CPU卡在“一卡通”系統(tǒng)中的應用發(fā)展及挑戰(zhàn)
文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：興邦電子 人氣： 發(fā)表時間：2017年04月25日
隨著智能IC卡技術的發(fā)展，對于卡體本身的存儲和加密特性有了更高的要求。傳統(tǒng)的MIFARE 1卡已經(jīng)逐步被具備更高加密技術的智能IC卡取代，CPU卡就是典型代表之一。將CPU卡應用于“一卡通”系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)具備更高的功能擴展性，在使用安全性上也有了很大提高。且卡體本身用戶存儲空間更大、讀取速度更快。再對現(xiàn)有系統(tǒng)軟件進行必要升級，完成系統(tǒng)與CPU卡的整合。
一. CPU卡概述
CPU卡又叫智能卡，是一種具有微處理器芯片的IC卡，卡結構類似一臺微型計算機系統(tǒng)?？▋鹊募呻娐肪拖裼嬎銠C主板一樣，集成了中央處理器(CPU)、EEPROM、隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)，在只讀存儲器中固化有片內操作系統(tǒng)，也就是COS。有的卡內芯片還集成了加密運算協(xié)處理器以提高安全性和工作速度。
CPU卡用戶存儲空間采用類似計算機操作系統(tǒng)的目錄和文件式管理方式，當進行功能擴展時更加靈活，可以根據(jù)需要合理分配存儲空間?？w的微處理器與其自身的操作系統(tǒng)運行時，可進行分級加密和解密，用戶在進行卡操作時需要進行多次密碼認證，提高了系統(tǒng)的安全性。無論是從用戶空間的存儲容量，還是從安全加密特性上考慮，CPU卡都能適應當前發(fā)展的需要。CPU卡可應用于金融、保險、警務、政府等多個領域，具有一卡多用的特點，并已經(jīng)通過中國人民銀行和國家商秘委的認證。
二. MIFARE 1卡與CPU卡特性比較
對于CPU卡而言，它彌補了MIFARE 1的許多缺點，它與MIFARE 1卡有什么區(qū)別?那么CPU卡又有什么優(yōu)勢?下面做一下簡單介紹：
(一).存儲空間與分區(qū)
MIFARE 1卡存儲空間非常有限，且采取固定扇區(qū)、分塊管理的方式。
CPU卡存儲空間是MIFARE 1卡的數(shù)倍，完全滿足現(xiàn)在的存儲需要，其采用的是類似操作系統(tǒng)的文件存儲方式，設計非常靈活。
(二).密鑰長度
MIFARE 1卡采用6字節(jié)密碼，分扇區(qū)控制。
CPU卡使用16字節(jié)密鑰，并可根據(jù)實際需要建立多級分區(qū)，實現(xiàn)多級分區(qū)多級密鑰的組合控制，提高了使用上的安全性。
(三).加密認證算法
MIFARE 1卡采用專用不公開硬件邏輯算法，目前已被破解。
CPU卡采用通用公開軟件或硬件加速算法，并可定制，且達到了金融標準。
(四).讀寫安全模塊
MIFARE 1卡采用算法內置密鑰外送，認證方式為卡片與專用基站芯片認證，此技術目前已被破解。
CPU卡采用通用讀寫模塊透明傳輸，配合SAM密鑰算法，認證在雙方卡內部進行，傳輸過程中使用加密后的隨機數(shù)，大大提高了讀寫時的安全性。
(五).交易流程
MIFARE 1卡的交易流程簡單不規(guī)范，需自定義防拔流程。
CPU卡具備金融標準規(guī)范，也可由用戶靈活設計，內置防拔流程。
(六).訪問權限控制
MIFARE 1卡可進行只讀、只寫、讀寫、加、減操作。
CPU卡對不同文件類型靈活設計認證方式。
(七).CPU卡的優(yōu)勢
從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，IC卡在安全性上也是不斷進步的，CPU卡在安全性上其生命力是最旺盛的。CPU卡可以采用多種安全方式，甚至可以起到保護軟件系統(tǒng)的作用?？梢酝瑫r使用多種不同的應用，例如虛擬MIFARE 1卡的存儲結構，即一卡多用。COS與軟件系統(tǒng)的結合使用，提高了操作上的靈活性。
三. 某國家部委“一卡通”系統(tǒng)升級方案
某國家部委的“一卡通”系統(tǒng)還在應用MIFARE 1卡，這種卡無論在安全性，還是在存儲容量上，已逐漸不能滿足日益增長的需求，根據(jù)當前應用需求的擴展，MIFARE 1卡升級已勢在必行。使用CPU卡替換現(xiàn)有的MIFARE 1卡更能滿足實際需要。
(一).應用升級的構想
目前，該部委使用MIFARE 1卡實現(xiàn)了門禁、報銷、醫(yī)療、消費等應用。門禁子系統(tǒng)通過將卡片的ID下發(fā)到門禁控制器，在刷卡時利用卡片ID與控制器中存儲的信息進行比對，確認是否具備通行權限。這樣比對效率是最高的，但需要系統(tǒng)管理端對各門禁控制器下發(fā)數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或更換新控制器，都需要重新下發(fā)數(shù)據(jù)，容易造成數(shù)據(jù)不一致的結果，不易管理。且目前相關子系統(tǒng)較多，用戶制作一張卡片往往需要操作多個應用系統(tǒng)，使用起來比較困難。
如果對目前的門禁子系統(tǒng)進行升級，可以考慮一種新的應用模式。首先，對系統(tǒng)軟件進行整合，盡量減少操作員的操作復雜度。其次，將卡載體升級為CPU卡，充分利用其存儲容量和加密特性的優(yōu)勢。對系統(tǒng)進行必要升級，為每個門禁控制器設置好通行權限代碼，代碼根據(jù)約定好的規(guī)則進行設置。在初始階段對每臺門禁控制器進行授權，這種授權實際上就是向控制器寫入權限代碼。需要補充的是，控制器需要內置認證程序，實現(xiàn)對卡片認證流程的控制。對控制器的授權只需要在初始化階段進行一次。由于CPU卡存儲空間增加了，且對數(shù)據(jù)的讀寫采取目錄、文件的管理方式，可以為門禁系統(tǒng)單獨開辟一個存儲空間，并將各門禁點通行權限代碼直接寫入卡內。這樣，每張卡片就有了自己的進出權限，在進出時CPU讀卡器與門禁控制器配合，通過控制器內部的認證程序可直接對卡片進行認證。這樣就省去了向門禁控制器下發(fā)數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，且充分利用了CPU卡的存儲容量優(yōu)勢。以上對門禁子系統(tǒng)的升級方式，在一定程度上提高了系統(tǒng)的安全性和易操作性，在實際應用之前還需要對這種門禁認證方式的工作效率及穩(wěn)定性進行大量測試。
報銷、醫(yī)療、消費與門禁子系統(tǒng)是相互分離的，只是利用現(xiàn)有的卡載體存儲一些人員基礎信息進行交互，由于MIFARE 1卡容量限制，存儲信息相當有限，限制了整個門禁系統(tǒng)的功能擴展。CPU卡有一個MF但可以有多個ADF，每個文件都在各自的密鑰的控制下進行讀寫，因而可實現(xiàn)真正安全可靠的一卡多用。其中，密鑰文件用于存放密鑰，根據(jù)用戶的需求和具體的應用，設置一系列的密鑰，通過不同的密鑰實現(xiàn)對卡的鑒別和對文件訪問的控制。它包括制造密鑰、發(fā)行密鑰、內部認證密鑰、外部認證密鑰、消費密鑰、傳輸密鑰、簽名密鑰、加密密鑰等。因此，可以給其他系統(tǒng)生成各自的存儲區(qū)，并生成不同的密鑰。CPU卡的認證、消費過程中，表內的MCU只是數(shù)據(jù)傳遞作用，具體的加解密運算、卡的讀寫都是在卡內操作系統(tǒng)控制下進行的，不同于邏輯加密卡的讀寫控制，從安全性角度考慮有了很大提高。
(二).系統(tǒng)升級總體思想
一卡多用是智能“一卡通”系統(tǒng)應實現(xiàn)的基本功能。即門禁、消費、醫(yī)療、報銷系統(tǒng)等多個系統(tǒng)集于一卡，并預留出各種其它系統(tǒng)及應用的擴展空間，實現(xiàn)真正意義上的“一卡在手，便捷無憂”。
真正的智能“一卡通”系統(tǒng)應實現(xiàn)智能集中管理功能，即建立一個統(tǒng)一的集中管理中心，即門禁管理系統(tǒng)能與各子系統(tǒng)進行集中發(fā)卡、集中授權、集中掛失、統(tǒng)一管理，確保各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同步和完整，實現(xiàn)真正意義上各子系統(tǒng)間的“資源共享”。
智能“一卡通”系統(tǒng)應建立一個共同的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存放和數(shù)據(jù)共享。同時應預留各種數(shù)據(jù)接口，以便與其他智能信息管理系統(tǒng)連接。
除使用CPU卡作為“一卡通”系統(tǒng)卡載體外，還要從兩個方面考慮CPU卡安全門禁的升級，包括CPU卡密鑰管理系統(tǒng)和CPU卡門禁讀卡器。
1.CPU卡密鑰管理系統(tǒng)
在以IC卡為應用載體的“一卡通”系統(tǒng)中，密鑰的管理是整個系統(tǒng)的基礎。用戶可以通過密鑰管理系統(tǒng)生成、發(fā)行和更新密鑰，它直接關系到整個系統(tǒng)的安全。用戶可以分類管理各類密鑰，自行完成卡片初始化，保證了用戶擁有密鑰管理與發(fā)卡的主動權。
密鑰數(shù)據(jù)可以是AB碼單、密鑰種子等。AB碼單實際上也是密鑰種子的一種形式，它將種子分成AB兩部分，分別由兩個人控制，這樣可以提高安全性。
在CPU卡的初始化階段，將要完成對卡片密鑰的灌裝和卡內結構的初始化工作。簡單來說，首先應為CPU卡建立MF密鑰文件;其次，根據(jù)應用的分類，建立相應的DDF與ADF密鑰文件;最后，在各應用目錄下建立EF文件。
2.CPU卡讀卡器
CPU卡讀卡器將認證安全機制引入門禁控制領域。采用支持CPU卡的讀卡器，并應用事先制定的安全認證讀寫機制。可以在讀卡器內部構建安全存取模塊(SAM)，它與CPU卡建立了完整、嚴密的密鑰管理體系。密鑰注入SAM卡后，外部無法讀取。將SAM卡插入讀卡設備內，通過SAM卡與CPU卡雙向認證。驗證報文是由隨機因子參與運算的，同一張卡片在一臺設備上刷卡，每次都不相同，杜絕“偽卡”的出現(xiàn)。
(三).系統(tǒng)功能擴展
為了充分利用CPU卡的安全特性與高存儲性，可以將更高級別的安全認證對象存入卡內。比較常見的有指紋認證，在門禁識別時，可以通過指紋認證來快速準確地進行“人證同一性”認定，有效防范冒用他人證件以及偽造證件等事件的發(fā)生。
將以CPU卡作為數(shù)據(jù)存儲載體的“一卡通”系統(tǒng)進行功能擴展，可以實現(xiàn)考勤、巡更、外出人員管理、訪客管理、會議簽到功能等，甚至更進一步地實現(xiàn)停車場管理、電梯管理、能源控制管理。
綜上所述，由于CPU卡自身的技術優(yōu)勢，可以將應用CPU卡的“一卡通”系統(tǒng)改造成功能齊全、安全認證到位的智能化“一卡通”系統(tǒng)。
四. CPU卡推廣的挑戰(zhàn)
就目前的CPU卡而言，卡片成本、與現(xiàn)有“一卡通”系統(tǒng)的兼容性以及易用性是其進一步應用的主要挑戰(zhàn)。
目前，一般的CPU卡成本較傳統(tǒng)的非接觸式IC卡高出一倍，對于交通一卡通、銀行卡等這些相對高端的應用能夠接受，而對于企業(yè)事業(yè)單位“一卡通”系統(tǒng)、校園一卡通、停車場管理系統(tǒng)等應用，這種居高不下的成本必將限制其在這些領域的發(fā)展。
現(xiàn)階段，大量的非接觸IC卡系統(tǒng)特別是讀寫設備，基本上都是構建在MIFARE技術體系上。對于這么多的應用來講，更換所有基礎設施顯然不是很現(xiàn)實，往往會造成成本的提高。那么，具有一個良好兼容性的CPU卡升級方案才是CPU技術快速發(fā)展的主要推力。
在CPU卡拓展非常好的領域，如交通一卡通、金融和電子政務等，因為應用對系統(tǒng)的交互性要求非常高，所以都有一個通用標準和規(guī)范。因此具有一個“即插即用”的CPU卡解決方案對CPU技術在這個領域的快速發(fā)展尤為重要。
著眼以上挑戰(zhàn)，在對CPU卡進行選型時，一定要注意卡片成本、兼容性、易用性，只有這樣才可以有力推動CPU卡技術在各領域的應用和發(fā)展。
五. 結束語
總體來講，“一卡通”系統(tǒng)的發(fā)展將更加迅速，應用也更加豐富。安全、集成將是其發(fā)展的目標與研究方向，對現(xiàn)有的系統(tǒng)進行升級并加以整合，已勢在必行。由于CPU卡具備良好的安全加密特性，所以比較適用于安全防護類產(chǎn)品的應用。特別是高存儲容量特性使其更適用于“一卡通”系統(tǒng)，實現(xiàn)一卡多用的目標。現(xiàn)階段，使用CPU卡作為“一卡通”系統(tǒng)的升級卡，應該是不錯的選擇。
