引言

　　智能卡或稱(chēng) IC 卡,，英文名稱(chēng)為SMART Card 或 Integrated CircuitCard,。它是由一個(gè)集成電路芯片嵌于塑料基片中封裝而成,。卡中的集成電路包括中央處理器（CPU） ,，閃存（EEPROM）,、隨機(jī)存儲(chǔ)器 （RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）等[1],。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡允許一張卡片上可以同時(shí)容納多個(gè)應(yīng)用,，并且在不同的場(chǎng)合使用不同的應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)用本身還可以根據(jù)需要隨時(shí)下載到卡中或從卡中刪除,。這給供卡方,、發(fā)卡方和持卡方都帶來(lái)了好處。動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡將是智能卡未來(lái)發(fā)展的總趨勢(shì),。

　　1 智能卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型

　　1.1 文件的類(lèi)型及組織結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)遵守ISO/IEC 781* 標(biāo)準(zhǔn)所定義文件標(biāo)準(zhǔn),。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以支持專(zhuān)用文件（DF）和基本文件（EF）兩種文件,?？▋?nèi)的文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)由下列專(zhuān)用文件的結(jié)構(gòu)化分級(jí)組成，在根處的DF 稱(chēng)為主文件（MF）,。該MF 是必備的,。其他DF 是任選的。定義兩種類(lèi)型的EF：1）內(nèi)部 EF（KEF）,。存儲(chǔ)那些預(yù)期由卡解釋的數(shù)據(jù),。如密鑰。2）工作EF（WEF）,。存儲(chǔ)那些預(yù)期不由卡解釋的數(shù)據(jù)。

　　EF 結(jié)構(gòu)有以下幾種,，

　　1）透明結(jié)構(gòu),。指的是二進(jìn)制的或雜亂無(wú)章的結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō),，一個(gè)透明文件根本沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu),。該結(jié)構(gòu)的文件可以通過(guò)使用偏移值進(jìn)行讀出和寫(xiě)入。READ BINARY 和 UPDATE BINARY 命令可用于這些方面,。

　　2）記錄結(jié)構(gòu),。是基于鏈接固定長(zhǎng)度的記錄文件結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以自由存儲(chǔ),，存取的最小單位是一個(gè)記錄,。該操作系統(tǒng)支持線性定長(zhǎng)記錄結(jié)構(gòu),，并且記 錄長(zhǎng)度必須為4 個(gè)字節(jié)的偶數(shù)倍數(shù)，并且小于一頁(yè)大小,，這樣就防止一條記錄跨頁(yè)存儲(chǔ),。

　　文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。文件系統(tǒng)是一個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu),，根目錄為MF,。 MF（主文件）是特殊的文件，是文件系統(tǒng)的根,，在卡片中唯一存在,，相當(dāng)于DOS 的根目錄。EF（基本文件）建在DF 下,，存儲(chǔ)應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)和管理信息,。DF（專(zhuān)有文件）一般僅相當(dāng)于DOS 的子目錄，但主文件MF 的一個(gè)DF 則代表了一個(gè)應(yīng)用,。MF 下和應(yīng)用的根DF 下都有一KEF,，用于存儲(chǔ)密鑰或PIN。MF 下的 DF 中建立的EF 和DF 都只能由該應(yīng)用使用,，其他應(yīng)用不能訪問(wèn),。

　　智能卡中的目錄文件（MF 和 DF）僅由文件頭標(biāo)組成，EF 文件是由文件頭標(biāo)和文件體兩部分組成的,。文件頭中包含文件的標(biāo)識(shí),、大小、訪問(wèn)權(quán)限和其他基本信息,。文件頭的長(zhǎng)度是一定的,。EF 的文件體就是各種卡片應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)元。其大小是在文件創(chuàng)建時(shí)就確定的,。

　　1.2 文件訪問(wèn)以及文件管理

　　所有EF 文件頭中都含有屬性字段,，指明此文件的特殊信息。屬性字段占兩字節(jié),，字段中的每一比特位代表一種屬性,。它們?cè)趧?chuàng)建時(shí)確定，不允許更改,。目前只使用了前三個(gè)比特位,，分別是：

　　1）可刪除屬性。此屬性位為1 表示可以被刪除,，0 表示不可被刪除,。

　　2）可寫(xiě)屬性。此屬性位為1 表示可以被修改,，0 則表明此文件為只讀文件,。

　　3）可讀屬性,。此屬性位為1 表明此文件可以被瀏覽，0 表示不可以被瀏覽,。

　　應(yīng)用要對(duì)文件訪問(wèn)需要達(dá)到一定的安全狀態(tài),。當(dāng)該應(yīng)用的進(jìn)程現(xiàn)有狀態(tài)滿足所需要狀態(tài)，并且符合和該文件的屬性要求時(shí),，該進(jìn)程才能訪問(wèn)文件,。當(dāng)前進(jìn)程的安全狀態(tài)是由其是否滿足當(dāng)前目錄文件 下的KEF 中的相應(yīng)密鑰決定的。在MF 下僅有DF（應(yīng)用目錄）,，沒(méi)有EF 文件,，其KEF 則只含有創(chuàng) 建密鑰，讀密鑰,，刪除密鑰,。而一般的KEF 文件中含有四個(gè)密鑰，分別是讀密鑰,，寫(xiě)密鑰,， 創(chuàng)建密 鑰，刪除密鑰,。

　　為了方便文件管理,，有一些典型變量要保存在 RAM 中，把這些變量封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體CMB,， 放在進(jìn)程的PCB 中,。一個(gè) CMB 塊包含如下變量：1）mfhead。此變量總指向最高層MF 文件頭地址,。 2）mfsecurity,。此變量表明MF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初始值在進(jìn)程建立時(shí)賦值,。3）dfsecurity,。此變量 表明現(xiàn)行選擇的DF 達(dá)到的安全狀態(tài)。其初值在進(jìn)程建立時(shí)賦值,。4）currentdf,、 currentwef。這兩個(gè) 變量分別為當(dāng)前DF,、當(dāng)前WEF 文件頭地址。在進(jìn)程時(shí)它們的值為NULL,，在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中由 SELECT 命令顯式賦值,。5）currentrecord_adr。此變量在當(dāng)前WEF 為記錄結(jié)構(gòu)時(shí)使用,，它指向當(dāng)前使 用記錄號(hào),，如為透明文件,，無(wú)效地址。在進(jìn)程建立或者重新選擇WEF 時(shí),，其值被賦為0,。由記錄結(jié)構(gòu) WEF 讀、寫(xiě)命令更改,。6）currentef_kef,。此變量為當(dāng)前DF 下KEF 文件頭地址。當(dāng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí),，就 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)CMB 塊,，其 currentdf 被賦為當(dāng)時(shí)正在訪問(wèn)的DF，安全狀態(tài)被賦為0,。如果 currentdf 為 0 時(shí),，表示當(dāng)前的工作目錄為MF。

　　1.3 EEPROM 的劃分該智能卡的EEPROM 大小為 256K,，其中分為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)（32K）,，應(yīng)用代碼去（160K），系統(tǒng)區(qū)（16K）以及交換區(qū)（48K）,。

　　應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)存放著應(yīng)用的配置數(shù)據(jù),，并且都是以文件的形式存儲(chǔ)的。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的 EEPROM 是以頁(yè)的形式動(dòng)態(tài)分配給各個(gè)應(yīng)用,，每頁(yè)大小為32 字節(jié),。每個(gè)文件的頁(yè)地址信息由文件分配表詳細(xì)記錄。應(yīng)用代碼區(qū)存放著應(yīng)用的運(yùn)行代碼,。應(yīng)用代碼區(qū)分為40 塊,，每塊大小為4K。塊和應(yīng)用是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,，即每塊對(duì)映一個(gè)應(yīng)用,。系統(tǒng)區(qū)：存放操作系統(tǒng)的信息以及用于管理應(yīng)用及文件的一些系統(tǒng)表：應(yīng)用使用表，文件分配表,，文件打開(kāi)表,，數(shù)據(jù)區(qū)使用表。文件打開(kāi)表是用來(lái)防止讀寫(xiě)沖突的,，當(dāng)某文件正在被改寫(xiě)時(shí),，需要給該文件上鎖，等對(duì)該文件操作完成后再對(duì)該文件解鎖,。

　　數(shù)據(jù)區(qū)使用表記錄了應(yīng)用數(shù)據(jù)文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲(chǔ)情況,，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用要訪問(wèn)某一個(gè)數(shù)據(jù)文件時(shí)，需要查看該表,，檢查該文件是否屬于該應(yīng)用,，防止應(yīng)用篡改其他應(yīng)用的數(shù)據(jù)文件,。操作系統(tǒng)的信息用超級(jí)塊記錄。交換區(qū) 就是當(dāng)內(nèi)存不足時(shí),，使用交換區(qū)來(lái)擴(kuò)充內(nèi)存,。

　　2 文件系統(tǒng)

　　 2.1 文件分配表該操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)僅設(shè)計(jì)到應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū),，和應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)以及應(yīng)用代碼去無(wú)關(guān),，所以文件系 統(tǒng)占32K 的EEPROM 空間。數(shù)據(jù)區(qū)是以頁(yè)的形式分配給文件的,，每頁(yè)大小是32 字節(jié),，共設(shè)有1024 頁(yè)。存儲(chǔ)在系統(tǒng)區(qū)的文件分配表占用1K 空間,。分配表如圖2 所示：該表一共有 1024 頁(yè)（用十六進(jìn)制 表示）,，第1 頁(yè)代表數(shù)據(jù)區(qū)的前32 個(gè)字節(jié)，以后依次類(lèi)推,。當(dāng)表項(xiàng)為FFFF,，表示文件結(jié)束。當(dāng)記錄 為FFFE 時(shí),，該頁(yè)可用,。每頁(yè)的表項(xiàng)記錄該文件下一頁(yè)的頁(yè)碼。如圖所示,。該文件占用的頁(yè)碼分別是 1,，0xC，0xD,，0x10,，0x14。

　　 2.2 文件管理的指令

　　1）SELECT FILE（選擇文件）：建立文件成功后,，才能進(jìn)行文件選擇,，面向?qū)ο笪募芾硐到y(tǒng)要求在文件被選中之后才可以進(jìn)行存取處理。文件選擇就是通知操作系統(tǒng)即將對(duì)哪個(gè)文件進(jìn)行訪問(wèn),。新文件的成功選擇將導(dǎo)致前面的選擇無(wú)效,。這就意味著在任何時(shí)候被選中的文件只有一個(gè)。該文件系統(tǒng) 的支持根據(jù)文件的FID 進(jìn)行文件的選擇,。

　　2）CREATE FILE（創(chuàng)建文件）：該命令允許在智能卡中建立EF,、KEF、DF,。在執(zhí)行該命令之前,，必須先達(dá)到特定的安全狀態(tài)。在創(chuàng)建時(shí),，判斷創(chuàng)建地址是否有效,，即CMB 塊的相應(yīng)地址。同時(shí)創(chuàng)建時(shí)會(huì)影響目錄樹(shù)的結(jié)構(gòu),，可能需要修改其父親節(jié)點(diǎn)或者其兄弟節(jié)點(diǎn),，因此要檢測(cè)所影響的結(jié)點(diǎn)是否可以訪問(wèn)，如果需要修改的節(jié)點(diǎn)不可被訪問(wèn),，該命令則不能執(zhí)行,。對(duì)于EF 和KEF，他們都擁有文件體,，則根據(jù)其大小具體分配,。在申請(qǐng)頁(yè)面時(shí)，一次把所需要的頁(yè)數(shù)全部分配給該文件,，并且在文件分配表里建立好映像,。然后文件系統(tǒng)再根據(jù)文件分配表，把文件體寫(xiě)入EEPROM 中,。

　　3）DELETE FILE（刪除文件）：是把指定的智能卡的文件從存儲(chǔ)器中刪除,，其釋放的存儲(chǔ)空間由操作系統(tǒng)收回。文件系統(tǒng)的文件是存儲(chǔ)在應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū),，因此該命令的操作對(duì)象是數(shù)據(jù)區(qū)的文件,，并不 涉及其他存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)。MF 為文件系統(tǒng)的根目錄,，是不可被刪除的,。

　　KEF 為DF 中的密鑰文件， 僅刪除KEF 會(huì)對(duì)其上層DF 造成極大的安全隱患,，因此不提供單純的刪除KEF 操作,，把該操作是嵌入在刪除DF。該命令分為兩類(lèi)：刪除DF 和刪除EF,。刪除DF 函數(shù)僅刪除沒(méi)有子 DF 文件的DF 文件,， 如果所刪除的DF 具有直接子DF 文件（可以有EF 文件），則DF 不能直接刪除,，需要首先刪除子DF文件,，然后再使用本函數(shù)刪除。該操作會(huì)影響其父親節(jié)點(diǎn)或兄弟節(jié)點(diǎn)以及子EF 節(jié)點(diǎn),，所以刪除之前需要查看文件打開(kāi)表,，檢查這些文件是否可以訪問(wèn)，如果有不可以訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn),，則退出返回相應(yīng)的錯(cuò) 誤信息,。

　　當(dāng)然執(zhí)行該操作之前，必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)。刪除EF 時(shí),，操作對(duì)象是CMB 塊中 的當(dāng)前工作文件EF,，因此要?jiǎng)h除某EF 之前需要先選擇該文件。如果當(dāng)前工作文件地址無(wú)效,，則返回 相應(yīng)的錯(cuò)誤信息,。當(dāng)然執(zhí)行該操作之前，必須達(dá)到一定的要求安全狀態(tài)并且該EF 具有可刪除屬性,。

　　4）VERIFY 命令用來(lái)把傳送給智能卡的秘密對(duì)象和所存儲(chǔ)的基準(zhǔn)值相比較,，根據(jù)比較結(jié)果，改 變CMB 塊中的安全狀態(tài),。該操作系統(tǒng)的密鑰存儲(chǔ)在密鑰文件KEF 中,，位于MF 的KEF 被用來(lái)作為 智能卡中所有應(yīng)用通用的密鑰，如果是 DF 的KEF,，則它僅可用于在DF 內(nèi)的有關(guān)應(yīng)用,，即應(yīng)用的專(zhuān) 用密鑰。

　　該命令的操作對(duì)象默認(rèn)為CMB塊中指向的當(dāng)前所使用密鑰文件,。一般的密鑰文件含有四個(gè)密鑰,， 分別是：

　　（1）瀏覽密鑰：滿足該密鑰后,，可以讀該目錄下的所有EF 文件和子DF 頭標(biāo),。

　　（2）更新密 鑰：滿足該密鑰后,，可以在該目錄下的所有EF 文件中執(zhí)行更新操作,。

　　（3）刪除密鑰：滿足該密鑰后,， 可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作,。

　　（4）創(chuàng)建操作：滿足該密鑰后,，可以在該目錄下執(zhí)行刪除操作,。因此， verify 函數(shù)就是判斷其滿足相應(yīng)的密鑰,，然后改變CMB 塊中的安全狀態(tài),，使其可以執(zhí)行后需操作。

　　對(duì)于每一個(gè)密鑰都有一個(gè)重試計(jì)數(shù)器,。對(duì)于肯定的比較結(jié)果,，它被賦予零，對(duì)于否定的比較結(jié)果,，它增量1,。如果重試計(jì)數(shù)器達(dá)到對(duì)大值,，則絕對(duì)沒(méi)有任何可能再進(jìn)行對(duì)密鑰的進(jìn)一步比較。為了保證安全,，先對(duì)計(jì)數(shù)器字段加一并寫(xiě)入到記錄中,。然后比較讀出密鑰和輸入密鑰是否匹配。匹配則將0 寫(xiě)入到記錄的計(jì)數(shù)器字段中,，并將安全狀態(tài)設(shè)置為OK 結(jié)果狀態(tài),。否則將安全狀態(tài)設(shè)置為 NOK 結(jié)果狀態(tài)，并返回允許嘗試的剩余次數(shù)或記錄被鎖,。

　　3 結(jié)論

　　本文研究并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)多應(yīng)用智能卡文件系統(tǒng)。利用文件分配表為每個(gè)文件建立映像,，利用 CMB 塊進(jìn)行文件管理,，設(shè)置文件訪問(wèn)機(jī)制保證了每個(gè)應(yīng)用的讀寫(xiě)安全，最后詳細(xì)設(shè)計(jì)文件操作命令,，使得 應(yīng)用可以對(duì)文件進(jìn)行建立,，刪除等操作