智能卡操作系統(tǒng)研究和實(shí)例分析

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：張志剛，趙奎   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月07日

    智能卡是一種智能型的IC 卡，又稱CPU 卡或微處理器卡、智慧卡。智能卡芯片具有微型計(jì)算機(jī)軟硬件配置，如：CPU、RAM、ROM、EEPROM、COS 操作系統(tǒng)，同時(shí)還具有用于信息安全保護(hù)的加密器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及物理攻擊自毀電路。

    智能卡芯片內(nèi)的物理資源由儲(chǔ)存在ROM內(nèi)的芯片操作系統(tǒng)（COS）來進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)卡片的應(yīng)用規(guī)則和規(guī)范，建立卡片的安全系統(tǒng)，并通過芯片操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能卡的具體應(yīng)用功能。因而，智能卡具有靈活性較強(qiáng)的、開放式的應(yīng)用設(shè)計(jì)平臺(tái)。

    1 智能卡操作系統(tǒng)（COS）簡述

    COS的全稱是Card Operation System（片內(nèi)操作系統(tǒng)），它一般是緊緊圍繞著它所服務(wù)的智能卡的特點(diǎn)而開發(fā)的，因此不可避免地受到了智能卡內(nèi)微處理器芯片的性能及內(nèi)存容量的影響。首先，COS是一個(gè)專用系統(tǒng)而不是通用系統(tǒng)。即：一種COS 一般都只能應(yīng)用于特定的某種（或者是某些）智能卡，不同卡內(nèi)的COS 一般是不相同的。其次，與那些常見的微機(jī)上的操作系統(tǒng)相比較而言，COS 在本質(zhì)上更加接近于監(jiān)控程序，而不是一個(gè)通常所謂的真正意義上的操作系統(tǒng)。

    總體而言，智能卡芯片操作系統(tǒng)包括4大功能：卡片與外界通訊管理；信息存儲(chǔ)文件管理；信息使用安全管理；命令解釋執(zhí)行管理。

    在智能卡應(yīng)用程序的具體實(shí)施步驟中，最重要的一步就是定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件體系結(jié)構(gòu)。一旦定義了文件體系結(jié)構(gòu)，無論是用戶數(shù)據(jù)還是智能卡的管理數(shù)據(jù)，都可以通過文件這樣一個(gè)封裝形式得到極好的保護(hù)，同時(shí)，文件系統(tǒng)也是COS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為靈活的一個(gè)方面。因此，無論從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量還是設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度而言，文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是COS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。下面我們就一個(gè)實(shí)例重點(diǎn)對COS 中的文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

    2 智能卡文件系統(tǒng)

    所謂文件，是指關(guān)于數(shù)據(jù)單元或卡中記錄的有組織的集合。COS 通過給每種應(yīng)用建立一個(gè)對應(yīng)文件的方法來實(shí)現(xiàn)它對各個(gè)應(yīng)用的存儲(chǔ)及管理。因此，COS 的應(yīng)用文件中存儲(chǔ)的都是與應(yīng)用程序有關(guān)的各種數(shù)據(jù)或記錄。此外，對某些智能卡的COS，可能還包含有對應(yīng)用文件進(jìn)行控制的應(yīng)用控制文件。

    COS 的文件按照其所處的邏輯層次如圖1所示可以分為A 類DAE：主文件（Master File）、專用文件（Dedicated File）以及基本文件（Elementer File）。其中，主文件對任何COS 都是必不可少的，它是包含有文件控制信息及可分配存儲(chǔ)區(qū)的唯一文件，其作用相當(dāng)于是COS文件系統(tǒng)的根文件，處于COS文件系統(tǒng)的最高層?；疚募彩潜夭豢缮俚囊粋€(gè)部分，它是實(shí)際用來存儲(chǔ)備應(yīng)用的數(shù)據(jù)單元或記錄的文件，處于文件系統(tǒng)的最底層。專用文件是可選的，它存儲(chǔ)的主要是文件的控制信息、文件的位置、大小等數(shù)據(jù)信息。 

    對于文件而言，無疑它的存儲(chǔ)分配往往是最重要的。文件的物理組織涉及一個(gè)文件在存儲(chǔ)設(shè)備上是如何放置的。它和文件的存取方法有密切關(guān)系，另外也取決于存儲(chǔ)設(shè)備的物理特性。從邏輯上講，所有的文件必須是連續(xù)的，這是為了方便尋址，這就要求文件要以鏈的形式存在。對于IC卡的COS系統(tǒng)而言，文件鏈應(yīng)該包括3個(gè)部分的內(nèi)容：MF的入口定位；DF和子文件之間的檢索；同一層次文件間的檢索。

    實(shí)現(xiàn)上述功能的方法有很多。但就一般而言，考慮文件的存儲(chǔ)分配一般考慮的是以下3個(gè)問題：創(chuàng)建文件時(shí)，是否一次性為該文件分配所需的最大的空間；分配文件的空間是采用單位的大??；文件分區(qū)表（FAT）的形式。

    目前常用的文件分配方法包括連續(xù)分配、鏈接分配和索引分配( 種，不同的操作系統(tǒng)往往采用其中的一種。

    3 智能卡文件系統(tǒng)實(shí)例

    結(jié)合具體應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，對COS的文件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足項(xiàng)目本身的應(yīng)用要求。該系統(tǒng)采用的COS芯片支持32字節(jié)的頁寫方式，因此在該文件系統(tǒng)中，分配文件的空間單位采用32字節(jié)以方便文件的讀寫。

    3.1 EEPROM 的空間組織結(jié)構(gòu)劃分

    A：分配64個(gè)字節(jié)的空間。
    B：文件地址映射表為2k~64字節(jié)。
    C：數(shù)據(jù)區(qū)為30k。

    3.2 DISKHEAD的結(jié)構(gòu)信息

DISKHEAD部分共有64個(gè)字節(jié)，是EEPROM起始部分的前兩頁（每頁32字節(jié)），記錄了EEPROM的基本使用情況，其中有部分預(yù)留字節(jié)以待以后作功能擴(kuò)充，另外根目錄區(qū)信息使用39 個(gè)字節(jié)記錄了根目錄文件的文件信息，將根目錄文件信息放在DISKHEAD部分主要是出于擴(kuò)展的考慮，如圖2 所示。 

    3.3文件地址映射表

    文件地址映射表用于保存文件各個(gè)部分的地址信息。使用總共（2k~64）個(gè)字節(jié)，對數(shù)據(jù)區(qū)的30k字節(jié)的EEPROM 進(jìn)行尋址。具體方法如圖3所示，闡述如下：在每一次將文件寫入EEPROM 之前，比如說寫在數(shù)據(jù)區(qū)的第A號，首先在第A頁數(shù)據(jù)區(qū)在文件地址映射表中的兩個(gè)字節(jié)的標(biāo)志字節(jié)處寫入FF，而后再寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入完畢后，如果文件還未結(jié)束，那么就搜索空閑空間（在文件分配表中查找為00的項(xiàng)，通過地址映射得到地址信息），然后把該地址信息寫入文件上一頁在文件地址映射表的所在位置。 

    3.4數(shù)據(jù)區(qū)

    數(shù)據(jù)區(qū)保存的是各個(gè)文件的具體數(shù)據(jù)，文件的概念外延為包括目錄文件在內(nèi)的數(shù)據(jù)集合體。文件間的區(qū)分是通過文件標(biāo)識符（FID）來進(jìn)行的，不同文件間的聯(lián)接是如圖2所示的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。文件內(nèi)各個(gè)部分存儲(chǔ)位置通過文件地址映射表組成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行查找，并且當(dāng)文件結(jié)束時(shí)，在文件地址映射表中標(biāo)以FF表示文件結(jié)束，如圖4所示。 

    文件采取首次創(chuàng)建時(shí)寫入文件頭信息，以后更新文件數(shù)據(jù)的方式，提供兩條APDU 命令。格式如下： 

    具體應(yīng)用時(shí)首先使用CREATE FILE創(chuàng)建文件，然后再使用UPDATE FILE添加數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)文件系統(tǒng)的需要，還要提供SELECT FILE、READ FILE、DELETE FILE等命令。

    4 結(jié)論

    對比非智能IC卡的芯片上只有一個(gè)簡單的存儲(chǔ)器邏輯電路，可以看出，從可靠性和安全性而言，智能卡具有天生的優(yōu)勢。智能卡操作系統(tǒng)COS的設(shè)計(jì)基本上是嚴(yán)格依ISO7816 等有關(guān)規(guī)范進(jìn)行開發(fā)的，但其文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較靈活的方面。本文根據(jù)系統(tǒng)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能卡的文件系統(tǒng)方案，從實(shí)用上看，還是相當(dāng)成功的，但仍然存在一些缺陷，比如文件的搜索算法可以進(jìn)一步改進(jìn)，分區(qū)表可以進(jìn)一步精簡等。同時(shí)，COS 系統(tǒng)涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，本文僅僅是通過一個(gè)具體實(shí)例對COS 系統(tǒng)，尤其是它的文件系統(tǒng)作了一些研究工作，更深入廣泛的內(nèi)容還有待于今后的進(jìn)一步研究。

    (文/長沙學(xué)院 電子與通訊工程系，湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，張志剛，趙奎)