基于智能卡的嵌入式網(wǎng)絡(luò)加密安全系統(tǒng)設(shè)計

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：吳成波， 寇雅楠 ， 湯 黎   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月09日

    引 言
 
    金融安全支付系統(tǒng)是專門針對金融領(lǐng)域應(yīng)用需求，實現(xiàn)小型化、便捷、安全的自助交易的軟硬件平臺，能夠為多種應(yīng)用提供高速安全服務(wù)，解決目前交易信息在傳輸過程中存在的各種安全問題，實現(xiàn)金融信息的安全交易?；谠撉度胧较到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)就是為了保證客戶端的某些重要的數(shù)據(jù)信息在與銀行服務(wù)器通信過程中能夠安全地傳輸。
 
    1 智能卡基礎(chǔ)
 
    1．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點
 
    智能卡又稱為Ic卡，英文名稱為smart card或Integrated CircuitCard。根據(jù)卡中使用的集成電路的不同可以分為存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡和射頻卡。由于CPU卡中集成了微處理器CPU、存儲單元(包括隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM(FLASH)、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPR0M)以及芯片操作系統(tǒng)COS(chipoperating system)，從而構(gòu)成一個完整的計算機系統(tǒng)。
 
    它不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時還具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能，因此安全性大大增強，從而得到了廣泛的應(yīng)用，成為智能卡中的主流產(chǎn)品?。本系統(tǒng)所采用的CPU卡，其芯片內(nèi)核為ASIC硬件實現(xiàn)，安全度非常高，符合ISO／IEC 7816智能卡標(biāo)準(zhǔn)，符合《中國金融集成電路(Ic)卡規(guī)范》。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，智能卡具有以下特點 ：① 自身的物理安全機制和COS的安全體系為CPU卡提供了雙重的安全保證；② 自帶操作系統(tǒng)的CPU卡對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求較低，可實現(xiàn)脫機操作；③ 可實現(xiàn)真正意義上的一卡多應(yīng)用，每個應(yīng)用之間相互獨立，并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)；④ 存儲容量大，可提供1K~64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間；⑤使用壽命長，數(shù)據(jù)存儲時間可達(dá)l0年以上。

    1．2 主要功能
 
    智能卡具有以下功能：①身份認(rèn)證：對持卡人、卡終端和卡片3方的合法身份做認(rèn)證；②支付和結(jié)算工具：電子錢包和電子存折的支付手段，可避免攜帶大量現(xiàn)金和找零的不便，提高交易效率；③ 安全模塊：使用相應(yīng)的密鑰實現(xiàn)加密、解密以及交易處理，從而完成與用戶卡之間的安全認(rèn)證；④數(shù)據(jù)載體：CPU卡可作為個人檔案或重要數(shù)據(jù)的安全載體，數(shù)據(jù)可至少保存l0年以上。
 
    1．3 工作原理
 
    智能卡安全體系包括3部分：安全狀態(tài)、安全屬性以及安全機制。安全狀態(tài)是指智能卡當(dāng)前所處的安全級別，即當(dāng)前安全狀態(tài)寄存器的值。安全屬性又稱為訪問權(quán)限，即在進(jìn)行某種操作時要求安全狀態(tài)寄存器的值是什么。安全機制從廣義上說是卡片支持的各種安全模式，從狹義上說是安全狀態(tài)實現(xiàn)轉(zhuǎn)移所采用的方法和手段。一種安全狀態(tài)通過上述安全機制轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)，把該安全狀態(tài)與某個安全屬性相比較，如果一致，則表明能夠執(zhí)行該屬性對應(yīng)的命令；如果不一致，則相關(guān)命令不能被執(zhí)行，從而達(dá)到了安全控制的目的 。這就是智能卡安全體系的基本工作原理。
 
    智能卡主要是對由客戶端發(fā)出的信息進(jìn)行加密和對由服務(wù)器端傳來的信息進(jìn)行解密。該智能卡支持多種對稱密碼體制，它還存儲著客戶端主密鑰和客戶端ID號，通過它可以對文件傳輸過程中產(chǎn)生的各種敏感信息進(jìn)行加密，對用戶的身份進(jìn)行認(rèn)證，以保證信息的安全性和完整性。
 
    在密鑰管理方面，智能卡根據(jù)注入其中的客戶端ID號，利用Diversify密鑰分散算法生成客戶端主密鑰。在與密碼服務(wù)器進(jìn)行通信時，服務(wù)器取得其ID號，同樣利用密鑰分散算法生成客戶端主密鑰，再利用客戶端主密鑰加密附帶工作密鑰的簽到回應(yīng)報文傳回客戶端，客戶端的智能卡解密得到工作密鑰，利用工作密鑰調(diào)用相應(yīng)算法完成加解密及消息完整性驗證“】。
 
    2 設(shè)計原則
 
    要設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)，應(yīng)該考慮以下幾個方面： 

    (1)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計原則。在產(chǎn)品軟件和硬件的設(shè)計過程中，遵循模塊化設(shè)計原則，各個功能模塊相對獨立，各模塊之間界定清晰的接口界面。遵循標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計路線，遵循人民銀行PBOC銀行卡規(guī)范(算法除外)，采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，提供標(biāo)準(zhǔn)化的安全服務(wù)；
 
    (2)適應(yīng)性、可擴(kuò)展性原則?？傮w設(shè)計緊密結(jié)合實際應(yīng)用，能夠適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境及其通信線路、多種操作系統(tǒng)平臺、Web服務(wù)平臺、瀏覽器平臺，支持各種流行的開發(fā)環(huán)境。另外，具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)未來需求變化，能夠應(yīng)對安全威脅變化帶來的新的安全風(fēng)險，保障本系統(tǒng)在其整個生命周期的安全；
 
    (3)合理的密鑰管理。密鑰的安全控制和管理是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，在保證系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上，密鑰管理體系的設(shè)計盡量簡潔、實用；
 
    (4)要在系統(tǒng)合適的地方對傳輸報文中的關(guān)鍵敏感字段進(jìn)行加密保護(hù)。如果在低級的地方進(jìn)行加密，就會因為過于相信底層的系統(tǒng)元素，而這些離用戶層太遠(yuǎn)，即使被替換也不會引起用戶的注意，這就引入了脆弱性；如果加密模塊離用戶太近，用戶的頻繁干預(yù)會很容易引入錯誤，不適合平常的使用?；谝陨峡紤]，一個網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)在保證安全的同時，還要保證系統(tǒng)的運行效率和易用性。所以本文設(shè)計的加密系統(tǒng)體現(xiàn)出以下原則 ：
 
    (1)易用性。無論客戶端還是服務(wù)器端，用戶都不用關(guān)心加密和解密操作，所有的加解密操作和用戶身份認(rèn)證操作都由安全模塊來自動完成；
 
    (2)安全性。采用多方面的安全機制，加密芯片自身具有身份認(rèn)證和很強物理防分析機制，并且密鑰的使用受用戶口令保護(hù)。設(shè)置3級密鑰管理體制，建立密鑰管理中心，制定統(tǒng)一的安全管理策略，對全網(wǎng)密碼設(shè)備的使用進(jìn)行統(tǒng)一的安全監(jiān)測和管理；
 
    (3)系統(tǒng)的高效率。加密系統(tǒng)不占用太多的內(nèi)存，盡量使用系統(tǒng)中的各種緩存，以保證系統(tǒng)的整體效率不受太大影響；
 
    (4)對嵌入式操作系統(tǒng)的其它部分影響盡量小。加密系統(tǒng)不干擾操作系統(tǒng)其它部分的執(zhí)行，安全模塊獨立。
 
    3 實現(xiàn)方式
 
    傳統(tǒng)用戶層實現(xiàn)方式中(如圖2所示)，安全模塊放在用戶層，在應(yīng)用程序要寫文件的時候，數(shù)據(jù)要從用戶層的應(yīng)用程序經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入系統(tǒng)核心層，核心層需要將數(shù)據(jù)交給應(yīng)用層的安全模塊處理，安全模塊將數(shù)據(jù)處理完畢后再經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入系統(tǒng)核一tl,層，最后核心層將數(shù)據(jù)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。數(shù)據(jù)在用戶層和核心層多次交換，應(yīng)用程序也需要在核心空問和用戶空問多次切換，在用戶空問和核心空問均需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，這樣必然使系統(tǒng)的效率降低，而且，運行在應(yīng)用層的安全模塊很容易受到威脅。比如運行在核心空間的進(jìn)程可以沒有任何限制地訪問應(yīng)用層的內(nèi)存，從而也就可以訪問安全模塊的內(nèi)存空問，導(dǎo)致機密信息泄漏。但是這樣實現(xiàn)具有系統(tǒng)兼容性好，實現(xiàn)簡單，對系統(tǒng)改動小的優(yōu)點，可以非常容易地在不同的操作系統(tǒng)上移植。
 

    我們所采用的核心層實現(xiàn)方式(如圖3所示)將安全模塊放到核心層實現(xiàn)，這樣數(shù)據(jù)只需從應(yīng)用程序所在的用戶空間通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入核心層，通過核心層的安全模塊進(jìn)行處理，也就沒有了多個空問層次的切換，系統(tǒng)的效率得到很大的提高。同時，將系統(tǒng)代碼固化在Flash中，不支持對系統(tǒng)存儲區(qū)域的寫操作，因此一般的網(wǎng)絡(luò)病毒或木馬無法植于系統(tǒng)的可執(zhí)行代碼存儲區(qū)中，這種固化特性使得通過客戶端來攻擊Web服務(wù)器變得非常困難。另外，在生成操作系統(tǒng)運行代碼時只開放了8080瀏覽端口，禁用了其它不必要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端口，通過網(wǎng)絡(luò)手段登陸客戶端再進(jìn)而以合法身份對Web服務(wù)器進(jìn)行攻擊也是不易做到的。線路上的中問攻擊因為加密而難以實施，并且如果Web服務(wù)器沒有受到攻擊，則瀏覽安全的Web服務(wù)器～ 般不會受到攻擊。所以，核心層實現(xiàn)方式所采用的系統(tǒng)固化、禁用服務(wù)、關(guān)鍵配置設(shè)定等安全增強措施極大的提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

    4 網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
 
    4．1 Microwindows和TinyWidgets基礎(chǔ)

    Microwindows(如圖4所示)是一個著名的開放源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux的小型設(shè)備和平臺上。作為XWindow的替代品，Microwindows可以使用更少的RAM和文件存儲空間(100 K~600 K)提供與x Window 相似的功能。Microwindows允許設(shè)計者輕松加入各種顯示設(shè)備、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤等 。

    Microwindows的可移植性非常好，基本上用c語言實現(xiàn)，只有某些關(guān)鍵代碼使用了匯編以提高速度。Microwindows支持Intel 16位、32位cPu，MIPS R4000以及ARM 芯片。盡管Microwindows完全支持Linux，但是它內(nèi)部的可移植結(jié)構(gòu)是基于一個相對簡單的屏幕設(shè)備接口，可在許多不同的RTOS和裸機上運行。Microwindows系統(tǒng)以圖形方式支持在主機平臺上的仿真目標(biāo)平臺。這樣， 為Linux設(shè)計的Microwindows應(yīng)用程序就可以在臺式機上進(jìn)行編寫和開發(fā)而不用進(jìn)行交叉編譯就可測試和運行，并且直接在目標(biāo)平臺上運行。
 
    MicroWindows是一個基于典型客戶／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的GUI系統(tǒng)，基本分為3層。最底層是面向圖形輸出和鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏的驅(qū)動程序；中間層提供底層硬件的抽象接口，并進(jìn)行窗口管理；最高層分別提供兼容于X．Window和WindowscE(win32子集)的API。但由于Microwindows沒有實現(xiàn)窗口管理，這樣對窗口的管理就需要系統(tǒng)提供一個插件集。TinyWidget就是這樣的一個控件集供程序員來調(diào)用。TinyWidge~是一個基于Microwindows的c控件集，提供了一些比較基本的控件對象，比如窗口、按鈕、標(biāo)簽、文本輸入框、列表框和組合框等。
 
    4．2 uClinux及其文件系統(tǒng)構(gòu)建方案
 
    嵌入式操作系統(tǒng)uClinux(micro．contro1．Linux)是模塊化，簡化版的Linux，具有可剪裁、可配置、高安全性、好的可移植性和擴(kuò)展性等特點，容易進(jìn)行升級換代，以不斷適應(yīng)新的應(yīng)用 。 

    uClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個方面，首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級塊(superblock)需要更少的存儲空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理。ram盤將采用ext2(第二擴(kuò)展文件系統(tǒng))或者jffs2(日志閃存文件系統(tǒng))。
 
    因此，綜合考慮存儲空間可用性因素，我們可以混合使用romfs和jffs2文件系統(tǒng)。使用romfs文件系統(tǒng)可以得到更大的空間節(jié)省和更快的運行速度，使用jfs2文件系統(tǒng)可以為用戶提供讀寫空間，方便用戶添加自己的個人文件和數(shù)據(jù)。Romfs文件系統(tǒng)作為uClinux的根文件系統(tǒng)，可以將jffs2文件系統(tǒng)掛載到romfs的／home目錄下供用戶來讀寫。
 
    4．3 具體實現(xiàn)
 
    我們采用Microwindows做界面，在uClinux下通過調(diào)用智能卡的命令實現(xiàn)對信息的加解密操作。具體實現(xiàn)包括：①身份認(rèn)證，保證通信雙方身份的有效；②采用高強度加密算法對通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，上傳時相關(guān)數(shù)據(jù)被加密，下收時相關(guān)數(shù)據(jù)首先被解密，然后再作另行處理；⑧ 安全報文傳送，保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和對發(fā)送方的認(rèn)證。
 
    4-3．1 身份認(rèn)證
 
    客戶端的身份是由安全模塊確定的，每一個安全模塊具有一個惟一的ID號，在實際交易前，客戶端發(fā)送簽到報文將ID號上傳服務(wù)器，服務(wù)器首先檢驗該ID的合法性，通過后則下發(fā)加密后的工作密鑰，如果客戶端能夠解密得出工作密鑰并繼續(xù)進(jìn)行交易，則表明服務(wù)器的身份是合法的，從而完成對客戶端的實體認(rèn)證；簽到完成后，服務(wù)器要求用戶輸入用戶名、口令，并對ID號、用戶名、口令進(jìn)行驗證，完成對客戶的身份認(rèn)證。
 
    4．3．2 加解密
 
    加解密采用的是已經(jīng)燒到智能卡中的高強度對稱加密算法和128位的數(shù)據(jù)加密密鑰對傳輸報文中的關(guān)鍵敏感字段進(jìn)行加密。
 
    (1)數(shù)據(jù)加密步驟
    第1步：用LD表示明文數(shù)據(jù)的長度，在明文數(shù)據(jù)前加上LD產(chǎn)生新數(shù)據(jù)塊；
 
    第2步：將第1步中生成的數(shù)據(jù)塊分解成8字節(jié)數(shù)據(jù)塊，標(biāo)號為D ，D ，D ，D 等。最后一個數(shù)據(jù)塊的長度有可能不足8位；
 
    第3步：如果最后(或惟一)的數(shù)據(jù)塊長度等于8字節(jié)，轉(zhuǎn)入第4步；如果不足8字節(jié)，在右邊添加16進(jìn)制數(shù)字“80”。如果長度已達(dá)8字節(jié)，轉(zhuǎn)入第4步；否則，在其右邊添加1字節(jié)16進(jìn)制數(shù)字“0”直到長度達(dá)到8字節(jié)；
 
    第4步：對每個數(shù)據(jù)塊用相應(yīng)的密鑰進(jìn)行加密；
 
    第5步：計算結(jié)束后，所有加密后的數(shù)據(jù)塊依照原順序連接在一起(加密后的D ，加密后的D：等)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)塊插入到命令數(shù)據(jù)域中。
 
    (2)數(shù)據(jù)解密步驟
 
    第1步：將命令數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)塊分解成8字節(jié)長的數(shù)據(jù)塊，標(biāo)號為D ，D ，D ，D4等，用與加密相同的密鑰進(jìn)行解密；
    第2步：計算結(jié)束后，所有解密后的數(shù)據(jù)塊依照順序(解密后的D。，解密后的D 等)鏈接在一起。數(shù)據(jù)塊由LD，明文數(shù)據(jù)，填充字符組成；
    第3步：因為LD表示明文數(shù)據(jù)的長度，因此，它被用來恢復(fù)明文數(shù)據(jù)。
 
    4-3-3 安全報文傳送

    數(shù)據(jù)完整性和對發(fā)送方的認(rèn)證通過使用消息認(rèn)證碼MAC(message authentication code)來實現(xiàn)。MAC是消息內(nèi)容和密鑰的公開函數(shù)，其輸出是定長的短數(shù)據(jù)塊：MAC=C(M，K)。其中M 是消息內(nèi)容，K是通信雙方共享的密鑰，C是MAC值的生成算法。算法C要求已知M1和C(M1．K)，無法構(gòu)造出滿足C(M2，K)=C(Ml，K)的報文M2，所以MAC能惟一鑒別原報文。消息鑒別密鑰(MAK)利用3DES算法計算交易信息的MAC值進(jìn)行消息鑒別，通過對報文進(jìn)行消息鑒別運算，確保報文不被篡改。
 
    (1)3DES算法：3DES算法是指使用16字節(jié)密鑰K=(KL，KR)將8字節(jié)明文數(shù)據(jù)塊加密成8字節(jié)密文數(shù)據(jù)塊，如下所示：Y=DES(KL)[DES．1(KR)[DES(KL[x])]]。解密的方式如下：x=DES．1(KL)[DES(KR)[DES．1(KL[Y])]]。
 
    (2)消息鑒別算法：提取傳輸報文中的關(guān)鍵敏感字段，以8字節(jié)為單位劃分成若干個數(shù)據(jù)塊，當(dāng)最后的數(shù)據(jù)塊長度不足8字節(jié)時后補OX00。劃分完畢后，將每一個數(shù)據(jù)塊作為一個參與運算的數(shù)據(jù)塊(D )，初值為8字節(jié)的十六進(jìn)制0。最終得到MAC值是計算結(jié)果 。左側(cè)取得的4字節(jié)長度十六進(jìn)制數(shù)。算法流程如圖5所示 。
 
    5 結(jié)束語
 
    本系統(tǒng)針對客戶端網(wǎng)絡(luò)接入開放性結(jié)構(gòu)的安全保密需求，綜合采用多種安全措施，實現(xiàn)了對交易信息關(guān)鍵字段的傳輸加密保護(hù)與消息認(rèn)證，確保交易信息安全及其加密設(shè)備的安全，具有較強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。由于系統(tǒng)采用了公開源代碼的操作系統(tǒng)，使得集成各種通信應(yīng)用成為可能，能夠很好的適應(yīng)未來金融通信的發(fā)展。

    在以后的工作中，我們還需要從硬件、穩(wěn)定性、使用環(huán)境各方面加強系統(tǒng)的抗攻擊能力。