基于智能卡內(nèi)核的文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章出處：http://srpd123.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年03月18日

    摘要：本文從ISO7816-4 協(xié)議和相關(guān)規(guī)范入手，深入分析了智能卡內(nèi)核的基本文件結(jié)構(gòu)，并提出了一種合理的設(shè)計(jì)方案。文章說明了各個(gè)基本文件的指針構(gòu)成，詳細(xì)闡述了各個(gè)情況下的指針操作要點(diǎn)和細(xì)節(jié)，并簡(jiǎn)單介紹了密鑰文件和ATR 文件兩種特殊的EF 文件。最后總結(jié)了不同文件所適用的相關(guān)指令。
    關(guān)鍵詞：COS；MF；DF；EF；ATR

    1 引言

    隨著 IC 卡從簡(jiǎn)單的同步卡發(fā)展到異步卡，從簡(jiǎn)單的EPROM 卡發(fā)展到內(nèi)帶微處理器的智能卡(又稱CPU 卡)，對(duì)IC 卡的各種要求越來越高。而卡本身所需要的各種管理工作也越來越復(fù)雜，因此就迫切地需要有一種工具來解決這一矛盾，而內(nèi)部帶有微處理器的智能卡的出現(xiàn)，使得這種工具的實(shí)現(xiàn)變成了現(xiàn)實(shí)。人們利用它內(nèi)部的微處理器芯片，開發(fā)了應(yīng)用于智能卡內(nèi)部的各種各樣的操作系統(tǒng)。COS 的出現(xiàn)不僅大大地改善了智能卡的交互界面，使智能卡的管理變得容易；而且，更為重要的是使智能卡本身向著個(gè)人計(jì)算機(jī)化的方向邁出了一大步，為智能卡的發(fā)展開拓了極為廣闊的前景。

    COS 的全稱是Chip Operating 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。由于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，因此，COS 在很大程度上不同于我們通常所能見到的微機(jī)上的操作系統(tǒng)（例如DOS、UNIX 等）[1]。

    COS 的主要功能是控制智能卡同外界的信息交換，管理智能卡內(nèi)的存儲(chǔ)器并在卡內(nèi)部完成各種命令的處理。其中，與外界進(jìn)行信息交換是COS 最基本的要求。在交換過程中，COS 所遵循的信息交換協(xié)議目前包括兩類：異步字符傳輸?shù)腡＝0 協(xié)議以及異步分組傳輸?shù)腡＝l 協(xié)議。這兩種信息交換協(xié)議的具體內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)機(jī)制在IS0／IEC78l6-3 和IS0／IEC7816-3A3 標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定；而COS 所應(yīng)完成的管理和控制的基中功能則是在ISO/IEC78l6-4 標(biāo)準(zhǔn)中作出規(guī)定的。在該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，還對(duì)智能卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及COS 的基本命令集作出了較為詳細(xì)的說明。至于 IS0／IEC78l6-l 和2，則是對(duì)智能卡的物理參數(shù)、外形尺寸作了規(guī)定，它們與COS 的關(guān)系不是很密切。

    2 文件系統(tǒng)

    2.1 文件系統(tǒng)概述

    整張卡片包含3 種基本文件結(jié)構(gòu)：

    MF（Master File）文件：是整個(gè)文件系統(tǒng)的最高級(jí)，可以包含若干的DF 和EF 文件，卡片中只能有一個(gè)MF 文件。它是在卡的個(gè)人化過程被首先建立起來，在卡的整個(gè)生命周期內(nèi)一直保持有效，可存儲(chǔ)卡片的公共數(shù)據(jù)信息并為各種應(yīng)用服務(wù)?？ㄆ瑥?fù)位后，自動(dòng)選擇MF 文件為當(dāng)前文件。
    DF（Dedicated File）文件：是MF 或DF 的下一級(jí)，包含用戶設(shè)置的系統(tǒng)信息和應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)，在MF 下DF 的數(shù)量只取決與卡片容量和用戶的應(yīng)用，它也可以包含若干的DF。
    EF（Elementary File）文件：是文件結(jié)構(gòu)的末端，只包含系統(tǒng)信息、內(nèi)部數(shù)據(jù)或用戶數(shù)據(jù)。EF 文件從存儲(chǔ)內(nèi)容上分為三類：密鑰文件、工作基本文件和ATR 文件[2]。

    文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.2 文件結(jié)構(gòu)

    2.2.1 MF 文件

    2.2.2 DF 文件

    2.2.3 EF 文件

    對(duì)于二進(jìn)制文件和變長(zhǎng)記錄文件，文件空間 = 空間大小高字節(jié) || 低字節(jié)
    對(duì)于定長(zhǎng)和循環(huán)文件，文件空間 = 記錄數(shù)字節(jié) || 記錄長(zhǎng)度字節(jié)
    當(dāng)前記錄指針：最新寫入記錄的位置
    對(duì)于循環(huán)文件，B7（最高位）表示記錄是否已經(jīng)寫滿，B7=0 表示寫滿，B7=1 表示未寫滿，所以循環(huán)文件最大記錄數(shù)為127。此位對(duì)于定長(zhǎng)記錄文件不起作用。
定長(zhǎng)、循環(huán)記錄文件每條記錄只包含記錄內(nèi)容值V；變長(zhǎng)記錄文件每條記錄中包含記錄內(nèi)容長(zhǎng)度L+記錄內(nèi)容值V

    2.2.4 文件指針

    文件指針共6 字節(jié)：2 字節(jié)的父目錄指針+2 字節(jié)的子目錄的指針+2 字節(jié)的EF 指針，所有指針都指向文件頭的首地址，在卡片剛上電或選擇了MF 之后，2 字節(jié)的父目錄指針為空（00 00），2 字節(jié)的子目錄的指針為MF 的首地址；在任意選擇某個(gè)目錄（按部分AID 選擇下一個(gè)DF 除外）后，原來的子目錄設(shè)置為父目錄，新選擇的目錄設(shè)置為子目錄，同時(shí)EF 指針置為空（00 00）；在任意位置選擇EF 文件后，都只設(shè)置EF 指針，不影響父目錄和子目錄指針。如果是按部分AID 選擇下一個(gè)DF，則父目錄不改變，只改變重新設(shè)置子目錄和EF 指針。

    2.3 EF 文件

    2.3.1 文件類型

    2.3.2 循環(huán)文件

    假設(shè)已經(jīng)建立一個(gè)記錄數(shù)=10 的循環(huán)文件，如果沒有寫入任何記錄，則當(dāng)前記錄指針=80。(bit7=1,表明當(dāng)前記錄未寫滿)如果追加了(Append Record)4 條記錄，則當(dāng)前記錄指針=84。在成功選擇這個(gè)文件后，內(nèi)存記錄指針CP=00，具體操作(讀或更新)如下：

    如果操作第一條記錄：則操作第4 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=4。
    如果操作最后一條記錄：則操作第1 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=1。
    如果操作下一條記錄：
    如果CP=00，則操作第4 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=4。
    如果CP!=00，則操作第CP－1 條記錄，當(dāng)CP=1，返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼，否則操作成功后，設(shè)置CP=CP－1。
    如果操作上一條記錄：
    如果CP=00，則操作第1 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=1。
    如果CP!=00，則操作第CP+1 條記錄，當(dāng)CP=當(dāng)前記錄指針，返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼，否則操作成功后，設(shè)置CP=CP+1。
    如果假設(shè)又追加了10 條記錄，則當(dāng)前記錄指針=04（在追加第7 條記錄時(shí)，因?yàn)榭臻g已滿必須覆蓋第1 條，寫成功后同時(shí)設(shè)置當(dāng)前記錄指針最高位=0）在成功選擇這個(gè)文件后，內(nèi)存記錄指針（CP）=00，具體操作如下：

    如果操作第一條記錄：則操作第4 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=4。
    如果操作最后一條記錄：則操作第5 條（當(dāng)前記錄指針+1）記錄，操作成功后，設(shè)置CP=5。
    如果操作下一條記錄：
    如果CP=00，則操作第4 條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=4。
    如果CP!=00，則操作第CP－1 條記錄，當(dāng)CP=1，操作CP=10 的記錄，操作成功后，設(shè)置CP=10（總記錄數(shù)）；當(dāng)CP－1=當(dāng)前記錄指針，返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼。
    如果操作上一條記錄：
    如果CP=00，則操作第5（當(dāng)前記錄指針+1）條記錄，操作成功后，設(shè)置CP=5。
    如果CP!=00，則操作第CP+1 條記錄，當(dāng)CP=10（總記錄數(shù)），操作CP=1 的記錄，操作成功后，設(shè)置CP=1；當(dāng)CP=當(dāng)前記錄指針，返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼。（以上返回的錯(cuò)誤狀態(tài)碼=6A83）
執(zhí)行APPEND RECORD 命令時(shí)，將新記錄寫入當(dāng)前記錄指針+1 的位置（只在執(zhí)行APPEND RECORD 命令成功后才修改當(dāng)前記錄指針），例如，如果當(dāng)前文件為空（當(dāng)前記錄指針=80），那么寫完新記錄后，當(dāng)前記錄指針應(yīng)為81，每次寫完當(dāng)前記錄指針都加1。
    如果當(dāng)前記錄指針=8A（剛好寫滿文件），再寫入新記錄后，當(dāng)前記錄指針變?yōu)?1。