CSP主程序模塊、CSP圖形界面模塊、CSP智能卡訪問模塊 

    (1)CSP主程序模塊

    主程序模塊是CSP的核心模塊，實現CSP中的業務邏輯并以Crypto SPI標準接口形式提供。主程序模塊通過調用圖形界面模塊的相應圖形界面實現與用戶的交互(在CRYPT—SLIENT標志未設置時)。主程序模塊對智能卡的訪問及數據傳送都是通過智能卡訪問模塊來實現的。

    (2)CSP圖形界面模塊

    圖形界面模塊負責CSP與用戶的交互實現。主要有卡片初始化時的PIN碼設置界面和程序運行中提示用戶輸入PIN碼以驗證其合法性的界面。
 
    (3)CSP智能卡訪問模塊

    智能卡訪問模塊是CSP使用智能卡上服務的實現模塊。它負責與智能卡建立連接，數據傳輸，釋放連接等。它接收主程序模塊的智能卡訪問請求，并根據請求組織相應的APDU發送到智能卡，以及從卡上獲取返回的結果，最終將結果數據提交給主程序模塊。

    將CSP劃分成3個模塊，可以降低程序各個模塊之間的耦合度，實現起來比較靈活。如果需要更改程序界面就不需要去改變CSP主程序模塊。同樣，當使用另外一種智能卡時，只需要替換相應的智能卡實現模塊，而不需要去改變主程序模塊和程序界面，這樣就可以很方便地將第三方的智能卡實現模塊加載進來，實現對多智能卡的支持。

    CSP主程序模塊以DLL形式提供，是實現CSP的關鍵，其中的各個類都有具體的功能職責，并且通過組合和關聯關系形成一定的層次關系。此外在CSP中，還有其他的輔助函數定義，如塊加密時的編碼與解碼函數等。其類設計如下：

    (1)CContext

    CContext類對應了一個用戶上下文對象，在邏輯上相當于密鑰庫。它通過組合關系包括了CSP中的其他類對象，并通過這些類對象來進行相應的操作。C C ontext作為用戶上下文對象，是提供Crypto SPI中23個接口函數實現的對象。

    (2)C Container

    CContainer類對應了一個密鑰容器，一個用戶上下文往往包含多個密鑰容器。C Container對象中會緩存其包括的證書信息，這里緩存交換密鑰對證書和簽名密鑰對證書兩個證書。

    (3)CCard

    CCard類代表了擴展卡類型。在這個類中封裝了所有對卡的安全操作，包括驗證、加解密、存儲管理等。一個CCard對象會緩存對應擴展卡上的所有密鑰容器對象，這樣要訪問密鑰容器的相關信息就會變得方便、快捷。

    (4)CRSAProvider

    CRSAProvider類是用于調用系統提供的CSP的。它負責獲取系統提供CSP的句柄，利用此句柄調用相關的功能實現以及釋放得到的句柄。

    (5)CPPManager

    CPPManager類也是一個輔助控制類，它的定義只是為了使得程序更加清晰。它的功能是根據CPGetProvParam中參數的不同值取得CSP的相關信息。

    (6)CHandleTable

    CHandleTable類是一個輔助存儲類，它用于存儲CSP中密鑰容器等對象的句柄。它采用Hash表結構來存儲對象句柄，并且提供了相應的增加、刪除、讀取等功能。CSP編寫測試完成后，必須要讓微軟對其CSPDLL進行簽名，這樣該C SP才能裝進操作系統內。這步比較簡單， 只需要將其DLL與一個資源描述文件作為附件發往cspsign@microsoft．com就可以了，簽名周期一般為3天。完成簽名后，CSP就可以安裝到系統中工作了。在Windows Mobile 5．0系統中，需在注冊表中注冊該CSP，CSP安裝完成，以后可以通過Crypto API接口調用CSP提供的安全服務了。

    4 結束語

    本文不僅對微軟加密體系進行了詳細的分析，而且結合移動安全終端系統，對智能卡上的CSP的開發進行了充分的介紹和分析。CSP通過標準的Crypto SPI接口嵌入到微軟加密體系中，使用戶可以通過Crypto API接口來使用智能卡上所提供的高安全性的加密服務，來滿足日益增加的網絡安全需求。

    作者單位：同濟大學電子與信息工程學院