关于逻辑加密卡一种安全方案的设计

【摘　要】　针对逻辑加密卡的特点，从加强软件设计的角度出发，巧妙实现了一卡一密，从而给出了一种安全可靠的加密方案。
　　关键词：逻辑加密卡，软件，设计

1　引　言
　　目前使用的IC卡一般有两种类型，即CPU卡和逻辑加密卡。CPU卡的加密性能自不必说，然而其编程复杂，价格远远高于逻辑加密卡。如果在程序设计上对逻辑加密卡的安全性多加考虑，选择逻辑加密卡几乎是无法破译的，而且成本低，用户容易接受。下面我们以SLE4428逻辑加密卡为例设计一种安全实现方案，该IC卡在本地区经过约10万人使用，两年来未发生一起失密事故。
2　SLE4428性能描述和设计原则
　　为了更好地说明设计流程，首先简要地介绍一下SLE4428的性能。
　　·SLE4428容量大小为1K字节，地址为0－1023，存储区分配图如图1所示。
　　·所有数据除密码外，在任意情况下均可被读出，密码在核对正确后可以被读出。
　　·所有数据包括密码本身在核对密码正确后可以写入或更改。
　　·所有数据都可以按字节进行写保护，写保护后数据固化，任意情况下不可更改。
　　·有一个密码出错计数器。地址是1021。初始值为8，密码核对出错一次，便减1。若计数器值为0，则整张卡的数据被锁死，只可读出，不可更改或写入且无法继续核对密码；若不为0，则只需要一次核对正确，计数器将恢复为初始值8。
　　·密码长度为2字节，地址是1022，1023。共有216种组合，在密码核对正确之前，读这两地址的结果是“00”，也无法写入和更改；在密码核对正确后可以读出密码和更改密码，密码会一直有效至卡掉电为止。
　　·地址0－7、21－26，出厂前由厂家固化，不可更改，其中地址21－26是卡的用户代码，是由制造卡的厂家向SIEMENS公司申请注册的全球唯一的用户代码。
　　针对SLE4428安全性的局限性，我们采用了下面的设计原则。
　　（1）首先生成密钥文件，该文件为二进制加密文件，由用户方提供的算法种子经过加密算法，生成用户卡密钥所需要的算法种子（以下简称密钥种子）和加密用户卡数据所需要的算法种子（以下简称加密种子）。
　　（2）用算法种子通过加密算法以密文方式存储用户卡重要数据，使其它系统无法读出卡上内容，从而保护用户的隐私。
　　（3）用户卡的改写必须经过下述操作：首先，调用密钥文件中的密钥种子，其次，通过加密算法校验用户卡密钥，如果正确就可以进行改写，如果不正确，SLE4428将记数，超过8次不正确，SLE4428将自动锁死，从而避免用穷尽法破译用户卡密钥。
3　设计流程
　　IC卡的设计分为发行用户新卡和改写用户卡两种情况，对这两种情况，首先都需要从二进制加密文件获取密钥种子和加密种子。该二进制加密文件由用户输入8位字符经加密算法m1生成，用户应记住该8位字符，以免加密文件丢失后可重新生成。

3．1　发行用户新卡
　　发行新卡大约有如下的步骤：
　　（1）从二进制加密文件中，通过算法m2读取密钥种子和加密种子。
　　（2）取随机数，并与密钥种子经加密算法m3生成用户卡密码（New　Pass）。
　　（3）核对新卡密码，新卡密码为ffff，并修改新卡密码为用户卡密码（New　Pass）。
　　（4）有关数据写入IC卡，重要数据和第2条取出的随机数，经加密算法m4生成数据密文，再写入IC卡。
　　（5）根据需要将不可更改的数据进行写保护，以免误操作，如第2条取出的随机数密文。
　　根据上述步骤，设计发行新卡的流程如下：
　　（1）建立用户对象u　secret，主要由解密函数、函数、取密钥种子函数等函数组成。
　　（2）调用u　secret中的取密钥种子函数读取密钥种子和加密种子。
　　（3）取随机数，调用u　secret中的加密函数生成并更新新卡密码。
　　（4）随机数加密写入IC卡并固化，再写入其他数据。
　　使用PB设计主程序如下：（为减少篇幅，程序只列出主要部分）



3．2　改写用户卡
　　IC卡在日常使用中其实就是改写用户卡的过程，主要过程同发行新卡一样，即首先读取密钥种子和加密种子，再从用户卡中读出随机数、解密并核对密码，最后写卡。程序类似发行新卡，这里省略。
4　安全说明
　　（1）SLE4428有三项安全机制：唯一代码、固化写入、用户密码。唯一代码是由制造卡的厂家向SIEMENS公司申请注册的全球唯一的用户代码。采用唯一代码作为系统所用IC卡的标识，可防止其它厂家的卡进入系统，但同时也决定了用户卡只能来源于该厂家；固化写入对于需要不断改卡的用户也不适用；只有建立安全的用户密码才是最有效的手段。
　　（2）SLE4428无须密码便可读出除密码外的整张卡的数据，密码一经核对便可向任一地址写入或修改数据，因此，设计时要注意适当固化数据和将数据内容加密，以防止无意破坏数据或非法修改数据。
　　（3）密码核对正确后便可读出，因此，设计程序时，要能防止破坏者采用非法中断程序运行、直接去
读取密码的方法来窃取密码。在本方案中，对加密和解密函数均写入到一个用户对象u　secret中，在需要写卡前定义，写完后立即destroy掉，这样就可以防止程序跟踪破译。
　　（4）总之，假如要破译该方案设计的IC卡，必须要同时做到以下几点：
　　·获得二进制加密文件的加密算法m1，才能得到密钥种子和加密种子，获得密钥种子和加密种子后，必须通过算法m2才能得到有效的密钥种子和加密种子。
　　·密文数据（包括解密用的随机数）是由加密算法m4生成的，需要解密算法m5才可获得。
　　·取出的随机数要与密钥种子经加密算法m3才可生成用户卡密码。
　　·由于随机数的不同，所以实现了一卡一密，即使窃取一张或几张用户卡的密码，也无法破译一批用户卡的密码。
　　根据上述分析，该方案的安全性和可靠性已达到较高的水平。

参考文献

1　纪风华．基于IC卡的一种实用加密方法．中国科技论文．信息产业部编，2001
2　李平文．IC卡及其在医疗保险中的应用．中国科技论文．信息产业部编，2001
3　周玉程．IC卡及其应用．中国科技论文．信息产业部编，2001