關(guān)于邏輯加密卡一種安全方案的設(shè)計(jì)

【摘　要】　針對邏輯加密卡的特點(diǎn)，從加強(qiáng)軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，巧妙實(shí)現(xiàn)了一卡一密，從而給出了一種安全可靠的加密方案。
　　關(guān)鍵詞：邏輯加密卡，軟件，設(shè)計(jì)

1　引　言
　　目前使用的IC卡一般有兩種類型，即CPU卡和邏輯加密卡。CPU卡的加密性能自不必說，然而其編程復(fù)雜，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邏輯加密卡。如果在程序設(shè)計(jì)上對邏輯加密卡的安全性多加考慮，選擇邏輯加密卡幾乎是無法破譯的，而且成本低，用戶容易接受。下面我們以SLE4428邏輯加密卡為例設(shè)計(jì)一種安全實(shí)現(xiàn)方案，該IC卡在本地區(qū)經(jīng)過約10萬人使用，兩年來未發(fā)生一起失密事故。
2　SLE4428性能描述和設(shè)計(jì)原則
　　為了更好地說明設(shè)計(jì)流程，首先簡要地介紹一下SLE4428的性能。
　　·SLE4428容量大小為1K字節(jié)，地址為0－1023，存儲(chǔ)區(qū)分配圖如圖1所示。
　　·所有數(shù)據(jù)除密碼外，在任意情況下均可被讀出，密碼在核對正確后可以被讀出。
　　·所有數(shù)據(jù)包括密碼本身在核對密碼正確后可以寫入或更改。
　　·所有數(shù)據(jù)都可以按字節(jié)進(jìn)行寫保護(hù)，寫保護(hù)后數(shù)據(jù)固化，任意情況下不可更改。
　　·有一個(gè)密碼出錯(cuò)計(jì)數(shù)器。地址是1021。初始值為8，密碼核對出錯(cuò)一次，便減1。若計(jì)數(shù)器值為0，則整張卡的數(shù)據(jù)被鎖死，只可讀出，不可更改或?qū)懭肭覠o法繼續(xù)核對密碼；若不為0，則只需要一次核對正確，計(jì)數(shù)器將恢復(fù)為初始值8。
　　·密碼長度為2字節(jié)，地址是1022，1023。共有216種組合，在密碼核對正確之前，讀這兩地址的結(jié)果是“00”，也無法寫入和更改；在密碼核對正確后可以讀出密碼和更改密碼，密碼會(huì)一直有效至卡掉電為止。
　　·地址0－7、21－26，出廠前由廠家固化，不可更改，其中地址21－26是卡的用戶代碼，是由制造卡的廠家向SIEMENS公司申請注冊的全球唯一的用戶代碼。
　　針對SLE4428安全性的局限性，我們采用了下面的設(shè)計(jì)原則。
　　（1）首先生成密鑰文件，該文件為二進(jìn)制加密文件，由用戶方提供的算法種子經(jīng)過加密算法，生成用戶卡密鑰所需要的算法種子（以下簡稱密鑰種子）和加密用戶卡數(shù)據(jù)所需要的算法種子（以下簡稱加密種子）。
　?。?）用算法種子通過加密算法以密文方式存儲(chǔ)用戶卡重要數(shù)據(jù)，使其它系統(tǒng)無法讀出卡上內(nèi)容，從而保護(hù)用戶的隱私。
　　（3）用戶卡的改寫必須經(jīng)過下述操作：首先，調(diào)用密鑰文件中的密鑰種子，其次，通過加密算法校驗(yàn)用戶卡密鑰，如果正確就可以進(jìn)行改寫，如果不正確，SLE4428將記數(shù)，超過8次不正確，SLE4428將自動(dòng)鎖死，從而避免用窮盡法破譯用戶卡密鑰。
3　設(shè)計(jì)流程
　　IC卡的設(shè)計(jì)分為發(fā)行用戶新卡和改寫用戶卡兩種情況，對這兩種情況，首先都需要從二進(jìn)制加密文件獲取密鑰種子和加密種子。該二進(jìn)制加密文件由用戶輸入8位字符經(jīng)加密算法m1生成，用戶應(yīng)記住該8位字符，以免加密文件丟失后可重新生成。

3．1　發(fā)行用戶新卡
　　發(fā)行新卡大約有如下的步驟：
　?。?）從二進(jìn)制加密文件中，通過算法m2讀取密鑰種子和加密種子。
　?。?）取隨機(jī)數(shù)，并與密鑰種子經(jīng)加密算法m3生成用戶卡密碼（New　Pass）。
　?。?）核對新卡密碼，新卡密碼為ffff，并修改新卡密碼為用戶卡密碼（New　Pass）。
　?。?）有關(guān)數(shù)據(jù)寫入IC卡，重要數(shù)據(jù)和第2條取出的隨機(jī)數(shù)，經(jīng)加密算法m4生成數(shù)據(jù)密文，再寫入IC卡。
　?。?）根據(jù)需要將不可更改的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫保護(hù)，以免誤操作，如第2條取出的隨機(jī)數(shù)密文。
　　根據(jù)上述步驟，設(shè)計(jì)發(fā)行新卡的流程如下：
　　（1）建立用戶對象u　secret，主要由解密函數(shù)、函數(shù)、取密鑰種子函數(shù)等函數(shù)組成。
　?。?）調(diào)用u　secret中的取密鑰種子函數(shù)讀取密鑰種子和加密種子。
　?。?）取隨機(jī)數(shù)，調(diào)用u　secret中的加密函數(shù)生成并更新新卡密碼。
　?。?）隨機(jī)數(shù)加密寫入IC卡并固化，再寫入其他數(shù)據(jù)。
　　使用PB設(shè)計(jì)主程序如下：（為減少篇幅，程序只列出主要部分）



3．2　改寫用戶卡
　　IC卡在日常使用中其實(shí)就是改寫用戶卡的過程，主要過程同發(fā)行新卡一樣，即首先讀取密鑰種子和加密種子，再從用戶卡中讀出隨機(jī)數(shù)、解密并核對密碼，最后寫卡。程序類似發(fā)行新卡，這里省略。
4　安全說明
　　（1）SLE4428有三項(xiàng)安全機(jī)制：唯一代碼、固化寫入、用戶密碼。唯一代碼是由制造卡的廠家向SIEMENS公司申請注冊的全球唯一的用戶代碼。采用唯一代碼作為系統(tǒng)所用IC卡的標(biāo)識(shí)，可防止其它廠家的卡進(jìn)入系統(tǒng)，但同時(shí)也決定了用戶卡只能來源于該廠家；固化寫入對于需要不斷改卡的用戶也不適用；只有建立安全的用戶密碼才是最有效的手段。
　　（2）SLE4428無須密碼便可讀出除密碼外的整張卡的數(shù)據(jù)，密碼一經(jīng)核對便可向任一地址寫入或修改數(shù)據(jù)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要注意適當(dāng)固化數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)內(nèi)容加密，以防止無意破壞數(shù)據(jù)或非法修改數(shù)據(jù)。
　?。?）密碼核對正確后便可讀出，因此，設(shè)計(jì)程序時(shí)，要能防止破壞者采用非法中斷程序運(yùn)行、直接去
讀取密碼的方法來竊取密碼。在本方案中，對加密和解密函數(shù)均寫入到一個(gè)用戶對象u　secret中，在需要寫卡前定義，寫完后立即destroy掉，這樣就可以防止程序跟蹤破譯。
　?。?）總之，假如要破譯該方案設(shè)計(jì)的IC卡，必須要同時(shí)做到以下幾點(diǎn)：
　　·獲得二進(jìn)制加密文件的加密算法m1，才能得到密鑰種子和加密種子，獲得密鑰種子和加密種子后，必須通過算法m2才能得到有效的密鑰種子和加密種子。
　　·密文數(shù)據(jù)（包括解密用的隨機(jī)數(shù)）是由加密算法m4生成的，需要解密算法m5才可獲得。
　　·取出的隨機(jī)數(shù)要與密鑰種子經(jīng)加密算法m3才可生成用戶卡密碼。
　　·由于隨機(jī)數(shù)的不同，所以實(shí)現(xiàn)了一卡一密，即使竊取一張或幾張用戶卡的密碼，也無法破譯一批用戶卡的密碼。
　　根據(jù)上述分析，該方案的安全性和可靠性已達(dá)到較高的水平。

1　紀(jì)風(fēng)華．基于IC卡的一種實(shí)用加密方法．中國科技論文．信息產(chǎn)業(yè)部編，2001
2　李平文．IC卡及其在醫(yī)療保險(xiǎn)中的應(yīng)用．中國科技論文．信息產(chǎn)業(yè)部編，2001
3　周玉程．IC卡及其應(yīng)用．中國科技論文．信息產(chǎn)業(yè)部編，2001