智能卡數據交互安全性的研究
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：岳佩，孫冬梅，張大偉 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月30日
1 引言
目前身份認證技術(shù)中，智能卡應用非常廣泛。智能卡身份認證經(jīng)歷了單純的智能卡認證，基于密碼的智能卡認證，以及目前研究非常熱門(mén)的基于生物識別技術(shù)的智能卡認證三個(gè)階段。為了提高認證的可靠性，智能卡中存儲的數據也日漸增多。例如， 智能卡惟一的身份認證密鑰對，持卡人的個(gè)人信息，持卡人的P1N碼，持卡人的掌紋，指紋等生物信息。然而數據在智能卡與讀卡器交互過(guò)程中存在的安全問(wèn)題，嚴重侵犯了個(gè)人隱私和影響了身份認證的可靠性。
智能卡數據存在的安全問(wèn)題主要來(lái)自于以下五個(gè)方面：篡改智能卡中數據或者偽造智能卡，使得數據存儲在不安全的卡上；改造讀卡器；竊聽(tīng)讀卡器與智能卡的通信信道，截獲、更改或者重放報文信息；非法分子利用合法讀卡器在持卡人未知的情況下，試圖讀取智能卡中的基本數據；讀卡器越權訪(fǎng)問(wèn)智能卡中的敏感信息，例如指紋等生物信息。
目前國內廠(chǎng)商和國際規范中關(guān)于數據保護主要集中于前三個(gè)問(wèn)題的研究 ’ ，技術(shù)相對比較成熟，而關(guān)于讀卡器不同程度的非法訪(fǎng)問(wèn)智能卡數據的兩個(gè)問(wèn)題沒(méi)有提出比較好的解決方式，同時(shí)對于傳輸過(guò)程中信息的加密也比較薄弱，因此迫切需要解決數據交互中存在的安全問(wèn)題。本文就是從智能卡與讀卡器之問(wèn)數據交互的安全性出發(fā)，在現有的安全技術(shù)基礎上，提出比較完善的安全設計方案，解決目前數據交互過(guò)程中存在的安全問(wèn)題。第二部分介紹提出的安全方案的總體框架，第三到第五部分是針對I前安全體系遺留問(wèn)題，提出具體的解決方案，第六部分是對整個(gè)方案進(jìn)行安全性分析。
2 智能卡與讀卡器數據交互安全方案
在我們的安全方案中，根據智能卡中數據安全性要求的高低，將智能卡中的數據分為高敏感性數據和低敏感性數據。例如，掌紋、指紋等隱私性較強的信息稱(chēng)為高敏感數據；智能卡表面印制的條形碼(MRZ)，內部存儲的一些卡片基本信息等相對個(gè)人隱私性較弱的信息稱(chēng)為低敏感數據。對于不同敏感程度的信息，建立不同的安全保護機制，具體安全方案如圖l所示。其中，智能卡數據完整性認證，智能卡真偽認證，讀卡器真偽認證可以采用目前比較成熟的安全技術(shù) ’，因此，本文重點(diǎn)對讀卡器物理訪(fǎng)問(wèn)權限認證、安全報文傳輸以及讀卡器訪(fǎng)問(wèn)高敏感數據權限的認證進(jìn)行討論。
圖1智能卡與讀卡器之間數據交互安全方案
3 讀卡器物理訪(fǎng)問(wèn)權限的認證
為了防止非法分子利用讀卡器訪(fǎng)問(wèn)智能卡中基本數據，侵犯持卡人的個(gè)人隱私，保證讀卡器的訪(fǎng)問(wèn)是在持卡人有意愿的情況下進(jìn)行，需要在讀卡器與智能卡建立通信的開(kāi)始階段驗證讀卡器的物理訪(fǎng)問(wèn)權限。智能卡表面的條形碼只有在持卡人出示時(shí)才可以被讀取，因此，我們通過(guò)驗證讀卡器是否讀到正確的條形碼來(lái)判斷讀卡器的物理訪(fǎng)問(wèn)權限。它的實(shí)現過(guò)程分為三步：
第一步：在智能卡初始化階段，利用條形碼的定長(cháng)信息，采用密鑰產(chǎn)生機制生成16字節的加密密鑰Kenc， 16字節M(mǎn)AC生成密鑰Kmac，然后存儲在智能卡中。密鑰產(chǎn)生機制的過(guò)程包括：
(1)以定長(cháng)數據為根，通過(guò)SHA1產(chǎn)生20字節的摘要值；
(2)摘要值中的前16字節為加密密鑰，生成MAC的密鑰。
與讀卡器之間基于對稱(chēng)密鑰的認證方式，對密鑰進(jìn)行認證。具體步驟如下：
(1)讀卡器發(fā)送取隨機數的命令，獲取智能卡產(chǎn)生的8字節的隨機數A；
(2)讀卡器產(chǎn)生8字節的隨機數B， 并產(chǎn)生16字節的隨機數random—read，用加密密鑰Kencl對A，B和random—read進(jìn)行加密得密文C；對密文C用Kmac生成校驗碼macl，將密文C和校驗碼macl發(fā)送給智能卡；
(3)智能卡收到信息后，獲取其中的密文C和校驗碼macl，利用卡內存儲的密鑰Kmac生成mac2，將mac2與macl進(jìn)行比對，比對成功則解密，得到明文，認證隨機數A 的正確性，完成對讀卡器的認證；
(4)智能卡從明文中獲取隨機數B， 產(chǎn)生16字節的隨機數random—card，并利用加密密鑰Kenc對A，B和random—card，進(jìn)行加密，獲取密文C1，用Kmac對密文生成校驗碼mac’；將密文和校驗碼發(fā)送給讀卡器；
(5)讀卡器收到信息后，利用密鑰Kmacl先生成mac’2；與獲取的MAC值進(jìn)行比對，一致則解密信息，對獲取的隨機數B進(jìn)行對比，也可實(shí)現對智能卡的認證。
4 安全報文傳輸
為了保證傳輸的信息在信道中不被第三方竊聽(tīng)或者篡改，防止信息的重放，需要進(jìn)行安全報文傳輸。通常的信息傳輸方式有明文方式，校驗碼方式，密文方式，密文+校驗碼方式，本方案采用密文+校驗碼方式，保證信息傳輸的完整性與保密性。其中會(huì )話(huà)密鑰的產(chǎn)生過(guò)程如下：
(1)利用讀卡器物理訪(fǎng)問(wèn)權限認證中，讀卡器產(chǎn)生的隨機數(rand_reader)和智能卡產(chǎn)生的隨機數(rand_card)異或值為根。
(2)通過(guò)密鑰生成機制產(chǎn)生密鑰，加密密鑰為前l(fā)6位，生成校驗碼的密鑰為后16位字節。
校驗碼生成機制采用16字節密鑰DES算法生成8字節校驗碼。傳輸數據的格式按照ISO／IEC 7816-4中定義的BER TLV編碼規則。
5 讀卡器訪(fǎng)問(wèn)高敏感數據權限的認證
為了防止對智能卡內敏感數據進(jìn)行越權訪(fǎng)問(wèn)，保證數據的安全，必須設定讀卡器對敏感數據的訪(fǎng)問(wèn)權限。它的設計包括三個(gè)部分：
(1)第一部分：證書(shū)的擴展
根據X．509中對證書(shū)的定義，可以在擴展區域添加它對敏感數據的訪(fǎng)問(wèn)權限，如圖2所示。
根據PKI和PMI的原理，建議將設定訪(fǎng)問(wèn)權限的證書(shū)與設定公鑰的證書(shū)進(jìn)行分離，避免權限證書(shū)中權限的頻繁更改，增加證書(shū)機構的負擔。
(2)第二部分：證書(shū)的發(fā)放
證書(shū)由CA機構發(fā)放。該地區內用戶(hù)共同信任的可信點(diǎn)CCA (C0untry CA) 為下面的子機構DCA(department CA)頒發(fā)身份認證證書(shū)，使得其他機構可以信任該組織頒發(fā)的證書(shū)，并在證書(shū)中設定訪(fǎng)問(wèn)權限項(access right，簡(jiǎn)寫(xiě)為ar)，表明上級機構授予子機構的訪(fǎng)問(wèn)權限。子機構再為它管理的讀卡器(T)發(fā)放證書(shū)，并設定訪(fǎng)問(wèn)權限(sub access right，簡(jiǎn)寫(xiě)為sar)。在證書(shū)發(fā)放和權限設置時(shí)，必須遵循一個(gè)原則：讀卡器的訪(fǎng)問(wèn)權限不能超過(guò)為它頒發(fā)證書(shū)的機構的訪(fǎng)問(wèn)權限(sar<=ar，其中安全級別1>0)，如圖3所示。
圖3證書(shū)中訪(fǎng)問(wèn)權限的設置
(3)第三部分：證書(shū)的認證
證書(shū)的認證按如下步驟進(jìn)行：
1)讀卡器將屬性證書(shū)發(fā)給智能卡，智能卡先查看證書(shū)(TCER)中的證書(shū)發(fā)行機構(SCA)，然后讀取該發(fā)行機構的證書(shū)(SCER)，利用為SCA頒發(fā)證書(shū)的CA公鑰驗證該證書(shū)的合法性，讀取它的訪(fǎng)問(wèn)權限(SAR)。
2)然后驗證讀卡器的TCER的合法性， 從證書(shū)(TCER)中讀取訪(fǎng)問(wèn)權限(TAR)，當TAR<=SAR時(shí)，則證明該權限設置是合法的。
3)最后根據權限，決定是否為讀卡器提供敏感數據的訪(fǎng)問(wèn)。
6 安全性分析
本文提出一種解決讀卡器非法訪(fǎng)問(wèn)智能卡數據問(wèn)題的安全方案，通過(guò)建立有效的安全機制保證智能卡數據的安全性。下面對文中設計的三個(gè)模塊的安全性進(jìn)行分析：
(1)認證讀卡器物理訪(fǎng)問(wèn)權限：根據實(shí)際應用可以得到，讀卡器表面的條形碼MRZ只有在持卡人主動(dòng)出示卡片才能被讀卡器獲取，如果非法分子利用讀卡器在持卡人未知的情況下訪(fǎng)問(wèn)智能卡，則不能獲取MRZ。根據對稱(chēng)密鑰算法的原理，當加解密前后數據一致時(shí)，可以達到對讀卡器物理權限的認證。
(2)安全報文傳輸機制：采用加密校驗的模式可以防止對信息進(jìn)行篡改和竊聽(tīng)。利用相互認證中產(chǎn)生的隨機數生成會(huì )話(huà)密鑰，不僅能夠實(shí)現一次一密，更能保證密鑰的安全，防止信息重放等危險。
(3)讀卡器證書(shū)認證及訪(fǎng)問(wèn)權限的認證：根據公鑰證書(shū)原理，對證書(shū)進(jìn)行擴展，設置訪(fǎng)問(wèn)權限，并通過(guò)CA機構對證書(shū)進(jìn)行管理、分發(fā)，可以保證證書(shū)和訪(fǎng)問(wèn)權限的合法性。通過(guò)認證證書(shū)，可以認證訪(fǎng)問(wèn)權限，保護讀卡器對智能卡內高敏感數據的訪(fǎng)問(wèn)。
因此，通過(guò)該安全方案，我們可以在目前安全技術(shù)的基礎上，解決智能卡與讀卡器之間數據交互時(shí)存在的安全問(wèn)題，保證數據交互的安全性。
(文/北京交通大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院，岳佩，孫冬梅，張大偉 )
