智能卡及其COS（ Chip Operating System片內操作系統(tǒng)）概述
- 2019-07-10 17:11:00
- 諾塔斯智能科技 原創(chuàng)
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根據(jù)嵌入芯片類型的不同，IC卡可分為不同類型，包括存儲卡、邏輯加密卡、智能卡等。不同的卡片造價不同，其功能也不同。
存儲器卡，卡內的集成電路是電擦除可編程只讀存儲器EEPROM，它僅有數(shù)據(jù)存儲功能，沒有數(shù)據(jù)處理能力；存儲卡本身不提供硬件加密功能，只能存儲通過系統(tǒng)加密過的數(shù)據(jù)，很容易被破解。
邏輯加密卡，卡內的集成電路包括加密邏輯電路和電擦除可編程只讀存儲器EEPROM，加密邏輯電路在一定程度上保護著卡和卡中數(shù)據(jù)的安全，但只是低層次的防護，無法防止惡意的攻擊。
CPU卡，只有帶微處理器的IC卡才是嚴格意義上的智能卡?？▋鹊募呻娐钒ㄖ醒胩幚砥鰿PU、電擦除可編程只讀存儲器EEPROM、隨機存儲器RAM以及固化卡操作系統(tǒng)COS（Chip Operating System）的只讀存儲器ROM。智能卡相當于一臺沒有顯示器和鍵盤的微型 計算機。
智能卡最基本的用途可歸納為：身份認證、數(shù)據(jù)載體、支付工具。隨著技術的發(fā)展和應用的普及，智能卡的用途會更加廣闊，比如可作為一些設備的嵌入模塊，可作為一些場合的專用模塊等。
智能卡屬于信息安全產(chǎn)品，其特點是體積小，便于攜帶；安全性好，存儲的信息難以非法讀取。相對而言，軟磁盤同樣是信息載體，在便攜性方面體積大、易損壞且不說，在安全性方面就明顯不同了，別人拿到手很容易讀出其中的信息，甚至不拿到手的情況下也可通過網(wǎng)絡采取黑客等手段取得磁盤中的信息。而智能卡內存放的信息，只有通過COS的安全控制，才能夠讀出，有的信息甚至在任何時候都不允許讀出。
智能卡是由硬件和軟件兩部分構成，智能卡的硬件部分是集成電路，集成電路的外在形式是芯片，內部組成是各種功能的集成部件，包括CPU、RAM、EEPROM、ROM、等，不同的芯片，其硬件配置不同，功能也不同。智能卡的軟件部分是COS， COS是用戶的應用程序與卡的交互界面，是卡內各硬件部件的總調度師，是卡的安全衛(wèi)士，是實現(xiàn)各相關國際標準的基礎。COS通常都有自己的安全體系，它的安全性能通常是衡量COS的重要技術指標。
COS的功能包括：傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋，這是內部機理。在外部使用來看就只是有觸點的智能卡。
COS的開發(fā)，首先的解決傳輸管理問題，即I/O問題，智能卡通過觸點（非接觸卡是通過場與讀寫設備交換數(shù)據(jù)的，遵循的國際標準是14443）和讀寫設備交換數(shù)據(jù)的，就是對國際標準ISO7816-3的實現(xiàn)。
然后是文件管理，對各種類型的文件都要有一種訪問機制，以存儲用戶數(shù)據(jù)，既要高效，又要安全。COS的安全體系，是COS中的重要部分，是以密碼算法為基礎的，通過密碼算法，控制用戶的權限，什么情況下允許外部對智能卡進行什么操作。命令解釋是對行業(yè)規(guī)范中的命令和智能卡專用命令的實現(xiàn)，一條命令有時是多種功能的綜合體，命令解釋部分要對命令作出解釋，根據(jù)權限滿足情況，控制各種功能的實現(xiàn)。
COS的評判，一方面是看功能實現(xiàn)情況，有沒有按照應用行業(yè)的標準或規(guī)范，實現(xiàn)規(guī)定的指令，在功能方面是否存在隱患。另一方面是看安全性，安全性是智能卡的重要方面，如果留有明顯的安全漏洞，則COS是失敗的。一個好的COS還要有較高的運行效率。
安全性是COS的關鍵環(huán)節(jié)，COS創(chuàng)建一種安全體系，把這種體系的控制權以安全的方式移交給客戶，不留任何后門，客戶將利用這種安全體系保護用戶數(shù)據(jù)。一旦移交安全控制權，COS的開發(fā)商也和別人一樣，對智能卡上的數(shù)據(jù)智能靠合法權限進行操作，別無其他辦法。那么COS開發(fā)的難點就是這種提供客戶使用的安全體系。如果有人能夠找到突破口，對智能卡內的數(shù)據(jù)進行非授權訪問，則COS是失敗的。
密碼技術應用，是智能卡領域必然提及的問題。密碼算法不是信息安全的全部，但絕對是信息安全的重要基礎之一，沒有安全的密碼算法，就絕不會有信息安全。運用密碼技術，可保護數(shù)據(jù)的機密性、完整性、可認證性、不可否認性。所謂密碼，就是利用一種算法，用特定的密鑰對叫做明文的用戶數(shù)據(jù)進行變形處理，這個變換的過程叫做加密，經(jīng)加密的數(shù)據(jù)是不可識別的，稱為密文，只有在合法情況下，用特定的密鑰，以規(guī)定的算法對密文進行逆向變換，才可恢復出明文，逆變換的過程叫做解密?，F(xiàn)代密碼學中，算法是公開的，需要保密的是密鑰。
機密性的意思是，信息以密碼的方式存儲和傳輸，未被授權者看不懂其中的任何內容。而得到合法授權者，必然擁有相應的密鑰，可以用密鑰經(jīng)密碼運算得到信息明文。
完整性的意思是，密碼信息的各部分是相互關聯(lián)的，具有不可篡改的特點，這是通過密碼應用中的協(xié)議或校驗實現(xiàn)的。如果密碼信息被篡改，則解密驗證的過程中必然就會發(fā)現(xiàn)問題，就知道密文已經(jīng)不可靠了。
可認證性是說，用戶接收的信息后，能夠確認信息來源。
不可否認性的意義在于，當發(fā)送者用某種密碼發(fā)送出一份信息后，就已經(jīng)無法否認他曾經(jīng)發(fā)出該信息。
密碼算法是多種多樣的，主要有兩大類密碼算法，一類是對稱密鑰密碼算法，如DES，IDEA，AES等，另一類是非對稱密碼算法，如RSA，DSA等。
智能卡的安全性，在于COS中對密碼算法的使用，比如持卡人在卡終端上使用卡片，為了保護業(yè)主和持卡人雙方的利益，應用系統(tǒng)中可設置雙向認證過程，終端方面要檢查卡片是否合法，卡片方面也要檢查終端是否合法，這種檢查過程叫做認證，在認證過程中就可以使用密碼算法。智能卡對終端的認證步驟可以是這樣的，智能卡把一組隨機數(shù)傳送給終端，同時保存這組隨機數(shù)，終端對隨機數(shù)進行加密，把密文傳送給智能卡，智能卡對密文進行解密，把得到的結果和保存的隨機數(shù)進行比較，若一致，就可認定終端是合法的，若不一致，就可認定終端是非法的。這里面的道理是，合法的終端是知道認證所用的密鑰的，這是應用系統(tǒng)約定好的，于是才可驗證一致，而非法的終端沒有得到授權，不知道認證密鑰，認證不會通過。
這里有一個原理，即密碼算法的單向性，已知算法、密鑰、明文，計算密文很容易。但是反過來計算就很難了，已知算法、明文、密文，是計算不出密鑰的。
智能卡的資源很有限，遠比不上PC機的處理能力，要在智能卡內部實現(xiàn)各種密碼算法和相關協(xié)議，需要細致的優(yōu)化，否則運算效率太低或根本沒有可用性。
智能卡是如何生產(chǎn)的，由誰生產(chǎn)的？這可以從智能卡的生產(chǎn)過程中知道。
智能卡生產(chǎn)中的過程之一就是芯片制造，芯片制造是半導體廠家在集成電路生產(chǎn)線上通過特定的制造工藝進行大批量的芯片生產(chǎn)，生產(chǎn)出的是未定型的芯片。芯片的制造，意味著巨額資金的投入、尖端技術的應用、風險的承擔。
COS開發(fā)商從半導體廠家訂制智能卡芯片的過程，是把半導體廠商生產(chǎn)的芯片和COS開發(fā)商生產(chǎn)的COS結合起來的過程，這個過程叫做掩膜，是在半導體廠家完成的，就是把COS代碼批量燒進芯片中集成的ROM中。生產(chǎn)出來的是定型了的產(chǎn)品。所以在智能卡領域，半導體廠商是芯片的供應商，半導體廠商的直接用戶是COS開發(fā)商。半導體廠商提供的芯片是智能卡的硬件部分。而COS開發(fā)商是智能卡產(chǎn)品的供應商，提供給用戶的是智能卡產(chǎn)品。
智能卡供應商還要把定型了的芯片封裝成模塊，這個過程叫做模塊封裝，是在模塊封裝廠完成的。有的COS開發(fā)商有自己的模塊封裝廠，有的COS開發(fā)商要委托選定的模塊封裝廠進行模塊封裝。根據(jù)ISO7816標準，用于卡片產(chǎn)品的模塊有8個觸點。制卡是智能卡生產(chǎn)的又一個步驟，是按客戶的要求印制塑料基片，即卡基，然后把模塊鑲嵌到卡基上，制成智能卡，制卡是在卡廠完成的。之后還要進行卡片初始化，卡片初始化是設置卡片的基本參數(shù)及安裝卡片傳輸密鑰，這是根據(jù)客戶的需要進行的。
智能卡供應商的直接客戶是發(fā)卡機構、運營商或業(yè)主、系統(tǒng)集成商，他們集成自己的應用系統(tǒng)，形成一定規(guī)模的智能卡應用環(huán)境，向智能卡供應商定購智能卡，把智能卡做個人化處理，然后發(fā)放到持卡人手里，投入使用，智能卡的最終用戶是持卡人。
那么，誰來開發(fā)COS呢？
COS的研發(fā)是復雜的工程，非專業(yè)廠家無需自行開發(fā)COS，即使是大的智能卡用戶、系統(tǒng)集成商、芯片供應商，也是一樣。
原因在于：
COS屬于系統(tǒng)軟件，從開發(fā)到投放市場，需要長期的測試、修改完善過程，還得通過權威機構的認證；在我國，推出智能卡產(chǎn)品首先需要應用行業(yè)的測試認可，比如中石化的加油卡、銀行的金融卡等都有專門的行業(yè)標準，而且還需要國家密碼管理委員會辦公室的安全認證，被認可為定點生產(chǎn)或定點銷售的單位，才可進行智能卡的生產(chǎn)或銷售。
COS的體系結構和智能卡的安全性直接相關，在具有穩(wěn)定的開發(fā)團隊和多年的經(jīng)驗積累條件下，才能夠開發(fā)出合格的COS，其中包括各種攻擊和反攻擊的經(jīng)驗積累以及抵抗攻擊的措施。
正式的智能卡產(chǎn)品必須是硬掩膜的，每種容量、每個版本都需要做掩膜，費用不菲。智能卡芯片技術的不斷發(fā)展要求COS也要不斷升級，不是專業(yè)開發(fā)商則難以跟蹤潮流。
智能卡行業(yè)是典型的規(guī)模型高科技產(chǎn)業(yè)，每年沒有數(shù)千萬張以上的銷量，開發(fā)COS得不償失。世界著名的半導體廠商一般都不推廣自己的COS，而是依靠COS開發(fā)商將其智能卡芯片推向市場。
因此目前，國內只有介入智能卡行業(yè)較早的專業(yè)開發(fā)商因為經(jīng)驗積累豐富，產(chǎn)品成熟穩(wěn)定，市場份額較大，才能在技術上達到國際先進水平，與國外的COS相抗衡。
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