CPU卡在“一卡通”系統中的應用發展及挑戰

文章出處：http://www.katarog.com 作者：興邦電子 人氣： 發表時間：2017年04月25日

隨著智能IC卡技術的發展，對于卡體本身的存儲和加密特性有了更高的要求。傳統的MIFARE 1卡已經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，可以使系統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。再對現有系統軟件進行必要升級，完成系統與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。卡內的集成電路就像計算機主板一樣，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，也就是COS。有的卡內芯片還集成了加密運算協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，可以根據需要合理分配存儲空間。卡體的微處理器與其自身的操作系統運行時，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卡有什么區別?那么CPU卡又有什么優勢?下面做一下簡單介紹：

　　(一).存儲空間與分區

　　MIFARE 1卡存儲空間非常有限，且采取固定扇區、分塊管理的方式。

　　CPU卡存儲空間是MIFARE 1卡的數倍，完全滿足現在的存儲需要，其采用的是類似操作系統的文件存儲方式，設計非常靈活。

　　(二).密鑰長度

　　MIFARE 1卡采用6字節密碼，分扇區控制。

　　CPU卡使用16字節密鑰，并可根據實際需要建立多級分區，實現多級分區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，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范，需自定義防拔流程。

　　CPU卡具備金融標準規范，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卡的優勢

　　從系統安全角度出發，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的作用。可以同時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”系統升級方案

　　某國家部委的“一卡通”系統還在應用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卡實現了門禁、報銷、醫療、消費等應用。門禁子系統通過將卡片的ID下發到門禁控制器，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，但需要系統管理端對各門禁控制器下發數據。如果出現網絡故障或更換新控制器，都需要重新下發數據，容易造成數據不一致的結果，不易管理。且目前相關子系統較多，用戶制作一張卡片往往需要操作多個應用系統，使用起來比較困難。

　　如果對目前的門禁子系統進行升級，可以考慮一種新的應用模式。首先，對系統軟件進行整合，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勢。對系統進行必要升級，為每個門禁控制器設置好通行權限代碼，代碼根據約定好的規則進行設置。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，且對數據的讀寫采取目錄、文件的管理方式，可以為門禁系統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數據的環節，且充分利用了CPU卡的存儲容量優勢。以上對門禁子系統的升級方式，在一定程度上提高了系統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定性進行大量測試。

　　報銷、醫療、消費與門禁子系統是相互分離的，只是利用現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對卡的鑒別和對文件訪問的控制。它包括制造密鑰、發行密鑰、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，可以給其他系統生成各自的存儲區，并生成不同的密鑰。CPU卡的認證、消費過程中，表內的MCU只是數據傳遞作用，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).系統升級總體思想

　　一卡多用是智能“一卡通”系統應實現的基本功能。即門禁、消費、醫療、報銷系統等多個系統集于一卡，并預留出各種其它系統及應用的擴展空間，實現真正意義上的“一卡在手，便捷無憂”。

　　真正的智能“一卡通”系統應實現智能集中管理功能，即建立一個統一的集中管理中心，即門禁管理系統能與各子系統進行集中發卡、集中授權、集中掛失、統一管理，確保各子系統數據的同步和完整，實現真正意義上各子系統間的“資源共享”。

　　智能“一卡通”系統應建立一個共同的數據庫，實現數據的統一存放和數據共享。同時應預留各種數據接口，以便與其他智能信息管理系統連接。

　　除使用CPU卡作為“一卡通”系統卡載體外，還要從兩個方面考慮CPU卡安全門禁的升級，包括CPU卡密鑰管理系統和CPU卡門禁讀卡器。

　　1.CPU卡密鑰管理系統

　　在以IC卡為應用載體的“一卡通”系統中，密鑰的管理是整個系統的基礎。用戶可以通過密鑰管理系統生成、發行和更新密鑰，它直接關系到整個系統的安全。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卡的主動權。

　　密鑰數據可以是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。

　　(三).系統功能擴展

　　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生。

　　將以CPU卡作為數據存儲載體的“一卡通”系統進行功能擴展，可以實現考勤、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卡自身的技術優勢，可以將應用CPU卡的“一卡通”系統改造成功能齊全、安全認證到位的智能化“一卡通”系統。

　　四. CPU卡推廣的挑戰

　　就目前的CPU卡而言，卡片成本、與現有“一卡通”系統的兼容性以及易用性是其進一步應用的主要挑戰。

　　目前，一般的CPU卡成本較傳統的非接觸式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，而對于企業事業單位“一卡通”系統、校園一卡通、停車場管理系統等應用，這種居高不下的成本必將限制其在這些領域的發展。

　　現階段，大量的非接觸IC卡系統特別是讀寫設備，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，因為應用對系統的交互性要求非常高，所以都有一個通用標準和規范。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展尤為重要。

　　著眼以上挑戰，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展。

　　五. 結束語

　　總體來講，“一卡通”系統的發展將更加迅速，應用也更加豐富。安全、集成將是其發展的目標與研究方向，對現有的系統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，實現一卡多用的目標。現階段，使用CPU卡作為“一卡通”系統的升級卡，應該是不錯的選擇。