IC卡(Integrate Circuit Card)是將集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式，它因體積小、存儲容量大、安全性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于各行各業(yè)。IC卡分為存儲卡(Memory Card) 、邏輯加密卡（Logical Encrypt Card）和CPU卡(CPU Card)。中華人民共和國社會(huì )保障卡（簡(jiǎn)稱(chēng)社�？ǎ┦褂玫氖荂PU卡。勞動(dòng)和社會(huì )保障部于1999 年制定并發(fā)布了《社會(huì )保障卡建設總體規劃》，按照此規劃，社�？▽�(shí)行“一卡多用”和“全國通用”。社�？ㄗ鳛閯趧�(dòng)者在勞動(dòng)保障領(lǐng)域辦理有關(guān)事務(wù)的身份驗證和交易消費的唯一電子憑證，其安全性尤為重要。

　　1 社�？▋炔拷Y構

　　1.1 物理結構

　　社�？ǖ膬炔堪宀糠郑篊PU 及加密邏輯、RAM、ROM、EEPROM 及I/O，是一個(gè)完整的計算機安全體系[1]，如圖1 所示。 

　　其中，CPU 及加密邏輯保證EEPROM 中數據安全， 防止外界用非法手段獲取EEPROM中的數據；RAM 存放命令參數、返回結果、安全狀態(tài)、臨時(shí)密鑰等數據，掉電后自動(dòng)丟失。社�？ú僮飨到yCOS 掩膜在ROM 中，保證COS 的代碼安全。用戶(hù)信息以文件形式存放在EEPROM 中，在擁有相應權限的前提下可進(jìn)行讀或寫(xiě)。

　　1.2 文件組織結構

　　社�？ǖ奈募到y是完全遵照《社會(huì )保障（個(gè)人）卡規范》[2]和ISO/IEC 7816-4 [3] 來(lái)組織的， 它是具有樹(shù)型結構的多級目錄系統， 由主文件MF（Master File）、目錄文件DF（Directory File）、和基本文件EF（Element File）組成，其中包含下級目錄的DF 為DDF，不包含下級目錄的DF 為ADF。文件系統在社�？ǖ腅EPROM 中建立。MF 在社�？▋任ㄒ淮嬖�，在MF 和DF 下可以有多個(gè)EF 和多個(gè)下一級DF。社�？ㄖС侄鄬幽夸浗Y構，同層目錄中文件不能有相同的ID。在應用系統中，各個(gè)不同的應用可以創(chuàng )建不同的DF，使一張社�？ǹ梢赃m用于多個(gè)應用。社�？ň唧w的層次結構如圖2所示。 

　　2 社�？ò踩w系的設計要求

　　社�？ǖ陌踩w系有以下幾個(gè)階段：在芯片制造商完成芯片的制造后，社�？ㄌ幱谖闯跏蓟癄顟B(tài)；卡片制造廠(chǎng)商封裝完成后進(jìn)行初始化和檢測，此時(shí)社�？ㄌ幱诔跏蓟A段；初始化和檢測完成后社�？ㄌ幱谖磦�(gè)人化階段；發(fā)卡方使用專(zhuān)用密鑰進(jìn)行個(gè)人化，此時(shí)處于個(gè)人化階段，這個(gè)過(guò)程中發(fā)卡方設計自己應用的安全體系并封裝到卡片中，當個(gè)人化過(guò)程結束后，社�？ㄔ诎l(fā)卡方規劃的安全體系的保護下對《社會(huì )保障（個(gè)人）卡規范》和ISO/IEC7816-4 中的指令進(jìn)行解釋和執行。因此，社�？ò踩w系的設計需具備以下要求：

　　從設計上保證即使攻擊者（含設計者）得到社�？ùa，也不會(huì )影響卡片安全性。
　　卡片中所有密鑰（口令密鑰、密碼算法密鑰）無(wú)論在什么條件下均不可由外界讀出，因而卡片密鑰內容是不可復制的。
　　卡片中對文件的讀寫(xiě)根據應用需求設計安全級別，必須保證擁有相應的級別才可讀或寫(xiě)。
　　無(wú)其它隱含命令可直接讀寫(xiě)卡中的數據。
　　ROM 中的代碼不能從外部讀出，也不能被駐留在EEPROM 中的程序讀取。
　　EEPROM 中的數據只能通過(guò)社�？钤L(fǎng)問(wèn)。

　　3 社�？ò踩w系劃分

　　社�？ǖ陌踩w系可分為社�？ㄗ陨戆踩c應用安全。應用安全又分為安全狀態(tài)、安全屬性、安全機制、密碼算法和密鑰管理等幾個(gè)方面。社�？ǖ暮诵能浖强▋炔僮飨到yCOS（Chip Operation System）。社�？ㄍㄟ^(guò)COS 來(lái)管理卡內軟硬件資源，并通過(guò)安全通道與外界交換信息，保證用戶(hù)數據安全的傳輸，達到社�？ò踩珣玫哪康�。

　　3.1 安全狀態(tài)

　　安全狀態(tài)指的是一種安全級別。在環(huán)境目錄（DDF/MF）和應用目錄（ADF）中各有15 個(gè)等級的安全狀態(tài)。環(huán)境目錄下的安全狀態(tài)，稱(chēng)為全局安全狀態(tài)字；應用目錄下的安全狀態(tài)，稱(chēng)為局部安全狀態(tài)字。如果卡工作在環(huán)境目錄下（DDF/MF），則局部安全狀態(tài)無(wú)意義。

　　安全狀態(tài)是通過(guò)對KEY 進(jìn)行外部認證后，將KEY 數據信息中的安全級別字（SSB）映射到安全狀態(tài)字上。若認證密鑰在DDF/MF 下，則映射到全局安全狀態(tài)字上；若認證密鑰在A(yíng)DF 下，則映射到局部安全狀態(tài)字上。SSB 的高4 位表示安全級別的下限（1~15），SSB 的低4 位表示安全級別的上限（1~15）。假設KEY 的SSB 為‘XY’，表示認證KEY 成功后可獲得X 至Y 區域內的安全級別。例如：在DDF/MF 下有Key1，其安全級別設置為‘46’，即SSB=‘46’。Key1 認證通過(guò)后，卡的全局安全狀態(tài)為4，5，6 三級。若在A(yíng)DF 下有Key2，SSB=‘AD’，則Key2 認證通過(guò)后，卡的局部安全狀態(tài)為10、11、12、13 四級。若SSB=‘00’表示Key 認證通過(guò)后對安全狀態(tài)無(wú)影響�！甔’>‘Y’的組合為不合理數據。 

　　3.2 安全屬性

　　安全屬性是指對社�？ǖ牟僮鳈嘞�，用戶(hù)只有達到安全屬性規定的權限才能通過(guò)COS 命令對卡內文件和KEY 進(jìn)行操作。Right定義了對文件和KEY 操作的權限，用2 個(gè)字節表示，高字節對應全局安全狀態(tài)，低字節對應局部安全狀態(tài)。每個(gè)字節的高4 位表示安全狀態(tài)的下限，低4 位表示安全狀態(tài)的上限。假設權限的高字節為‘XY’，若‘X’‘Y’表示文件或KEY 的全局安全級別在‘X’至‘Y’區域內，對文件或KEY 訪(fǎng)問(wèn)前，先要滿(mǎn)足文件或KEY 的訪(fǎng)問(wèn)權限；若‘X’>‘Y’，表示文件或KEY 被禁止訪(fǎng)問(wèn)；若為‘0Y’，表示對文件或KEY 的訪(fǎng)問(wèn)無(wú)安全級別限制。

　　安全屬性往往和COS 文件系統相關(guān)聯(lián)， 根據對不同文件類(lèi)型的操作權限，可以設計不同的安全屬性。

　　增加權限：在當前目錄下創(chuàng )建新文件的權限。
　　激活權限：激活失效安全機制的權限。
　　終止權限：永久終止的權限，對于MF 來(lái)說(shuō)表示卡鎖定，對于A(yíng)DF 文件來(lái)說(shuō)表示當前應用永久鎖定，即: 應用失效。
　　讀權限：對EF 文件內容的讀操作權限。
　　寫(xiě)權限：對EF 文件內容的寫(xiě)操作權限。
　　安裝權限：表示安裝密鑰或密碼的權限。
　　使用權限：表示使用密鑰或密碼的權限。
　　修改權限：修改密鑰或密碼的權限。
　　解鎖權限：解鎖密碼PIN 的權限，此權限只有PIN 才有。

　　3.3 安全機制

　　安全機制是指安全狀態(tài)的改變所采用的方法和手段以及安全屬性和安全狀態(tài)之間的控制關(guān)系。COS 命令在執行過(guò)程中，首先要檢查COS 環(huán)境所處的安全狀態(tài)是否符合執行命令要求的安全屬性。假設當前COS 所處的是安全狀態(tài)A，執行COS 命令安全屬性要求安全狀態(tài)B ， 在執行COS 命令前要通過(guò)安全機制涉及安全提升方法，將安全狀態(tài)提升到安全狀態(tài)B ，這樣COS 命令才能正常執行。安全狀態(tài)、安全機制、安全屬性，三者的關(guān)系見(jiàn)圖3。 

　　社�？ǖ陌踩珯C制根據《社會(huì )保障（個(gè)人）卡規范》規定，有三方面的要求， 即： 內部/外部認證、PIN 驗證和安全報文MAC(MessageAuthentication Code)。

　　3.3.1 內部/外部認證：內部認證和外部認證是一種互認證過(guò)程。內部認證是用讀卡設備來(lái)認證卡， 保證卡的合法性， 內部認證可以防止偽造的卡在讀卡設備上進(jìn)行操作。外部認證是用卡來(lái)認證外部讀卡設備的合法性，外部認證可以防止惡意對卡進(jìn)行操作，讀取和更改卡內信息。外部認證還可以改變社�？ǖ陌踩珷顟B(tài)，一般卡內存儲了多個(gè)外部認證密鑰，每個(gè)外部認證密鑰所能改變的安全狀態(tài)不一樣，在進(jìn)行外部認證時(shí)，必須通過(guò)密鑰索引參數選擇相對應的外部認證密鑰完成外部認證。 

　　3.3.2 PIN 驗證：PIN 實(shí)際上就是密碼，根據《社會(huì )保障（個(gè)人）卡安全要求》[4]規定，社�？ㄖ挥幸粋�(gè)密碼PIN，持卡用戶(hù)可以修改密碼，通過(guò)密碼驗證，改變卡的安全狀態(tài)，達到安全要求。 

　　3.3.3 安全報文MAC：傳送安全報文的目的是保證數據的可靠性、完整性和發(fā)送方的認證。數據完整性和對發(fā)送方的認證是通過(guò)使用MAC 來(lái)實(shí)現，數據可靠性通過(guò)數據域的加密來(lái)得以保障。

　　3.4 密碼算法

　　社�？ㄓ玫募用芩惴ǘ际菍ΨQ(chēng)分組加密算法，一般通用的對稱(chēng)加密算法主要是DES(Data Encryption Standard)。DES 算法，見(jiàn)圖4，需要滿(mǎn)足4 個(gè)要求：提供高質(zhì)量的數據保護，防止數據未經(jīng)授權的泄露和未被察覺(jué)的修改；具有相當高的復雜性；使得破譯的開(kāi)銷(xiāo)超過(guò)可能獲得的利益；便于理解和掌握；DES 算法的入口參數有三個(gè)：Key、Data、Mode。其中Key 為8 個(gè)字節共64 位， 是DES 算法的工作密鑰；Data 也為8 個(gè)字節64位，是要被加密或被解密的數據；Mode 為DES 的工作方式，有兩種：加密或解密。如果Mode 為加密，則用Key 去把數據Data 進(jìn)行加密，生成Data 的密碼形式作為DES 的輸出結果； 如Mode 為解密， 則用Key 去把密碼形式的數據Data 解密， 還原為Data 的明碼形式作為DES 的輸出結果。在使用DES 時(shí)， 雙方預先約定使用的“密碼”即Key，然后用Key 去加密數據；接收方得到密文后使用同樣的Key 解密得到原數據，這樣便實(shí)現了安全性較高的數據傳輸。 

　　3.5 密鑰管理 

　　社�？ǖ拿荑�的裝載、更新和下發(fā)都有一整套安全管理辦法。社�？ǖ拿荑�分為三個(gè)級別：國家級密鑰、省級密鑰和地市級密鑰，采用多級密鑰管理方式，逐級分散下發(fā)。從而保證用于加（解）密算法的非對稱(chēng)私有密鑰或對稱(chēng)加密密鑰在沒(méi)經(jīng)授權的情況下，不會(huì )被泄漏。如果增設個(gè)人密碼，則應保證其在社�？ㄖ械陌踩娣�。社�？ǖ腃OS 在設計、封裝時(shí)將所有密鑰存放在專(zhuān)用的文件中，即：密鑰存放到密鑰文件中，密碼存放到密碼文件中，并且外部不能訪(fǎng)問(wèn)這兩種文件，每一種密鑰只能執行特定的功能，這樣可以保障密鑰和密碼不外泄漏， 同時(shí)又能正常使用。 

　　4 結束語(yǔ) 

　　為了適應社會(huì )保障信息化發(fā)展要求，滿(mǎn)足社�？ㄏ到y建設、應用和管理的需求，實(shí)現“一卡多用”、“全國通用”，社�？ò踩w系的研究是解決卡片信息安全問(wèn)題的關(guān)鍵和基礎技術(shù)。隨著(zhù)社�？☉妙I(lǐng)域和功能的不斷地擴展，社�？ò踩w系的研究和設計也將隨之發(fā)展，從而保證卡內信息的安全。