基于EEM 的網(wǎng)絡(luò )智能卡研究
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：吳俊軍,周方圓 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月07日
1 引言
隨著(zhù)Internet的發(fā)展和普及，越來(lái)越多的電子設備可以接入并通過(guò)Internet獲取資源和提供服務(wù)。而互聯(lián)網(wǎng)上欺騙、竊聽(tīng)、病毒、非法入侵等事件的數量和破壞程度不斷增加，使得網(wǎng)絡(luò )安全越來(lái)越來(lái)受到重視。智能卡因其可安全存儲秘密信息和安全計算可以在其內部安全完成的特點(diǎn)，在信息安全領(lǐng)域得到了廣泛的應用。將智能卡同網(wǎng)絡(luò )相結合無(wú)疑可以在增強網(wǎng)絡(luò )安全的同時(shí)，使在智能卡上實(shí)現創(chuàng )新應用成為可能，因此網(wǎng)絡(luò )智能卡應運而生。
網(wǎng)絡(luò )智能卡是一種可以通過(guò)標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議與主機或者遠程計算機進(jìn)行通訊的智能卡。由于現有智能卡均沒(méi)有45或光纖等以太網(wǎng)常用的物理接口，網(wǎng)絡(luò )智能卡需要通過(guò)計算機或者其它終端來(lái)接入Intemet。同普通智能卡相比，網(wǎng)絡(luò )智能卡支持標準的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議——TCP／IP協(xié)議。通過(guò)對TCP／IP協(xié)議的支持，可省略傳統智能卡系統中較為復雜的中間協(xié)議轉換部件，從而大大簡(jiǎn)化智能卡系統的結構，可以在縮減成本的同時(shí)，有效提高智能卡系統的安全性和響應速度。但是，由于智能卡的內存等硬件資源非常緊張，而且其基于ISO 7816的接口對于數據傳輸速度也是一個(gè)很大的約束，如何在智能卡內部實(shí)現高效的TCP／IP協(xié)議棧的同時(shí)解決數據接口問(wèn)題，是網(wǎng)絡(luò )智能卡實(shí)現的關(guān)鍵。
2 網(wǎng)絡(luò )智能卡研究現狀
雖然智能卡技術(shù)的發(fā)展非常迅速，但它的通訊協(xié)議大體上并未改變，仍然采用傳統的ISO 7816協(xié)議。由于ISO7816協(xié)議的限制，其在速度上與主流的因特網(wǎng)協(xié)議TCP／IP不能很好匹配，因此智能卡在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域方面的應用受到很大限制。
為了實(shí)現智能卡和Internet的連接，研究人員做了大量的工作，實(shí)現了許多網(wǎng)絡(luò )智能卡的模型和實(shí)例，如UrienP的iSimplify!、密歇根大學(xué)Rees J和Honeyman P的Webcard[ 、微軟的WebCamSIM、Axalto和Gemplus公司的網(wǎng)絡(luò )智能卡等。
按照有無(wú)內嵌的TCP／IP協(xié)議?？梢詫⒛壳暗木W(wǎng)絡(luò )智能卡模型分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是無(wú)內嵌TCP／IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型，如iSimplify!和WebSIM_3]。此方案的特點(diǎn)是不在卡內實(shí)現TCP／IP協(xié)議棧，可以節省卡內資源的消耗。不過(guò)由于需要主機實(shí)現協(xié)議的轉換，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )智能卡均需要在主機上安裝中間件來(lái)進(jìn)行通訊。另一類(lèi)是內嵌TCP／IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型，如Webcard、Axalto、Gieseeke& Devrient、Oberthur Card Systems等。與前面的模型相比，此類(lèi)模型需要消耗更多的存儲空間(RAM和EEPR0M)。由于采用標準的TCP／IP協(xié)議，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )智能卡不需要在主機上安裝中間件來(lái)進(jìn)行協(xié)議的轉換，具有較好的易用性。
隨著(zhù)智能卡技術(shù)的發(fā)展，智能卡的內存容量也越來(lái)越大，內嵌TCP／／P協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò )智能卡的發(fā)展趨勢。當前采用內嵌TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現方式所消耗的系統資源比較巨大，這使網(wǎng)絡(luò )智能卡在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )服務(wù)時(shí)性能非常低下。比如，密歇根大學(xué)CITI的Webcard的實(shí)際傳輸速率只有130字節每秒。
本文針對這一問(wèn)題，提出使用基于EEM 的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型并在卡內實(shí)現TCP／IP協(xié)議棧，通過(guò)簡(jiǎn)約化非必要協(xié)議及復雜協(xié)議對TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行了有效的空間和時(shí)間優(yōu)化，同時(shí)使用基于鏈式緩沖區的設計進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò )智能卡的空間效率和執行效率。
3 基于EEM 的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型
EEM(Ethernet Emulation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)EEM)是基于USB總線(xiàn)的以太網(wǎng)仿真模型，目的在于簡(jiǎn)單、高效地在USB總線(xiàn)上傳輸以太網(wǎng)幀。USB接口因其高速、簡(jiǎn)單、即插即用等良好的特性，廣泛使用于PC及各種終端設備上。當前USB接口已經(jīng)在高端智能卡芯片上成了一種必備的配置，基于EEM模型的網(wǎng)絡(luò )智能卡不僅可以實(shí)現高速的數據傳輸，從而從接口上解決了數據傳輸的瓶頸問(wèn)題；同時(shí)，基于EEM 可以不用過(guò)多考慮以太網(wǎng)幀的實(shí)現細節，有利于網(wǎng)絡(luò )智能卡的快速部署。
基于EEM的網(wǎng)絡(luò )智能卡EEM-NSC是一個(gè)可在邏輯上獨立存在的節點(diǎn)。在其內部實(shí)現TCP／IP協(xié)議棧，通過(guò)EEM協(xié)議同H0ST進(jìn)行數據包的通信，從而可使應用程序通過(guò)高層的應用層協(xié)議來(lái)訪(fǎng)問(wèn)智能卡內部的資源，同時(shí)結合智能卡天生所具備的安全性，極大方便了安全應用程序的開(kāi)發(fā)?；贓EM的網(wǎng)絡(luò )智能卡的框架如圖1所示。
該模型包括主機和網(wǎng)絡(luò )智能卡兩個(gè)部分。主機是連接網(wǎng)絡(luò )智能卡和Internet的計算機或終端設備。其工作機理如下所述：首先，主機將目的主機為EEM-NSC的IP數據包路由給主機中的USB虛擬網(wǎng)卡，同時(shí)將USB虛擬網(wǎng)卡接收到的IP包發(fā)送至Internet；接著(zhù)，USB虛擬網(wǎng)卡將待發(fā)送的IP數據包依次打包為以太網(wǎng)數據包、EEM數據包、USB數據包，并將接收到的USB數據包依次解包為EEM數據包、以太網(wǎng)數據包、IP數據包；最后，主機通過(guò)USB總線(xiàn)完成與EEM網(wǎng)絡(luò )智能卡之間的USB數據包的傳遞。
而EEM網(wǎng)絡(luò )智能卡是EEM網(wǎng)絡(luò )智能卡框架的主體。
主要包括EEM接口、TCP／IP協(xié)議棧、智能卡操作系統、網(wǎng)絡(luò )應用程序四個(gè)部分。EEM接El對接收到的USB數據包進(jìn)行校驗，將USB數據包依次解包為EEM數據包、以太網(wǎng)數據包。同時(shí)，將TCP／IP協(xié)議棧傳送的以太網(wǎng)包打包為EEM數據包、USB數據包，通過(guò)USB總線(xiàn)傳送至主機。TCP／IP協(xié)議棧是EEM 網(wǎng)絡(luò )智能卡模型的核心，用于實(shí)現TCP／IP層的連接、認證、數據傳輸、數據校驗等工作。該模塊為智能卡操作系統提供可靠的數據傳輸。智能卡操作系統屏蔽底層的數據交換，為網(wǎng)絡(luò )應用程序提供數據傳輸的接口。網(wǎng)絡(luò )應用程序為運行在EEM 網(wǎng)絡(luò )智能卡上的提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的應用程序，這些程序可以通過(guò)智能卡操作系統提供的API實(shí)現安全網(wǎng)絡(luò )應用。
相比傳統智能卡，EEM-NSC有諸多優(yōu)勢。協(xié)議方面。采用標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議——TCP／IP協(xié)議，消除了傳統智能卡因協(xié)議不兼容需要進(jìn)行協(xié)議轉換的問(wèn)題；接I：1方面，采用目前普遍使用的USB接口，不需要讀卡器等硬件中間件。不過(guò)，任何外設均需要驅動(dòng)程序。在附有EEM 驅動(dòng)的主機上，EEM-NSC無(wú)需任何軟硬中間件即可實(shí)現互聯(lián)網(wǎng)接入。
目前，微軟、蘋(píng)果等操作系統供應商都紛紛表示將在其下一代操作系統中集成EEM驅動(dòng)。
4 面向智能卡的TCP／IP協(xié)議棧
智能卡的處理能力和存儲資源都相當有限，直接使用標準的TCP／IP協(xié)議棧是不合適的。為了在實(shí)現相應的網(wǎng)絡(luò )功能的同時(shí)盡量縮減資源的消耗，必須依據智能卡的特點(diǎn)有針對性地對TCP／IP協(xié)議棧的結構和運行機制進(jìn)行空間和時(shí)間上的優(yōu)化。
4．1 優(yōu)化策略
本文主要從兩方面對智能卡TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行優(yōu)化：(1)對TCP／IP協(xié)議棧的代碼進(jìn)行裁剪，保證正常使用的同時(shí)有效地縮減代碼量，減少TCP／IP協(xié)議棧本身所占的內存空間，即空間上的優(yōu)化；(2)采用鏈式緩存和零拷貝機制，減少RAM 的消耗及拷貝數據帶來(lái)的系統開(kāi)銷(xiāo)，從而提高TCP／IP協(xié)議棧的運行速度，即時(shí)間上的優(yōu)化。完整實(shí)現TCP／IP協(xié)議棧的代碼量為70KB~150KB，對于資源有限的智能卡來(lái)說(shuō)是不能承受之重。在網(wǎng)絡(luò )智能卡中，我們只需要實(shí)現可靠的數據傳輸和簡(jiǎn)單的地址解析。傳輸層協(xié)議包括TCP和UDP兩種協(xié)議。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節流服務(wù)，具有較高的安全性和穩定性。UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數據報的傳輸層協(xié)議，提供不可靠的服務(wù)。兩者只需實(shí)現其-lp可。智能卡對可靠性及安全性要求較高，若選擇UDP，則需在應用程序中設計相應的機制來(lái)保證數據的正確性和完整性，不僅增加了程序設計的復雜度，而且重復設計將造成代碼冗余，浪費空間。因此，在網(wǎng)絡(luò )智能卡中，我們選用較為復雜但具有較高安全性和穩定性的TCP協(xié)議。
網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議包括IP、ICMP和IGMP協(xié)議。IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò )層上的主要協(xié)議，所有的TCP/IP數據包均通過(guò)IP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳播，是TCP/IP協(xié)議的核心，必須予以實(shí)現。ICMP是IP協(xié)議的附屬協(xié)議。IP層用它來(lái)與其他主機或路由交換錯誤報文和其他重要信息。網(wǎng)絡(luò )智能卡只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的數據傳輸即可，因此ICMP協(xié)議的大多內容可以不予以實(shí)現。為了方便測試傳輸層是否正常，實(shí)現ICMP協(xié)議中的ping應答即可。ICMP用于把一個(gè)UDP包多播到多個(gè)主機。由于選用TCP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，所以ICMP不予實(shí)現。
數據鏈路層協(xié)議包括ARP和RARP協(xié)議。以太網(wǎng)上的數據幀傳輸是通過(guò)MAC地址來(lái)進(jìn)行識別的，主機需要通過(guò)ARP協(xié)議建立IP地址和MAC地址的動(dòng)態(tài)映射，所以ARP協(xié)議必須實(shí)現。RARP為逆向地址解析協(xié)議。無(wú)法存儲IP地址的主機可以通過(guò)該協(xié)議廣播MAC反向獲取IP,主要用于無(wú)盤(pán)工作站，在網(wǎng)絡(luò )智能卡中可以不予實(shí)現。
由于采用EEM協(xié)議，EEM-NSC的物理層及以太網(wǎng)數據幀的傳輸在EEM規范和USB規范中有詳細描述，本文不再贅述。裁剪后的TCP/IP協(xié)議棧如圖2所示。
4．2 基于EEM 的TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現
依據以上優(yōu)化策略，分別對ARP協(xié)議、IP協(xié)議和TCP協(xié)議模塊進(jìn)行相應的優(yōu)化。首先是ARP協(xié)議模塊的優(yōu)化。當一主機把以太網(wǎng)數據幀發(fā)送到位于同一局域網(wǎng)上的另一臺主機時(shí)，是根據48 bit的以太網(wǎng)地址來(lái)確定目的接口的l4J。ARP實(shí)現了32bit IP地址和48bit以太網(wǎng)地址之間的轉換。具體過(guò)程為：源主機廣播名為ARP請求的以太網(wǎng)幀。其中，ARP應答包內包含源主機的IP地址、MAC地址及目的主機的IP。目的主機收到ARP廣播報文后，識別出這是發(fā)送端在詢(xún)問(wèn)它的IP地址，于是發(fā)送一個(gè)ARP應答。這個(gè)應答包含IP地址及對應的MAC地址。收到ARP應答后即可進(jìn)行IP數據包的傳輸。因為EEM—NSC工作時(shí)只是被動(dòng)地處理應答，而且同時(shí)處理的請求不會(huì )太多，因而可以對ARP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化?？梢远x一個(gè)如圖3所示的固定長(cháng)度的結構數組。
在此條件下，EEM-NSC不主動(dòng)發(fā)送ARP請求。當收到主機請求時(shí)發(fā)送應答，并搜索arp—cache數組里active不為T(mén)rue的位置。將主機請求包里的主機IP地址和物理
地址存人數組arp—cache中，并將active設置為T(mén)rue。EEM-NSC通過(guò)查找數組arp—cache獲得MAC地址并與發(fā)出請求的主機進(jìn)行通訊。當通訊結束后將該主機對應的記錄的active屬性設置為False。簡(jiǎn)化后的ARP協(xié)議只實(shí)現了ARP響應，并且將計算機中常用的雙向鏈表結構的arp—cache改為線(xiàn)性數組結構。不僅可以節約存儲窄間，而且具有較快的查找速度。
然后是IP協(xié)議模塊的優(yōu)化。IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò )層的主要協(xié)議，它負責為傳輸層提供無(wú)連接的數據分組傳送服務(wù)，是TCP／IP協(xié)議棧的核心。EEM-NSC作為一個(gè)單純的嵌入式服務(wù)器，不需要實(shí)現IP層中的路由功能，當以太網(wǎng)數據包中的IP地址跟本機IP不匹配時(shí)直接丟棄該以太網(wǎng)數據包即可。發(fā)送數據時(shí)通過(guò)((destip locip)&locmask)=一0是否成立直接判斷出目的地址是否在本地子網(wǎng)內，若是則直接發(fā)送．否則將數據包發(fā)送給默認網(wǎng)關(guān)。
另外，標準IP協(xié)議具有數據包的分段和重組功能。數據包的分段和重組校 復雜，會(huì )帶來(lái)較大的系統開(kāi)銷(xiāo)?？筛鶕﨓EM-NSC的具體應用選擇性地實(shí)現IP協(xié)議的分段重組機制。例如，Web服務(wù)應用時(shí)，請求數據包較小，發(fā)送數據包大，只實(shí)現分段機制即可；身份驗證、網(wǎng)絡(luò )授權應用發(fā)送、接受數據量都很小，分段重組呵均不實(shí)現。這樣，可在保證正常使用的前提下有效減少I(mǎi)P協(xié)議的代碼量。
最后是TCP協(xié)議模塊的優(yōu)化。TCP是一種面向連接的協(xié)議，無(wú)論哪一方向另一方發(fā)送數據之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。TCP協(xié)議在數據傳輸的過(guò)程能夠通過(guò)確認應答機制來(lái)保證數據的可靠傳輸。TCP模塊的優(yōu)化主要從兩個(gè)方面著(zhù)手：(1)刪除TCP狀態(tài)機中不必要的狀態(tài)；(2)簡(jiǎn)化TCP的數據傳輸機制。
EEM-NSC運行的均是服務(wù)器端的應用，不需要主動(dòng)向其它主機發(fā)出請求。因此，在建立連接過(guò)程中，EEMNSC只需保留被動(dòng)打開(kāi)的連接狀態(tài)，SYN—SENT狀態(tài)可以省略。當TCP協(xié)議被調用時(shí)，讓TCP協(xié)議直接處于LISTEN狀態(tài)來(lái)監聽(tīng)客戶(hù)端的連接請求，傳輸完數據后主動(dòng)斷開(kāi)連接，這樣可以及時(shí)地釋放套接字，節約系統資源。
在計算資源和存儲資源充足的情況下，TCP／IP協(xié)議棧均采用滑動(dòng)窗口協(xié)議即多個(gè)TCP包的發(fā)送、確認、重發(fā)同時(shí)進(jìn)行。數據量不大時(shí)可以采用“發(fā)送一停止一等待一確認一發(fā)送”的方式。不實(shí)現滑動(dòng)窗口協(xié)議，TCP協(xié)議每次只發(fā)送一個(gè)數據包，等待先前的數據包被確認以后再繼續發(fā)送。簡(jiǎn)化后的TCP協(xié)議可以在最少計算資源和存儲資源消耗的前提下完成被動(dòng)連接和正常的數據傳輸。
4．3 基于緩沖區的數據交換
EEM-NSC的緩沖區是指其I／O接口和各層之間進(jìn)行數據交換時(shí)使用的臨時(shí)存儲區域。緩沖區的設計直接決定網(wǎng)絡(luò )智能卡的吞吐速度及整體性能。
EEM-NSC采用鏈表來(lái)存儲需要輸入輸出的數據，這種機制被用于各種BSD風(fēng)格的TCP／IP的實(shí)現以及一些嵌入式的開(kāi)發(fā)中。
根據局部性原理，在前面幾條指令中使用頻繁的頁(yè)面很可能在后面的幾條指令中也頻繁使用。反過(guò)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)很久沒(méi)有使用的頁(yè)面很可能在未來(lái)較長(cháng)的一段時(shí)間內也不會(huì )被用到。因此，我們設計緩沖區時(shí)，找到最近最少使用的那個(gè)頁(yè)面調出內存即可。EEM 網(wǎng)絡(luò )智能卡鏈式緩沖區采用數組與鏈表相結合的結構，不僅可以有效地節約空間，而且擁有較快的查詢(xún)速度，其結構如圖4所示。
緩沖區工作流程分為初始化、數據輸人和數據輸出。在緩沖區初始化時(shí)，創(chuàng )建數組index—tables[]，并且設置所有元素的used屬性為False，tmier及l(fā)ength屬性為0，data屬性為null。在數據輸入時(shí)，查找緩沖Ⅸ中最少使用的頁(yè)面，即used為False，且timer值最大的數據頭，分配空問(wèn)并將得到的指針值賦給Heade~‘．data，將數據寫(xiě)入Header．data指向的內存空間，設置Header．1ength為數據長(cháng)度、Header．used的值為T(mén)rue，Header．timer值為0，將數組中其它所有元素的timer屬性置1。在數據輸出階段，根據數據坐標z獲取數據指針index—table[x]．data，取出數據，釋放數據指針所指的內存空間，設置數據頭的used屬性為False，length屬性為0，data屬性為null。
N個(gè)長(cháng)度為L(cháng) n 的數據包存放在數組中需要的空間如Mem array=N*Max(Ln)，而采用基于EEM 的鏈式緩沖區的方式需要的空間
。例如，長(cháng)度分別為71、217、52、255、106、59、148、215、124、146的10個(gè)數據包Mem array= 255*10＝2 550B，MemEEM=1O*16+1 393=1 553B。顯然，采用EEM-N8(2的鏈式緩沖區需要的空間只有數組的61 。在時(shí)間上，查找n個(gè)長(cháng)度的鏈表的時(shí)間復雜度為O(n)，查找EEM-NSC的鏈式緩沖區的時(shí)間復雜度為O(1)。
5 結束語(yǔ)
本文所論述的基于EEM 的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型及相應機制已經(jīng)在中興公司的智能卡芯片Zi1221上實(shí)現。實(shí)踐表明，通過(guò)優(yōu)化設計使得TCP／IP協(xié)議棧能夠在網(wǎng)絡(luò )智能卡內穩定運行，ROM、RAM 占有率及吞吐速度均達到了預期的效果。所采用的手段有兩點(diǎn)：(1)采用基于EEM 的網(wǎng)絡(luò )智能卡模型，從接口上保證了數據的吞吐速率；(2)采用基于對TCP／IP協(xié)議棧的代碼進(jìn)行裁剪和鏈式緩存機制來(lái)實(shí)現空間和時(shí)間上的性能提升。
(文/華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,吳俊軍,周方圓)
