校園一卡通系統(tǒng)密鑰管理設(shè)計思路淺析

文章出處：http://srpd123.com 作者：李振濤 人氣： 發(fā)表時間：2011年07月14日

         IC卡又稱智能卡(Smart Card)，即集成電路卡(Integrated Circuit Card)。它是將一個集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式。IC卡芯片具有寫入和存儲數(shù)據(jù)的能力，IC卡存儲器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件的供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判定之用。

        校園一卡通系統(tǒng)（簡稱校園卡系統(tǒng)）是一個多功能IC卡應(yīng)用系統(tǒng)。所謂“多功能”，是指以一張IC卡同時支持多種不同的應(yīng)用子系統(tǒng)，而各個子應(yīng)用系統(tǒng)本身是在統(tǒng)一規(guī)劃的前提下分別開發(fā)的，包括學(xué)生上機(jī)管理、食堂收費管理、圖書館管理、校內(nèi)小額消費、教務(wù)處學(xué)生成績管理、學(xué)生選課、學(xué)生處的管理、校醫(yī)院醫(yī)療等，而這些管理項目用IC卡應(yīng)用系統(tǒng)都能很好的實現(xiàn)；其次，學(xué)校是一個相對獨立的實體，這就為整個系統(tǒng)在設(shè)計中整體規(guī)劃，在實現(xiàn)中分步進(jìn)行，在使用中統(tǒng)一管理、統(tǒng)一結(jié)算打下了堅實的基礎(chǔ)。

        實現(xiàn)這樣一個多功能校園卡系統(tǒng)，無疑具有巨大的優(yōu)越性。從學(xué)校講，這樣的系統(tǒng)將大大降低整個系統(tǒng)的成本，減少IC卡生命周期（指IC卡發(fā)放、使用及回收的全過程）的維護(hù)工作量和整個系統(tǒng)的維護(hù)工作量；從使用者角度講，用一張IC卡就能完成系統(tǒng)所覆蓋的各種應(yīng)用，實現(xiàn)“一卡通全校”，這將極大方便使用者。此外，在學(xué)校的各個管理部門內(nèi)引入基于IC卡的計算機(jī)管理系統(tǒng)，對于提高工作效率和管理水平、減少現(xiàn)金流通、實施更加有效的財務(wù)監(jiān)督等，都將有很大好處。

        對于這樣一個多功能IC卡應(yīng)用系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全顯得尤為重要。為了杜絕偽卡、防止非授權(quán)用卡、以及防止個人隱私泄漏必須使用現(xiàn)代密碼技術(shù)。

        隨著密碼技術(shù)在民用領(lǐng)域的普遍使用，標(biāo)準(zhǔn)密碼算法（如AES、DES、RSA、IDEA等）的細(xì)節(jié)都是公開的。這樣，用密碼技術(shù)保護(hù)的信息系統(tǒng)的安全就應(yīng)取決于對密鑰的保護(hù)，而不是對密碼算法或設(shè)備本身的保密，即“所有秘密寓于密鑰之中”，密鑰管理在安全保密系統(tǒng)的設(shè)計中就顯得更加重要。

    二、 密鑰的管理

        1、密鑰管理的基本要求

        密鑰管理歷來是一個很棘手的問題。它不僅與技術(shù)有關(guān)，還與人的因素有關(guān)。技術(shù)上再完善，通過人員這個口子仍然可能把核心機(jī)密泄露出去。特別是當(dāng)密鑰管理存在一些漏洞或薄弱環(huán)節(jié)時，從密鑰管理的途徑竊取機(jī)密要比單純從破譯的途徑竊取機(jī)密的代價要小得多。

        密鑰管理主要包括密鑰的產(chǎn)生、檢驗、分配、傳遞、保管、使用和銷毀等過程。好的密鑰管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡量不依賴人的因素，其具體要求如下：

        1）密鑰難以被非法竊?。?br />  

        2）在一定條件下竊取了密鑰也沒有用；
 

        3）密鑰的分配和更換過程在用戶看來是透明的，用戶不一定要親自掌握密鑰。

        這三點也是評價一個密鑰管理系統(tǒng)性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。
 

        校園卡系統(tǒng)的密鑰管理方式是在現(xiàn)實環(huán)境的制約下，盡量滿足這三項要求來設(shè)計的。

    2、校園卡系統(tǒng)密鑰管理體制

        在建立校園卡系統(tǒng)密鑰管理體制時，還要考慮了以下幾方面的情況：

        1）校園卡系統(tǒng)是建立在非實時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基礎(chǔ)上的，為保證在非聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下系統(tǒng)的正常運行，不能采用實時的交互式密鑰交換協(xié)議；
 

        2）校園卡系統(tǒng)是一個專用系統(tǒng)，對開放性要求不高，可以采用單鑰密碼體制來管理密鑰；
 

        3）充分利用IC卡內(nèi)部的主密碼區(qū)、各區(qū)分區(qū)密碼區(qū)和擦除密碼區(qū)，將其納入整個系統(tǒng)的密鑰管理體系，統(tǒng)一管理。

        校園卡系統(tǒng)的密鑰管理體制采用一種二級密鑰管理體制，主密鑰由人工注入，通過密鑰協(xié)議產(chǎn)生工作密鑰，分別寫入主密碼區(qū)、各分區(qū)密碼區(qū)和擦除密碼區(qū)，用工作密鑰來保證IC卡，以及校園卡管理中心、校園卡結(jié)算中心和各應(yīng)用子系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)的安全性。

    2．1 校園卡系統(tǒng)工作密鑰產(chǎn)生、存儲、使用協(xié)議

        校園卡系統(tǒng)密鑰管理體制AT88SC1604卡有一個主密碼區(qū)，4個分區(qū)密碼區(qū)和4個擦除密碼區(qū)，這些密碼區(qū)的內(nèi)容必須在個人化IC卡時寫入。在設(shè)計校園卡系統(tǒng)時，我們曾了解過一些IC卡應(yīng)用系統(tǒng)，其IC卡上密碼區(qū)的數(shù)據(jù)是由無密鑰控制的簡單算法（如異或、取反、移位等）生成的，其安全性顯然是很差的

        校園卡系統(tǒng)中對IC卡上各密碼區(qū)數(shù)據(jù)提出的要求是：

        1）必須由專用的密碼算法生成，以保證強(qiáng)度；

        2）密碼區(qū)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性要好；
 

        3）密碼區(qū)數(shù)據(jù)要和個人信息聯(lián)系；

        4）密碼區(qū)數(shù)據(jù)能由各應(yīng)用子系統(tǒng)獨立生成，不能依賴網(wǎng)絡(luò)；
 

        5）IC卡各分區(qū)的安全性要獨立，并體現(xiàn)分級保護(hù)原則；

        校園IC卡主密碼、各分區(qū)密碼和分區(qū)擦除密碼的產(chǎn)生方法如圖2-1所示。持卡人的姓名、身份證號經(jīng)過一個初始運算后，其結(jié)果與4個獨立的主密鑰（一級密鑰）K1、K2、K3、K4一起參與加密運算DES、IDEA、流密碼和DES，產(chǎn)生工作密鑰（二級密鑰），該工作密鑰的某些字節(jié)分別作為主密碼、各分區(qū)密碼和擦除密碼，在個人化IC卡時寫入IC卡的主密碼區(qū)、各分區(qū)密碼區(qū)以及擦除密碼區(qū)。 

校園卡“密鑰”產(chǎn)生方法

        由于采用不同密碼算法生成不同密碼區(qū)密碼，保證了各密碼區(qū)密碼的隨機(jī)性以及相對獨立性，而且通過各密碼區(qū)數(shù)據(jù)，要想計算出主密鑰，在計算上是不可能的應(yīng)用子系統(tǒng)通過系統(tǒng)操作員卡獲得該應(yīng)用所需的一級主密鑰（詳見下述），當(dāng)需要對IC卡操作時，從IC卡檔案區(qū)讀出持卡人姓名和身份證號，并完成初始運算和相應(yīng)的加密運算，產(chǎn)生該IC卡的主密碼、某分區(qū)的分區(qū)密碼和擦除密碼，便可對IC卡操作了。

        該產(chǎn)生方法滿足了以上提出的五項要求，它與AT88SC1604卡的硬件保護(hù)措施相結(jié)合（如熔絲后各區(qū)密碼只能比較，不能讀出；密碼連續(xù)比較錯誤，將使IC卡損壞），較好地保證了校園卡系統(tǒng)中IC卡的安全性。

    2．2 數(shù)據(jù)傳輸密鑰管理協(xié)議

        為保證校園卡管理、結(jié)算中心和各應(yīng)用子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)（主要是電子底帳）傳輸?shù)陌踩?，必須對傳輸?shù)據(jù)進(jìn)行加密和認(rèn)證，以保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性和有效性。傳輸數(shù)據(jù)的加密和認(rèn)證也是在工作密鑰的控制下進(jìn)行的。以上機(jī)收費子系統(tǒng)為例，它與校園卡管理、結(jié)算中心間傳遞的數(shù)據(jù)中，只有電子底帳是經(jīng)過加密和認(rèn)證的，其使用的工作密鑰產(chǎn)生協(xié)議如圖2-2所示。 

數(shù)據(jù)傳輸密鑰產(chǎn)生方法

        “底帳時戳”是產(chǎn)生工作密鑰的參數(shù)，它是用來標(biāo)記每個機(jī)房每天產(chǎn)生底帳的唯一標(biāo)識，每個電子底帳文件都具有唯一的時戳。“底帳時戳”由機(jī)房管理機(jī)產(chǎn)生并維護(hù)，附在電子底帳中一起傳到結(jié)算中心。結(jié)算中心從底帳文件中獲得該底帳的時戳，并和該機(jī)房的主密鑰一起產(chǎn)生工作密鑰，從而對電子底帳解密和認(rèn)證。

        采用這種二級密鑰管理體制，保證了每個底帳文件用不同的工作密鑰進(jìn)行加密、認(rèn)證，并且不需要機(jī)房和結(jié)算中心之間進(jìn)行交互對話，從而簡化了管理過程，適合現(xiàn)在的管理模式。

    2．3 應(yīng)用子系統(tǒng)主密鑰注入?yún)f(xié)議

        為了保證校園卡系統(tǒng)的非聯(lián)網(wǎng)運行能力，各應(yīng)用子系統(tǒng)必須要在本地管理所需的主密鑰（一級密鑰），而不能每次運行都從校園卡管理中心獲得主密鑰，尤其對于產(chǎn)生IC卡密碼區(qū)數(shù)據(jù)的主密鑰更是如此。因此，在校園卡系統(tǒng)中，采用了專用的密鑰注入設(shè)備——操作員卡。

        目前采用的操作員卡也是一張AT88SC1604卡，其內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)加密存儲了系統(tǒng)信息（如機(jī)房號、操作員號）、本系統(tǒng)所需的密鑰信息、以及操作員卡認(rèn)證信息。每個獨立的系統(tǒng)有一張。

        系統(tǒng)啟動時，操作員插入操作員卡，并輸入口令，該口令經(jīng)一個單向函數(shù)變換后。產(chǎn)生的結(jié)果必須與操作員卡中存儲的認(rèn)證信息的某些分量一致，才能啟動系統(tǒng)。這就保證了只有操作員卡的合法擁有者才能憑操作員卡啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動后，從操作員卡中讀出系統(tǒng)信息和密鑰信息，就能開始正常運行。

        采用操作員卡作為密鑰注入設(shè)備，充分利用了AT88SC1604卡的硬件加密措施。它與系統(tǒng)使用的軟件加密措施相結(jié)合，保證了主密鑰的安全。此外，使用操作員卡保存主密鑰，便于主密鑰的更換（需要時回收操作員卡，重新寫入密鑰，并更新管理中心密鑰數(shù)據(jù)庫即可），這也符合現(xiàn)代密鑰管理的要求，提高了系統(tǒng)的安全性。

    三、小結(jié)

        校園卡系統(tǒng)的密鑰管理體制，是按照現(xiàn)代信息系統(tǒng)密鑰管理的一般要求，并結(jié)合校園卡系統(tǒng)的具體情況建立起來的一種二級密鑰管理體制。它具有很好的安全性，同時對應(yīng)用系統(tǒng)操作人員是透明的，能較好滿足了校園卡系統(tǒng)中密鑰管理的要求。