基于可信計算的Java智能卡的設計與實現(xiàn)

摘要：本文針對Java智能卡的安全問題,提出了一種新的解決方案——將可信計算技術引入到Java智能卡的設計與實現(xiàn)中,以可信計算在安全認證方面的優(yōu)勢來解決智能卡的安全問題。文章首先從硬件方面對該方案的可行性進行了分析,然后從類庫、虛擬機和運行時環(huán)境三個方面介紹了如何實現(xiàn)Java智能卡,最后并著重介紹了可信機制的構建。

1 引言

Java 智能卡是一種能運行Java 語言程序的智能卡，它在資源有限的智能卡環(huán)境中支持Java 語言的一個子集，是Java 嵌入到智能卡中的一種新的應用[1]。由于Java 智能卡具有一卡多應用的特性，而且Java 程序“一次編寫，到處運行”，使得近幾年來Java 智能卡市場蓬勃發(fā)展起來。Java 智能卡產(chǎn)品已經(jīng)在全世界得到了廣泛的應用，包括無線通信、醫(yī)療/健康保險、金融銀行、政府機構、身份認證、電子商務、系統(tǒng)安全等領域。

Java 智能卡可以同時運行幾個不同的程序，而且無論發(fā)卡前，還是發(fā)卡后，都卡允許用戶自由的下載，安裝和刪除程序。這就需要卡片具有很高的安全行。而現(xiàn)在的Java 智能卡一般通過簡單的防火墻和接口共享機制來保障其安全性，這無疑存在著安全隱患。該方案將把可信計算技術引入到Java 智能卡的設計與實現(xiàn)中，以可信計算在安全認證方面的優(yōu)勢來解決智能卡的安全問題。

2 硬件平臺的選擇

本文經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：可信計算和 Java 智能卡技術對硬件的需求基本相同。兩者都需要易失存儲器，非易失存儲器，對稱/非對稱密碼處理器，隨機數(shù)處理器，雜湊運算單元，執(zhí)行單元和隨機數(shù)產(chǎn)生器。當然，兩中技術對硬件的要求有細微的差異：例如可信密碼模塊需要監(jiān)測電源，而智能卡不需要；可信模塊的RSA 引擎需要達到2048 位強度，而智能卡并沒有明確的規(guī)定；可信模塊的I/O 是總線形式的，而智能卡需要射頻、USB 或者其它形式的通訊模塊。

由以上分析可以看出，智能卡和可信模塊對硬件的需求雖然有所異同，但并不矛盾，這些差異是兩者對安全性的不同要求造成的。為了將可信計算技術引入到智能卡的設計與實現(xiàn)中，可以挑選一款規(guī)格合適的智能卡芯片作為硬件平臺。經(jīng)過對比，該方案中，最終選擇了中興集成電路設計有限公司的芯片Z32H256D32SU。該芯片是中興在國產(chǎn)32 位RISC 處理器的多功能安全處理平臺基礎上開發(fā)出的，具備高處理能力、高安全性、低功耗、低成本等特點。它具有8KBSRAM 存儲器、256KB Flash 存儲器、32KB EEPROM 存儲器，支持DES/3DES、RSA、ECC、SHA-1、HMAC 等算法，并帶有隨機數(shù)產(chǎn)生器和電源監(jiān)測等模塊（具體的參數(shù)可以參見其手冊）。該芯片完全可以同時滿足智能卡和可信計算的硬件需求，用于構建可信Java 智能卡。

3 可信Java 智能卡的設計與實現(xiàn)

3.1 可信Java 智能卡的架構

可信 Java 智能卡(Trusted Java Card，縮寫為TJC)是在Java 智能卡中引入了可信的理念，用可信技術來增強其安全性。其結構框架如圖1 所示。

最底層是各種硬件資源，它上面硬件驅(qū)動層，這一層是底層硬件調(diào)用接口的集合，它可以把上層和具體的硬件細節(jié)分離，方便以后的硬件的升級，而且可以更方便的實現(xiàn)Java 的平臺無關性。

安全管理組件是一組執(zhí)行各種操作的組件的集合，例如包的下載，包的度量，Applet的安裝和刪除，密鑰的存儲和讀取，事務的記錄和回滾等，這些功能組件通過運行時環(huán)境的調(diào)用來執(zhí)行。其它各模塊的設計下文分別予以說明。

圖 1 可信Java 智能卡的架構

3.1.1 可信Java 智能卡虛擬機

可信 Java 智能卡虛擬機是用于支持字節(jié)碼運行的虛擬計算機，它的核心功能是解釋虛指令，使程序按著正常的流程執(zhí)行。虛擬機有13 類185 條指令需要實現(xiàn)，該方案在實現(xiàn)虛擬指令調(diào)用時，設計了一個用于定位指定指令的虛擬指令跳轉(zhuǎn)表，采用函數(shù)指針的方式實現(xiàn)虛擬指令跳轉(zhuǎn)，其定義如下所示：

BYTE (*bytecodeJumperFun[185])();

執(zhí)行一條指令的基本步驟如圖2 所示：

1. 首先讀取 PC 指針處的值，得到與該值相對應的方法區(qū)中的指令。

2. 判斷其是否需要解析，如果需要，則先解析該指令，得到所訪問對象的物理地址后，再對其解釋執(zhí)行；如果為簡單指令，則無需解析直接執(zhí)行即可。

3. 在本指令執(zhí)行結束后，虛擬機將PC 指針指向當前指令緩沖區(qū)中的下一條指令，如果該指令存在，則重復執(zhí)行步驟一、二；否則在所有指令執(zhí)行完畢的情況下，退出虛擬機，程序運行結束。

圖 2 解析虛擬指令的基本流程

3.1.2 可信Java 智能卡類庫

可信 Java 智能卡類庫既實現(xiàn)了一般的Java 智能卡應用程序接口，又實現(xiàn)了可信密碼模塊的用戶接口。為了提高執(zhí)行速度，耗費時間比較多的操作用C 語言實現(xiàn)。在 CAP 文件中，每個方法的頭信息如下所示：

當flags 值為1 時，TJCVM 去調(diào)用與該方法對應的C 方法；值為0 時，TJCVM 將定位到該方法的函數(shù)體，對字節(jié)碼進行解釋。類庫的設計采用了基于 token 的動態(tài)鏈接過程。所謂“基于token 的動態(tài)鏈接過程”是指為提高Java 智能卡應用程序的獨立性，在解釋執(zhí)行指令時，虛擬機首先將需要訪問的對象（例如類、方法等）轉(zhuǎn)化為與訪問對象對應的符號（token），然后再將token 轉(zhuǎn)化為存儲被訪問對象的物理地址這一過程。動態(tài)聯(lián)接減小了修改其他類時對本程序代碼的影響。在Java 智能卡應用程序Applet 運行時，如果引用了外包中的方法，解釋器將獲得引用的外包的索引，以類和方法token 值作為索引標記，通過CAP 文件中各組件中具體的包信息、類信息和方法信息，可以準確地完成從token 值跳轉(zhuǎn)到被引用方法的具體實現(xiàn)。

3.1.3 可信Java 智能卡運行環(huán)境

可信 Java 智能卡運行環(huán)境扮演著決策者和調(diào)度者的角色，它根據(jù)Java 智能卡的具體狀態(tài)決定在什么時候調(diào)用哪個功能模塊，并且為各模塊提供合適的運行環(huán)境。下載到卡內(nèi)的 Applet，由Java 智能卡運行環(huán)境控制運行，其運行狀態(tài)有以下幾種：

已安裝狀態(tài)

此狀態(tài)為應用程序安裝并在卡上注冊后的狀態(tài)。

被選擇狀態(tài)

應用程序只有被選擇后，才能被激活，進入命令處理狀態(tài)，與讀寫器間進行交互。

命令處理狀態(tài)

在此狀態(tài)下，Java 智能卡與讀寫器進行通信，執(zhí)行應用程序中定義的process 方法。通過在應用程序中重載此方法，即可完成不同的智能卡應用功能。

取消選擇狀態(tài)

此狀態(tài)為應用程序的非激活狀態(tài)，直到該應用程序被重新選擇為止。各狀態(tài)之間通過執(zhí)行不同的指令相互切換，運行環(huán)境都會根據(jù)Applet 所處的具體狀態(tài)，來判斷哪些功能模塊應該執(zhí)行，哪些模塊不能執(zhí)行，哪些由系統(tǒng)自動運行，哪些由用戶調(diào)用，以及各模塊之間的執(zhí)行順序。

3.2 可信機制的構建

可信計算的核心理念就是信任鏈的傳遞。TJC 中信任鏈的傳遞如圖3 所示：

圖 3 信任鏈傳遞示意圖

信任鏈建立的前提條件是確定信任原點：三個可信根——可信度量根，可信報告根，可信存儲根。本方案中將BootLoader 作為可信度量根，并在Z32H256D32SU 芯片的EEPROM中開辟兩片獨立的空間分別作為可信存儲根和可信報告根。

BootLoader 在加電后最先被執(zhí)行，它負責驗證硬件平臺和運行時環(huán)境的完整性，初始化一些硬件寄存器，并加載運行時環(huán)境。運行時環(huán)境的標準值被固化在BootLoader 內(nèi)，當系統(tǒng)啟動的時候，BootLoader 首先對運行時環(huán)境進行度量，然后將度量值與標準值比較，如果相同則將控制權移交給運行時環(huán)境；如果不同，則禁止啟動。

運行時環(huán)境被加載后將一直占有 CPU 的控制權，它負責度量類庫，解釋器和各種管理組件，并負責調(diào)度各種可信服務，如身份認證和密鑰管理等。當Applet 下載后，首先要被運行時環(huán)境度量，只有在通過度量的情況下，才被執(zhí)行。

由 BootLoader 到運行時環(huán)境，再到Applet，就建立起了一條可信鏈，這條信任鏈中的每個環(huán)境都是自主開發(fā)的，這樣就能保證卡內(nèi)環(huán)境的可信。

4 結論

本文探索性的將可信計算和 Java 智能卡技術相結合，設計并實現(xiàn)了一款可信Java 智能卡，在很大程度上提高了卡片的安全性，同時為解決Java 智能卡的安全問題指出了一個新的方向。

作者的創(chuàng)新觀點：探索性的將可信計算和 Java 智能卡技術想結合，用可信計算的在安全認證方面的優(yōu)勢來提高智能卡的安全性，為解決Java 智能卡的安全問題，指出了一個新的方向。

[1].RISC datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RISC+_1189725.html.
[2].PC datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.