基于USB接口和智能卡的PKI客戶端設計

計算機、網絡、通信技術的迅猛發(fā)展，使人們的生活和生產方式發(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，公鑰基礎設施)被譽為現(xiàn)代信息社會安全的基石，也是電子商務與電子政務的關鍵技術。它能夠為所有網絡應用透明地提供加密和數(shù)字簽名等密碼服務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。通常pki系統(tǒng)主要由認證機構、證書庫、密鑰備份及恢復系統(tǒng)、證書作廢處理系統(tǒng)、pki應用接口系統(tǒng)等部分組成。

pki的基礎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。智能卡具有嵌入卡片內部的cpu和存儲器，同時還有一系列的安全機制來保證內部數(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，能夠對存儲在其中的數(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，都處在智能卡的保護之下。另外，為了提高設備使用的靈活性和方便性，采用了usb接口技術，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客戶端設備的研制

pki客戶端設備是一個全功能、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、外圍設備和系統(tǒng)軟件有良好接口，方便用戶開發(fā)相應的高層軟件。

2.1 客戶端設備的硬件實現(xiàn)

要實現(xiàn)本客戶端設備，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備的尺寸。經過反復比較篩選，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 客戶端設備的軟件設計

pki客戶端系統(tǒng)的軟件設計包括計算機主機的軟件設計和硬件設備中的軟件設計，具體的層次結構如圖1所示。

智能卡層的軟件設計，主要完成cos(chip operation system)軟件和加密算法；usb接口層的軟件設計，主要完成主機和智能卡之間的信息傳遞；應用層的軟件設計，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計。

2.2.1 智能卡層軟件設計

主要包括兩個模塊：卡內操作系統(tǒng)cos和算法庫。這是實現(xiàn)pki客戶端設備的關鍵部分。

1)卡內操作系統(tǒng)cos的設計

智能卡內設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．文件的空間結構

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。

◆二進制結構文件的空間=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。

◆變長記錄結構文件的空間=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內容。

在滿足key文件的增加權限時，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限時才可以使用該密鑰，在滿足某個密鑰的修改權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。本設計支持以下幾種密鑰：個人密碼(pin)、外部認證密鑰、內部認證密鑰、(crypt密鑰、pin解鎖密鑰、pin重裝密鑰、應用維護密鑰等。

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)是在智能卡完成復位應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)行相應的操作。

ic卡通過usb接口與終端之間使用命令與應答的通信機制，即終端，把命令送到1c卡，ic卡接收并處理后發(fā)送響應給終端。這種機制包括兩種應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(apdu)——命令應用數(shù)據(jù)單元與響應應用數(shù)據(jù)單元。

命令應用數(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。

響應應用數(shù)據(jù)單元也包括兩部分：可能存在的響應數(shù)據(jù)體(應答體)和兩個狀態(tài)字節(jié)(應答尾部)，其內容為

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。

以上算法全部在設備內實現(xiàn)。

2.2.2 usb接口層的軟件設計

usb接口層軟件主要完成計算機主機和客戶端設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成主機與ic卡之間交互的命令及響應。一方面將主機來的usb信息包轉換成符合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，將智能卡的響應數(shù)據(jù)轉化成usb數(shù)據(jù)包，上傳給主機。

在usb的初始化中，完成終端設備usb的自舉過程?？紤]到設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類設備，實現(xiàn)在win2000、win me等環(huán)境下免安裝驅動程序的特點。本設備使用了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，單片機響應中斷，首先查看各中斷寄存器，找出產生中斷的事件，然后處理。程序的設計主要集中在中斷處理服務程序上，如圖2所示。

上述2.2.1節(jié)和2.2.2節(jié)軟件設計為pki終端設備內軟件設計，整個軟件采用了keil c51語言編寫。與匯編相比，c語言在功能、結構、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應用層軟件設計
應用層(計算機主機)軟件開發(fā)主要是提供底層api庫函數(shù)，在此基礎上實現(xiàn)csp[4](cryptographic service provider，加密服務提供者)軟件設計，為用戶提供符合微軟加密服務要求的中間件。應用層軟件結構如圖3所示。

應用程序不能直接與csp進行通信。取而代之，應用程序通過調用由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，從而完成相應的功能。操作系統(tǒng)過濾這些函數(shù)調用，并把它們通過c2ryptospi(系統(tǒng)編程接口)傳遞給相應的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)。

在應用軟件方面，我們設計了客戶端管理工具軟件和管理端管理工具軟件。

客端管理工具實現(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，還提供了格式化設備、清空設備、解鎖用戶密碼、修改管理員密碼等功能。

2.3 主要技術指標

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

本文提出的pki客戶端設備已經小批量生產。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；可廣泛應用于要求個人身份認證、識別、數(shù)據(jù)加密、安全存儲等領域，如電子商務、電子政務等，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)。總之，本設計思想先進，代表了當前該領域的發(fā)展方向，應用前景廣泛。