CSP在基于智能卡的移動(dòng)終端中的開發(fā)與應(yīng)用

文章出處：http://56733.cn 作者：聶曼，譚成翔，汪海航   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月07日

    1 引言

    由于移動(dòng)公網(wǎng)的廣泛發(fā)展和手機(jī)PDA 的大力普及，移動(dòng)終端作為固網(wǎng)上業(yè)務(wù)服務(wù)器的訪問接入終端也變得越來越常見。然而，移動(dòng)終端通過基于GPRS／CDMA的移動(dòng)公網(wǎng)接入業(yè)務(wù)服務(wù)器的過程存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。在沒有執(zhí)行任何安全保護(hù)措施的情況下，移動(dòng)終端就與業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，很容易導(dǎo)致雙方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被別有用心的人截取或者篡改，如果這些數(shù)據(jù)涉及到商業(yè)敏感信息，這將對(duì)雙方的利益帶來巨大的損失。并且，移動(dòng)終端雖然體積小巧，方便攜帶，也容易丟失和被盜，再加上設(shè)備的非授權(quán)使用，授權(quán)用戶的不合理或者惡意的行為，這些全都會(huì)帶來安全威脅。因而，尋找給移動(dòng)終端和業(yè)務(wù)服務(wù)器的訪問過程增加安全性的解決方案是人們追求的目標(biāo)。IPSec VPN技術(shù)是目前普遍使用的方法，先在公共網(wǎng)絡(luò)上建立一個(gè)私有隧道，然后才在這個(gè)隧道上進(jìn)行雙方的數(shù)據(jù)傳輸。這樣，安全性確實(shí)會(huì)得到一定的提高，但是如果沒有智能卡的幫助，安全性還是會(huì)大打折扣。因此，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于智能卡的移動(dòng)IPSec VPN安全接入終端系統(tǒng)，本文重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)中CSP的開發(fā)。

    2 相關(guān)背景

    2.1智能卡與PC／SC規(guī)范

    智能卡是一張內(nèi)含嵌入式集成電路芯片的信用卡般大小的塑料卡，具有儲(chǔ)存信息量大，數(shù)據(jù)保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，儲(chǔ)存可靠，讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單，使用靈活，操作速度快，脫機(jī)工作能力強(qiáng)，易于攜帶等特點(diǎn)。本系統(tǒng)所使用的智能卡是一張?zhí)刂频膬?nèi)含有交換密鑰對(duì)，簽名密鑰對(duì)和證書用以提供加解密、認(rèn)證等服務(wù)的電子卡。

    PC／SC規(guī)范是一套為集成電路卡(ICC)與個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互的規(guī)范，能夠讓智能卡方便地訪問WindoW平臺(tái)。其主要優(yōu)點(diǎn)就是讓應(yīng)用程序不必為了與智能卡通信而去了解智能卡讀卡器的細(xì)節(jié)，應(yīng)用程序通過PC／SC規(guī)范和智能卡讀卡器通信，后者再通過ISO7816與智能卡進(jìn)行通信來獲取智能卡提供的服務(wù)，其傳輸?shù)陌Y(jié)構(gòu)是TPDU。

    1．2 Crypto API體系結(jié)構(gòu)與CSP

    Crypto API是微軟提供的一套公共接口，包含了一系列的函數(shù)，為應(yīng)用程序提供加解密、數(shù)字簽名、哈希等安全服務(wù)，而應(yīng)用程序不必關(guān)心其具體實(shí)現(xiàn)。不同的供應(yīng)商可以開發(fā)獨(dú)立的加密模塊，這些模塊成為加密服務(wù)提供者(Cryptographic Service Provider CSP)，完成密鑰生成／交換、加解密、數(shù)字簽名、認(rèn)證等服務(wù)的真正模塊。微軟默認(rèn)的CSP是RSA Based Provider，使用RSA公司的加密算法。一個(gè)系統(tǒng)中可以加載多個(gè)CSP模塊，它們相互獨(dú)立。應(yīng)用程序可以使用任意一個(gè)CSP模塊，而不必關(guān)心它的具體實(shí)現(xiàn)，每個(gè)CSP都對(duì)Crypto API進(jìn)行不同的實(shí)現(xiàn)。

    Crypto API的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

   從圖1可以看出，它分為應(yīng)用層：系統(tǒng)層和加密服務(wù)提供層。處于應(yīng)用層的應(yīng)用程序通過Crypto API來調(diào)用CSP模塊提供的各種服務(wù)。

    3 軟硬件結(jié)合的CSP開發(fā)

    本文介紹的移動(dòng)安全接入終端系統(tǒng)在WINCE下開發(fā)，使用WIND0w MOBILE 5．0 SDK。系統(tǒng)分兩層，彼此間相互獨(dú)立，上層進(jìn)行撥號(hào)，下層給上層提供CSP支撐，上下兩層通過系統(tǒng)來整合。CSP可以基于軟件實(shí)現(xiàn)，也可以基于硬件實(shí)現(xiàn)，還可以基于軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)?；谲浖?shí)現(xiàn)的C SP，其使用的密鑰對(duì)及算法與操作系統(tǒng)有關(guān)，安全性不高；而基于硬件實(shí)現(xiàn)的CSP雖然安全性較高，但是費(fèi)用昂貴；而基于軟硬件實(shí)現(xiàn)的CSP， 由于將密鑰技術(shù)對(duì)生成和加解密操作與操作系統(tǒng)分離，所以其密鑰的管理和加解密比基于軟件的CSP安全提高了很多，而與安全性方面沒有多少關(guān)系的部分使用軟件實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用比基于硬件實(shí)現(xiàn)的CSP降低了許多，可以說是一種比較折中的選擇。本系統(tǒng)使用的CSP采用軟硬件結(jié)合的方案， 目標(biāo)是提供一個(gè)基于SDIO智能卡的CSP。哈希、解密等功能是不需要硬件實(shí)現(xiàn)的， 因此這些部分可以用軟件實(shí)現(xiàn)。而WINCE系統(tǒng)中包含了這部分的軟實(shí)現(xiàn)，所以在設(shè)計(jì)中可以利用現(xiàn)有資源，只在需要硬實(shí)現(xiàn)的部分才對(duì)卡進(jìn)行操作，這樣既提高了性能又不影響安全性。

    在對(duì)卡的調(diào)用中， 命令和響應(yīng)報(bào)文要符合IS07816-4標(biāo)準(zhǔn)，因此需要一個(gè)將數(shù)據(jù)根據(jù)智能卡指令組裝成智能卡可識(shí)別的APDU的程序，由此程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

    根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理的分析，可得圖2所示的CSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 

    將CSP的實(shí)現(xiàn)分為3個(gè)模塊：CSP主程序模塊、CSP圖形界面模塊、CSP智能卡訪問模塊 

    (1)CSP主程序模塊

    主程序模塊是CSP的核心模塊，實(shí)現(xiàn)CSP中的業(yè)務(wù)邏輯并以Crypto SPI標(biāo)準(zhǔn)接口形式提供。主程序模塊通過調(diào)用圖形界面模塊的相應(yīng)圖形界面實(shí)現(xiàn)與用戶的交互(在CRYPT—SLIENT標(biāo)志未設(shè)置時(shí))。主程序模塊對(duì)智能卡的訪問及數(shù)據(jù)傳送都是通過智能卡訪問模塊來實(shí)現(xiàn)的。

    (2)CSP圖形界面模塊

    圖形界面模塊負(fù)責(zé)CSP與用戶的交互實(shí)現(xiàn)。主要有卡片初始化時(shí)的PIN碼設(shè)置界面和程序運(yùn)行中提示用戶輸入PIN碼以驗(yàn)證其合法性的界面。
 
    (3)CSP智能卡訪問模塊

    智能卡訪問模塊是CSP使用智能卡上服務(wù)的實(shí)現(xiàn)模塊。它負(fù)責(zé)與智能卡建立連接，數(shù)據(jù)傳輸，釋放連接等。它接收主程序模塊的智能卡訪問請(qǐng)求，并根據(jù)請(qǐng)求組織相應(yīng)的APDU發(fā)送到智能卡，以及從卡上獲取返回的結(jié)果，最終將結(jié)果數(shù)據(jù)提交給主程序模塊。

    將CSP劃分成3個(gè)模塊，可以降低程序各個(gè)模塊之間的耦合度，實(shí)現(xiàn)起來比較靈活。如果需要更改程序界面就不需要去改變CSP主程序模塊。同樣，當(dāng)使用另外一種智能卡時(shí)，只需要替換相應(yīng)的智能卡實(shí)現(xiàn)模塊，而不需要去改變主程序模塊和程序界面，這樣就可以很方便地將第三方的智能卡實(shí)現(xiàn)模塊加載進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)對(duì)多智能卡的支持。

    CSP主程序模塊以DLL形式提供，是實(shí)現(xiàn)CSP的關(guān)鍵，其中的各個(gè)類都有具體的功能職責(zé)，并且通過組合和關(guān)聯(lián)關(guān)系形成一定的層次關(guān)系。此外在CSP中，還有其他的輔助函數(shù)定義，如塊加密時(shí)的編碼與解碼函數(shù)等。其類設(shè)計(jì)如下：

    (1)CContext

    CContext類對(duì)應(yīng)了一個(gè)用戶上下文對(duì)象，在邏輯上相當(dāng)于密鑰庫(kù)。它通過組合關(guān)系包括了CSP中的其他類對(duì)象，并通過這些類對(duì)象來進(jìn)行相應(yīng)的操作。C C ontext作為用戶上下文對(duì)象，是提供Crypto SPI中23個(gè)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的對(duì)象。

    (2)C Container

    CContainer類對(duì)應(yīng)了一個(gè)密鑰容器，一個(gè)用戶上下文往往包含多個(gè)密鑰容器。C Container對(duì)象中會(huì)緩存其包括的證書信息，這里緩存交換密鑰對(duì)證書和簽名密鑰對(duì)證書兩個(gè)證書。

    (3)CCard

    CCard類代表了擴(kuò)展卡類型。在這個(gè)類中封裝了所有對(duì)卡的安全操作，包括驗(yàn)證、加解密、存儲(chǔ)管理等。一個(gè)CCard對(duì)象會(huì)緩存對(duì)應(yīng)擴(kuò)展卡上的所有密鑰容器對(duì)象，這樣要訪問密鑰容器的相關(guān)信息就會(huì)變得方便、快捷。

    (4)CRSAProvider

    CRSAProvider類是用于調(diào)用系統(tǒng)提供的CSP的。它負(fù)責(zé)獲取系統(tǒng)提供CSP的句柄，利用此句柄調(diào)用相關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)以及釋放得到的句柄。

    (5)CPPManager

    CPPManager類也是一個(gè)輔助控制類，它的定義只是為了使得程序更加清晰。它的功能是根據(jù)CPGetProvParam中參數(shù)的不同值取得CSP的相關(guān)信息。

    (6)CHandleTable

    CHandleTable類是一個(gè)輔助存儲(chǔ)類，它用于存儲(chǔ)CSP中密鑰容器等對(duì)象的句柄。它采用Hash表結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)對(duì)象句柄，并且提供了相應(yīng)的增加、刪除、讀取等功能。CSP編寫測(cè)試完成后，必須要讓微軟對(duì)其CSPDLL進(jìn)行簽名，這樣該C SP才能裝進(jìn)操作系統(tǒng)內(nèi)。這步比較簡(jiǎn)單， 只需要將其DLL與一個(gè)資源描述文件作為附件發(fā)往cspsign@microsoft．com就可以了，簽名周期一般為3天。完成簽名后，CSP就可以安裝到系統(tǒng)中工作了。在Windows Mobile 5．0系統(tǒng)中，需在注冊(cè)表中注冊(cè)該CSP，CSP安裝完成，以后可以通過Crypto API接口調(diào)用CSP提供的安全服務(wù)了。

    4 結(jié)束語

    本文不僅對(duì)微軟加密體系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，而且結(jié)合移動(dòng)安全終端系統(tǒng)，對(duì)智能卡上的CSP的開發(fā)進(jìn)行了充分的介紹和分析。CSP通過標(biāo)準(zhǔn)的Crypto SPI接口嵌入到微軟加密體系中，使用戶可以通過Crypto API接口來使用智能卡上所提供的高安全性的加密服務(wù)，來滿足日益增加的網(wǎng)絡(luò)安全需求。

    作者單位：同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院