多功能智能卡文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　智能卡或稱 IC 卡，英文名稱為SMART Card 或 Integrated CircuitCard。它是由一個(gè)集成電路芯片嵌 于塑料基片中封裝而成。卡中的集成電路包括中央處理器（CPU） ，閃存（EEPROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器 （RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM） 等[1]。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡允許一張卡片上可以同時(shí)容納多個(gè)應(yīng)用，并且在 不同的場合使用不同的應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)用本身還可以根據(jù)需要隨時(shí)下載到卡中或從卡中刪除。這給供卡 方、發(fā)卡方和持卡方都帶來了好處。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡將是智能卡未來發(fā)展的總趨勢。

　　1 智能卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型

　　1.1 文件的類型及組織結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)遵守ISO/IEC 781* 標(biāo)準(zhǔn)所定義文件標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以支持專用文件（DF）和基本 文件（EF）兩種文件?？▋?nèi)的文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)由下列專用文件的結(jié)構(gòu)化分級(jí)組成，在根處的DF 稱為主文件（MF）。該MF 是必備的。其他DF 是任選的。定義兩種類型的EF：1）內(nèi)部 EF（KEF）。 存儲(chǔ)那些預(yù)期由卡解釋的數(shù)據(jù)。如密鑰。2）工作EF（WEF）。存儲(chǔ)那些預(yù)期不由卡解釋的數(shù)據(jù)。

　　EF 結(jié)構(gòu)有以下幾種，

　　1）透明結(jié)構(gòu)。指的是二進(jìn)制的或雜亂無章的結(jié)構(gòu)。換句話說，一個(gè)透明文 件根本沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的文件可以通過使用偏移值進(jìn)行讀出和寫入。READ BINARY 和 UPDATE BINARY 命令可用于這些方面。

　　2）記錄結(jié)構(gòu)。是基于鏈接固定長度的記錄文件結(jié)構(gòu)，這種 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以自由存儲(chǔ)，存取的最小單位是一個(gè)記錄。該操作系統(tǒng)支持線性定長記錄結(jié)構(gòu)，并且記 錄長度必須為4 個(gè)字節(jié)的偶數(shù)倍數(shù)，并且小于一頁大小，這樣就防止一條記錄跨頁存儲(chǔ)。

　　文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。文件系統(tǒng)是一個(gè)樹型結(jié)構(gòu)，根目錄為MF。 MF（主文件）是 特殊的文件，是文件系統(tǒng)的根，在卡片中唯一存在，相當(dāng)于DOS 的根目錄。EF（基本文件）建在DF 下，存儲(chǔ)應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)和管理信息。DF（專有文件）一般僅相當(dāng)于DOS 的子目錄，但主文件MF 的一個(gè)DF 則代表了一個(gè)應(yīng)用。MF 下和應(yīng)用的根DF 下都有一KEF，用于存儲(chǔ)密鑰或PIN。MF 下的 DF 中建立的EF 和DF 都只能由該應(yīng)用使用，其他應(yīng)用不能訪問。

　　智能卡中的目錄文件（MF 和 DF）僅由文件頭標(biāo)組成，EF 文件是由文件頭標(biāo)和文件體兩部分組 成的。文件頭中包含文件的標(biāo)識(shí)、大小、訪問權(quán)限和其他基本信息。文件頭的長度是一定的。EF 的 文件體就是各種卡片應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)元。其大小是在文件創(chuàng)建時(shí)就確定的。

　　1.2 文件訪問以及文件管理

　　所有EF 文件頭中都含有屬性字段，指明此文件的特殊信息。屬性字段占兩字節(jié)，字段中的每一 比特位代表一種屬性。它們在創(chuàng)建時(shí)確定，不允許更改。目前只使用了前三個(gè)比特位，分別是：

　　1）可刪除屬性。此屬性位為1 表示可以被刪除，0 表示不可被刪除。

　　2）可寫屬性。此屬性位為1 表示可以被修改，0 則表明此文件為只讀文件。

　　3）可讀屬性。此屬性位為1 表明此文件可以被瀏覽，0 表示不可以被瀏覽。

　　應(yīng)用要對文件訪問需要達(dá)到一定的安全狀態(tài)。當(dāng)該應(yīng)用的進(jìn)程現(xiàn)有狀態(tài)滿足所需要狀態(tài)，并且符 合和該文件的屬性要求時(shí)，該進(jìn)程才能訪問文件。當(dāng)前進(jìn)程的安全狀態(tài)是由其是否滿足當(dāng)前目錄文件 下的KEF 中的相應(yīng)密鑰決定的。在MF 下僅有DF（應(yīng)用目錄），沒有EF 文件，其KEF 則只含有創(chuàng) 建密鑰，讀密鑰，刪除密鑰。而一般的KEF 文件中含有四個(gè)密鑰，分別是讀密鑰，寫密鑰， 創(chuàng)建密 鑰，刪除密鑰。

　　為了方便文件管理，有一些典型變量要保存在 RAM 中，把這些變量封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體CMB， 放在進(jìn)程的PCB 中。一個(gè) CMB 塊包含如下變量：1）mfhead。此變量總指向最高層MF 文件頭地址。 2）mfsecurity。此變量表明MF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初始值在進(jìn)程建立時(shí)賦值。3）dfsecurity。此變量 表明現(xiàn)行選擇的DF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初值在進(jìn)程建立時(shí)賦值。4）currentdf、 currentwef。這兩個(gè) 變量分別為當(dāng)前DF、當(dāng)前WEF 文件頭地址。在進(jìn)程時(shí)它們的值為NULL，在進(jìn)程運(yùn)行過程中由 SELECT 命令顯式賦值。5）currentrecord_adr。此變量在當(dāng)前WEF 為記錄結(jié)構(gòu)時(shí)使用，它指向當(dāng)前使 用記錄號(hào)， 如為透明文件，無效地址。在進(jìn)程建立或者重新選擇WEF 時(shí)，其值被賦為0。由記錄結(jié)構(gòu) WEF 讀、寫命令更改。6）currentef_kef。此變量為當(dāng)前DF 下KEF 文件頭地址。當(dāng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，就 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)CMB 塊，其 currentdf 被賦為當(dāng)時(shí)正在訪問的DF，安全狀態(tài)被賦為0。如果 currentdf 為 0 時(shí)，表示當(dāng)前的工作目錄為MF。

　　1.3 EEPROM 的劃分該智能卡的EEPROM 大小為 256K，其中分為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)（32K），應(yīng)用代碼去（160K），系統(tǒng)區(qū) （16K）以及交換區(qū)（48K）。

　　應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)存放著應(yīng)用的配置數(shù)據(jù)，并且都是以文件的形式存儲(chǔ)的。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的 EEPROM 是 以頁的形式動(dòng)態(tài)分配給各個(gè)應(yīng)用，每頁大小為32 字節(jié)。每個(gè)文件的頁地址信息由文件分配表詳細(xì)記 錄。應(yīng)用代碼區(qū)存放著應(yīng)用的運(yùn)行代碼。應(yīng)用代碼區(qū)分為40 塊，每塊大小為4K。塊和應(yīng)用是一一對 應(yīng)的關(guān)系，即每塊對映一個(gè)應(yīng)用。系統(tǒng)區(qū)：存放操作系統(tǒng)的信息以及用于管理應(yīng)用及文件的一些系統(tǒng) 表：應(yīng)用使用表，文件分配表，文件打開表，數(shù)據(jù)區(qū)使用表。文件打開表是用來防止讀寫沖突的，當(dāng) 某文件正在被改寫時(shí)，需要給該文件上鎖，等對該文件操作完成后再對該文件解鎖。

　　數(shù)據(jù)區(qū)使用表記錄了應(yīng)用數(shù)據(jù)文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲(chǔ)情況，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用要訪問某一個(gè)數(shù)據(jù)文件時(shí)，需要查看該表，檢查 該文件是否屬于該應(yīng)用，防止應(yīng)用篡改其他應(yīng)用的數(shù)據(jù)文件。操作系統(tǒng)的信息用超級(jí)塊記錄。交換區(qū) 就是當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，使用交換區(qū)來擴(kuò)充內(nèi)存。

　　2 文件系統(tǒng)

　　 2.1 文件分配表該操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)僅設(shè)計(jì)到應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，和應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)以及應(yīng)用代碼去無關(guān)，所以文件系 統(tǒng)占32K 的EEPROM 空間。數(shù)據(jù)區(qū)是以頁的形式分配給文件的，每頁大小是32 字節(jié)，共設(shè)有1024 頁。存儲(chǔ)在系統(tǒng)區(qū)的文件分配表占用1K 空間。分配表如圖2 所示：該表一共有 1024 頁（用十六進(jìn)制 表示），第1 頁代表數(shù)據(jù)區(qū)的前32 個(gè)字節(jié)，以后依次類推。當(dāng)表項(xiàng)為FFFF，表示文件結(jié)束。當(dāng)記錄 為FFFE 時(shí)，該頁可用。每頁的表項(xiàng)記錄該文件下一頁的頁碼。如圖所示。該文件占用的頁碼分別是 1，0xC，0xD，0x10，0x14。

　　 2.2 文件管理的指令

　　1）SELECT FILE（選擇文件）：建立文件成功后，才能進(jìn)行文件選擇，面向?qū)ο笪募芾硐到y(tǒng)要 求在文件被選中之后才可以進(jìn)行存取處理。文件選擇就是通知操作系統(tǒng)即將對哪個(gè)文件進(jìn)行訪問。新 文件的成功選擇將導(dǎo)致前面的選擇無效。這就意味著在任何時(shí)候被選中的文件只有一個(gè)。該文件系統(tǒng) 的支持根據(jù)文件的FID 進(jìn)行文件的選擇。

　　2）CREATE FILE（創(chuàng)建文件）：該命令允許在智能卡中建立EF、KEF、DF。在執(zhí)行該命令之前， 必須先達(dá)到特定的安全狀態(tài)。在創(chuàng)建時(shí)，判斷創(chuàng)建地址是否有效，即CMB 塊的相應(yīng)地址。同時(shí)創(chuàng)建 時(shí)會(huì)影響目錄樹的結(jié)構(gòu)，可能需要修改其父親節(jié)點(diǎn)或者其兄弟節(jié)點(diǎn)，因此要檢測所影響的結(jié)點(diǎn)是否可 以訪問，如果需要修改的節(jié)點(diǎn)不可被訪問，該命令則不能執(zhí)行。對于EF 和KEF，他們都擁有文件體， 則根據(jù)其大小具體分配。在申請頁面時(shí)，一次把所需要的頁數(shù)全部分配給該文件，并且在文件分配表 里建立好映像。然后文件系統(tǒng)再根據(jù)文件分配表，把文件體寫入EEPROM 中。

　　3）DELETE FILE（刪除文件）：是把指定的智能卡的文件從存儲(chǔ)器中刪除，其釋放的存儲(chǔ)空間由 操作系統(tǒng)收回。文件系統(tǒng)的文件是存儲(chǔ)在應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，因此該命令的操作對象是數(shù)據(jù)區(qū)的文件，并不 涉及其他存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)。MF 為文件系統(tǒng)的根目錄，是不可被刪除的。

　　KEF 為DF 中的密鑰文件， 僅刪除KEF 會(huì)對其上層DF 造成極大的安全隱患，因此不提供單純的刪除KEF 操作，把該操作是嵌 入在刪除DF。該命令分為兩類：刪除DF 和刪除EF。刪除DF 函數(shù)僅刪除沒有子 DF 文件的DF 文件， 如果所刪除的DF 具有直接子DF 文件（可以有EF 文件），則DF 不能直接刪除，需要首先刪除子DF文件，然后再使用本函數(shù)刪除。該操作會(huì)影響其父親節(jié)點(diǎn)或兄弟節(jié)點(diǎn)以及子EF 節(jié)點(diǎn)，所以刪除之前 需要查看文件打開表，檢查這些文件是否可以訪問，如果有不可以訪問的節(jié)點(diǎn)，則退出返回相應(yīng)的錯(cuò) 誤信息。

　　當(dāng)然執(zhí)行該操作之前，必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)。刪除EF 時(shí)，操作對象是CMB 塊中 的當(dāng)前工作文件EF，因此要?jiǎng)h除某EF 之前需要先選擇該文件。如果當(dāng)前工作文件地址無效，則返回 相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。當(dāng)然執(zhí)行該操作之前，必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)并且該EF 具有可刪除屬性。

　　4）VERIFY 命令用來把傳送給智能卡的秘密對象和所存儲(chǔ)的基準(zhǔn)值相比較，根據(jù)比較結(jié)果，改 變CMB 塊中的安全狀態(tài)。該操作系統(tǒng)的密鑰存儲(chǔ)在密鑰文件KEF 中，位于MF 的KEF 被用來作為 智能卡中所有應(yīng)用通用的密鑰，如果是 DF 的KEF，則它僅可用于在DF 內(nèi)的有關(guān)應(yīng)用，即應(yīng)用的專 用密鑰。

　　該命令的操作對象默認(rèn)為CMB塊中指向的當(dāng)前所使用密鑰文件。一般的密鑰文件含有四個(gè)密鑰， 分別是：

　?。?）瀏覽密鑰：滿足該密鑰后，可以讀該目錄下的所有EF 文件和子DF 頭標(biāo)。

　?。?）更新密 鑰：滿足該密鑰后，可以在該目錄下的所有EF 文件中執(zhí)行更新操作。

　　（3）刪除密鑰：滿足該密鑰后， 可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作。

　?。?）創(chuàng)建操作：滿足該密鑰后，可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作。因此， verify 函數(shù)就是判斷其滿足相應(yīng)的密鑰，然后改變CMB 塊中的安全狀態(tài)，使其可以執(zhí)行后需操作。

　　對于每一個(gè)密鑰都有一個(gè)重試計(jì)數(shù)器。對于肯定的比較結(jié)果，它被賦予零，對于否定的比較結(jié)果， 它增量1。如果重試計(jì)數(shù)器達(dá)到對大值，則絕對沒有任何可能再進(jìn)行對密鑰的進(jìn)一步比較。為了保證 安全，先對計(jì)數(shù)器字段加一并寫入到記錄中。然后比較讀出密鑰和輸入密鑰是否匹配。匹配則將0 寫 入到記錄的計(jì)數(shù)器字段中，并將安全狀態(tài)設(shè)置為OK 結(jié)果狀態(tài)。否則將安全狀態(tài)設(shè)置為 NOK 結(jié)果狀 態(tài)，并返回允許嘗試的剩余次數(shù)或記錄被鎖。

　　3 結(jié)論

　　本文研究并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡文件系統(tǒng)。利用文件分配表為每個(gè)文件建立映像，利用 CMB 塊進(jìn)行文件管理，設(shè)置文件訪問機(jī)制保證了每個(gè)應(yīng)用的讀寫安全，最后詳細(xì)設(shè)計(jì)文件操作命令，使得 應(yīng)用可以對文件進(jìn)行建立，刪除等操作