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网络计算机中IC卡读写器子系统设计
摘要：针对网络计算机安全问题，提出了一种完整的智能IC卡读写器子系统设计方案。此方案讨论了基于单片机的IC卡读写器硬件和软件设计、基于PC/SC行业规范的读写器驱动程序设计和IC卡的软硬件选取。关键词：网络计算机 安全 单片机 智能IC卡 IC卡读写器 PC/SC ISO7816
随着网络的飞速发展和计算机技术的不断进步，计算机应用模式正发生着巨大的变革。网络计算机（NC）的出现标志着计算机体系结构的革新，代表着未来计算机系统的发展方向。由于网络计算机可以采用开放源码操作系统，为发展带有自主知识产权的核心技术创造了有利条件。在开放源代码的操作系统中，Linux是一种较好的选择。它源代码公开，可以根据要求自行剪裁并且稳定，对资源要求低，有大量应用软件支持。按照网络电脑的特定需求，可以开发出具有自主智能产权的CPU，从而提高网络电脑的安全。网络电脑走的是一种网络服务器集中式管理的道路，具有成本低廉、管理费用低的优势。
为此，国家863计算机软硬件技术主题发展规划提出了以下要求：组织优势力量，研究网络计算机系统的关键技术，研制网络计算机系列产品，选择若干典型应用领域的进行应用示范，以此推动国产微处理器芯片和系统软件的发展，促进我国电子政务、网络教育、金融、社区服务、企业管理等方面的信息化建设。
随着计算机网络的迅速发展，网络计算机的安全问题显得非常突出。尤其在某些特殊领域，如电子政务等，安全问题显得极端重要。目前，在计算机安全方面，有各种不同的方法，但效果都不太好。本文提出的智能IC卡技术，在网络计算机是一种全新的方法，能够很好地实现网络计算机的安全。智能IC卡（Smart IC）具有较高的安全性，以前主要用在金融、电信等领域，笔者把此技术推广应用到网络计算机，以提高安全性。智能IC卡本身含有自行研制的COS（Chip OS）和加密算法，并采用多密钥、多加密算法体系，对所有的敏感数据文件加密保护。如图1所示。
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IC卡子系统是整个网络计算机系统网络安全的核心，它保存了加密算法所需要的私有密钥，供加密算法对网络上传输的数据加密使用。
1 IC卡读写器硬件开发方案
IC卡作为一种信息技术可以广泛应用于许多行业领域，如金融、电信等，不同领域均有各自不同的应用特点、应用环境和应用要求。IC卡在某一领域的应用，必须适应该领域的特点。国际上有关组织及部分针对各个领域的不同要求，制定了IC卡在某一领域应用所应参考或遵循的应用标准。不过所有智能IC卡都必须符合国际标准化组织的ISO/IEC 7816国际标准。读写器的硬件也必须遵循ISO/IEC 7816国际标准。
ISO/IEC 7816标准要求IC卡与IC卡读写器使用串行通信，时序要求非常严格。常用的MCS51系列单片机速度较慢，每个指令周期需要12个机器周期，较难达到该标准所要求的严格时序。Microchip公司的PIC系列单片机采用RISC结构，每个指令周期为4个时钟周期，并且除转移指令外，所有指令都可以在一个指令周期内完成，速度较快，能够满足该标准对时序的严格要求。所以采用一片PIC16C73单片机作为IC卡读写器的控制器。
读写器与IC卡的通信，采用半双工的ISO 7916-3字符帧协议标准。3.57MHz的晶振为IC卡和读写器提供时钟。在缺省工作方式下，IC卡和读写器的通信速率为9600bps。即时钟频率为3.57MHz，每372个时钟输入或输出一个比特位。在未来需要较高通信速度时，可以在对程序作较小改动的前提下，提高晶振频率，如采用2×3.57MHz的晶振。
IC卡读写器与NC之间的通信，可以采用USB接口、并口、串口、PS/2口等多种方案。采用USB接口可以实现即插即用和热拔插等功能。但使用USB接口，电路和协议都很复杂，并且增加USB接口器件会较大地增加系统成本。并口有较高的通信速度，但通信线路较多，硬件比较复杂，可靠性不好，且IC卡读写器并不需要太高的通信速度，故使用并口也不是理想的方案。而PS/2口一般固定给键盘和鼠标等标准外设使用，使用PS/2口就会占用这些标准外设的接口，故也不在考虑范围之内。使用串口通信虽然速度慢，但却具有硬件成本低、软件实现简单、运行可靠等优点。而通信速度完全可以满足IC卡读写器的要求。所以IC卡读写器采用了RS232串口与NC主机通信的方案。
整个系统使用5V电压供电。IC卡读写器采用低功耗设计，系统电源从RS232接口的信号线上获得。RS232接口的电压为±12V,经过电源稳压器件LP2950将12V电压变为+5V，给IC卡读写器所有器件提供电源。
IC卡读写器硬件的原理框图如图2所示。
IC卡各引脚接到单片机I/O口上，由单片机对IC卡进行读写。由于PC（NC）机的RS232接口电平与单片机的逻辑电平不同，所以需要对串口信号进行电平转换。图2中
使用了电平转换器件。它把单片机的TTL逻辑电平转化为RS232接口的±12V电平，实现单片机与RS232的透明传输。转换后的信号直接接在RS232接口上。
2 IC卡读写器软件开发方案
IC卡读写器驱动程序由读写器与IC卡通信的通信程序、读写器与NC或PC通信的通信程序以及NC与读写器通信的驱动程序三部分组成。其中，NC与IC卡读写器通信的程序符合PC/SC规范，它与PC/SC规范的中间件结合，向应用程序提供符合PC/SC规范的API函数。
2.1 读写器与IC卡通信的通信程序
该通信程序采用ISO 7816-3字节协议标准编制。使用T=0，即字符协议，主要实现与IC卡的通信。由于选用的时钟为3.57MHz，在IC卡I/O口默认的9600bps通信速度下，每隔372个系统时钟脉冲，I/O状态可能变化一次。所以，为了准确读取IC卡I/O状态，在IC卡输出的每一位脉冲中间，即I/O启动186个时钟周期后，读取I/O状态。为了排除可能的干扰，在186个时钟周期的两侧再采样两点，共取样三点。三个采样点之间每两个点间隔24个时钟周期。如果三点取样值都为1，则输出为1；如果三点取样值都为0，则输出为0；如果三点取样值中有两点为1，一点为0，则输出为1；如果三点取样值中两点为0，一点为1，则输出为0。如图3所示。
2.2 读写器与NC的通信的通信程序
读写器与NC的通信程序采用异步串行口协议，双方通信先握手取得同步，然后再进行串行口通信。读写器通过串口接收NC发来的命令，并将执行结果通过串口发回。读写器与NC的通信在不影响读写器与IC卡通信的前提下完成。
2.3 NC的驱动程序
NC通信程序驻留于NC，它与读写器的通信程序通信。这个程序符合PC/SC规范。规范规定的分层模块结构见图4。
图4中的ICC就是Integrated Circuit Card，即IC卡。IFD就是Interface Devices，即IC卡读写器。IC卡插入读写器后，通过IC卡读写器IFD与NC驱动程序的IFD Handler层通信。ICC Resource Manager层管理各种不同的IC卡读写器和IC卡资源。每一种IC卡读写器通过各自的IFD Handler接口函数与ICC Resource Manager层通信，ICC Resource Manager层根据上层软件的要求，将上层软件发来的命令分别发到相应的IFD Handler，再通过它发给IC卡读写器和IC卡。而ICC-Aware Applications层对上层应用软件提供一个通用的API接口，以满足不同的应用程序对不同的IC卡和读写器的编程要求。Service Provider层介于ICC-Aware Applications层和ICC Resource Manager层之间，要吧提供文件的存取控制和驱动程序的加密通信功能。当然，在不使用加密通信功能时，也可以不用这一层。
NC的驱动程序根据规范要求，提供符合标准的IFD Handler层接口函数，其余各部分由符合规范的中间件提供。应用程序调用间件提供的API函数发送命令。中间件把应用程序发来的命令编译成动态链接库的IFD Handler接口函数发给IC卡读写器，最终发给IC卡。最后，IC卡将返回结果通过一系列相反的过程返回给应用程序。
3 Smart IC卡开发方案
IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器的内容根据需要可以有条件地由外部读取，以供内部信息处理的判定。根据卡中所嵌入的集成电路的不同可以分成三类：
（1）存储器卡，卡中的集成电路为EEPROM（可以用电擦除的可编程只读存储器）；
（2）逻辑加密卡，卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM；
（3）CPU卡，卡中的集成电路包括中央处理器CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS（Chip Operating System）。
除此之外，IC卡根据读写方式不同，可分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。由于网络安全要求，IC卡在使用时必须一直插在读写器内。非接触IC卡由于其读写器没有专用卡座，尽管有寿命长等优点，但不适用于网络安全应用。
同时，由于CPU卡计算能力强，可以使用自己的COS操作系统，甚至使用硬件完成加密算法。而IC存储卡仅具有存储功能，安全性不如CPU卡好，的怪SNCS（Smart Network Computer System）的IC卡子系统采用接触式CPU卡。
网络计算机安全系统的IC卡设计满足标准化（国际标准）和智能化，既有安全性又有易维护性。它由硬件和软件两部分组成。
（1）硬件
采用CPU卡，它含有CPU及RAM、ROM等。具有优秀的安全性能，可能有效防止黑客对IC卡解密。
（2）软件
·通信程序
IC卡软件即COS（Chip Operating Systarm），它是智能卡芯片内的一个监控软件，用于接收和处理外界发给智能卡的各种信息，管理卡内的存储器，并给出相应的应答信息。它有IC卡与读写器的通信程序。该通信程序完成与读写设备之间的通信，必须满足7816-3字符帧协议。该协议含有T=0字符传送协议和T=1数据块传送协议。
·安全文件系统
COS文件系统与普通文件系统不同，它着重强调文件系统的安全性，除提供通常的字符流文件操作外，还提供记录文件的读写操作等。对每种不同的文件操作进行不同的访问权限保护。COS中的文件系统与上层应用软件的用户权限管理相结合，共同完成对IC卡文件的访问。由于IC卡的文件存储介质采用EEPROM，每次写文件操作时，必须对要写入的介质先进行擦除操作。
·安全机制
安全机制用于身份鉴别和IC卡与读写设备双方的认证工作及各种数据的加密、数据完整性检查等操作。每个用户IC卡上都有用户的一个私钥，服务器把用公钥加密后的数据经IC瞳用自己的私钥解密后将正确的信息通过网络送给服务器，由服务器根据解密的信息完成对用户权限的鉴别。
·加解密算法
加解密算法，用于对传入IC卡的数据进行加、解密，此外它还提供扩展接口，方便用户增加新的加密算法。
·命令解译
命令解译是COS的上层软件，它实现ISO7816-4的各种命令和CA命令。
根据串口窃电IC卡读写器设计技术思想，IC卡读写器采用低功耗元器件（PIC16C73B低功耗单片机和74LV125A等），同时采用分离元件取代MAX系列的RS232接口电路，实现了无需外接电源的串口IC卡读写器。经实验测试，整个电路功耗低于10mA，完全可以由串口提供电源。
本项目实现的串口IC卡读写器完全符合ISO7816-1/2/3标准以及PC/SC规范；软件实现采用分层结构，实现了T=0的字符传输协议。
经实验测试，读写器稳定可靠地实现IC卡复位应答、读IC卡读写器件状态字、读一个随机数据、读取IC卡序列号以及选择一个文件等操作；在计算机与IC卡之间，可以实现数据的透明传输。此IC卡子系统既可以工作在Linux平台上，也可以工作在Windows系列平台上。
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