基于USB接口和智能卡的PKI客戶端設(shè)計
計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人們的生活和生產(chǎn)方式發(fā)生了深刻變化。高科技在給人們的工作和生活帶來方便、舒適的同時，也給人們增添了許多困擾。安全問題首當其沖。PKI(Public Key Infrastructure，公鑰基礎(chǔ)設(shè)施)被譽為現(xiàn)代信息社會安全的基石，也是電子商務(wù)與電子政務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。它能夠為所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用透明地提供加密和數(shù)字簽名等密碼服務(wù)所必需的密鑰和證書管理功能，能夠提供認證、訪問控制、數(shù)據(jù)完整性、機密性和不可否認性等核心安全服務(wù)。通常PKI系統(tǒng)主要由認證
機構(gòu)、證書庫、密鑰備份及恢復(fù)系統(tǒng)、證書作廢處理系統(tǒng)、PKI應(yīng)用接口系統(tǒng)等部分組成。
PKI的基礎(chǔ)是基于非對稱加密算法的，每個用戶需要有一個能夠確保其安全的場所，用以存放一些個人密鑰(Private Key)、被其直接信任的CA(root CA)名字和證書，以及其他一些重要數(shù)據(jù)。智能卡(Smart Card)具有安全性高、保密性好的特點，為密鑰的存儲管理提供了良好的介質(zhì)。智能卡具有嵌入卡片內(nèi)部的CPU和存儲器，同時還有一系列的安全機制來保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全。利用智能卡卡上CPU的計算能力，可以在卡上進行密鑰對的生成和進行卡上的簽名和驗證運算；同時，利用智能卡出色的安全機制，能夠?qū)Υ鎯υ谄渲械臄?shù)據(jù)提供強有力的安全保證，這樣在用戶私鑰的整個生命周期內(nèi)，都處在智能卡的保護之下。另外，為了提高設(shè)備使用的靈活性和方便性，采用了USB接口技術(shù)，充分發(fā)揮了USB接口的即插即用、總線供電等優(yōu)點，使開發(fā)的設(shè)備具有可攜帶性、靈活性和方便性，可以在各種場合中進行簽名和驗證。
2 PKl客戶端設(shè)備的研制
PKI客戶端設(shè)備是一個全功能、可操作PKI系統(tǒng)的必要組成部分。主要提供以下一些功能[1.2]：
① 密鑰的產(chǎn)生、更新和保護；
② 進行加解密或數(shù)字簽名操作；
③ 證書管理，包括證書的申請、安裝、存儲及驗證等；
④ 與主機、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件有良好接口，方便用戶開發(fā)相應(yīng)的高層軟件。
2.1 客戶端設(shè)備的硬件實現(xiàn)
要實現(xiàn)本客戶端設(shè)備，在硬件上必須具有智能卡芯片和USB芯片。作為智能卡芯片必須具備至少32 KB用戶數(shù)據(jù)區(qū)(EEPROM)和32 KB程序存儲區(qū)及1 KB的RAM；另外必須具備協(xié)處理器，能夠進行至少1024位模冪運算，此外必須具備良好的物理安全性，以確保除了通過本系統(tǒng)外，沒有其他途徑可以獲取智能卡中RAM、EE-PROM、ROM、寄存器的數(shù)據(jù)。而作為USB芯片，只需具備4個端口和滿足USB協(xié)議1.1即可。當然，如果能夠把這兩種芯片的功能集成在一起成一顆芯片，會進一步提高安全性和進一步降低設(shè)備的尺寸。經(jīng)過反復(fù)比較篩選，我們選用了Atmel公司的同時具備IC卡和USB接口功能的單一芯片AT90S6464C—USB。本芯片還具備硬件隨機數(shù)發(fā)生器、硬件實現(xiàn)DES和3DES算法、內(nèi)置RSA、ECC算法等。
其硬件實現(xiàn)只需要加一個振蕩電路即可。另外，為了指示USB的讀寫操作，加了一個指示燈。在讀寫操作時指示燈亮。
2.2 客戶端設(shè)備的軟件設(shè)計
PKI客戶端系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括計算機主機的軟件設(shè)計和硬件設(shè)備中的軟件設(shè)計，具體的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。
智能卡層的軟件設(shè)計，主要完成COS(Chip Operation System)軟件和加密算法；USB接口層的軟件設(shè)計，主要完成主機和智能卡之間的信息傳遞；應(yīng)用層的軟件設(shè)計，主要完成底層的API函數(shù)和CSP軟件，為用戶提供開發(fā)接口支持。下面詳細介紹各部分的設(shè)計。
2.2.1 智能卡層軟件設(shè)計
主要包括兩個模塊：卡內(nèi)操作系統(tǒng)COS和算法庫。這是實現(xiàn)PKI客戶端設(shè)備的關(guān)鍵部分。
(1)卡內(nèi)操作系統(tǒng)COS的設(shè)計
智能卡內(nèi)設(shè)計了一個小型的操作系統(tǒng)COS. COS的主要功能是：控制智能卡與外界信息進行交換，管理智能卡存儲器中的文件系統(tǒng)，并在智能卡內(nèi)完成各種命令的處理。COS的基本功能必須遵循ISO7816—4標準[3]。
COS系統(tǒng)是由傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋四個功能模塊組成的。
① 傳輸管理。按ISO7816—3標準，監(jiān)督卡與終端之間的通信，保證數(shù)據(jù)正確地傳輸，防止與終端之間通信數(shù)據(jù)被非法竊取和篡改。
②文件管理。文件管理模塊用來管理智能卡芯片內(nèi)存儲的各種數(shù)據(jù)，如證書、密鑰和其他用戶信息等。
智能卡芯片內(nèi)的文件分為MF、DF和EF三種。MF(主文件)是所有文件的根文件；DF文件是目錄文件，根據(jù)DF可以區(qū)分存在于智能卡上的不同應(yīng)用；EF是基本文件，用來存儲具體的數(shù)據(jù)和記錄，也是COS命令所要操作的具體對象。本設(shè)計中，EF分為四種類對象：密鑰、證書、認證對象和數(shù)據(jù)對象。其中認證對象中保存識別用戶身份的PIN碼。EF的存放分為文件頭和文件體兩個部分。文件頭中包含文件的標識符、訪問權(quán)限和文件體的指針；而文件體中存放具體數(shù)據(jù)。
對IC卡的操作，是通過命令的方式實現(xiàn)的。實際上是通過命令對IC卡內(nèi)文件的操作。增加功能即是增加文件，所以，下面著重就文件系統(tǒng)進行說明。
a．文件的空間結(jié)構(gòu)
每個文件在EEPROM中的存放格式為
COS整個的文件空間劃分如下：
◆當建立完.MF之后，COS自動將整個EEPROM空間都分配給它。MF的文件頭長度為13字節(jié)十文件名長
度(5～16字節(jié))。
◆每個DF所占空間=DF文件頭空間(等同于MF)+DF下所有的文件空間之和。
◆二進制結(jié)構(gòu)文件的空間=文件頭空間(13字節(jié))+EF所申請的空間。
◆定長記錄和循環(huán)定長記錄文件的空間=文件頭空間(13字節(jié))+記錄數(shù)×記錄長度。
◆變長記錄結(jié)構(gòu)文件的空間=文件頭空間(13字節(jié))+建立時申請的空間。
◆安全基本文件的空間一文件頭空間(13字節(jié))+密鑰個數(shù)×(25字節(jié))。
b．KEY文件及其文件中的密鑰
每個DF或MF下有且只有一個KEY文件，在任何情況下密鑰均無法讀出。在KEY文件中可存放多個密鑰，每個密鑰為一條定長記錄。記錄中規(guī)定了其標識、版本、算法、屬性及密鑰本身等相關(guān)內(nèi)容。
在滿足KEY文件的增加權(quán)限時，可用Write KEY命令增加一條記錄。只有在滿足某個密鑰的使用權(quán)限時才可以使用該密鑰，在滿足某個密鑰的修改權(quán)限時才可以修改該密鑰。
每種密鑰具有其獨立性，用于一種特定功能的密鑰不可作為它用。本設(shè)計支持以下幾種密鑰：個人密碼(PIN)、外部認證密鑰、內(nèi)部認證密鑰、(Crypt密鑰、PIN解鎖密鑰、PIN重裝密鑰、應(yīng)用維護密鑰等。
③ 安全體系。主要是對所傳送的信息進行安全性的檢查和處理，防止非法的竊聽或侵入。安全體系包括3部分：安全狀態(tài)、安全屬性和安全機制。安全狀態(tài)是指當前智能卡所處的一種系統(tǒng)狀態(tài)，這種安全狀態(tài)是在智能卡完成復(fù)位應(yīng)答或完成某個命令后得到的；安全屬性是智能卡執(zhí)行特定的命令所需要的安全條件，只有滿足了這個安全條件，命令才能執(zhí)行；安全機制是指安全狀態(tài)實現(xiàn)轉(zhuǎn)移所采取的方法和手段，它是與安全狀態(tài)和安全屬性相聯(lián)系的。
④ 命令解釋。根據(jù)接收到的命令檢查各項參數(shù)是否正確，執(zhí)行相應(yīng)的操作。
IC卡通過USB接口與終端之間使用命令與應(yīng)答的通信機制，即終端，把命令送到1C卡，IC卡接收并處理后發(fā)送響應(yīng)給終端。這種機制包括兩種應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)——命令應(yīng)用數(shù)據(jù)單元與響應(yīng)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。
命令應(yīng)用數(shù)據(jù)單元包含兩部分：固定的4字節(jié)命令頭和長度可變的命令體，其內(nèi)容為
CLA字節(jié)代表命令的類型。
INS字節(jié)表示命令編碼，P1和P2為具體命令參數(shù)。Lc字節(jié)表示數(shù)據(jù)的長度，只有一個字節(jié)表示，取值范圍為1～115。如果Lc為0，表示沒有數(shù)據(jù)域。
Le表示期望卡返回的數(shù)據(jù)長度，由單字節(jié)表示，取值范圍為1～115。
響應(yīng)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元也包括兩部分：可能存在的響應(yīng)數(shù)據(jù)體(應(yīng)答體)和兩個狀態(tài)字節(jié)(應(yīng)答尾部)，其內(nèi)容為
基于保密的原因，具體的命令代碼和狀態(tài)字節(jié)(SWl、SW2)的編碼略。
(2)算法庫的實現(xiàn)
算法庫是一個根據(jù)不同需要可擴展的函數(shù)庫。目前，算法庫里有：
◆對稱加密算法——DES算法、3DES算法、RC2、RC4算法；
◆摘要(散列值)算法——SHA一1算法、MD5算法；
◆非對稱加密算法——RSA算法、DSA算法、ECC算法。
以上算法全部在設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)。
2.2.2 USB接口層的軟件設(shè)計
USB接口層軟件主要完成計算機主機和客戶端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成主機與IC卡之間交互的命令及響應(yīng)。一方面將主機來的USB信息包轉(zhuǎn)換成符合IS07816--4標準的智能卡可識別的命令，另一方面，根據(jù)IS07816--4標準，將智能卡的響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成USB數(shù)據(jù)包，上傳給主機。
在USB的初始化中，完成終端設(shè)備USB的自舉過程?？紤]到設(shè)備與計算機之間的數(shù)據(jù)交換具有數(shù)量少、傳輸速度不要求很高的特點，因而將其配置為HID類設(shè)備，實現(xiàn)在WIN2000、Win Me等環(huán)境下免安裝驅(qū)動程序的特點。本設(shè)備使用了3個端點：端點0用于控制信息的傳輸，端點1用于接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，端點3用于向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。
USB的消息處理過程是：USB發(fā)出中斷請求，單片機響應(yīng)中斷，首先查看各中斷寄存器，找出產(chǎn)生中斷的事件，然后處理。程序的設(shè)計主要集中在中斷處理服務(wù)程序上，如圖2所示。
上述2.2.1節(jié)和2.2.2節(jié)軟件設(shè)計為PKI終端設(shè)備內(nèi)軟件設(shè)計，整個軟件采用了Keil C51語言編寫。與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。Keil C51提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。最后生成標準的HEX文件，以直接寫入程序存儲器，如Flash中。
2.2.3應(yīng)用層軟件設(shè)計
應(yīng)用層(計算機主機)軟件開發(fā)主要是提供底層API庫函數(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)CSP[4](Cryptographic Service Provider，加密服務(wù)提供者)軟件設(shè)計，為用戶提供符合微軟加密服務(wù)要求的中間件。應(yīng)用層軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
應(yīng)用程序不能直接與CSP進行通信。取而代之，應(yīng)用程序通過調(diào)用由Advapi32．d11和Crypt32.dll模塊所提供的一些CryptoAPI接口函數(shù)來與CSP進行通信，從而完成相應(yīng)的功能。操作系統(tǒng)過濾這些函數(shù)調(diào)用，并把它們通過C2ryptoSPI(系統(tǒng)編程接口)傳遞給相應(yīng)的CSP函數(shù)。
整個軟件的實現(xiàn)過程為：首先，根據(jù)智能卡COS命令，完成底層API庫函數(shù)CLlB。通過對庫函數(shù)進行封裝生成PKIKEY類，即PKIKEY．CPP，PKIKEY．H，進而生成CSP所需的DLL文件，最后通過向微軟申請認證，通過后微軟將進行簽名。
本設(shè)計中，可以向客戶提供底層API函數(shù)和CSP兩種中間件接口，以支持客戶的二次開發(fā)。
在應(yīng)用軟件方面，我們設(shè)計了客戶端管理工具軟件和管理端管理工具軟件。
客戶端管理工具實現(xiàn)的功能：證書的自動注冊注銷，修改用戶密碼等功能。
管理端管理工具實現(xiàn)的功能：除具有客戶端管理工具的功能外，還提供了格式化設(shè)備、清空設(shè)備、解鎖用戶密碼、修改管理員密碼等功能。
2.3 主要技術(shù)指標
操作系統(tǒng)：Windows 98/Me/2000/XP，Mac OS 8/9，Linux．
證書及標準：PKCS#1l，MS CAPI，PC/SC，X．509 v3證書存儲。
加密算法：MD5，SHA - l,DES/3DES，RC2，RC4，RSA，DSA，ECC等。
接口類型：USB V1.1 A型。
功耗：<250 mW。
3 總 結(jié)
本文提出的PKI客戶端設(shè)備已經(jīng)小批量生產(chǎn)。它是整個PKI體系的重要組成部分，可以實現(xiàn)密鑰安全保管、證書管理、簽名、驗證簽名、加/解密和身份認證等功能，具有高穩(wěn)定性、高安全性、高可靠性、安裝和攜帶方便、操作簡便、運算速度快等特點；可廣泛應(yīng)用于要求個人身份認證、識別、數(shù)據(jù)加密、安全存儲等領(lǐng)域，如電子商務(wù)、電子政務(wù)等，所提供的底層庫函數(shù)和CSP軟件以中間件方式極大地方便了客戶的二次開發(fā)?？傊?，本設(shè)計思想先進，代表了當前該領(lǐng)域的發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣泛。
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