社保CPU卡的安全體系研究
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IC卡(Integrate Circuit Card)是將集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式，它因體積小、存儲容量大、安全性高、使用方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。IC卡分為存儲卡(Memory Card) 、邏輯加密卡（Logical Encrypt Card）和CPU卡(CPU Card)。中華人民共和國社會保障卡（簡稱社保卡）使用的是CPU卡。勞動和社會保障部于1999 年制定并發(fā)布了《社會保障卡建設(shè)總體規(guī)劃》，按照此規(guī)劃，社?？▽嵭?ldquo;一卡多用”和“全國通用”。社?？ㄗ鳛閯趧诱咴趧趧颖Ｕ项I(lǐng)域辦理有關(guān)事務(wù)的身份驗證和交易消費的唯一電子憑證，其安全性尤為重要。
1 社?？▋?nèi)部結(jié)構(gòu)
1.1 物理結(jié)構(gòu)
社?？ǖ膬?nèi)部包含五部分：CPU 及加密邏輯、RAM、ROM、EEPROM 及I/O，是一個完整的計算機安全體系[1]，如圖1 所示。
其中，CPU 及加密邏輯保證EEPROM 中數(shù)據(jù)安全， 防止外界用非法手段獲取EEPROM中的數(shù)據(jù)；RAM 存放命令參數(shù)、返回結(jié)果、安全狀態(tài)、臨時密鑰等數(shù)據(jù)，掉電后自動丟失。社保卡操作系統(tǒng)COS 掩膜在ROM 中，保證COS 的代碼安全。用戶信息以文件形式存放在EEPROM 中，在擁有相應(yīng)權(quán)限的前提下可進行讀或?qū)憽?
1.2 文件組織結(jié)構(gòu)
社保卡的文件系統(tǒng)是完全遵照《社會保障（個人）卡規(guī)范》[2]和ISO/IEC 7816-4 [3] 來組織的， 它是具有樹型結(jié)構(gòu)的多級目錄系統(tǒng)， 由主文件MF（Master File）、目錄文件DF（Directory File）、和基本文件EF（Element File）組成，其中包含下級目錄的DF 為DDF，不包含下級目錄的DF 為ADF。文件系統(tǒng)在社?？ǖ腅EPROM 中建立。MF 在社?？▋?nèi)唯一存在，在MF 和DF 下可以有多個EF 和多個下一級DF。社保卡支持多層目錄結(jié)構(gòu)，同層目錄中文件不能有相同的ID。在應(yīng)用系統(tǒng)中，各個不同的應(yīng)用可以創(chuàng)建不同的DF，使一張社保卡可以適用于多個應(yīng)用。社保卡具體的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 社?？ò踩w系的設(shè)計要求
社?？ǖ陌踩w系有以下幾個階段：在芯片制造商完成芯片的制造后，社?？ㄌ幱谖闯跏蓟癄顟B(tài)；卡片制造廠商封裝完成后進行初始化和檢測，此時社?？ㄌ幱诔跏蓟A段；初始化和檢測完成后社?？ㄌ幱谖磦€人化階段；發(fā)卡方使用專用密鑰進行個人化，此時處于個人化階段，這個過程中發(fā)卡方設(shè)計自己應(yīng)用的安全體系并封裝到卡片中，當個人化過程結(jié)束后，社?？ㄔ诎l(fā)卡方規(guī)劃的安全體系的保護下對《社會保障（個人）卡規(guī)范》和ISO/IEC7816-4 中的指令進行解釋和執(zhí)行。因此，社保卡安全體系的設(shè)計需具備以下要求：
從設(shè)計上保證即使攻擊者（含設(shè)計者）得到社?？ùa，也不會影響卡片安全性。
卡片中所有密鑰（口令密鑰、密碼算法密鑰）無論在什么條件下均不可由外界讀出，因而卡片密鑰內(nèi)容是不可復(fù)制的。
卡片中對文件的讀寫根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計安全級別，必須保證擁有相應(yīng)的級別才可讀或?qū)憽?
無其它隱含命令可直接讀寫卡中的數(shù)據(jù)。
ROM 中的代碼不能從外部讀出，也不能被駐留在EEPROM 中的程序讀取。
EEPROM 中的數(shù)據(jù)只能通過社?？钤L問。
3 社?？ò踩w系劃分
社保卡的安全體系可分為社?？ㄗ陨戆踩c應(yīng)用安全。應(yīng)用安全又分為安全狀態(tài)、安全屬性、安全機制、密碼算法和密鑰管理等幾個方面。社保卡的核心軟件是卡內(nèi)操作系統(tǒng)COS（Chip Operation System）。社?？ㄍㄟ^COS 來管理卡內(nèi)軟硬件資源，并通過安全通道與外界交換信息，保證用戶數(shù)據(jù)安全的傳輸，達到社?？ò踩珣?yīng)用的目的。
3.1 安全狀態(tài)
安全狀態(tài)指的是一種安全級別。在環(huán)境目錄（DDF/MF）和應(yīng)用目錄（ADF）中各有15 個等級的安全狀態(tài)。環(huán)境目錄下的安全狀態(tài)，稱為全局安全狀態(tài)字；應(yīng)用目錄下的安全狀態(tài)，稱為局部安全狀態(tài)字。如果卡工作在環(huán)境目錄下（DDF/MF），則局部安全狀態(tài)無意義。
安全狀態(tài)是通過對KEY 進行外部認證后，將KEY 數(shù)據(jù)信息中的安全級別字（SSB）映射到安全狀態(tài)字上。若認證密鑰在DDF/MF 下，則映射到全局安全狀態(tài)字上；若認證密鑰在ADF 下，則映射到局部安全狀態(tài)字上。SSB 的高4 位表示安全級別的下限（1~15），SSB 的低4 位表示安全級別的上限（1~15）。假設(shè)KEY 的SSB 為‘XY’，表示認證KEY 成功后可獲得X 至Y 區(qū)域內(nèi)的安全級別。例如：在DDF/MF 下有Key1，其安全級別設(shè)置為‘46’，即SSB=‘46’。Key1 認證通過后，卡的全局安全狀態(tài)為4，5，6 三級。若在ADF 下有Key2，SSB=‘AD’，則Key2 認證通過后，卡的局部安全狀態(tài)為10、11、12、13 四級。若SSB=‘00’表示Key 認證通過后對安全狀態(tài)無影響。‘X’>‘Y’的組合為不合理數(shù)據(jù)。
3.2 安全屬性
安全屬性是指對社?？ǖ牟僮鳈?quán)限，用戶只有達到安全屬性規(guī)定的權(quán)限才能通過COS 命令對卡內(nèi)文件和KEY 進行操作。Right定義了對文件和KEY 操作的權(quán)限，用2 個字節(jié)表示，高字節(jié)對應(yīng)全局安全狀態(tài)，低字節(jié)對應(yīng)局部安全狀態(tài)。每個字節(jié)的高4 位表示安全狀態(tài)的下限，低4 位表示安全狀態(tài)的上限。假設(shè)權(quán)限的高字節(jié)為‘XY’，若‘X’‘Y’表示文件或KEY 的全局安全級別在‘X’至‘Y’區(qū)域內(nèi)，對文件或KEY 訪問前，先要滿足文件或KEY 的訪問權(quán)限；若‘X’>‘Y’，表示文件或KEY 被禁止訪問；若為‘0Y’，表示對文件或KEY 的訪問無安全級別限制。
安全屬性往往和COS 文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)， 根據(jù)對不同文件類型的操作權(quán)限，可以設(shè)計不同的安全屬性。
增加權(quán)限：在當前目錄下創(chuàng)建新文件的權(quán)限。
激活權(quán)限：激活失效安全機制的權(quán)限。
終止權(quán)限：永久終止的權(quán)限，對于MF 來說表示卡鎖定，對于ADF 文件來說表示當前應(yīng)用永久鎖定，即: 應(yīng)用失效。
讀權(quán)限：對EF 文件內(nèi)容的讀操作權(quán)限。
寫權(quán)限：對EF 文件內(nèi)容的寫操作權(quán)限。
安裝權(quán)限：表示安裝密鑰或密碼的權(quán)限。
使用權(quán)限：表示使用密鑰或密碼的權(quán)限。
修改權(quán)限：修改密鑰或密碼的權(quán)限。
解鎖權(quán)限：解鎖密碼PIN 的權(quán)限，此權(quán)限只有PIN 才有。
3.3 安全機制
安全機制是指安全狀態(tài)的改變所采用的方法和手段以及安全屬性和安全狀態(tài)之間的控制關(guān)系。COS 命令在執(zhí)行過程中，首先要檢查COS 環(huán)境所處的安全狀態(tài)是否符合執(zhí)行命令要求的安全屬性。假設(shè)當前COS 所處的是安全狀態(tài)A，執(zhí)行COS 命令安全屬性要求安全狀態(tài)B ， 在執(zhí)行COS 命令前要通過安全機制涉及安全提升方法，將安全狀態(tài)提升到安全狀態(tài)B ，這樣COS 命令才能正常執(zhí)行。安全狀態(tài)、安全機制、安全屬性，三者的關(guān)系見圖3。
社?？ǖ陌踩珯C制根據(jù)《社會保障（個人）卡規(guī)范》規(guī)定，有三方面的要求， 即： 內(nèi)部/外部認證、PIN 驗證和安全報文MAC(MessageAuthentication Code)。
3.3.1 內(nèi)部/外部認證：內(nèi)部認證和外部認證是一種互認證過程。內(nèi)部認證是用讀卡設(shè)備來認證卡， 保證卡的合法性， 內(nèi)部認證可以防止偽造的卡在讀卡設(shè)備上進行操作。外部認證是用卡來認證外部讀卡設(shè)備的合法性，外部認證可以防止惡意對卡進行操作，讀取和更改卡內(nèi)信息。外部認證還可以改變社?？ǖ陌踩珷顟B(tài)，一般卡內(nèi)存儲了多個外部認證密鑰，每個外部認證密鑰所能改變的安全狀態(tài)不一樣，在進行外部認證時，必須通過密鑰索引參數(shù)選擇相對應(yīng)的外部認證密鑰完成外部認證。
3.3.2 PIN 驗證：PIN 實際上就是密碼，根據(jù)《社會保障（個人）卡安全要求》[4]規(guī)定，社?？ㄖ挥幸粋€密碼PIN，持卡用戶可以修改密碼，通過密碼驗證，改變卡的安全狀態(tài)，達到安全要求。
3.3.3 安全報文MAC：傳送安全報文的目的是保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和發(fā)送方的認證。數(shù)據(jù)完整性和對發(fā)送方的認證是通過使用MAC 來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)可靠性通過數(shù)據(jù)域的加密來得以保障。
3.4 密碼算法
社?？ㄓ玫募用芩惴ǘ际菍ΨQ分組加密算法，一般通用的對稱加密算法主要是DES(Data Encryption Standard)。DES 算法，見圖4，需要滿足4 個要求：提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改；具有相當高的復(fù)雜性；使得破譯的開銷超過可能獲得的利益；便于理解和掌握；DES 算法的入口參數(shù)有三個：Key、Data、Mode。其中Key 為8 個字節(jié)共64 位， 是DES 算法的工作密鑰；Data 也為8 個字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode 為DES 的工作方式，有兩種：加密或解密。如果Mode 為加密，則用Key 去把數(shù)據(jù)Data 進行加密，生成Data 的密碼形式作為DES 的輸出結(jié)果； 如Mode 為解密， 則用Key 去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data 解密， 還原為Data 的明碼形式作為DES 的輸出結(jié)果。在使用DES 時， 雙方預(yù)先約定使用的“密碼”即Key，然后用Key 去加密數(shù)據(jù)；接收方得到密文后使用同樣的Key 解密得到原數(shù)據(jù)，這樣便實現(xiàn)了安全性較高的數(shù)據(jù)傳輸。
3.5 密鑰管理
社保卡的密鑰的裝載、更新和下發(fā)都有一整套安全管理辦法。社?？ǖ拿荑€分為三個級別：國家級密鑰、省級密鑰和地市級密鑰，采用多級密鑰管理方式，逐級分散下發(fā)。從而保證用于加（解）密算法的非對稱私有密鑰或?qū)ΨQ加密密鑰在沒經(jīng)授權(quán)的情況下，不會被泄漏。如果增設(shè)個人密碼，則應(yīng)保證其在社?？ㄖ械陌踩娣?。社保卡的COS 在設(shè)計、封裝時將所有密鑰存放在專用的文件中，即：密鑰存放到密鑰文件中，密碼存放到密碼文件中，并且外部不能訪問這兩種文件，每一種密鑰只能執(zhí)行特定的功能，這樣可以保障密鑰和密碼不外泄漏， 同時又能正常使用。
4 結(jié)束語
為了適應(yīng)社會保障信息化發(fā)展要求，滿足社?？ㄏ到y(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用和管理的需求，實現(xiàn)“一卡多用”、“全國通用”，社?？ò踩w系的研究是解決卡片信息安全問題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)技術(shù)。隨著社?？☉?yīng)用領(lǐng)域和功能的不斷地擴展，社?？ò踩w系的研究和設(shè)計也將隨之發(fā)展，從而保證卡內(nèi)信息的安全。
