電子現(xiàn)金方案是基于《中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范（V2.0）》實(shí)現(xiàn)的小額支付功能，支持圈存、消費(fèi)、查詢等。安全的智能卡片內(nèi)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵問(wèn)題。

    智能卡芯片因包含有片內(nèi)存儲(chǔ)器的自動(dòng)偵測(cè)模塊，能保證在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法通過(guò)反剖析手段獲取芯片內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
    目前網(wǎng)上銀行使用的銀行卡加USB KEY的模式仍然存在安全漏洞[1]，本電子現(xiàn)金方案功能模式如圖1所示，數(shù)據(jù)完全在卡片內(nèi)部加解密，提高了安全性；電子現(xiàn)金賬戶是授權(quán)消費(fèi)的最大額度，分配給脫機(jī)交易使用，防止透支風(fēng)險(xiǎn)。

1 智能卡硬件
    SHC1302-N是一款基于ARM7的32 bit雙界面智能卡芯片，內(nèi)置256 KB的ROM、10 KB的RAM、144 KB的E2PROM、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、CRC模塊等；符合ISO14443D的Type A/B通信協(xié)議和硬件自動(dòng)識(shí)別通信協(xié)議；具有256 B的收發(fā)FIFO；Type A模式支持106 Kb/s、212 Kb/s，Type B模式支持106 Kb/s；符合ISO/IEE7816協(xié)議，支持T=0、T=1協(xié)議。
2 COS結(jié)構(gòu)模型
    常見(jiàn)的片內(nèi)操作系統(tǒng)COS(Card Operating System)結(jié)構(gòu)模型有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和外核結(jié)構(gòu)4種。COS的設(shè)計(jì)必須解決文件操作、鑒別與驗(yàn)證、安全機(jī)制[2]三個(gè)問(wèn)題。如圖2所示，選擇擴(kuò)展性好、復(fù)雜度低、靈活性好的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；使用Metrowerks CodeWarrior for ARM Developer Suite建立COS工程文件。

3 文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 文件結(jié)構(gòu)
    如圖3所示，文件結(jié)構(gòu)是以主文件MF(Master File)為系統(tǒng)根文件、專用文件DF(Dedicated File)為枝葉和基本文件、EF(Elementary File)為葉的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。MF在卡內(nèi)有且僅有一個(gè)，映射為一個(gè)目錄定義文件DDF(Directory Definition File)，其應(yīng)用標(biāo)示符AID(Application Identifier)定義為0X3F00。根據(jù)DF以下是否包含子DF，將DF分為DDF和應(yīng)用定義文件ADF(Application Definition File)。EF分為二進(jìn)制文件、定長(zhǎng)記錄文件、非定長(zhǎng)記錄文件和循環(huán)定長(zhǎng)記錄文件。每個(gè)DDF有一個(gè)目錄文件DIR(Directory File)，且為變長(zhǎng)記錄文件。每一條記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)DF信息。ADF下沒(méi)有DIR文件。

3.2 文件系統(tǒng)邏輯和物理關(guān)系
    文件系統(tǒng)在邏輯上的關(guān)系：文件結(jié)構(gòu)以二叉樹(shù)的形式存在，左兒子是根的第一個(gè)創(chuàng)建文件，右兒子是和根同一層次的文件。
    文件系統(tǒng)的物理關(guān)系：先創(chuàng)建的文件在前面，后創(chuàng)建的文件在后面，一直保持這個(gè)次序不變。每個(gè)DF只有文件頭(即文件描述塊)，包含對(duì)文件和應(yīng)用的描述，例如文件大小、文件類型、文件標(biāo)識(shí)等。每個(gè)EF包含文件頭和文件體，文件體保存文件的實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容。每個(gè)DF所占空間等于DF頭空間，每個(gè)EF所占空間等于EF頭空間加EF文件體所占空間。
3.3 文件API接口
    文件API接口有：創(chuàng)建文件fs_create、刪除文件fs_del_all、按應(yīng)用標(biāo)識(shí)符查找文件aidfindnode、按全名查找文件fidfindnode、按短文件名查找文件sfifindnode、寫(xiě)文件memory_write和讀文件memory_read。
4 應(yīng)用管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 命令解析
    由于命令報(bào)文的指令字節(jié)INS(Instruction Byte of Command Message)大多不相同，因此采用switch語(yǔ)句，用INS區(qū)分命令入口地址。若多個(gè)命令的INS相同，則在函數(shù)體內(nèi)，利用命令報(bào)文的類別字節(jié)CLA(Class Byte of the Command Message)、參數(shù)1 P1(Parameter 1)、參數(shù)2 P2(Parameter 2)來(lái)進(jìn)一步判斷。電子現(xiàn)金命令報(bào)文編碼及響應(yīng)報(bào)文編碼可參見(jiàn)JR/T 0025.5-2010附錄B。
    X.509標(biāo)準(zhǔn)中將PKI(Public Key Infrastructure)定義為支持公開(kāi)密鑰管理，并能支持認(rèn)證、加密、完整性和可追究性服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。PKI命令報(bào)文編碼及響應(yīng)報(bào)文編碼可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。在switch語(yǔ)句中，添加PKI命令的入口，使其與電子現(xiàn)金命令并行存在，如圖4所示。

范圍，與僅支持離線或僅支持在線的電子現(xiàn)金方案[5-6]相比，更易于使用。
5 安全機(jī)制設(shè)計(jì)
    建立完整的安全機(jī)制是保護(hù)信息系統(tǒng)安全的關(guān)鍵[7]。
5.1 文件訪問(wèn)控制與防交叉
    在創(chuàng)建文件時(shí)，設(shè)定文件的讀寫(xiě)刪除等權(quán)限，只有滿足權(quán)限時(shí)，才能進(jìn)行相應(yīng)操作。在執(zhí)行命令時(shí)，判斷當(dāng)前目錄文件，不允許跨應(yīng)用訪問(wèn)私有文件。
5.2 數(shù)據(jù)備份與防掉電
    設(shè)置備份區(qū)標(biāo)志變量：在每次更新敏感數(shù)據(jù)前（如交易明細(xì)、余額），置位標(biāo)志變量，并將原有數(shù)據(jù)備份。數(shù)據(jù)更新完成后，復(fù)位標(biāo)志變量。卡片上電復(fù)位后，檢查標(biāo)志變量。如果備份區(qū)有效，則從備份區(qū)恢復(fù)上次交易數(shù)據(jù)；如果備份區(qū)無(wú)效，則開(kāi)始新的交易。
5.3 密鑰體系
    密鑰體系分為對(duì)稱密鑰體系和非對(duì)稱密鑰體系。對(duì)稱密鑰體系采用三級(jí)密鑰，主要用于應(yīng)用請(qǐng)求密文的生成，發(fā)卡銀行驗(yàn)證以及腳本信息的加解密等；發(fā)卡方保存主密鑰，主密鑰分散產(chǎn)生子密鑰；子密鑰存儲(chǔ)在智能中，子密鑰分散產(chǎn)生過(guò)程密鑰；采用DES及3-DES算法。非對(duì)稱密鑰體系主要用于脫機(jī)數(shù)據(jù)認(rèn)證，是一個(gè)二級(jí)認(rèn)證中心CA(Certificate Authority)架構(gòu)，包括根CA和發(fā)卡行CA；使用非對(duì)稱加密算法RSA、哈希算法SHA-1（見(jiàn)GB/T 18238.3）。PKI系統(tǒng)可以為用戶建立一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，保證電子現(xiàn)金系統(tǒng)不可重復(fù)花費(fèi)并具有防偽性[8]。
5.4 交易風(fēng)險(xiǎn)控制
    當(dāng)發(fā)生交易取消時(shí)，電子現(xiàn)金系統(tǒng)可以采用一些補(bǔ)償措施[9]。設(shè)置了電子現(xiàn)金余額上限、電子現(xiàn)金單筆交易限額等數(shù)據(jù)元來(lái)限制交易額度。當(dāng)交易金額大于電子現(xiàn)金單筆交易限額時(shí)，拒絕電子現(xiàn)金交易，轉(zhuǎn)而進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)借/貸記交易。當(dāng)圈存或現(xiàn)金充值超過(guò)電子現(xiàn)金余額上限時(shí)，拒絕該筆交易。
6 雙界面通信設(shè)計(jì)
    雙界面通信設(shè)計(jì)是對(duì)讀寫(xiě)設(shè)備發(fā)出的命令進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)接觸式與非接觸式兩種通信方式。設(shè)有如下4個(gè)API接口：
    (1)硬件時(shí)鐘頻率init_io：仿真模式時(shí)為7.5 MHz，正常模式為30 MHz。通信接口根據(jù)標(biāo)識(shí)變量，自動(dòng)判斷是7816協(xié)議還是14443協(xié)議，并初始化和接收第一個(gè)指令。如果是7816協(xié)議，則發(fā)送ATR，其指令最大長(zhǎng)度為256 B。
    (2)接觸式接收os7816RxCommand：先接收5 B指令，然后判斷有無(wú)后續(xù)數(shù)據(jù)，若有再接收剩余數(shù)據(jù)。
    (3)接觸式返回os7816TxResponseRxCommand：如果只返回SW1(Status Word One)、SW2(Status Word Two)就直接發(fā)送，如果還有其他數(shù)據(jù)，就要先發(fā)送INS，再發(fā)送數(shù)據(jù)，最后發(fā)送SW1、SW2。
    (4)非接觸模式命令的接收和發(fā)送os14443TxResponseRxCommand。
    在接收命令時(shí)，不對(duì)報(bào)文的正確性做出判斷，命令解析和處理時(shí)再作判斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)命令接收有錯(cuò)時(shí)，在響應(yīng)命令中回復(fù)錯(cuò)誤代碼，留待后續(xù)功能模塊處理。
7 電子現(xiàn)金系統(tǒng)測(cè)試
    COS測(cè)試分為硬件仿真器測(cè)試和智能卡測(cè)試兩個(gè)部分，硬件仿真系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)后，進(jìn)行卡片測(cè)試。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)及具體需求設(shè)計(jì)測(cè)試用例，一般100%覆蓋需求，而對(duì)結(jié)構(gòu)的覆蓋率達(dá)到所要求的即可[10]。
    2901Download工具支持Gemplus433ACR30S、ACR30U讀卡器(PCSC)。啟動(dòng)2901Download工具，將COS的二進(jìn)制文件下載到智能卡內(nèi)。使用腳本命令在智能卡上創(chuàng)建文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行卡片個(gè)人化。
    SHC6210H 仿真器是集合了評(píng)估板和J-Link 仿真調(diào)試模塊的一體化仿真系統(tǒng)，可以通過(guò)JTAG 方式對(duì)芯片的片上程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試、裝載項(xiàng)目工程文件，進(jìn)入仿真模式。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持代碼的下載、全速運(yùn)行、單步運(yùn)行、跟蹤運(yùn)行、運(yùn)行到光標(biāo)處、斷點(diǎn)等調(diào)試功能，支持存儲(chǔ)器觀測(cè)、修改、填充、加載等功能。該系統(tǒng)完全在硬件內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密和數(shù)字簽名等操作，解決了U盾和銀行卡分離引起的安全漏洞；自動(dòng)選擇在線與離線模式，降低了電子現(xiàn)金系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求；支持接觸式和非接觸式兩種通信模式，增強(qiáng)了系統(tǒng)靈活性；微內(nèi)核層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可擴(kuò)展性；防交叉文件訪問(wèn)控制，保證了各應(yīng)用相互獨(dú)立；對(duì)稱密鑰體系和非對(duì)稱密鑰體系互補(bǔ)使用，提高了系統(tǒng)效率；引入交易限額等數(shù)據(jù)元并進(jìn)行敏感數(shù)據(jù)備份，控制了交易風(fēng)險(xiǎn)。
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