動態多應用智能卡文件系統的研究與設計

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：中國一卡通網 收編   人氣： 發表時間：2011年10月08日

    引言

    智能卡或稱 IC 卡，英文名稱為SMART Card 或Integrated CircuitCard。它是由一個集成電路芯片嵌 于塑料基片中封裝而成。卡中的集成電路包括中央處理器(CPU) ，閃存(EEPROM)、隨機存儲器 (RAM)、只讀存儲器(ROM) 等[1]。動態多應用智能卡允許一張卡片上可以同時容納多個應用，并且在 不同的場合使用不同的應用，同時應用本身還可以根據需要隨時下載到卡中或從卡中刪除。這給供卡 方、發卡方和持卡方都帶來了好處。動態多應用智能卡將是智能卡未來發展的總趨勢。

    1 智能卡文件系統的設計模型

    1.1 文件的類型及組織結構

    本系統遵守ISO/IEC 781* 標準所定義文件標準。根據標準，可以支持專用文件（DF）和基本 文件（EF）兩種文件。卡內的文件的邏輯組織結構由下列專用文件的結構化分級組成，在根處的DF 稱為主文件（MF）。該MF 是必備的。其他DF 是任選的。定義兩種類型的EF：1）內部EF（KEF）。 存儲那些預期由卡解釋的數據。如密鑰。2）工作EF（WEF）。存儲那些預期不由卡解釋的數據。

    EF 結構有以下幾種，1）透明結構。指的是二進制的或雜亂無章的結構。換句話說，一個透明文 件根本沒有內部結構。該結構的文件可以通過使用偏移值進行讀出和寫入。READ BINARY 和 UPDATE BINARY 命令可用于這些方面。2）記錄結構。是基于鏈接固定長度的記錄文件結構，這種 結構的數據可以自由存儲，存取的最小單位是一個記錄。該操作系統支持線性定長記錄結構，并且記 錄長度必須為4 個字節的偶數倍數，并且小于一頁大小，這樣就防止一條記錄跨頁存儲。

    文件的邏輯組織結構如圖 1 所示。文件系統是一個樹型結構，根目錄為MF。MF（主文件）是 特殊的文件，是文件系統的根，在卡片中唯一存在，相當于DOS 的根目錄。EF（基本文件）建在DF 下，存儲應用的各種數據和管理信息。DF（專有文件）一般僅相當于DOS 的子目錄，但主文件MF 的一個DF 則代表了一個應用。MF 下和應用的根DF 下都有一KEF，用于存儲密鑰或PIN。MF 下的 DF 中建立的EF 和DF 都只能由該應用使用，其他應用不能訪問。

    智能卡中的目錄文件（MF 和DF）僅由文件頭標組成，EF 文件是由文件頭標和文件體兩部分組 成的。文件頭中包含文件的標識、大小、訪問權限和其他基本信息。文件頭的長度是一定的。EF 的 文件體就是各種卡片應用所需的數據元。其大小是在文件創建時就確定的。

    1.2 文件訪問以及文件管理

    所有EF 文件頭中都含有屬性字段，指明此文件的特殊信息。屬性字段占兩字節，字段中的每一 比特位代表一種屬性。它們在創建時確定，不允許更改。目前只使用了前三個比特位，分別是：

    1）可刪除屬性。此屬性位為1 表示可以被刪除，0 表示不可被刪除。

    2）可寫屬性。此屬性位為1 表示可以被修改，0 則表明此文件為只讀文件。

    3）可讀屬性。此屬性位為1 表明此文件可以被瀏覽，0 表示不可以被瀏覽。

    應用要對文件訪問需要達到一定的安全狀態。當該應用的進程現有狀態滿足所需要狀態，并且符 合和該文件的屬性要求時，該進程才能訪問文件。當前進程的安全狀態是由其是否滿足當前目錄文件 下的KEF 中的相應密鑰決定的。在MF 下僅有DF（應用目錄），沒有EF 文件，其KEF 則只含有創 建密鑰，讀密鑰，刪除密鑰。而一般的KEF 文件中含有四個密鑰，分別是讀密鑰，寫密鑰， 創建密 鑰，刪除密鑰。

    為了方便文件管理，有一些典型變量要保存在 RAM 中，把這些變量封裝成一個結構體CMB， 放在進程的PCB 中。一個CMB 塊包含如下變量：1）mfhead。此變量總指向最高層MF 文件頭地址。 2）mfsecurity。此變量表明MF 達到的安全狀態。其初始值在進程建立時賦值。3）dfsecurity。此變量 表明現行選擇的DF 達到的安全狀態。其初值在進程建立時賦值。4）currentdf、currentwef。這兩個 變量分別為當前DF、當前WEF 文件頭地址。在進程時它們的值為NULL，在進程運行過程中由 SELECT 命令顯式賦值。5）currentrecord_adr。此變量在當前WEF 為記錄結構時使用，它指向當前使 用記錄號, 如為透明文件，無效地址。在進程建立或者重新選擇WEF 時，其值被賦為0。由記錄結構 WEF 讀、寫命令更改。6）currentef_kef。此變量為當前DF 下KEF 文件頭地址。當創建進程時，就 會創建一個CMB 塊，其 currentdf 被賦為當時正在訪問的DF，安全狀態被賦為0。如果currentdf 為 0 時，表示當前的工作目錄為MF。

    1.3 EEPROM 的劃分

    該智能卡的EEPROM 大小為256K，其中分為應用數據區（32K），應用代碼去（160K），系統區 （16K）以及交換區（48K）。

    應用數據區存放著應用的配置數據，并且都是以文件的形式存儲的。應用數據區的 EEPROM 是 以頁的形式動態分配給各個應用，每頁大小為32 字節。每個文件的頁地址信息由文件分配表詳細記 錄。應用代碼區存放著應用的運行代碼。應用代碼區分為40 塊，每塊大小為4K。塊和應用是一一對 應的關系，即每塊對映一個應用。系統區：存放操作系統的信息以及用于管理應用及文件的一些系統 表：應用使用表，文件分配表，文件打開表，數據區使用表。文件打開表是用來防止讀寫沖突的，當 某文件正在被改寫時，需要給該文件上鎖，等對該文件操作完成后再對該文件解鎖。

    數據區使用表記錄了應用數據文件在數據區的存儲情況，當一個應用要訪問某一個數據文件時，需要查看該表，檢查 該文件是否屬于該應用，防止應用篡改其他應用的數據文件。操作系統的信息用超級塊記錄。交換區 就是當內存不足時，使用交換區來擴充內存。

    2 文件系統

    2.1 文件分配表

    該操作系統中，文件系統僅設計到應用數據區，和應用系統區以及應用代碼去無關，所以文件系 統占32K 的EEPROM 空間。數據區是以頁的形式分配給文件的，每頁大小是32 字節，共設有1024 頁。存儲在系統區的文件分配表占用1K 空間。分配表如圖2 所示：該表一共有1024 頁(用十六進制 表示)，第1 頁代表數據區的前32 個字節，以后依次類推。當表項為FFFF，表示文件結束。當記錄 為FFFE 時，該頁可用。每頁的表項記錄該文件下一頁的頁碼。如圖所示。該文件占用的頁碼分別是 1，0xC，0xD，0x10，0x14。

    2.2 文件管理的指令

    1）SELECT FILE（選擇文件）：建立文件成功后，才能進行文件選擇，面向對象文件管理系統要 求在文件被選中之后才可以進行存取處理。文件選擇就是通知操作系統即將對哪個文件進行訪問。新 文件的成功選擇將導致前面的選擇無效。這就意味著在任何時候被選中的文件只有一個。該文件系統 的支持根據文件的FID 進行文件的選擇。

    2）CREATE FILE（創建文件）：該命令允許在智能卡中建立EF、KEF、DF。在執行該命令之前， 必須先達到特定的安全狀態。在創建時，判斷創建地址是否有效，即CMB 塊的相應地址。同時創建 時會影響目錄樹的結構，可能需要修改其父親節點或者其兄弟節點，因此要檢測所影響的結點是否可 以訪問，如果需要修改的節點不可被訪問，該命令則不能執行。對于EF 和KEF，他們都擁有文件體， 則根據其大小具體分配。在申請頁面時，一次把所需要的頁數全部分配給該文件，并且在文件分配表 里建立好映像。然后文件系統再根據文件分配表，把文件體寫入EEPROM 中。

    3）DELETE FILE（刪除文件）：是把指定的智能卡的文件從存儲器中刪除，其釋放的存儲空間由 操作系統收回。文件系統的文件是存儲在應用數據區，因此該命令的操作對象是數據區的文件，并不 涉及其他存儲區域的數據。MF 為文件系統的根目錄，是不可被刪除的。

    KEF 為DF 中的密鑰文件， 僅刪除KEF 會對其上層DF 造成極大的安全隱患，因此不提供單純的刪除KEF 操作，把該操作是嵌 入在刪除DF。該命令分為兩類：刪除DF 和刪除EF。刪除DF 函數僅刪除沒有子DF 文件的DF 文件， 如果所刪除的DF 具有直接子DF 文件（可以有EF 文件），則DF 不能直接刪除，需要首先刪除子DF文件，然后再使用本函數刪除。該操作會影響其父親節點或兄弟節點以及子EF 節點，所以刪除之前 需要查看文件打開表，檢查這些文件是否可以訪問，如果有不可以訪問的節點，則退出返回相應的錯 誤信息。

    當然執行該操作之前，必須達到一定的要求安全狀態。刪除EF 時，操作對象是CMB 塊中 的當前工作文件EF，因此要刪除某EF 之前需要先選擇該文件。如果當前工作文件地址無效，則返回 相應的錯誤信息。當然執行該操作之前，必須達到一定的要求安全狀態并且該EF 具有可刪除屬性。

    4）VERIFY 命令用來把傳送給智能卡的秘密對象和所存儲的基準值相比較，根據比較結果，改 變CMB 塊中的安全狀態。該操作系統的密鑰存儲在密鑰文件KEF 中，位于MF 的KEF 被用來作為 智能卡中所有應用通用的密鑰，如果是DF 的KEF，則它僅可用于在DF 內的有關應用，即應用的專 用密鑰。

    該命令的操作對象默認為CMB塊中指向的當前所使用密鑰文件。一般的密鑰文件含有四個密鑰， 分別是：
    （1）瀏覽密鑰：滿足該密鑰后，可以讀該目錄下的所有EF 文件和子DF 頭標。
    （2）更新密 鑰：滿足該密鑰后，可以在該目錄下的所有EF 文件中執行更新操作。
    （3）刪除密鑰：滿足該密鑰后， 可以在該目錄下執行刪除操作。
    （4）創建操作：滿足該密鑰后，可以在該目錄下執行刪除操作。因此， verify 函數就是判斷其滿足相應的密鑰，然后改變CMB 塊中的安全狀態，使其可以執行后需操作。

    對于每一個密鑰都有一個重試計數器。對于肯定的比較結果，它被賦予零，對于否定的比較結果， 它增量1。如果重試計數器達到對大值，則絕對沒有任何可能再進行對密鑰的進一步比較。為了保證 安全，先對計數器字段加一并寫入到記錄中。然后比較讀出密鑰和輸入密鑰是否匹配。匹配則將0 寫 入到記錄的計數器字段中，并將安全狀態設置為OK 結果狀態。否則將安全狀態設置為NOK 結果狀 態，并返回允許嘗試的剩余次數或記錄被鎖。

    3 結論

    本文研究并設計動態多應用智能卡文件系統。利用文件分配表為每個文件建立映像，利用 CMB 塊進行文件管理，設置文件訪問機制保證了每個應用的讀寫安全，最后詳細設計文件操作命令，使得 應用可以對文件進行建立，刪除等操作。