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CPU卡中T=0通訊協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2011-04-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

IC卡的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,從存儲(chǔ)卡到邏輯加密卡,目前卡已經(jīng)逐漸在應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。卡根據(jù)可分為兩種:接觸式和非接觸式。接觸式卡主要采用兩種:T=0和T=1。T=0是異步半雙工字符傳輸協(xié)議,T=1是異步半雙工塊傳輸協(xié)議。目前T=0通訊協(xié)議的應(yīng)用較為廣泛,國(guó)內(nèi)外大多數(shù)CPU卡都支持該協(xié)議,在金融交易中也采用這種通訊協(xié)議。為了便于說(shuō)明問(wèn)題,本文從T=0協(xié)議的功能出發(fā),將該協(xié)議分為四個(gè)層次:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、終端傳輸層和應(yīng)用層,見圖1。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/156347.htm

由于該協(xié)議的特殊性,終端傳輸層與應(yīng)用層聯(lián)系非常緊密,起來(lái)比較繁瑣,在CPU,這些任務(wù)通過(guò)卡片操作系統(tǒng)(COS)來(lái)。終端在與卡的信息交換中,始終處于主動(dòng)地位,終端向卡發(fā)送符合T=0協(xié)議的命令字節(jié),的COS完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理并將處理結(jié)果返回給終端。下面對(duì)T=0協(xié)議的四個(gè)層次進(jìn)行詳述。

1 T=0協(xié)議的物理層描述

終端與智能卡之間通過(guò)改變I/O傳輸線上的電平來(lái)交換信息。由于T=0協(xié)議是面向字符的傳輸協(xié)議,這里先定義字符幀的結(jié)構(gòu),并對(duì)組成字符幀位的信息表示作了具體描述。字符幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

字符幀由1個(gè)起始位S、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)偶校驗(yàn)位P共10位組成。在數(shù)據(jù)傳輸中每一位的持續(xù)時(shí)間稱為基本時(shí)間單元etu(elementary time unit),etu的值由時(shí)鐘頻率決定,etu與時(shí)鐘頻率呈現(xiàn)性關(guān)系:

1etu=(F/D) ×(1/f) (1)

其中F稱為時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換因子,D稱為波特率調(diào)整因子。時(shí)鐘頻率的范圍為1MHz~5MHz,正常的工作頻率為3.57MHz,數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈什捎?600bps,根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍,取F=372,D=1,代入式(1),可得:

1etu=372/f=372 (2)

即一個(gè)基本時(shí)間單元為372個(gè)時(shí)鐘周期。將工作頻率定為3.57MHz,可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600bps。如果要提高數(shù)據(jù)的傳輸率,可以調(diào)整參數(shù)F來(lái)確定傳輸率。對(duì)每一位電平采用三次采樣來(lái)確定,在位持續(xù)時(shí)間的中間和左右15%的間隔各取樣一次,取樣點(diǎn)如圖3所示。當(dāng)有兩次以上電平為低,則判斷該位為0;否則該位為1,這樣確保了取樣值的可靠性。由于數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間是用匯編語(yǔ)句來(lái)控制的,可以通過(guò)延時(shí)語(yǔ)句調(diào)整采樣的時(shí)間間隔。但采樣的最基本匯編語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間不能再縮短,因此數(shù)據(jù)傳輸率有一上限。當(dāng)每一位取樣三次時(shí),數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到57600bps。如果再提高速率,取樣時(shí)序?qū)o(wú)法保證。字符幀的起始位為低電平,起始位的檢測(cè)是通過(guò)周期性地對(duì)I/O傳輸線進(jìn)行采樣來(lái)得到。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采樣時(shí)間間隔不得大于0.2etu,實(shí)際上起始位的采樣時(shí)間間隔只有幾個(gè)時(shí)鐘周期,完全滿足要求。

2 T=0協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)鏈路層描述了字符交換的時(shí)序要求和差錯(cuò)控制以及終端對(duì)面向傳輸?shù)腻e(cuò)誤的處理,在邏輯上保證終端和卡片之間能夠正確可靠地通訊。

采用上述的字符幀,終端與卡之間進(jìn)行數(shù)據(jù)將交換,字符之間有嚴(yán)格的時(shí)序,時(shí)序是通過(guò)匯編程序語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間來(lái)控制的。從終端到卡發(fā)送的連續(xù)字符的起始位下降沿之間的最小時(shí)間間隔由復(fù)位應(yīng)答信息通知終端,其值在12etu~266etu之間。從卡發(fā)送到終端的連續(xù)字符的起始位下降沿之間的最小時(shí)間間隔應(yīng)為12etu。

如果字符接收不正確或字符接收正確但校驗(yàn)位不正確,接收端需要在字符起始位下降沿后的(10.5±0.2個(gè)etu時(shí)刻將I/O線置為低電平約1~2個(gè)etu,見圖4,用于向發(fā)送端指明錯(cuò)誤;發(fā)送端在(11±0.2)個(gè)etu時(shí)刻檢測(cè)I/O線。如為高電平則表示字符已經(jīng)正確接收;如果發(fā)送端檢測(cè)到錯(cuò)誤,則在檢測(cè)到錯(cuò)誤那一刻起,2個(gè)etu后重發(fā)該字符,但重復(fù)發(fā)送同一字符的次數(shù)不得超過(guò)3次。如果最后一次發(fā)送失敗,當(dāng)終端是接收端時(shí),則終端應(yīng)該在無(wú)效字符的起始位下降沿后的960個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)釋放序列;當(dāng)終端是發(fā)送端時(shí),在卡片檢測(cè)到字符的偶校驗(yàn)錯(cuò)誤后960個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi),終端啟動(dòng)釋放序列。

命令的執(zhí)行總是由終端應(yīng)用層(TAL)啟動(dòng),通過(guò)終端傳輸層(TTL)送給卡片。TTL與卡片進(jìn)行命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)交換時(shí),要保證能夠有序正確地進(jìn)行。因此,在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中,在任何時(shí)刻TTL和卡片都應(yīng)該隱含地知道哪一方是發(fā)送者,哪一方是接收者。當(dāng)卡片接收到5個(gè)字節(jié)的命令字節(jié)后,需要向TTL返回一個(gè)過(guò)程字節(jié)或兩個(gè)字節(jié)的狀態(tài)字節(jié),具體含義如表1、表2所示。

表1 終端對(duì)過(guò)程字節(jié)的處理

過(guò)程字節(jié)TTL執(zhí)行的操作
與INS字節(jié)相同TTL向卡片發(fā)送或從卡片接收所有數(shù)據(jù)
INS字節(jié)的補(bǔ)碼TTL向卡片發(fā)送或從卡片接收下一個(gè)字節(jié)
'60'TTL延長(zhǎng)等待時(shí)間
'61'TTL等待第二個(gè)過(guò)程字節(jié)'xx'并根據(jù)'xx'發(fā)
GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù)
'6C'TTL等待第二個(gè)過(guò)程字節(jié)'xx'并根據(jù)'xx'重發(fā)上一條命令

表2 卡返回的狀態(tài)字節(jié)編碼

第一個(gè)狀態(tài)字節(jié)值TTL執(zhí)行的操作
'6'或'9x'(除表1中的值外)TTL等待第二個(gè)過(guò)程字節(jié)SW2

當(dāng)返回的過(guò)程字節(jié)或狀態(tài)字節(jié)均不是表中規(guī)定的值時(shí),終端在接收到的無(wú)效字符的起始位降沿開始的9600個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)釋放序列。

3 T=0協(xié)議的終端傳輸層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)鏈路層保證了TTL與卡片正常的數(shù)據(jù)交換。在此基礎(chǔ)上,TTL定義了命令和響應(yīng)APDU(Application Protocol Data Unit)通過(guò)TTL和卡片之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,因此該層協(xié)議定義了APDU到TPDU(Transport Protocol Data Unit)的映射機(jī)制以及TPDU和卡片之間如何來(lái)完成數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)命令和響應(yīng)APDU包含的數(shù)據(jù)情況,共有四種不同的APDU,TTL應(yīng)能夠?qū)λ姆N情況進(jìn)行處理,完成終端和卡之間的數(shù)據(jù)交換。由于T=0協(xié)議的特殊性,終端傳輸層和應(yīng)用層并沒(méi)有完全隔離開。為了便于說(shuō)明問(wèn)題,先簡(jiǎn)要描述一下應(yīng)用層,然后將終端傳輸層和應(yīng)用層結(jié)合起來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

應(yīng)用層協(xié)議定義了C-APDU和R-APDU的具體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交換都是由一個(gè)命令-響應(yīng)對(duì)完成的,TAL通過(guò)TTL將C-APDU送給集成電路卡(ICC),ICC處理完后將處理結(jié)果組成R-APDU通過(guò)TTL送給TAL。APDU由命令報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文共同組成,根據(jù)C-APDU和R-APDU是否包含數(shù)據(jù)域,APDU有四種情況,見表3。

表3 APDU包含數(shù)據(jù)的情況

 命令A(yù)PDU數(shù)據(jù)域響應(yīng)APDU數(shù)據(jù)域
1無(wú)無(wú)
2無(wú)
3無(wú)
4

C-APDU由一個(gè)強(qiáng)制性的四字節(jié)命令頭CLA、INS、P1、P2和一個(gè)可變長(zhǎng)度的條件體組成。CLA為命令類型字節(jié);INS為命令代碼字節(jié);P1和P2為命令參數(shù);條件體包括命令數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度字節(jié)Lc,命令數(shù)據(jù)域和響應(yīng)返回的最大長(zhǎng)度字節(jié)Le。根據(jù)不同的命令,條件體的組成也不相同,C-APDU有四種情況,見表4。

表4 C-APDU的結(jié)構(gòu)

情 況C-APDU結(jié)構(gòu)
1CLA INS P1 P2
2CLA INS P1 P2 Le
3CLA INS P1 P2 Lc Data
4CLA INS P1 P2 Lc Data Le

R-APDU由一個(gè)最大長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的數(shù)據(jù)域和一個(gè)強(qiáng)制性的兩字節(jié)狀態(tài)代碼組成,狀態(tài)代碼給出了IC卡對(duì)當(dāng)前命令的處理結(jié)果。

對(duì)于C-APDU,終端先將其映射成T=0傳輸層的格式,然后通過(guò)TTL傳送給卡片,卡片返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)先返回給TTL,再映射成R-APDU返回給TAL。這里根據(jù)四種不同的情況,了C-APDU到C-TPDU以及R-APDU到R-TPDU的映射方法,并對(duì)情況2和情況4時(shí),如何使用GET RESPONSE命令進(jìn)行了說(shuō)明。C-APDU到C-TPDU的映射根據(jù)命令的情況決定,卡片返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)到R-APDU的映射要根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)判斷。對(duì)于卡片返回的過(guò)程字節(jié)“61xx”和“6Cxx”,將用于TTL和卡片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,當(dāng)卡片返回“61xx”時(shí),表示命令沒(méi)有結(jié)束,TTL不將過(guò)程字節(jié)返回給TAL,而是從TTL直接向卡片發(fā)出GET RESPONSE命令,取回上一條命令應(yīng)該返回的數(shù)據(jù)。并返回給TAL。當(dāng)卡片返回“6Cxx”時(shí),TTL將根據(jù)“xx”的值調(diào)整并重發(fā)上一條命令。下面分別對(duì)四種命令情況進(jìn)行。

(1)當(dāng)C-APDU和R-APDU均不含有數(shù)據(jù)時(shí),將C-APDU的CLA、INS、P1、P2映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、C-TPDU的P3置為“00”,卡片接收到C-TPDU后,根據(jù)命令頭決定該命令所含數(shù)據(jù)的情況。TTL接收到卡片返回的狀態(tài)后,該命令完成,TTL將狀態(tài)字節(jié)強(qiáng)制性地加到R-APDU的尾部。

(2)當(dāng)C-APDU不含有數(shù)據(jù)而R-APDU含有數(shù)據(jù)時(shí),將C-APDU的CLA、INS、P1、P2、Le映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3,其中P3可以置為“00”,也可以置為需要返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),卡片接收到C-TPDU后,如果命令處理失敗,卡片直接將狀態(tài)代碼通過(guò)TTL返回給TAL;當(dāng)命令能夠正常處理時(shí),如果P3指定的字節(jié)數(shù)能夠正確返回,待卡片內(nèi)部應(yīng)用數(shù)據(jù)處理完成后,這時(shí)卡片首先返回給TTL該命令的過(guò)程字節(jié),通知TTL準(zhǔn)備接收卡片數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),然后卡片直接將P3字節(jié)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)字節(jié)通過(guò)TTL返回給TAL,否則,卡片只將過(guò)程字節(jié)“6Cxx”或“61xx”返回給TTL這一層。當(dāng)過(guò)程字節(jié)為“6Cxx”時(shí),TTL根據(jù)xx重發(fā)命令取回?cái)?shù)據(jù),當(dāng)過(guò)程字節(jié)為“61xx”時(shí),TTL發(fā)GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù)。

(3)當(dāng)C-APDU含有數(shù)據(jù)而R-APDU不含數(shù)據(jù)時(shí),將C-APDU的CLA、INS、P1、PS、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3,待卡片對(duì)C-TPDU檢查通過(guò)后,卡片直接將過(guò)程字節(jié)返回給TTL,TTL根據(jù)返回的過(guò)程字節(jié)繼續(xù)向卡片發(fā)送P3字節(jié)的后續(xù)數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)接收完后,卡片對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后將處理結(jié)果以狀態(tài)字節(jié)的方式通過(guò)TTL返回給TAL。

(4)當(dāng)C-APDU和R-APDU均含有數(shù)據(jù)時(shí),將C-APDU的CLA、P1、P2、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS,P1、P2、P3,待卡片對(duì)C-TPDU檢查通過(guò)后,卡片直接將過(guò)程字節(jié)返回給TTL,TTL根據(jù)返回的過(guò)程字節(jié)繼續(xù)向卡片發(fā)送P3字節(jié)的后續(xù)數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)接收完后,卡片對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如果命令處理失敗,卡片直接將狀態(tài)代碼返回給TTL。當(dāng)命令正常處理時(shí),卡片返回給TTL過(guò)程字節(jié)“6Cxx”或“61xx”,當(dāng)為“6Cxx”時(shí),TTL根據(jù)xx重發(fā)命令取回?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)過(guò)程字節(jié)為“61xx”時(shí),TTL發(fā)GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù)。

(1)由于T=0協(xié)議字符級(jí)檢錯(cuò)重發(fā),與面向塊的傳輸協(xié)議T=1相比,在出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí),T=0協(xié)議可以不必整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文全部重發(fā),節(jié)省了時(shí)間。

(2)在編程過(guò)程中,對(duì)位幀進(jìn)行采樣時(shí),采用了三次采樣判決的方式,避免了由于采樣時(shí)的偶然誤差而造成誤碼。

(3)T=0協(xié)議是應(yīng)用于智能的第一個(gè)接觸式通訊協(xié)議,但該協(xié)議并沒(méi)有考慮傳輸中斷和檢測(cè)到傳輸錯(cuò)誤碼后卡和讀寫器的再同步問(wèn)題。唯一的檢錯(cuò)機(jī)制就是奇偶位校驗(yàn)。對(duì)錯(cuò)誤的處理就是對(duì)出錯(cuò)的字節(jié)重新發(fā)送一次,這樣極有可能導(dǎo)致無(wú)限次的循環(huán)狀態(tài)。

(4)T=0協(xié)議并沒(méi)有與應(yīng)用層完全分割開,應(yīng)用層的命令解釋器必須告訴傳輸層當(dāng)前命令是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)。由于這個(gè)原因,這兩個(gè)模塊在命令處理過(guò)程中需要交互操作,在程序中能夠提取出一個(gè)通用的傳輸層,供應(yīng)用層調(diào)用來(lái)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的傳輸。這種情況給編程和調(diào)試帶來(lái)了不便。同時(shí)造成模塊的可重用性較差。

(5)對(duì)于命令報(bào)文中包含數(shù)據(jù)域,同時(shí)又需要卡片返回?cái)?shù)據(jù)的命令,T=0協(xié)議不能用一條命令來(lái)實(shí)現(xiàn),必須分為兩步實(shí)現(xiàn):第一條命令為卡片提供數(shù)據(jù),然后用另外一條相關(guān)的命令來(lái)取回?cái)?shù)據(jù)。這樣給卡片的編程帶來(lái)很大麻煩,同時(shí)卡片內(nèi)存中必須保留上一次操作需要返回的數(shù)據(jù)。這時(shí)如果不及時(shí)發(fā)送取數(shù)據(jù)命令而發(fā)送其它命令,可能會(huì)將敏感數(shù)據(jù)泄漏,并產(chǎn)生其它問(wèn)題。這些都是T=0協(xié)議考慮不周的地方。

(6)終端傳輸層需要根據(jù)卡片返回的子程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作,使終端對(duì)數(shù)據(jù)的處理復(fù)雜化。

(7)由于目前大多數(shù)接觸式終端只支持T=0通訊協(xié)議,因此該協(xié)議仍將得到廣泛的應(yīng)用。隨著智能卡芯片功能的增強(qiáng),對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量較大的應(yīng)用,該協(xié)議將不再適用,面向塊的異步半雙工接觸式傳輸協(xié)議T=1將體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì).

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