智能卡技術及其在數(shù)字電視中的應用

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：江蘇省泰州市廣播電視局（臺） 馮傳崗   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月22日

提到智能卡，人們首先會想到信用卡，因為標準的智能卡看上去很像信用卡，人們通過信用卡上的磁條可查閱到簡單的只讀信息。但智能卡比信用卡要復雜的多，智能卡是將一個有著數(shù)據(jù)存儲和計算功能的計算芯片，鑲嵌在一張名片大小的塑料卡片上，要通過一種叫“讀卡器”的設備才能訪問芯片中的數(shù)據(jù)。    

　　數(shù)字電視智能卡是要與數(shù)字電視機頂盒配合使用，機頂盒相當于讀卡器，又能像計算機一樣工作。由于數(shù)字電視智能卡有一個內置的處理器和一個與數(shù)字電視機頂盒通信的接口，當然它還包含一些集成的內存，允許經營者向智能卡下載數(shù)據(jù)和應用。因而就要求數(shù)字電視智能卡必需具有高度的安全性，以確保未經授權的用戶不能訪問數(shù)字電視系統(tǒng)的各類業(yè)務項目的服務。    

      目前，數(shù)字電視智能卡的主要功能是被用于安全存儲、解密授權和訪問權限，同時向機頂盒授權，在數(shù)字電視將來的應用領域里，智能卡還可以被編程，發(fā)揮電子錢包的功能，為在線購物和其他即時付費等業(yè)務項目提供服務。    

一 智能卡的特點及類型    

　　1. 智能卡的特點    

　　在當今網(wǎng)絡系統(tǒng)應用中，智能卡除了有大容量性、穩(wěn)定性、可攜帶性、兼容性等特點外，還有著兩個最為重要的特點：個人身份性和密文性。    
　　所謂個人身份性，是指智能卡可以表明持卡人的身份。如今在各式各樣的交易中，最終都要確認交易方的身份，智能卡通過存儲在卡里的一個ID（Identity：身份）號，就可以方便的表明持卡人的身份了。    

　　所謂密文性，是指智能卡可以以密文的形式存儲某些數(shù)據(jù)。有些智能卡還能利用自帶的微處理器進行動態(tài)的數(shù)據(jù)加/減密。    

　　2. 智能卡的類型    

　　智能卡按其嵌入的芯片種類分，可以分為接觸式智能卡和非接觸式智能卡兩大類，見表1。   

表1   

　　接觸式智能卡從其卡的結構來分，又可以分為只讀存儲智能卡和微處理器智能卡兩大類，見表2。    

表2  

　　3. 智能卡的文件系統(tǒng)   

　　智能卡的文件系統(tǒng)如同計算機DOS（磁盤操作系統(tǒng)）的樹形文件系統(tǒng)。按照ISO（International Standards Organization：國際標準化組織）7816標準第四部分的規(guī)定，智能卡的文件分為：DF（Dedicated File：專注文件）和EF（Elementary File：基本文件）兩種。DF中包含一些控制信息，它可以成為EF或DF的母文件，如同DOS中的目錄文件。EF是數(shù)據(jù)單位的集合，它不能成為任何文件的母文件，這有的象DOS中的TXT（DOS文件擴展名；是普通的ASCII碼文本文件）文件。   

　　智能卡文件系統(tǒng)都有一個必須的ROOT（根文件），它是DF文件，一般稱為MF（Master File：主文件）。每個文件（包括DF和EF）都有一個文件的ID號（兩個字節(jié)），如：ROOT的ID號一般為“3F00”。如果你要對文件進行讀/寫操作，就必須先用Select（選擇）命令來選擇該文件的ID號。EF的文件類型有：透明EF，線性定長EF，線性變長EF，循環(huán)EF。對后三種EF文件的操作需通過對它們所包含的記錄進行操作。  
   
二 智能卡的國際規(guī)范——ISO 7816   

　　ISO 7816是智能卡必須遵循的國際標準，ISO 7816中規(guī)范了智能卡所用的塑料材料的一些物理特性，包括溫差范圍、彈性、電子觸點的位置以及內置微芯片和外界進行信息交換的方式等；ISO 7816標準的第一部分，規(guī)范了接觸式智能卡共有8個觸點（見表3），智能卡正是通過這8個觸點與外界進行通信的。ISO 7810標準規(guī)范了智能卡的尺寸。到目前為止ISO 7816標準已經陸續(xù)發(fā)布了九個部分，從表4中可以清楚地看到接觸式智能卡的從簡單到復雜慢慢完善的發(fā)展軌跡。  

表3  

表4 

三 數(shù)字電視接收智能卡的安全性  

　　1. 智能卡的基本安全要求  

　　智能卡采用的安全機理很多，一般說來，用于微處理器卡的比用于只讀存儲器卡的安全機理要復雜一些。但它們其基本的安全要求如下：  

　?。?）物理保密  

　　物理保密實際上是從卡上信息的讀取方面，來限制智能卡用戶的范圍。“若不憑借特別的技巧和工具，是無法對軟件和硬件作增刪或替換；對敏感數(shù)據(jù)的輸入、存儲或任何非授權的訪問/修改，只能通過有效的刺探才能達到；任何部分的故障或暴力破壞也不會導致敏感數(shù)據(jù)的泄漏。”  

　　有些智能卡，任何人都可以讀取卡上信息，這時卡體本身就是一種保護。如：記錄病人姓名和血型的醫(yī)療卡，這種智能卡一般不設密碼，只要拿到卡的人都可以讀取卡上信息。  

　對于只許第三方讀取信息的智能卡，只有發(fā)卡人才能讀取卡上信息。如：只有發(fā)卡的機構可以改寫電子錢夾上的信息。這時這些智能卡由16至32位數(shù)字的密碼來保護。 

　?。?）邏輯保密  

 　　邏輯保密實際上是從卡上信息的讀取方面，來限制讀取智能卡信息的方式?！爱斕幱谝环N敏感狀態(tài)時，不允許有兩個以上的委托方的參與；口令的輸入必須以保護其他敏感數(shù)據(jù)的相同方式得到保護?！?nbsp; 

　　存儲在智能卡上的信息一般被劃分為若干個部分。如：只讀信息；只可添加的信息；只可更新的信息；無法讀取的信息。這樣有些密碼信息可以存儲在無法讀取的存儲區(qū)域中。  

　　如果，只有知道密碼的人才能有權使用智能卡，但如果需要通過無線電或電話線將卡上的信息向異地傳送，就還必須要有額外的防護手段。  

　?。?）密鑰管理  

　　密鑰管理實際上是從卡的結構和所支持的加密算法，來控制讀取智能卡信息的方式?！皩τ诜菍ΨQ密鑰管理，必須支持ISO 11568第四、第五部分的規(guī)范；對稱密鑰的管理必須符合ISO 11568第二、第三部分的規(guī)范。密鑰算法必須采用規(guī)范已經批準的算法，并且嚴格保管密鑰?！?nbsp; 

　　2. 智能卡的密鑰算法  

　　通過加密，智能卡可以把信息翻譯成各類符號等，并且在須要通信時，可以隨機地選擇其一。這種防范機制可以確保所用的卡和計算機都真實有效，使得幾乎沒有可能半路竊取傳送的信息。微處理器智能卡有加/解密（把看不懂的東西再翻譯回來）的功能，使得在傳送存儲在卡上的信息的同時，也不用擔心會發(fā)生泄密。  

　　智能卡的加密技術是按照密鑰算法的公開與否來分的，目前可分為SKE（Secret Key Encryption：即秘密密鑰加密系統(tǒng)，又稱為對稱密鑰算法）和PKE（Public Key Encryption：公開密鑰加密系統(tǒng)，又稱為不對稱加密算法）兩種。SKE算法和PKE算法的區(qū)別主要是：加/減密密鑰的一致與否。  

　?。?）SKE算法  

　　所謂SKE算法，是指加密密鑰和解密密鑰是相同的。為了安全性，密鑰要定期的改變。對稱算法速度快，所以在處理大量數(shù)據(jù)的時候被廣泛使用，其關鍵是保證密鑰的安全。  

　?。?）PKE算法  

　　所謂PKE算法，是指分別存在一個公鑰和一個私鑰，公鑰公開，私鑰保密。公鑰和私鑰具有一一對應的關系，用公鑰加密的數(shù)據(jù)只有用私鑰才能解開，其效率低于對稱密鑰算法。  

　　3. 數(shù)字電視接收智能卡的安全  

　　數(shù)字電視接收智能卡的安全，不但要具備以上智能卡的基本要求，而且還應具備其它所特有的安全要求，這就是數(shù)字電視智能卡和數(shù)字電視機頂盒之間的認證。  

四 數(shù)字電視智能卡與機頂盒的認證/協(xié)議  

　　由于微處理智能卡帶有微處理器，支持著SKE算法和PKE算法，同時微處理智能卡的尺寸大小極方便于攜帶，所以它必然成為CADTV（Cable Digital Tele Vision：有線數(shù)字電視）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞和身份認證極佳的安全模塊。  

　　1. 數(shù)字電視智能卡與機頂盒的認證  

　　數(shù)字電視接收智能卡和機頂盒之間的認證，主要是防止在機頂盒中使用未經授權的智能卡，認證方法主要有基于共享密鑰的身份鑒別和基于證書的身份鑒別。  

　　目前，數(shù)字電視智能卡與機頂盒之間的認證關系，基本上是由CADTV廣播系統(tǒng)的CAS（Conditional Access System：條件接收系統(tǒng)）供應商所指定的算法來完成的，一般的認證關系有兩個層次：其一是對數(shù)字電視智能卡和機頂盒建立簡單的鏈接關系，如同夫妻搭配一樣驗證其合法有效性；其二是在整個數(shù)字電視CAS密鑰體系下對智能卡與機頂盒間的通訊實施加密，非常嚴格地驗證卡與機頂盒嚴密的數(shù)學算法關系，以達到強化商業(yè)安全的目的。  

　　這種驗證的嚴密數(shù)學算法關系，源自國際標準ISO 7816提供的無差錯連結的鏈路級通信協(xié)議，其主要是T＝0協(xié)議和T＝1協(xié)議，一旦建立了鏈路協(xié)議，就能定義一種應用協(xié)議，利用鏈路實現(xiàn)卡上應用程序與機頂盒上的其他應用程序之間進行通信。ISO和IEC（International Electrotechnical Commission：國際電工委員會）共同規(guī)范了這類的應用協(xié)議，其目的有兩個：一是提供一致的、存儲與檢索卡上信息的文件系統(tǒng)；二是以API（Application Program Interface：應用程序接口）形式訪問智能卡上安全服務的協(xié)議。  

　　2. 鏈路級通信  

　　T＝0協(xié)議試圖把應用協(xié)議的元素與鏈路協(xié)議的元素混合起來，而T＝1協(xié)議相當于數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。  

　　鏈路級通信的T＝0協(xié)議是一個面向字節(jié)的協(xié)議，以命令響應的方式動作，在該方式中，連接的讀卡機端向卡發(fā)送一條命令，卡執(zhí)行讀卡機所命令的操作，再送回一個響應。在T＝0協(xié)議中，錯誤檢測是通過奇偶校驗位進行的。T＝0協(xié)議的TPDU（Transport Protocols Data Units：傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元）具有兩種不同的數(shù)據(jù)結構：一個是從讀卡機發(fā)到卡的命令；另一個是卡送到讀卡機的響應。  

　　T＝1協(xié)議是面向塊的協(xié)議。T＝1協(xié)議中的差錯檢測是通過LRC（縱向冗余效驗）完成，所使用的算法在ISO 3309中有定義。T＝1協(xié)議使用三種不同類型的塊，但每種塊具有相同的結構。  

五 結語  

　　隨著數(shù)字電視技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，通過網(wǎng)絡進行電子購物等商業(yè)活動將日益增多。在數(shù)字電視未來的應用領域里，智能卡還可以被編程來發(fā)揮電子錢包的功能。用于在線購物和其他即時付費服務。這些商業(yè)活動往往是通過公開網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，這就對網(wǎng)絡傳輸過程中數(shù)據(jù)的保密性提出了更高的要求，這些要求主要包括：  

    * 對敏感的文件進行加密，即使別人截獲文件也無法得到其內容；   
    * 保證數(shù)據(jù)的完整性，防止截獲人在文件中加入其他信息；   
    * 對數(shù)據(jù)和信息的來源進行驗證，以確保發(fā)信人的身份。  

    現(xiàn)在業(yè)界普遍采用PKE和SKE相結合的方式來滿足以上要求。  

參考文獻：  
    1、《有線數(shù)字電視中間件指導性意見》 中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)技術要求 2003年6月  
    2、《有線數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)應用指南》 中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)技術要求 2003年6月  
    3、《有線數(shù)字電視廣播業(yè)務信息應用指南》 中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)技術要求 2003年6月