基于MAXQ1850的雙芯片架構(gòu)的支付終端

本應(yīng)用筆記利用基于MAXQ1850的雙芯片架構(gòu)的優(yōu)勢，探討了高度安全的支付終端設(shè)計，分析了生產(chǎn)廠商在面臨PCI-PED PTS產(chǎn)品認(rèn)證時的弱點。

新終端、新趨勢

金融終端已經(jīng)成為支付產(chǎn)品公司提供的一種新型交付服務(wù)手段。金融終端不再限于簡單的讀卡機，而是逐步成為能夠處理交易、管理庫存、操作商業(yè)運營的復(fù)雜計算設(shè)備。這一角色轉(zhuǎn)變的顯著標(biāo)志是針對終端定義的一個新術(shù)語：從銷售終端(POS)設(shè)備更改為交互終端(POI)系統(tǒng)。POI系統(tǒng)必須具備快速通信能力，使用更加便捷(例如，可以連接USB、以太網(wǎng)、WiFi®或Bluetooth®)，支持多應(yīng)用的相互協(xié)調(diào)并可處理復(fù)雜的卡交易(支付卡、忠誠卡等)。

另外，使用條件也發(fā)生了變化。有時，POI必須工作在潮濕環(huán)境、室外或室內(nèi)。這些設(shè)備多數(shù)情況下要求采用人性化便攜式設(shè)計，并滿足經(jīng)銷商對時尚外觀的需求。由于相關(guān)技術(shù)的融合與重復(fù)利用，使得終端產(chǎn)品隨處可見，例如：智能電話、筆記本電腦、游戲機控制臺等?，F(xiàn)代POI設(shè)備引入了類似的美學(xué)設(shè)計，采用色彩豐富的顯示技術(shù)、復(fù)雜的觸摸屏接口并提供便利的連通性，可以方便地集成到信息系統(tǒng)內(nèi)。硬件技術(shù)的深入開發(fā)也帶動了軟件設(shè)計的重復(fù)利用，從商用化操作系統(tǒng)到軟件棧，可以直接提取硬件電路。總而言之，軟件的重復(fù)利用有助于加快開發(fā)速度、降低產(chǎn)品失效風(fēng)險，以更低的RD成本將產(chǎn)品快速推向市場。

終端安全性

POI與消費類(CE)設(shè)備的主要差別在于安全性。EMV卡的全球化開發(fā)意味著系統(tǒng)所要面臨的威脅也是全球性的。如不采取適當(dāng)對策，則有可能在瞬間遭受來自世界不同區(qū)域的攻擊。另一方面，由于高投資(開發(fā)工具、時間等花費)帶來的巨額回報，犯罪團(tuán)伙會不惜代價地實施攻擊行為，由此可見，設(shè)備安全性的最大威脅來自于這些犯罪團(tuán)伙。

當(dāng)前金融終端的互操作性、通信接口以及高級服務(wù)都已成為攻擊者的“敲門磚”。由業(yè)內(nèi)重要的支付產(chǎn)品公司聯(lián)手創(chuàng)立的支付卡產(chǎn)業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)委員會(PCI SSC)—包括美國的Express、JCB、MasterCard和Visa—旨在規(guī)范整個產(chǎn)業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)。

PCI SSC開發(fā)的PCI PIN交易安全(PCI PTS)標(biāo)準(zhǔn)定義了金融終端安全性的要求。前期的PCI PIN輸入設(shè)備(PCI PED)標(biāo)準(zhǔn)(PCI PTS)主要關(guān)注應(yīng)對物力和邏輯攻擊，這些攻擊行為試圖從POI提取PIN碼和加密密鑰。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和試驗室研究，PCI PTS歸納了針對各種攻擊(物力篡改、環(huán)境更改、軟件接口攻擊、密碼分析破解攻擊、政策威脅)的安全防護(hù)機制。PCI PTS旨在保護(hù)終端內(nèi)部或智能卡連接通道普通格式的PIN碼。

物理機制要求在入侵者打開終端、插入PIN記錄裝置，防止數(shù)據(jù)在PIN輸入或發(fā)送端被捕獲，并可阻止對終端操作的修改。邏輯上需要防止入侵者修改讀卡器、控制終端的運行程序，從而達(dá)到他們恢復(fù)、記錄或發(fā)送PIN碼及其它敏感數(shù)據(jù)的目的。

其它要求包括磁條數(shù)據(jù)的有效保護(hù)。PCI PTS的每項要求對應(yīng)于特定的攻擊類別，與對抗等級有關(guān)，通常用16至35范圍的數(shù)字表示。為了達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，支付終端必須能夠?qū)⒃馐艽鄹牡娘L(fēng)險(所謂的篡改值)降至最低。

按照ITSEC聯(lián)合實驗室聲明(JIL)對智能卡的規(guī)定，攻擊值方案基于所了解的相關(guān)知識、攻擊持續(xù)時間、攻擊者的資源和專業(yè)技術(shù)。對每種抗攻擊能力劃分成幾個等級進(jìn)行評測，每個等級有相應(yīng)的額定值。考慮一種攻擊形式時，可以由衡量每種類型的攻擊強度值的加和表示。例如，文件類保護(hù)包括三個等級：公開、受限、加密。如果一個受限文件受到攻擊，該等級的攻擊值(受限文件)需要增加到攻擊求和中。

抗攻擊能力評估需要在具備資質(zhì)的實驗室進(jìn)行，最終是否獲得批準(zhǔn)的決定權(quán)由PCI PTS成員掌控。由于攻擊者可以接觸到支付終端設(shè)備，PCI PTS特別規(guī)定了能夠抵抗各種威脅、保護(hù)卡持有人敏感數(shù)據(jù)的安全等級。PCI PTS并不提供相應(yīng)的解決方案，需要制造商想方設(shè)法滿足這些條件的要求。PCI PTS 3.1已于2012年3月替代PCI PED 2.1標(biāo)準(zhǔn)，隨著安全等級不斷提升，終端廠商將面臨更加嚴(yán)峻的設(shè)計挑戰(zhàn)。

PCI PTS 3.x

PCI對支付終端的安全要求發(fā)生了重要改進(jìn)，加強了對最新攻擊威脅的防御。另外，其新方案的提出也促進(jìn)了模塊化開發(fā)，用于簡化生產(chǎn)。這一演變的標(biāo)志是將PIN輸入裝置(PED)變更為POI裝置，反映出使用端的變化。終端裝置與之前一樣需要執(zhí)行金融交易，但現(xiàn)在需要執(zhí)行更多任務(wù)，新需求也說明生產(chǎn)廠商已經(jīng)考慮了PCI SSC這種擴展能力。

從整個過程看，認(rèn)證過程已經(jīng)簡化為對包含所有類型裝置(POS、EPP、自動售貨機、售貨亭)的一次性評估，分為兩個強制評估模塊：設(shè)備的核心要求和集成要求。另外還有兩個新的評估模塊供廠商選擇。

為確保安全性，根據(jù)現(xiàn)場反饋對具體要求進(jìn)行了少許修改和加強。一些關(guān)鍵要求已經(jīng)使其攻擊值從1點增加到2點，尤其是與物理攻擊(鍵盤、磁條和卡槽)相關(guān)的攻擊。攻擊成本值介于16至35 (PCI PED 2.1標(biāo)準(zhǔn)下為14至35)。此外，現(xiàn)在通過指定請求的規(guī)則更嚴(yán)格。較早的標(biāo)準(zhǔn)只要求攻擊準(zhǔn)備和攻擊開發(fā)值之和等于一個最小值;現(xiàn)在，攻擊開發(fā)值本身必須具有一個最小值(攻擊準(zhǔn)備為識別階段，攻擊者在此期間研究問題、設(shè)計方法，以及測試設(shè)備。在開發(fā)階段，攻擊者進(jìn)入公共場所，并實際進(jìn)行數(shù)據(jù)盜取)。

其它新要求明確針對新POI架構(gòu)和服務(wù)。舉例說明，要求B17考慮在同一終端上運行多項應(yīng)用的情況，這完全反應(yīng)了現(xiàn)代終端的軟件架構(gòu)。另一個例子是新可選評估模塊的創(chuàng)建：開發(fā)協(xié)議(Open Protocol)模塊處理開放/公共網(wǎng)絡(luò)上的安全問題，通常解決來自于通過IP連接的終端安全事項，類似于PC日常面臨的攻擊威脅。安全讀取與數(shù)據(jù)交換(SRED)模塊規(guī)定對終端內(nèi)持卡人賬戶數(shù)據(jù)的保護(hù)要求。表1列出了大多數(shù)關(guān)鍵的安全要求，以及對設(shè)計高效率、高性價比終端的功能性要求。

控制安全方案的成本

終端廠商為了滿足嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計功能強大、外觀時尚的POI設(shè)備時面臨巨大挑戰(zhàn)。終端廠商自己開發(fā)并維護(hù)安全設(shè)備可能付出巨額代價，因為這將要求終端廠商專門建立一支專家團(tuán)隊，從而占據(jù)相當(dāng)大的RD資源。這也成為新生力量進(jìn)入安全市場的巨大障礙，但它并不代表現(xiàn)有廠商擁有多么明顯的競爭優(yōu)勢，畢竟支付終端的所有安全認(rèn)證條件都是強制性規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)化為專業(yè)廠商的安全模塊創(chuàng)造了巨大商機。由于認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的，終端廠商可以選擇商用化的安全方案以滿足安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求。與自主開發(fā)安全方案相比，這些模塊化設(shè)計具有幾項顯著優(yōu)勢。

它們能夠減輕終端制造商的設(shè)計負(fù)擔(dān)，只需關(guān)注系統(tǒng)增值功能。安全性雖然不是設(shè)備的特殊功能，但卻是對終端產(chǎn)品最基本的標(biāo)準(zhǔn)化要求。通過與安全產(chǎn)品供應(yīng)商合作，終端廠商能夠?qū)⒅饕Ψ旁诮鹑诮K端市場的增值服務(wù)上。

高性價比設(shè)計允許開發(fā)更加復(fù)雜的安全機制。由于多個用戶共同分?jǐn)俁D成本，使得高科技開發(fā)資源不會形成一家獨占的局面。隨著對安全產(chǎn)品復(fù)雜性要求的提高，這些降低設(shè)計成本的因素也愈加重要。由此可見，金融終端市場也依賴于能夠提出有效應(yīng)對措施、專業(yè)的安全產(chǎn)品供應(yīng)商。

利用獲得批準(zhǔn)的模塊降低風(fēng)險、加速POI認(rèn)證。對商用化方案進(jìn)行安全評估并獲得PCI PTS批復(fù)，模塊供應(yīng)商能夠降低終端設(shè)計人員的開發(fā)風(fēng)險。從而簡化安全系統(tǒng)集成，加快通過終端認(rèn)證的步伐。

安全架構(gòu)綜述

目前，市場上的支付終端主要采用三種不同類型的架構(gòu)，以不同形式提供安全接入服務(wù)，資產(chǎn)保護(hù)和其它功能集成在終端內(nèi)，表1列出了相關(guān)需求。

安全管理器

最通用的架構(gòu)之一是采用安全管理器，為通用微控制器(µp;C)增添安全功能。安全管理器能夠有效保護(hù)敏感憑證、偵測物力或環(huán)境篡改事件(例如：改變溫度或電壓)。外部傳感器輸入允許連接安全防護(hù)罩、PCB防護(hù)網(wǎng)和篡改傳感器(圖1)。

圖1. 基于安全管理器IC的支付終端

Maxim的DS3600等安全管理器引入了受專利保護(hù)的無痕跡存儲器架構(gòu)，利用片上NV SRAM存儲加密密鑰。電池備份存儲器能夠消除氧化應(yīng)力在存儲器留下的痕跡，防止對受應(yīng)力作用的存儲器單元的殘余數(shù)據(jù)進(jìn)行無源偵測。一旦檢測到入侵操作，將立即、徹底地擦除NV SRAM的內(nèi)容。這些安全管理器還提供隨機數(shù)發(fā)生器等其它安全服務(wù)，通過通用微控制器(µC)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和運行控制，包括加密服務(wù)和敏感接口控制。

雙芯片架構(gòu)(雙控制器)

第二種方案是采用通用µC和安全配套芯片把計算與安全功能分隔開(圖2)。通用µC執(zhí)行所有與安全性無關(guān)的任務(wù)，而安全協(xié)處理器包含了另一µC，作為報警系統(tǒng)執(zhí)行加密計算、控制敏感接口。

圖2. 由通用µC和專用安全µC構(gòu)成的雙芯片架構(gòu)

通過專用的控制接口連接兩個µC，以避免敏感信息的泄漏。這種架構(gòu)非常適合現(xiàn)代POI設(shè)計，這類產(chǎn)品大多在商用化方案的基礎(chǔ)上使設(shè)計滿足PCI PTS要求。終端設(shè)計人員可以選擇通用µC單獨完成系統(tǒng)的功能性、連通性任務(wù)以及計算功能;安全µC則用于處理所有安全保護(hù)操作，例如：PIN和密鑰管理、電池備份存儲器、篡改偵測、加密計算等。這款μC的選擇只需要單純考慮如何滿足PCI PTS安全性認(rèn)證的要求，因此可以選擇預(yù)先通過認(rèn)證的商用化解決方案。

安全配套芯片

MAXQ1850即為該系列產(chǎn)品的代表器件，這款32位安全µC設(shè)計用作任何通用µC的配套芯片。按照芯片安全評估報告的陳述，MAXQ1850能夠滿足最嚴(yán)格的PCI PTS標(biāo)準(zhǔn)要求：

連接到電池備份存儲器的篡改響應(yīng)傳感器提供物力篡改保護(hù)，一旦檢測到篡改事件立即執(zhí)行擦除操作

強大的保護(hù)功能能夠在發(fā)生故障和環(huán)境干擾(脈沖干擾、極端溫度等)狀況下提供可靠保護(hù)

嵌入式存儲器用來保存敏感資源(例如：密鑰和固件)

裸片防護(hù)網(wǎng)用于保護(hù)嵌入式存儲器

安全加密功能支持所有算法(旁道攻擊對策)

高度安全的隨機數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生密鑰

直接控制敏感外設(shè)(例如：智能卡、鍵盤和顯示器)