1 前言
隨著芯片技術(shù)的發(fā)展以及運營商之間的業(yè)務(wù)擴展，手機智能卡將會突破個人身份識別的單應(yīng)用平臺向多應(yīng)用平臺方向發(fā)展，特別是移動支付平臺。如今芯片生產(chǎn)商已經(jīng)開發(fā)出了支持2.4 GHz頻率的RF-SIM 卡，它是接觸式智能卡與非接觸式智能卡的結(jié)合，在設(shè)計上，接觸式界面遵守ISO7816 接口標準，非接觸式界面采用2.4G ISM頻段進行通信。在硬件實現(xiàn)上，RF-SIM 卡有三芯片、雙芯片和單芯片三種硬件實現(xiàn)架構(gòu)方式[1] （如圖1）。在安全方面，數(shù)據(jù)采用自動TDES 加密技術(shù)進行空中傳輸，防止竊聽數(shù)據(jù)，在刷卡時采用雙向認證的安全機制，所以它是可靠的連接和安全的通信。另外，在不用更換手機的前提下，RF-SIM卡能夠完成更多手機終端無法完成的功能，所以基于RF-SIM卡的多行業(yè)多應(yīng)用服務(wù)平臺具有廣闊的前景。在這個平臺體系里，COS（Chip Operating System）是非常重要的，它既要管理底層硬件高效地工作，又要保證上層應(yīng)用安全地運行。所以本文的目的就是設(shè)計一種基于RF-SIM卡的多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)。
2 COS結(jié)構(gòu)模型的選擇
雖然智能卡芯片的硬件資源有限，但是COS結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求卻并不低，它需要綜合考慮功能、性能、可移植性、可擴展性、靈活性和復(fù)雜度等諸多因素的要求：（1）功能上不但要求SIM 卡端能夠?qū)崿F(xiàn)電信方面的應(yīng)用，而且還要求非接觸式界面端能夠?qū)崿F(xiàn)無線方面的應(yīng)用，如公交IC 刷卡。（2）性能要求是指能在有效的時間內(nèi)利用有限的存儲空間完成系統(tǒng)要求的功能。（3）可移植性要求COS能夠方便地移植到其他環(huán)境中運行。（4）可擴展性是指多應(yīng)用平臺能夠方便地擴展上層業(yè)務(wù)功能，方便地增加、修改和刪除上層應(yīng)用的功能模塊。最后從實現(xiàn)環(huán)節(jié)上還需要考慮系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性要求。如今常見的COS結(jié)構(gòu)模型有簡單結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和外核結(jié)構(gòu)4種，其特性分析詳見表1。
顯然微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的綜合特性較優(yōu)，但時間性能和移植性卻是一般，所以，在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進行改良設(shè)計（如圖2）：在微內(nèi)核層增設(shè)虛擬硬件層增強系統(tǒng)的可移植性和簡化比較耗時的進程機制與中斷處理機制提高系統(tǒng)時間性能。
3 多應(yīng)用COS設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 多應(yīng)用文件系統(tǒng)的設(shè)計
多應(yīng)用平臺的設(shè)計本質(zhì)上就是設(shè)計多應(yīng)用文件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上安全運行多個應(yīng)用。所以文件系統(tǒng)是COS 的核心，它不僅負責(zé)存儲、管理和維護卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)而且為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的透明訪問機制。具體設(shè)計方案如下。
3.1.1 多樣性存儲設(shè)計
SIM 卡的文件結(jié)構(gòu)遵守GSM11.11 規(guī)范，是以MF為根，DF為枝葉和EF為葉的樹形結(jié)構(gòu)（如圖3）[2]，而RF端的文件結(jié)構(gòu)卻可能沒有統(tǒng)一的規(guī)范，它可能是某行業(yè)通用結(jié)構(gòu)也可能是運營商的私有結(jié)構(gòu)。因此，文件格式具有多樣性，為方便管理和解決文件系統(tǒng)間格式混亂問題，把存儲空間分成基本文件區(qū)、應(yīng)用文件區(qū)（如GSM文件區(qū)和Mifare 文件區(qū)）和未分配存儲區(qū)三部分。其中不僅每部分區(qū)域連續(xù)分配，而且每個應(yīng)用文件系統(tǒng)也是連續(xù)分配存儲空間（如圖4）。基本文件區(qū)存儲各文件系統(tǒng)的公共信息和注冊信息，如空間分配情況表、GSM文件和Mifare 文件注冊表、全局安全信息等。GSM文件結(jié)構(gòu)區(qū)以隱式鏈接方式存儲結(jié)構(gòu)，用目錄項表示MF、DF、EF之間的邏輯結(jié)構(gòu)，分配連續(xù)區(qū)域存放目錄項；統(tǒng)一把DF、EF放在實體文件區(qū)。Mifare 文件實際上就是一種結(jié)構(gòu)化的記錄塊文件，結(jié)構(gòu)規(guī)范、管理較簡單、存儲較方便，所以可以把該區(qū)域按記錄形式存儲操作。未分配存儲區(qū)的容量是該芯片的大小減去應(yīng)用文件區(qū)的大小，所以它是應(yīng)用文件區(qū)的空間補集。它的作用主要有兩方面：（1）為新應(yīng)用分配存儲空間：在卡片運營過程中，如果需要安裝新的應(yīng)用軟件AppS1，那么從該區(qū)域劃分等于或微大于AppS1 的存儲空間安裝它并且注冊在應(yīng)用文件區(qū)中，剩下的空間成為新的未存儲分配區(qū)。（2）作為掉電保護的備份區(qū)之一。
3.1.2 文件API接口設(shè)計
為多個文件系統(tǒng)設(shè)置統(tǒng)一的文件API接口，使上層應(yīng)用能夠共享一套接口函數(shù)和存儲管理機制。對此具體設(shè)置了5 個API 訪問接口函數(shù)：FS_SeleteFile（選擇文件），F(xiàn)S_CreateFile（創(chuàng)建文件），F(xiàn)S_DeleteFile（刪除文件），F(xiàn)S_ReadFile（讀文件），F(xiàn)S_WriteFile（寫文件）。
3.1.3 文件安全性設(shè)計
智能卡的安全性就是對卡片內(nèi)數(shù)據(jù)對象訪問的安全控制能力，卡片安全體系的總體結(jié)構(gòu)分為安全屬性、安全狀態(tài)和安全機制[3]。對于文件對象而言，首先設(shè)置多個級別的安全屬性增強安全級別的靈活性和多樣性設(shè)置，然后采取先鑒權(quán)后操作的訪問機制，也就是說只有在鑒權(quán)通過時才能夠執(zhí)行后繼操作，若不通過，則拒絕訪問，例如選擇文件，創(chuàng)建文件都必須通過要SCB（Secure Control Byte）字節(jié)的鑒權(quán)操作，如GSM11標準里的PIN碼、PUK碼和CDM碼的共同構(gòu)成SCB。
3.1.4 環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計
一般來說，智能卡的應(yīng)用環(huán)境是比較惡劣的，特別是供電不穩(wěn)定和存儲介質(zhì)壽命約束問題。所以為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長卡片壽命設(shè)計了掉電保護和均衡磨損機制[4]。掉電保護是指在寫數(shù)據(jù)塊時，先把更新區(qū)數(shù)據(jù)備份到其他區(qū)域，防止在寫數(shù)據(jù)過程中系統(tǒng)掉電而破壞原數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)，可以從備份區(qū)把數(shù)據(jù)重新寫回。具體算法如圖5 所示（例如數(shù)據(jù)B要寫到數(shù)據(jù)A區(qū)域）。
由上述算法可知，每完成一次掉電保護操作至少要寫一次備份區(qū)C，因此從整體來說備份區(qū)C的讀寫是頻繁的，但是對存儲介質(zhì)的讀寫次數(shù)有嚴格限制（如flash 的擦寫次數(shù)為100 000~1 000 000 次），所以備份區(qū)C不能靜態(tài)分配，需要動態(tài)選擇。更本質(zhì)上說，由于對存儲塊的讀寫訪問不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)了“冷”“熱”數(shù)據(jù)塊，因此有必要協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，也就是盡量使數(shù)據(jù)塊擦寫趨于均衡，即均衡磨損機制。綜合考慮芯片的硬件環(huán)境及算法實現(xiàn)的難易程度，本系統(tǒng)采用“冷熱置換”策略：首先把當前應(yīng)用的數(shù)據(jù)塊擦除次數(shù)表（Data-block Erase Table，DET）調(diào)入RAM，對數(shù)據(jù)塊的擦除都要更新DET，當某塊S 的擦除次數(shù)大于某一閾值時（如256 次），選擇一擦除次數(shù)最少的數(shù)據(jù)塊置換。當DET表所有記錄的擦除項為“滿”（所有都為256 次）或者DET總更新次數(shù)大于或等于某臨界值時（如1 000 次），DET 記錄的擦除次數(shù)項全部清零，并且把DET 從RAM 中保存至flash 存儲器。顯然，這種“冷熱置換”方式能夠很好地保證應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)塊的均衡磨損，但是在掉電保護算法中，因為備份區(qū)C不需要置換，只是覆蓋即可，所以對于備份區(qū)C的選擇采用“循環(huán)寫空閑塊”的方式：從未分配區(qū)域和系統(tǒng)文件區(qū)（如GSM文件區(qū)）中通過循環(huán)查找的方式選擇空閑塊充當備份區(qū)。
3.2 多應(yīng)用安全機制的設(shè)計
具體的單應(yīng)用系統(tǒng)平臺中，一般都設(shè)計了規(guī)范的或者行業(yè)間私有的安全機制，所以本部分重點討論多文件系統(tǒng)環(huán)境下的安全問題。
3.2.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容安全管理：對文件中的數(shù)據(jù)進行加密來保證內(nèi)容的安全，因為即使數(shù)據(jù)被非法讀取，竊取的也只是密文，破解難度大。
3.2.2 非法越界管理：多應(yīng)用文件系統(tǒng)的最大威脅就是非法越界訪問其他文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，所以必須設(shè)計防止多應(yīng)用文件間非法越界訪問的安全機制[5]：因為各文件系統(tǒng)的存儲空間是連續(xù)分配的，物理地址的范圍可表述為Addr[上界，下界]，所以可以通過Addr 中的上界和下界進行匹配隔離方式防止越界訪問，這樣就如同在文件系統(tǒng)的上界和下界處設(shè)置了一道堅固的隔離墻。
3.2.3 交互行為安全：某些事務(wù)邏輯中，需要在一次原子性操作過程中訪問兩個或以上的文件系統(tǒng)，如用手機銀行為公交IC 卡充值。在交互過程中，設(shè)置日志管理機制來保證事務(wù)邏輯的原子性。為保證多個應(yīng)用系統(tǒng)間交互操作的行為安全，建立信任機制，采用雙向鑒權(quán)方式來增強行為安全的可信度，同時使用數(shù)字簽名認證方式來界定安全責(zé)任，因為這種方式具有不可抵賴性。
3.3 雙通道通信設(shè)計
RF-SIM卡具有接觸和非接觸兩個界面，因此它存在SCD（接觸式7816 接口）和SCR（非接觸式RF接口）兩個邏輯傳輸通道。兩個通道既能夠獨立地進行數(shù)據(jù)傳輸又需要相互協(xié)調(diào)工作，當然也跟智能卡芯片內(nèi)核密切聯(lián)系，它們之間的調(diào)用關(guān)系如圖6 所示。
為方便移植和其他模塊對SCD 與SCR 通道進行透明調(diào)用，分別設(shè)置如下通道命令處理接口[6]：Scd_RecvByte（7816 接口接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)），Scd_SendByte（7816 接口發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)），Scd_Mode（SCD 通道收發(fā)模式轉(zhuǎn)換），Scd_Close（SCD通道關(guān)閉），Scd_Reset（SCD通道重設(shè)），Set_Timer（SCD通道發(fā)送60 函數(shù)）Scr_Send（RF 發(fā)數(shù)據(jù)），Scr_Recv（RF 收數(shù)據(jù)），Scr_Data（RF數(shù)據(jù)緩存），Scr_param（RF的參數(shù)），Scr_Star（啟動射頻功能）。
4 實驗測試
經(jīng)過對各功能模塊進行認真研究、仔細分析和逐步細化的過程，最后設(shè)計出基于RF-SIM卡的多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)圖（圖7）。隨后在此COS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計實驗方案：硬件平臺是以AT90SC320288RCT 安全芯片為基礎(chǔ)的RF-SIM芯片卡，編譯工具使用的是IAR EWAVR4.3A 開發(fā)平臺，應(yīng)用層設(shè)計了GSM 應(yīng)用和RF 應(yīng)用。GSM 應(yīng)用是以電信EVDO 卡為例設(shè)計，RF 應(yīng)用則以公交IC卡為例，在EVDO卡部分，文件模塊、安全模塊、命令模塊和通信模塊遵守GSM11.11 系列規(guī)范和ISO 7816 規(guī)范。RF 應(yīng)用方面，射頻通信符合ISO/IEC 14443系列標準，文件系統(tǒng)采用MAFIRE I 格式結(jié)構(gòu)。同時設(shè)計了STK菜單，支撐GSM應(yīng)用和公交IC 卡的數(shù)據(jù)交互。最后經(jīng)過編碼、內(nèi)部測試、仿真、卡片下載流程之后，基本實現(xiàn)了電信EVDO卡和公交IC 卡的功能與性能等方面的要求，從而驗證了本設(shè)計方案的可行性。但是本方案只是在結(jié)構(gòu)上預(yù)留了其他應(yīng)用接口，而對應(yīng)用的動態(tài)更新還有待研究。
5 總結(jié)
在多應(yīng)用環(huán)境下，重點對文件系統(tǒng)、安全機制和雙通道通信管理進行了研究與設(shè)計，最后基于RF-SIM卡設(shè)計了一種多應(yīng)用COS結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)了一個簡單原型，具有較高的穩(wěn)定性和安全性，對其他研究人員設(shè)計多應(yīng)用COS有一定的借簽價值。