cpu卡,sam卡原理
第一部分 CPU基础知识 一、为什么用CPU卡
IC卡从接口方式上分，可以分为接触式IC卡、非接触式IC卡及复合卡。从器件技术上分，可分为非加密存储卡、加密存储卡及CPU卡。非加密卡没有安全性，可以任意改写卡内的数据，加密存储卡在普通存储卡的基础上加了逻辑加密电路，成了加密存储卡。逻辑加密存储卡由于采用密码控制逻辑来控制对EEPROM的访问和改写，在使用之前需要校验密码才可以进行写操作，所以对于芯片本身来说是安全的，但在应用上是不安全的。它有如下不安全性因素：
1、密码在线路上是明文传输的，易被截取；
2、对于系统商来说，密码及加密算法都是透明的。
3、逻辑加密卡是无法认证应用是否合法的。例如，假设有人伪造了ATM，你无法知道它的合法性，当您插入信用卡，输入PIN的时候，信用卡的密码就被截获了。再如INTENET网上购物，如果用逻辑加密卡，购物者同样无法确定网上商店的合法性。
正是由于逻辑加密卡使用上的不安全因素，促进了CPU卡的发展。CPU卡可以做到对人、对卡、对系统的三方的合法性认证。 二、 CPU卡的三种认证 CPU卡具有三种认证方法： 持卡者合法性认证——PIN校验 卡合法性认证——内部认证 系统合法性认证——外部认证 持卡者合法性认证：
通过持卡人输入个人口令来进行验证的过程。 系统合法性认证（外部认证）过程： 系统 卡， 送随机数X
[用指定算法、密钥]对随机数加密
[用指定算法、密钥]解密Y，得结果Z
比较X，Z，如果相同则表示系统是合法的； 卡的合法性认证（内部认证）过程： 系统 卡 送随机数X
用指定算法、密钥]对随机数加密 [用指定算法、密钥]解密Y，得结果Z 比较X，Z，如果相同则表示卡是合法的；
在以上认证过程中，密钥是不在线路上以明文出现的，它每次的送出都是经过随机数加密的，而且因为有随机数的参加，确保每次传输的内容不同。如果截获了没有任何意义。这不单单是密码对密码的认证，是方法认证方法，就象早期在军队中使用的密码电报，发送方将报文
按一定的方法加密成密文发送出去，然后接收方收到后又按一定的方法将密文解密。 通过这种认证方式，线路上就没有了攻击点，同时卡也可以验证应用的合法性；
但是因为系统方用于认证的密钥及算法是在应用程序中，还是不能去除系统商的攻击性。 在此，我们引进了SAM卡的概念。
SAM卡是一种具有特殊性能的CPU卡，用于存放密钥和加密算法，可完成交易中的相互认证、密码验证和加密、解密运算，一般用作身份标志。
由于SAM卡的出现，我们有了一种更完整的系统解决方案。
在发卡时，我们将主密钥存入SAM卡中，然后由SAM卡中的主密钥，对用户卡的特征字节（如：应用序列号）加密生成子密钥，将子密钥注入用户卡中。由于应用序列号的唯一性，使每张用户卡内的子密钥都不同。
密钥一旦注入卡中，则不会在卡外出现。在使用时，由SAM卡的主密钥生成子密钥存放在RAM区中，用于加密、解密数据。 上述的认证过程就成为如下形式： 系统合法性认证（外部认证）过程： SAM卡 系统 卡 送随机数X
SAM卡生成子密钥对随机数加密
解密Y，得结果Z
比较X，Z，如果相同则表示系统是合法的； 卡的合法性认证（内部认证）过程： SAM卡 系统 卡 送随机数X
用指定算法、密钥]对随机数加密 SAM卡解密Y，得结果Z
比较X，Z，如果相同则表示卡是合法的；
这样在应用程序中的密钥，就转移到了SAM卡中，认证成为卡——卡的认证，系统商不再存在责任。
三、 线路保护
卡与外界进行数据传输时，若以明文方式传输，数据易被载获和分析。同时，也可以对传输的数据进行窜改，要解决这个问题，CPU卡提供了线路保护功能。
线路保护分为两种，一是将传输的数据进行DES加密，以密文形式传输，以防止截获分析。
二是对传输的数据附加MAC（安全报文鉴别码），接收方收到后首先进行校验，校验正确后才予以接收，以保证数据的真实性与完整性。 四、 硬件结构图
EEPROM用于存放用户数据；ROM中用于存放COS操作系统，而RAM区中用于存放COS运行时的中间变量。 COS（chip operation system）,就是芯片操作系统，类似于DOS和WINDWOS，没有COS的CPU卡就象没有DOS和WINDOWS的PC机一样无法使用。
COS是在芯片出厂时由芯片供应商固化到ROM区的，这个过程就称之为掩膜。 COS是CPU卡的核心部分，它和硬件一起实现CPU卡的安全性。
第二部分 SmartCOS简介
SmartCOS是由明华公司自主开发的芯片操作系统，于1999年6月通过了人行认证。 COS主要分为四部分：
一、 SMARTCOS的文件系统
CPU卡是以文件方式来管理SmartCOS支持如下文件系统。 1、文件可分为MF文件、DF文件、EF文件
MF：主控文件，是整个文件系统的根，是唯一的，相当于根目录；
DF：专用文件，相当于子目录，可用于存储某个应用的所有文件，DF下不可再建立DF。一个DF可以是一个应用，也可以多个DF用于同一个应用。 EF：基本文件，用于存储各种应用数据和管理信息。
2、EF从存储内容上分为两种：
安全基本文件：用于存放密钥，每个目录下只能建立一个安全基本文件，密钥文件不能通过文件选择来选取，密钥内容不可以读出，但在满足条件时可使用和修改。 工作基本文件：用于存放应用的实际数据，个数及大小只受空间限制。在满足条件时可读写。 3、基本文件结构
基本文件的结构可分为以下四种：
二进制文件：
数据以字节为单位进行读写，每次读写的长度不能超过110字节；可用于存储无序的数据。 线性定长记录文件:
每条记录为固定长度，可以通过记录号访问记录，记录范围不超过254；
每条记录的长度不超过110字节，密钥文件就是线性定长记录文件，其每条记录长度固定为25外字节。可用于存放有规律定长的数据。 线性变长记录文件：
每条记录的长度可以各不相同，但最大长度不能超过110 字节，可以通过记录号来访问。
循环定长记录文件结构：
相当于一个环形记录队列，按照先进先出的原则存储，最新写入的记录号为1，上一次写入的记录号为2，以此类推，记录写满后自动覆盖最早的记录。 4、文件结构图
在MF下可建立EF和DF；
在DF下不可再建立DF，只能建立EF； KEY文件：用于控制MF下的文件的创建及读写 数据文件
密钥文件：
用于控制DF下的文件的创建及访问 数据文件（如钱包文件等）
5、文件空间的计算
MF的头文件长度为10个字节+文件名长度（5-16个字节） DF的头文件长度为10个字节+文件名长度 EF文件所占空间：
定义记录和循环记录文件的空间=文件头空间（10字节）+记录数*记录长度 变长记录结构文件的空间=文件头空间（10个字节）+建立时申请的空间 密钥文件所占空间=文件头空间（10个字节）+密钥个数*25个字节 钱包文件的空间=文件头（10个字节）+文件体（17个字节） 存折文件的空间=文件头（10个字节）+文件体（20个字节）
建立了文件系统，那么怎样才能保证文件的安全，下面讲述安全系统。
二、SMARTCOS的安全系统 1、 状态机即安全状态:
是指卡在当前所处的一种安全级别,具有(0---F)16种安全状态。复位后自动设为0，当前应用的安全状态在被成功地选择或复位后自动清0。安全状态的改变必须通过密钥的认证来实现。
**只有当前目录下的PIN核对和外部认证才能改变安全状态。
2、 安全属性即访问权限
访问权限是在建立文件的时候指定的。
它是一个区间的概念，例如，描述一个文件的读权限为XY，则表示当前应用的状态机（安全状态）M必须满足X=〈M=〈Y。如读权限设为2F，就表示当前的状态机（安全状态）达到2及以上就可以读这个文件。
3、 密钥与安全状态的关系
每个密钥在建立的时候都定义了后续状态，即通过密钥认证后能达到的安全状态，在各种密钥中，只有PIN认证和外部认证才能改变当前目录的安全状态。
4、安全状态与访问权限的关系 （安全状态）
使用权限--------密钥的使用------------后续状态------------文件读写取限
5、安全状态只在当前目录下有效，一旦选择别的应用，状态机自动跳到最低权限0。各个目录之间的安全都是独立的。 四、复位应答
符号 字节内容 内容解释 TS 3B 正向约定
T0 6C TB1和TC1存在，历史字符为12个 TB1 00 无需额外的编程电压 TC1 02 需2个额外的保护时间 T1-TC XX 历史字符
SMARTCOS 历史字符的特定意义： 符号 字节内容 内容解释
T1 XX SMARTCOS 的版本号 T2 XX 卡状态字节
T3 86 明华公司IC卡制造机构标识号
T4 38
T5-TC XX 卡唯一序号 卡状态字节描述如下：
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 状态
011 XXX XXX 001 XXX XXX XXX XXX 该卡已初始化，并成功该卡未被初始化该卡初始化过程被锁
0 0 0 0 0 0 X X 该卡未个人化
0 0 1 0 X X X X 该卡个人化未结束 0 1 1 0 X X X X 该卡个人化成功
0 0 0 1 X X X X 该卡个人化没有成功，卡被锁 0 1 1 1 X X X X 该卡个人化成功，卡被锁 。
卡片状态字节中有关于初始化、个人化的概念，我们从卡片的生命周期来看这两个概念，卡片的生命周期一般包括如下几部分： 芯片 芯片生产商
掩膜COS 芯片生产商 封装成卡片 卡片生产商
卡片的初始化（COS启用） 卡片生产商