社保CPU卡的安全體系研究

文章出處：http://www.fang1.net 作者：   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年12月08日

　　IC卡(Integrate Circuit Card)是將集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式，它因體積小、存儲(chǔ)容量大、安全性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。IC卡分為存儲(chǔ)卡(Memory Card) 、邏輯加密卡（Logical Encrypt Card）和CPU卡(CPU Card)。中華人民共和國(guó)社會(huì)保障卡（簡(jiǎn)稱社?？ǎ┦褂玫氖荂PU卡。勞動(dòng)和社會(huì)保障部于1999 年制定并發(fā)布了《社會(huì)保障卡建設(shè)總體規(guī)劃》，按照此規(guī)劃，社?？▽?shí)行“一卡多用”和“全國(guó)通用”。社?？ㄗ鳛閯趧?dòng)者在勞動(dòng)保障領(lǐng)域辦理有關(guān)事務(wù)的身份驗(yàn)證和交易消費(fèi)的唯一電子憑證，其安全性尤為重要。

　　1 社?？▋?nèi)部結(jié)構(gòu)

　　1.1 物理結(jié)構(gòu)

　　社保卡的內(nèi)部包含五部分：CPU 及加密邏輯、RAM、ROM、EEPROM 及I/O，是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)安全體系[1]，如圖1 所示。 

　　其中，CPU 及加密邏輯保證EEPROM 中數(shù)據(jù)安全， 防止外界用非法手段獲取EEPROM中的數(shù)據(jù)；RAM 存放命令參數(shù)、返回結(jié)果、安全狀態(tài)、臨時(shí)密鑰等數(shù)據(jù)，掉電后自動(dòng)丟失。社?？ú僮飨到y(tǒng)COS 掩膜在ROM 中，保證COS 的代碼安全。用戶信息以文件形式存放在EEPROM 中，在擁有相應(yīng)權(quán)限的前提下可進(jìn)行讀或?qū)憽?

　　1.2 文件組織結(jié)構(gòu)

　　社?？ǖ奈募到y(tǒng)是完全遵照《社會(huì)保障（個(gè)人）卡規(guī)范》[2]和ISO/IEC 7816-4 [3] 來組織的， 它是具有樹型結(jié)構(gòu)的多級(jí)目錄系統(tǒng)， 由主文件MF（Master File）、目錄文件DF（Directory File）、和基本文件EF（Element File）組成，其中包含下級(jí)目錄的DF 為DDF，不包含下級(jí)目錄的DF 為ADF。文件系統(tǒng)在社?？ǖ腅EPROM 中建立。MF 在社保卡內(nèi)唯一存在，在MF 和DF 下可以有多個(gè)EF 和多個(gè)下一級(jí)DF。社保卡支持多層目錄結(jié)構(gòu)，同層目錄中文件不能有相同的ID。在應(yīng)用系統(tǒng)中，各個(gè)不同的應(yīng)用可以創(chuàng)建不同的DF，使一張社保卡可以適用于多個(gè)應(yīng)用。社保卡具體的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

　　2 社?？ò踩w系的設(shè)計(jì)要求

　　社?？ǖ陌踩w系有以下幾個(gè)階段：在芯片制造商完成芯片的制造后，社?？ㄌ幱谖闯跏蓟癄顟B(tài)；卡片制造廠商封裝完成后進(jìn)行初始化和檢測(cè)，此時(shí)社?？ㄌ幱诔跏蓟A段；初始化和檢測(cè)完成后社?？ㄌ幱谖磦€(gè)人化階段；發(fā)卡方使用專用密鑰進(jìn)行個(gè)人化，此時(shí)處于個(gè)人化階段，這個(gè)過程中發(fā)卡方設(shè)計(jì)自己應(yīng)用的安全體系并封裝到卡片中，當(dāng)個(gè)人化過程結(jié)束后，社?？ㄔ诎l(fā)卡方規(guī)劃的安全體系的保護(hù)下對(duì)《社會(huì)保障（個(gè)人）卡規(guī)范》和ISO/IEC7816-4 中的指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。因此，社?？ò踩w系的設(shè)計(jì)需具備以下要求：

　　從設(shè)計(jì)上保證即使攻擊者（含設(shè)計(jì)者）得到社?？ùa，也不會(huì)影響卡片安全性。
　　卡片中所有密鑰（口令密鑰、密碼算法密鑰）無論在什么條件下均不可由外界讀出，因而卡片密鑰內(nèi)容是不可復(fù)制的。
　　卡片中對(duì)文件的讀寫根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)安全級(jí)別，必須保證擁有相應(yīng)的級(jí)別才可讀或?qū)憽?
　　無其它隱含命令可直接讀寫卡中的數(shù)據(jù)。
　　ROM 中的代碼不能從外部讀出，也不能被駐留在EEPROM 中的程序讀取。
　　EEPROM 中的數(shù)據(jù)只能通過社?？钤L問。

　　3 社?？ò踩w系劃分

　　社?？ǖ陌踩w系可分為社保卡自身安全與應(yīng)用安全。應(yīng)用安全又分為安全狀態(tài)、安全屬性、安全機(jī)制、密碼算法和密鑰管理等幾個(gè)方面。社?？ǖ暮诵能浖强▋?nèi)操作系統(tǒng)COS（Chip Operation System）。社保卡通過COS 來管理卡內(nèi)軟硬件資源，并通過安全通道與外界交換信息，保證用戶數(shù)據(jù)安全的傳輸，達(dá)到社?？ò踩珣?yīng)用的目的。

　　3.1 安全狀態(tài)

　　安全狀態(tài)指的是一種安全級(jí)別。在環(huán)境目錄（DDF/MF）和應(yīng)用目錄（ADF）中各有15 個(gè)等級(jí)的安全狀態(tài)。環(huán)境目錄下的安全狀態(tài)，稱為全局安全狀態(tài)字；應(yīng)用目錄下的安全狀態(tài)，稱為局部安全狀態(tài)字。如果卡工作在環(huán)境目錄下（DDF/MF），則局部安全狀態(tài)無意義。

　　安全狀態(tài)是通過對(duì)KEY 進(jìn)行外部認(rèn)證后，將KEY 數(shù)據(jù)信息中的安全級(jí)別字（SSB）映射到安全狀態(tài)字上。若認(rèn)證密鑰在DDF/MF 下，則映射到全局安全狀態(tài)字上；若認(rèn)證密鑰在ADF 下，則映射到局部安全狀態(tài)字上。SSB 的高4 位表示安全級(jí)別的下限（1~15），SSB 的低4 位表示安全級(jí)別的上限（1~15）。假設(shè)KEY 的SSB 為‘XY’，表示認(rèn)證KEY 成功后可獲得X 至Y 區(qū)域內(nèi)的安全級(jí)別。例如：在DDF/MF 下有Key1，其安全級(jí)別設(shè)置為‘46’，即SSB=‘46’。Key1 認(rèn)證通過后，卡的全局安全狀態(tài)為4，5，6 三級(jí)。若在ADF 下有Key2，SSB=‘AD’，則Key2 認(rèn)證通過后，卡的局部安全狀態(tài)為10、11、12、13 四級(jí)。若SSB=‘00’表示Key 認(rèn)證通過后對(duì)安全狀態(tài)無影響。‘X’>‘Y’的組合為不合理數(shù)據(jù)。 

　　3.2 安全屬性

　　安全屬性是指對(duì)社保卡的操作權(quán)限，用戶只有達(dá)到安全屬性規(guī)定的權(quán)限才能通過COS 命令對(duì)卡內(nèi)文件和KEY 進(jìn)行操作。Right定義了對(duì)文件和KEY 操作的權(quán)限，用2 個(gè)字節(jié)表示，高字節(jié)對(duì)應(yīng)全局安全狀態(tài)，低字節(jié)對(duì)應(yīng)局部安全狀態(tài)。每個(gè)字節(jié)的高4 位表示安全狀態(tài)的下限，低4 位表示安全狀態(tài)的上限。假設(shè)權(quán)限的高字節(jié)為‘XY’，若‘X’‘Y’表示文件或KEY 的全局安全級(jí)別在‘X’至‘Y’區(qū)域內(nèi)，對(duì)文件或KEY 訪問前，先要滿足文件或KEY 的訪問權(quán)限；若‘X’>‘Y’，表示文件或KEY 被禁止訪問；若為‘0Y’，表示對(duì)文件或KEY 的訪問無安全級(jí)別限制。

　　安全屬性往往和COS 文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)， 根據(jù)對(duì)不同文件類型的操作權(quán)限，可以設(shè)計(jì)不同的安全屬性。

　　增加權(quán)限：在當(dāng)前目錄下創(chuàng)建新文件的權(quán)限。
　　激活權(quán)限：激活失效安全機(jī)制的權(quán)限。
　　終止權(quán)限：永久終止的權(quán)限，對(duì)于MF 來說表示卡鎖定，對(duì)于ADF 文件來說表示當(dāng)前應(yīng)用永久鎖定，即: 應(yīng)用失效。
　　讀權(quán)限：對(duì)EF 文件內(nèi)容的讀操作權(quán)限。
　　寫權(quán)限：對(duì)EF 文件內(nèi)容的寫操作權(quán)限。
　　安裝權(quán)限：表示安裝密鑰或密碼的權(quán)限。
　　使用權(quán)限：表示使用密鑰或密碼的權(quán)限。
　　修改權(quán)限：修改密鑰或密碼的權(quán)限。
　　解鎖權(quán)限：解鎖密碼PIN 的權(quán)限，此權(quán)限只有PIN 才有。

　　3.3 安全機(jī)制

　　安全機(jī)制是指安全狀態(tài)的改變所采用的方法和手段以及安全屬性和安全狀態(tài)之間的控制關(guān)系。COS 命令在執(zhí)行過程中，首先要檢查COS 環(huán)境所處的安全狀態(tài)是否符合執(zhí)行命令要求的安全屬性。假設(shè)當(dāng)前COS 所處的是安全狀態(tài)A，執(zhí)行COS 命令安全屬性要求安全狀態(tài)B ， 在執(zhí)行COS 命令前要通過安全機(jī)制涉及安全提升方法，將安全狀態(tài)提升到安全狀態(tài)B ，這樣COS 命令才能正常執(zhí)行。安全狀態(tài)、安全機(jī)制、安全屬性，三者的關(guān)系見圖3。 

　　社?？ǖ陌踩珯C(jī)制根據(jù)《社會(huì)保障（個(gè)人）卡規(guī)范》規(guī)定，有三方面的要求， 即： 內(nèi)部/外部認(rèn)證、PIN 驗(yàn)證和安全報(bào)文MAC(MessageAuthentication Code)。

　　3.3.1 內(nèi)部/外部認(rèn)證：內(nèi)部認(rèn)證和外部認(rèn)證是一種互認(rèn)證過程。內(nèi)部認(rèn)證是用讀卡設(shè)備來認(rèn)證卡， 保證卡的合法性， 內(nèi)部認(rèn)證可以防止偽造的卡在讀卡設(shè)備上進(jìn)行操作。外部認(rèn)證是用卡來認(rèn)證外部讀卡設(shè)備的合法性，外部認(rèn)證可以防止惡意對(duì)卡進(jìn)行操作，讀取和更改卡內(nèi)信息。外部認(rèn)證還可以改變社?？ǖ陌踩珷顟B(tài)，一般卡內(nèi)存儲(chǔ)了多個(gè)外部認(rèn)證密鑰，每個(gè)外部認(rèn)證密鑰所能改變的安全狀態(tài)不一樣，在進(jìn)行外部認(rèn)證時(shí)，必須通過密鑰索引參數(shù)選擇相對(duì)應(yīng)的外部認(rèn)證密鑰完成外部認(rèn)證。 

　　3.3.2 PIN 驗(yàn)證：PIN 實(shí)際上就是密碼，根據(jù)《社會(huì)保障（個(gè)人）卡安全要求》[4]規(guī)定，社?？ㄖ挥幸粋€(gè)密碼PIN，持卡用戶可以修改密碼，通過密碼驗(yàn)證，改變卡的安全狀態(tài)，達(dá)到安全要求。 

　　3.3.3 安全報(bào)文MAC：傳送安全報(bào)文的目的是保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和發(fā)送方的認(rèn)證。數(shù)據(jù)完整性和對(duì)發(fā)送方的認(rèn)證是通過使用MAC 來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可靠性通過數(shù)據(jù)域的加密來得以保障。

　　3.4 密碼算法

　　社?？ㄓ玫募用芩惴ǘ际菍?duì)稱分組加密算法，一般通用的對(duì)稱加密算法主要是DES(Data Encryption Standard)。DES 算法，見圖4，需要滿足4 個(gè)要求：提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改；具有相當(dāng)高的復(fù)雜性；使得破譯的開銷超過可能獲得的利益；便于理解和掌握；DES 算法的入口參數(shù)有三個(gè)：Key、Data、Mode。其中Key 為8 個(gè)字節(jié)共64 位， 是DES 算法的工作密鑰；Data 也為8 個(gè)字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode 為DES 的工作方式，有兩種：加密或解密。如果Mode 為加密，則用Key 去把數(shù)據(jù)Data 進(jìn)行加密，生成Data 的密碼形式作為DES 的輸出結(jié)果； 如Mode 為解密， 則用Key 去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data 解密， 還原為Data 的明碼形式作為DES 的輸出結(jié)果。在使用DES 時(shí)， 雙方預(yù)先約定使用的“密碼”即Key，然后用Key 去加密數(shù)據(jù)；接收方得到密文后使用同樣的Key 解密得到原數(shù)據(jù)，這樣便實(shí)現(xiàn)了安全性較高的數(shù)據(jù)傳輸。 

　　3.5 密鑰管理 

　　社?？ǖ拿荑€的裝載、更新和下發(fā)都有一整套安全管理辦法。社保卡的密鑰分為三個(gè)級(jí)別：國(guó)家級(jí)密鑰、省級(jí)密鑰和地市級(jí)密鑰，采用多級(jí)密鑰管理方式，逐級(jí)分散下發(fā)。從而保證用于加（解）密算法的非對(duì)稱私有密鑰或?qū)ΨQ加密密鑰在沒經(jīng)授權(quán)的情況下，不會(huì)被泄漏。如果增設(shè)個(gè)人密碼，則應(yīng)保證其在社保卡中的安全存放。社保卡的COS 在設(shè)計(jì)、封裝時(shí)將所有密鑰存放在專用的文件中，即：密鑰存放到密鑰文件中，密碼存放到密碼文件中，并且外部不能訪問這兩種文件，每一種密鑰只能執(zhí)行特定的功能，這樣可以保障密鑰和密碼不外泄漏， 同時(shí)又能正常使用。 

　　4 結(jié)束語(yǔ) 

　　為了適應(yīng)社會(huì)保障信息化發(fā)展要求，滿足社?？ㄏ到y(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用和管理的需求，實(shí)現(xiàn)“一卡多用”、“全國(guó)通用”，社?？ò踩w系的研究是解決卡片信息安全問題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)技術(shù)。隨著社保卡應(yīng)用領(lǐng)域和功能的不斷地?cái)U(kuò)展，社?？ò踩w系的研究和設(shè)計(jì)也將隨之發(fā)展，從而保證卡內(nèi)信息的安全。