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引言 智能IC卡可以应用到极为广阔的领域，用智能卡来代替目前仍在通用的磁条卡是当前的趋势。尽管智能IC卡本身的成本相对比较高，但是其本身具有极强的安全保密功能，因而可以使用智能IC卡实现分布式处理模式的银行交易通存通兑。这样，使得许多原来必须采用联机实时处理的业务可以改为脱机批处理，而且系统的安全性和可靠性得到了充分的保证。当前，我国正在大力开展的“金卡工程”吸引了越来越多的国人的注意力和兴趣，也引起了社会各界对智能IC卡极大重视和青睐。
第一章 绪论
1.1智能IC卡的起源与概念
人们很久以前就开始使用各种卡片。起初卡片是作为个人身份识别的手段而引入的。卡片作为交易凭证起源于19世纪80年代，英国的一家大型商店发给客户一种卡式凭证，用于在商店购物，每周结算一次。美国的一些商店和饮食业为了招揽生意，创造了一种类似金属徽章的“信用筹码”，后来演变成塑料卡片作为客户购货消费的凭证。1951年，美国富兰克林银行作为金融机构发行了集商品流通和银行资金结算于一体的金融交易信用卡。本世纪50年代中期，出现了冲压成型的凸字塑料卡，这是一种金融交易卡(FTC)，使用该卡可以将卡上的凸字信息即卡片的发行人和客户帐号印到消费单据上。本世纪60年代中期，人们在FTC卡背面贴上磁条，制作成为能够自动读取信息可进行在线处理的磁卡。 1972年，法国人Roland Moreno首次提出了智能IC卡的概念，即将可进行编程设置的IC(Integrated Circuit)芯片集成于卡片中。此后，法国BULL公司率先对智能IC卡进行研究开发与应用。1976年，BULL公司高级研究人员Ugon领导的研究小组研制出世界上第一张由双晶片(微处理器和存储器)组成的CPU卡，接着又于1978年研制出了单晶片存储IC卡。除了法国的BULL公司，Motorola、 Schlumberger、Phillips等数十家公司相继投入了对智能IC卡的研究开发与生产，并使之逐步成为一个世界范围内的新兴技术产业。智能卡的名称来源于英文名词“Smart card”，又称集成电路卡(Integrated Circuitcard)，即IC卡。它一出现，就以其超小的体积、先进的集成电路芯片技术以及特殊的保密措施和无法被破译及仿造的特点受到普遍欢迎。它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。智能IC卡是把包含有存储、加密及数据处理能力于一体的集成电路芯片镶嵌在塑料基片中的卡片。具体地说：它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，按一定的尺寸封装成卡片的形式，其尺寸为：长85.6±0.12mm、宽53.98±0.06 mm、厚0.76±0.008mm(ISO7816标准)。智能IC卡具有暂时性或永久性的数据存储能力，其内容根据需要可以有条件的供外部读写或供内部信息处理判定之用。这种既具有智能性又便于携带的卡片，为现代信息的处理和交换提供了一种全新的手段。1987年，国际标准化组织ISO为智能IC卡制定了国际标准(ISO/IEC 1,2,3,4,5,6)。这些标准的制定，为智能IC卡在世界范围内的推广和应用莫定了基础。智能卡的外形图如图1－1所示。
图1－1 智能卡的外形图
1.2智能IC卡的分类及应用
智能IC卡根据卡中所镶嵌的集成电路功能的不同可以分成以下两类：存储IC卡和CPU卡。存储IC卡可分为存储器卡和逻辑加密卡；CPU卡可分为普通型CPU卡和超级CPU卡。 1．存储器卡 存储器卡是一种不带CPU的智能IC卡，卡内的集成EPROM。该卡不能进行数据处理，不具有智能化的功能，其安全性极差。但是存储器卡的存储容量可以做得很大，因此该卡可用于没有智能化和安全性要求的产品中。 2．逻辑加密卡 逻辑加密卡是一种不带有CPU的智能IC卡，卡内的集成电路为逻辑加密电路和EEPROM。由于逻辑加密电路的存在，所以逻辑加密卡能够进行简单的数据处理，同时能够提供较高的安全保证。 3．普通型CPU卡 普通型CPU智能卡是带有微处理器(CPU)的存储卡，卡内封装有一个或多个集成电路芯片。该卡具有暂时或永久存储数据的能力，其内容可供外部读取或内部处理、判决之用，同时芯片还具有高度的判决、运算和数据处理功能。 4．超级CPU卡 超级CPU卡是在普通型CPU卡中增添数据显示功能(液晶显示器)和信息输入功能(键盘)以及电源的多功能CPU卡。实际上，它构成了一个卡式单片机。 综上所述，内装CPU的智能卡是一种主动型的智能卡，而存储卡是被动型的存储卡。主动型智能卡由于能够将加密算法置入卡内，因而具有很高的安全性。严格地讲，只有逻辑加密卡和CPU卡才是真正意义上的智能IC卡。智能IC卡上可以印有彩色相片、图案及相应的说明性文字等信息；有的对安全性要求高的智能IC卡，其表面印有个人签名，激光全息图像以及类似纸币上的图文等安全标识信息；智能IC卡的左上角封装有智能IC卡芯片，其上覆盖有6或8个触点和外部设备 进行通讯。
1.3智能IC卡安全性
1.3.1智能卡安全特性及实施方法
智能IC卡是存储重要信息的载体，其所具有的安全技术必须足以保证信息的安全。一般讲，其信息安全至少应具有以下五个方面的特性： 1．机密性(Confidentiality)：防止未经授权的信息获取，如未经授权应无法理解信息本身的真正涵义等； 2．完整性(Integrity)：防止未经授权的信息更改，如未经授权，应无法对信息进行任何形式的更改。一般用于防止对信息的主动恶意的篡改； 3．可获取性(Accessibility)：防止未经授权的信息截流； 4．真实性(Authenticity)：能通过一系列的技术手段验证信息的真实性； 5．持久性(Durability)：长时间信息保存的可靠性，准确性等。 智能IC卡的安全性应从以下三个方面逐步全面实施： 1．智能IC卡用芯片制造和芯片运输的安全技术； 2．智能IC卡硬件的安全技术； 3．智能IC卡软件的安全技术。
1.3.2智能卡常见加密算法
智能卡加密算法主要有DES(Data Encryption Standard)和RSA，以及最近使用的椭圆曲线加密算法ECC(Elliptic Curve Cryptography)。通过使用专门的硬件加密运算器改进智能卡硬件的方法可以显著提高加密的速度和效率。单纯智能卡的安全性似乎还不够，于是将智能卡用户的生物特征和智能卡结合起来增加安全性成为了一种发展方向，其中指纹智能卡就是这样一种智能卡，并已经应用于PKI(公钥基础设施)中。国内外很多科学家正在研究智能卡的加密的硬件实现，并且做了很多有意义的试验工作。DPA保护的ASIC结构智能卡中包括一个集成硬件DES计算器，在20MHz为时钟周期下，可以在17个时钟周期即5.3us完成DES运算，3重DES运算需要49个时钟周期。清华大学的学者设计出了一种1024位的RSA加密协处理器，该协处理器是基于修改的Montgomery模运算算法。与其他方法相比，该结构的运算器在芯片大小和速度上都十分适合智能卡。本论文的主要工作是研究并设计了一种智能卡的加密的硬件实现，在机密性、完整性、真实性等方面做了较为深入的研究。
1.4本文研究的目的和意义
近年来，随着我国“金卡工程”的大力开展，智能IC卡这一新型信息技术的结晶正在迅速地进入社会生活和人们消费活动的各个方面。由于智能IC卡在各种应用中所承担的特殊性工作，使得智能IC卡多功能性以及安全性研究无疑有着十分重要的意义。 当前在世界范围内，智能IC卡的安全性研究刚刚起步，系统全面的以智能IC卡安全性为对象的专题研究比较少。智能IC卡的开发，为人类更加方便快捷的生活提供了可能，在金融、医疗、通信、交通等领域发挥着越来越重要的作用。而智能IC卡安全性研究对于智能IC卡芯片的开发、智能IC卡应用系统的发展都有着十分重要的意义。
第二章 智能IC卡系统硬件设计
2.1概述
目前经常接触到的IC卡有两种：接触式的和非接触式的IC卡。接触式的IC卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。目前在社会上常见的是接触式IC卡。它具有存储量大（以兆为单位），保密功能强（有多重密码设置和认证功能），可实现一卡多用。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的口槽才能完成数据交换。这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上IC卡的触脚暴露在外,容易损坏和搞脏而造成接触不良。 非接触式IC卡是根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用中非常方便、快捷，不易损坏。因此，在公交、校园、企事业等人事管理、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare和ATMEL公司的Temic卡。下面以PHILIPS公司的Mifare卡为主、介绍城市公交自动售票IC卡读写器的实现方法。
2.2 工作原理
非接触式IC 卡读写器以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了1片Mifare卡专用的读写处理芯片。它是一个小型的最大操作距离达20～30mm的Mifare读/写设备的核心器件，其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制。内部结构分为射频区和接口区：射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的收/发器、16字节的数据缓冲器、存放64对传输密钥的ROM、存放3套密钥的只写存储器以及进行三次证实和数据加密的密码机、防碰撞处理的防碰撞模块和控制单元。这是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读写器读写Mifare卡的关键接口芯片。读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波（13.6MHz），当有卡靠近时，卡片内有一个LG串联谐振电路，其频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到2V时，此电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的数据与保存。
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