智能卡技術(shù)及其在數(shù)字電視中的應(yīng)用

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：江蘇省泰州市廣播電視局（臺(tái)） 馮傳崗   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月22日

提到智能卡，人們首先會(huì)想到信用卡，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的智能卡看上去很像信用卡，人們通過(guò)信用卡上的磁條可查閱到簡(jiǎn)單的只讀信息。但智能卡比信用卡要復(fù)雜的多，智能卡是將一個(gè)有著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算功能的計(jì)算芯片，鑲嵌在一張名片大小的塑料卡片上，要通過(guò)一種叫“讀卡器”的設(shè)備才能訪問(wèn)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(jī)頂盒配合使用，機(jī)頂盒相當(dāng)于讀卡器，又能像計(jì)算機(jī)一樣工作。由于數(shù)字電視智能卡有一個(gè)內(nèi)置的處理器和一個(gè)與數(shù)字電視機(jī)頂盒通信的接口，當(dāng)然它還包含一些集成的內(nèi)存，允許經(jīng)營(yíng)者向智能卡下載數(shù)據(jù)和應(yīng)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(jīng)授權(quán)的用戶不能訪問(wèn)數(shù)字電視系統(tǒng)的各類業(yè)務(wù)項(xiàng)目的服務(wù)。    

      目前，數(shù)字電視智能卡的主要功能是被用于安全存儲(chǔ)、解密授權(quán)和訪問(wèn)權(quán)限，同時(shí)向機(jī)頂盒授權(quán)，在數(shù)字電視將來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)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(gòu)物和其他即時(shí)付費(fèi)等業(yè)務(wù)項(xiàng)目提供服務(wù)。    

一 智能卡的特點(diǎn)及類型    

　　1. 智能卡的特點(diǎn)    

　　在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)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(diǎn)外，還有著兩個(gè)最為重要的特點(diǎn)：個(gè)人身份性和密文性。    
　　所謂個(gè)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(rèn)交易方的身份，智能卡通過(guò)存儲(chǔ)在卡里的一個(gè)ID（Identity：身份）號(hào)，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(chǔ)某些數(shù)據(jù)。有些智能卡還能利用自帶的微處理器進(jìn)行動(dòng)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(jiàn)表1。   

表1   

　　接觸式智能卡從其卡的結(jié)構(gòu)來(lái)分，又可以分為只讀存儲(chǔ)智能卡和微處理器智能卡兩大類，見(jiàn)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(jì)算機(jī)DOS（磁盤操作系統(tǒng)）的樹(shù)形文件系統(tǒng)。按照ISO（International Standards Organization：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）7816標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(gè)必須的ROOT（根文件），它是DF文件，一般稱為MF（Master File：主文件）。每個(gè)文件（包括DF和EF）都有一個(gè)文件的ID號(hào)（兩個(gè)字節(jié)），如：ROOT的ID號(hào)一般為“3F00”。如果你要對(duì)文件進(jìn)行讀/寫操作，就必須先用Select（選擇）命令來(lái)選擇該文件的ID號(hào)。EF的文件類型有：透明EF，線性定長(zhǎng)EF，線性變長(zhǎng)EF，循環(huán)EF。對(duì)后三種EF文件的操作需通過(guò)對(duì)它們所包含的記錄進(jìn)行操作。  
   
二 智能卡的國(guó)際規(guī)范——ISO 7816   

　　ISO 7816是智能卡必須遵循的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)的位置以及內(nèi)置微芯片和外界進(jìn)行信息交換的方式等；ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，規(guī)范了接觸式智能卡共有8個(gè)觸點(diǎn)（見(jiàn)表3），智能卡正是通過(guò)這8個(gè)觸點(diǎn)與外界進(jìn)行通信的。ISO 7810標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了智能卡的尺寸。到目前為止ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布了九個(gè)部分，從表4中可以清楚地看到接觸式智能卡的從簡(jiǎn)單到復(fù)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(jī)理很多，一般說(shuō)來(lái)，用于微處理器卡的比用于只讀存儲(chǔ)器卡的安全機(jī)理要復(fù)雜一些。但它們其基本的安全要求如下：  

　　（1）物理保密  

　　物理保密實(shí)際上是從卡上信息的讀取方面，來(lái)限制智能卡用戶的范圍。“若不憑借特別的技巧和工具，是無(wú)法對(duì)軟件和硬件作增刪或替換；對(duì)敏感數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)或任何非授權(quán)的訪問(wèn)/修改，只能通過(guò)有效的刺探才能達(dá)到；任何部分的故障或暴力破壞也不會(huì)導(dǎo)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(shí)卡體本身就是一種保護(hù)。如：記錄病人姓名和血型的醫(yī)療卡，這種智能卡一般不設(shè)密碼，只要拿到卡的人都可以讀取卡上信息。  

　對(duì)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(jī)構(gòu)可以改寫電子錢夾上的信息。這時(shí)這些智能卡由16至32位數(shù)字的密碼來(lái)保護(hù)。 

　　（2）邏輯保密  

 　　邏輯保密實(shí)際上是從卡上信息的讀取方面，來(lái)限制讀取智能卡信息的方式。“當(dāng)處于一種敏感狀態(tài)時(shí)，不允許有兩個(gè)以上的委托方的參與；口令的輸入必須以保護(hù)其他敏感數(shù)據(jù)的相同方式得到保護(hù)。”  

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

　　如果，只有知道密碼的人才能有權(quán)使用智能卡，但如果需要通過(guò)無(wú)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(hù)手段。  

　　（3）密鑰管理  

　　密鑰管理實(shí)際上是從卡的結(jié)構(gòu)和所支持的加密算法，來(lái)控制讀取智能卡信息的方式。“對(duì)于非對(duì)稱密鑰管理，必須支持ISO 11568第四、第五部分的規(guī)范；對(duì)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(jīng)批準(zhǔn)的算法，并且嚴(yán)格保管密鑰。”  

　　2. 智能卡的密鑰算法  

　　通過(guò)加密，智能卡可以把信息翻譯成各類符號(hào)等，并且在須要通信時(shí)，可以隨機(jī)地選擇其一。這種防范機(jī)制可以確保所用的卡和計(jì)算機(jī)都真實(shí)有效，使得幾乎沒(méi)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(lái)）的功能，使得在傳送存儲(chǔ)在卡上的信息的同時(shí)，也不用擔(dān)心會(huì)發(fā)生泄密。  

　　智能卡的加密技術(shù)是按照密鑰算法的公開(kāi)與否來(lái)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(duì)稱密鑰算法）和PKE（Public Key Encryption：公開(kāi)密鑰加密系統(tǒng)，又稱為不對(duì)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。  

　　（1）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(duì)稱算法速度快，所以在處理大量數(shù)據(jù)的時(shí)候被廣泛使用，其關(guān)鍵是保證密鑰的安全。  

　　（2）PKE算法  

　　所謂PKE算法，是指分別存在一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰，公鑰公開(kāi)，私鑰保密。公鑰和私鑰具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，用公鑰加密的數(shù)據(jù)只有用私鑰才能解開(kāi)，其效率低于對(duì)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(yīng)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(jī)頂盒之間的認(rèn)證。  

四 數(shù)字電視智能卡與機(jī)頂盒的認(rèn)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(shí)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(luò)數(shù)據(jù)傳遞和身份認(rèn)證極佳的安全模塊。  

　　1. 數(shù)字電視智能卡與機(jī)頂盒的認(rèn)證  

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

　　目前，數(shù)字電視智能卡與機(jī)頂盒之間的認(rèn)證關(guān)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(yīng)商所指定的算法來(lái)完成的，一般的認(rèn)證關(guān)系有兩個(gè)層次：其一是對(duì)數(shù)字電視智能卡和機(jī)頂盒建立簡(jiǎn)單的鏈接關(guān)系，如同夫妻搭配一樣驗(yàn)證其合法有效性；其二是在整個(gè)數(shù)字電視CAS密鑰體系下對(duì)智能卡與機(jī)頂盒間的通訊實(shí)施加密，非常嚴(yán)格地驗(yàn)證卡與機(jī)頂盒嚴(yán)密的數(shù)學(xué)算法關(guān)系，以達(dá)到強(qiáng)化商業(yè)安全的目的。  

　　這種驗(yàn)證的嚴(yán)密數(shù)學(xué)算法關(guān)系，源自國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7816提供的無(wú)差錯(cuò)連結(jié)的鏈路級(jí)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(yīng)用協(xié)議，利用鏈路實(shí)現(xiàn)卡上應(yīng)用程序與機(jī)頂盒上的其他應(yīng)用程序之間進(jìn)行通信。ISO和IEC（International Electrotechnical Commission：國(guó)際電工委員會(huì)）共同規(guī)范了這類的應(yīng)用協(xié)議，其目的有兩個(gè)：一是提供一致的、存儲(chǔ)與檢索卡上信息的文件系統(tǒng)；二是以API（Application Program Interface：應(yīng)用程序接口）形式訪問(wèn)智能卡上安全服務(wù)的協(xié)議。  

　　2. 鏈路級(jí)通信  

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

　　鏈路級(jí)通信的T＝0協(xié)議是一個(gè)面向字節(jié)的協(xié)議，以命令響應(yīng)的方式動(dòng)作，在該方式中，連接的讀卡機(jī)端向卡發(fā)送一條命令，卡執(zhí)行讀卡機(jī)所命令的操作，再送回一個(gè)響應(yīng)。在T＝0協(xié)議中，錯(cuò)誤檢測(cè)是通過(guò)奇偶校驗(yàn)位進(jìn)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(jié)構(gòu)：一個(gè)是從讀卡機(jī)發(fā)到卡的命令；另一個(gè)是卡送到讀卡機(jī)的響應(yīng)。  

　　T＝1協(xié)議是面向塊的協(xié)議。T＝1協(xié)議中的差錯(cuò)檢測(cè)是通過(guò)LRC（縱向冗余效驗(yàn)）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(jié)構(gòu)。  

五 結(jié)語(yǔ)  

　　隨著數(shù)字電視技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電子購(gòu)物等商業(yè)活動(dòng)將日益增多。在數(shù)字電視未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域里，智能卡還可以被編程來(lái)發(fā)揮電子錢包的功能。用于在線購(gòu)物和其他即時(shí)付費(fèi)服務(wù)。這些商業(yè)活動(dòng)往往是通過(guò)公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)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(duì)敏感的文件進(jìn)行加密，即使別人截獲文件也無(wú)法得到其內(nèi)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(duì)數(shù)據(jù)和信息的來(lái)源進(jìn)行驗(yàn)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(jié)合的方式來(lái)滿足以上要求。  

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