PBOC2．0新型金融IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

摘要：為解決傳統(tǒng)讀卡器功能單一、不能獨(dú)立完成金融交易的問(wèn)題，選擇超低功耗而且價(jià)格低廉的單片機(jī)完成硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)；并在芯片內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)金融交易，開(kāi)發(fā)出一套功能豐富、成本低、使用便利的金融IC卡讀卡器產(chǎn)品。超低功耗讀卡器采用USB接口通信，在讀卡器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)金融交易能很好地提升金融交易的安全性，同時(shí)提高了金融應(yīng)用開(kāi)發(fā)的工作效率和硬件資源的利用率。
關(guān)鍵詞：PBOC2．0規(guī)范；金融IC卡；金融交易；MSP430F5510；模塊化設(shè)計(jì)

引言
    PBOC2．0規(guī)范是國(guó)內(nèi)金融IC卡產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性規(guī)范，內(nèi)容豐富，可以滿(mǎn)足我國(guó)銀行卡應(yīng)對(duì)國(guó)際IC卡遷移的需要。它既滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)銀行卡高安全和多應(yīng)用的實(shí)際需求，也為跨行業(yè)合作提供了良好的基礎(chǔ)架構(gòu)。銀行磁條卡存儲(chǔ)空間小、無(wú)運(yùn)算能力，而金融IC卡具備多應(yīng)用加載的平臺(tái)，可豐富銀行卡產(chǎn)品系列，成為商業(yè)銀行業(yè)務(wù)創(chuàng)新的重要技術(shù)手段。
    在PBOC2．0規(guī)范指導(dǎo)下的金融IC卡的發(fā)展為金融IC卡讀卡器的發(fā)展了帶來(lái)了機(jī)遇，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用方便、效率高和有著高可移植性的新型金融IC卡讀卡器必將促進(jìn)國(guó)家金融IC的應(yīng)用發(fā)展。

1 硬件設(shè)計(jì)
    在讀卡器MCU的選擇上，為減少讀卡器的功耗，并降低器件上的成本，選擇TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F5510。其提供的豐富外設(shè)I／O接口使讀卡器實(shí)現(xiàn)各種功能，并自帶全速USB2．0(12 Mbps)特性，也方便了USB接口開(kāi)發(fā)及HID通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。MSP430F5510引腳圖如圖1所示。

    MCU選擇RGZ48PIN的封裝形式，使得讀卡器設(shè)計(jì)小巧，48引腳能為開(kāi)發(fā)提供足夠的I／O口。高頻率晶振XT2IN引腳外接4 MHz晶振，能為IC卡提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源。
1．1 MCU與IC卡座接口設(shè)計(jì)
    MCU與IC卡卡座的接口電路如圖2所示。IC卡座的V_IC與電源模塊的輸入引腳相連，IC_CLK與MCU的高頻晶振(XT2IN)相連，為IC卡工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源。IC卡數(shù)據(jù)的輸入／輸出通過(guò)IC_IO與MCU的I／O口進(jìn)行連接，MCU通過(guò)I／O口控制與IC卡的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)IC_DET檢測(cè)IC卡的插入和拔出，通過(guò)Reset引腳對(duì)IC卡進(jìn)行復(fù)位。
1．2 MCU與USB接口設(shè)計(jì)
    USB接口與MCU的接口電路如圖3所示。
    USB接口的電源通過(guò)二極管D1接到MCU的電源供電部分，為MCU的正常工作提供電源。USB的Data+、Data-引腳分別接MCU的DP、DM引腳，MCU上的PUR引腳與DP引腳間接一個(gè)1．4 kΩ上拉電阻，完成MCU的兩個(gè)引腳DP和DM差分信號(hào)的輸入。

2 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
    讀卡器內(nèi)部軟件主要由3部分組成，分別為ISO7816協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、USB接口協(xié)議HID的實(shí)現(xiàn)、金融交易在讀卡器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)。ISO7816協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要參考ISO7816規(guī)范，詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程這里不再詳細(xì)敘述。由于MSP430F5510自帶全速USB2．0(12Mbps)，可參照HID協(xié)議完成底層固件HID協(xié)議的開(kāi)發(fā)。下面詳細(xì)敘述金融交易在讀卡器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)。
    為使得軟件開(kāi)發(fā)具有條理性，考慮將金融交易部劃分為以下4個(gè)模塊：指令功能模塊、安全認(rèn)證模塊、協(xié)助功能模塊、獨(dú)立交易功能模塊。各模塊之間可以相互輔助，實(shí)現(xiàn)金融交易的功能。
2．1 指令功能模塊
    這個(gè)模塊也可以稱(chēng)為基礎(chǔ)功能模塊，設(shè)計(jì)此模塊能解決從PBOC2．0規(guī)范中抽象出各金融IC卡指令的問(wèn)題。在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PBOC2．0規(guī)范中所述的交易指令：選擇、讀記錄、取數(shù)據(jù)對(duì)象、應(yīng)用初始化、應(yīng)用鎖定、應(yīng)用解鎖、外部認(rèn)證、生成應(yīng)用密文、內(nèi)部認(rèn)證、PIN修改／解鎖、設(shè)置數(shù)據(jù)、修改記錄、驗(yàn)證。
    這些指令的實(shí)現(xiàn)能方便具體交易的調(diào)用，使得其他模塊不再具體考慮指令調(diào)用的細(xì)節(jié)。
2．2 安全認(rèn)證模塊
    此模塊的設(shè)計(jì)可解決交易過(guò)程中涉及到的安全認(rèn)證，單片機(jī)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)RSA算法、3DES算法、哈希算法SHA-1。針對(duì)完成PBOC2．0規(guī)范中的脫機(jī)數(shù)據(jù)認(rèn)證，軟實(shí)現(xiàn)各種安全認(rèn)證算法能很好地節(jié)省硬件成本，使得開(kāi)發(fā)具有相對(duì)的獨(dú)立性。
2．3 協(xié)助功能模塊
    協(xié)助功能模塊可作為工具模塊，為其他模塊提供服務(wù)。在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡指令返回的數(shù)據(jù)的解析、PDOL(處理選項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象列表)、DDOL(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)認(rèn)證數(shù)據(jù)對(duì)象列表)、CDOL(卡片風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)據(jù)對(duì)象列表)等數(shù)據(jù)對(duì)象的組包。
    IC卡指令返回的數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)有格式的長(zhǎng)字符串，這個(gè)字符串?dāng)?shù)據(jù)都有相應(yīng)的模板格式，但不同的指令返回的數(shù)據(jù)模板不同。而且模板中包含的TLV(Tag、Length、Value)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也各不相同，模板中還可能再包含模板。對(duì)于模板中有單一TLV數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不帶模塊結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)先解析Tag，接著解析長(zhǎng)度，再解析數(shù)據(jù)內(nèi)容的方式，取得某個(gè)Tag對(duì)應(yīng)的Value值。即便是一個(gè)字符串由多個(gè)TLV結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對(duì)象組成，這種方法也可以完成對(duì)TLV結(jié)構(gòu)的解析以及對(duì)單個(gè)Tag對(duì)應(yīng)值的確定。
    但是對(duì)于有多個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行解析時(shí)，就需要先解析模板，確定該TLV的數(shù)據(jù)對(duì)象在哪個(gè)模板中，然后從長(zhǎng)數(shù)據(jù)串中截取出這個(gè)模板對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后再在這個(gè)模板中進(jìn)行TLV數(shù)據(jù)的解析。
    具體在設(shè)計(jì)中，采用如上所述的分析方法實(shí)現(xiàn)兩種不同的TLV解析功能，一種可以直接解析只有TLV結(jié)構(gòu)字符串的函數(shù)；另外一種則可以針對(duì)有多個(gè)模板的字符串進(jìn)行解析。
2．4 獨(dú)立交易功能模塊
    在上面三個(gè)功能模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)金融交易，這里主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下金融交易：讀取IC 卡信息、讀取IC交易日志、寫(xiě)卡腳本、生成ARQC(授權(quán)應(yīng)用密文)、ECC(電子現(xiàn)金)交易。下面詳述各交易的實(shí)現(xiàn)。
2．4．1 讀取IC卡信息
    讀取IC卡信息，可借助指令功能模塊中的選擇指令選擇IC卡應(yīng)用個(gè)人化環(huán)境(PSE)，然后利用協(xié)助功能模塊的解析函數(shù)，解析出卡片中的應(yīng)用標(biāo)識(shí)符AID，再通過(guò)選擇指令選擇AID，解析出PDOL(處理選項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象列表)。PDOL實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模板，表明了處理選項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象中應(yīng)當(dāng)包含哪些數(shù)據(jù)對(duì)象。解析出 PDOL，利用上述協(xié)助功能模塊中的組PDOL對(duì)象功能函數(shù)便可以形成處理選項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象。在應(yīng)用初始化指令中將這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象發(fā)送給卡片，卡片接收到后，會(huì)根據(jù)處理選項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)象作出交易的判斷，在返回的數(shù)據(jù)中帶回來(lái)交易中需要讀取的交易記錄，然后根據(jù)卡片返回到AFL(應(yīng)用文件定位器)。遍歷讀取相應(yīng)的記錄、解析相應(yīng)的記錄，就可以找到需要的IC卡個(gè)人信息。
    以上方法不是唯一讀取IC卡的方法，對(duì)于常用持卡人信息的讀取，也可以選擇讀取IC卡前兩幾條記錄，從中分析得到IC卡持卡人的個(gè)人信息。這種方法讀取速度快，但是對(duì)于持卡人信息不在前幾條記錄中的卡片，則會(huì)發(fā)牛讀取不到信息的錯(cuò)誤。為避免此種錯(cuò)誤的發(fā)生，設(shè)計(jì)中采用如上遍歷讀取記錄的方法。
2．4．2 讀取IC卡交易日志
    金融IC卡對(duì)于圈存、ECC交易，在卡片中會(huì)有相應(yīng)的日志記錄。IC卡交易日志以文件的形式保存在IC中，最多能保存十條交易日志，而且第一條是最近的交易日志。在交易過(guò)程中通過(guò)讀IC卡日志能判斷出最近幾筆交易的詳細(xì)情況，交易日志的讀取通過(guò)指令模塊中的Select指令選取PSE，然后解析出 AID。選擇AID后，解析出日志入口標(biāo)簽的值，從而找到日志對(duì)應(yīng)的SFL(短文件標(biāo)識(shí)符)以及交易日志中的記錄個(gè)數(shù)。逐條讀取SFL下的記錄，就可以得到完整的交易日志。然后再使用Get Data指令讀取日志格式標(biāo)簽的值，便可以對(duì)照日志格式解析交易日志，得出每筆交易的詳細(xì)信息。
    以上為最全面的IC日志讀取方法，在實(shí)現(xiàn)中為節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間，一般在選擇AID后直接讀取SFL為0x0B，在該文件下從第1條記錄讀取到第10條記錄。這種方法也能將交易日志完整的讀取出來(lái)，而且還節(jié)省了時(shí)間。讀卡器在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)中采用了這種方法。
2．4．3 寫(xiě)卡腳本
    卡片腳本是發(fā)卡行對(duì)卡片進(jìn)行認(rèn)證過(guò)后，認(rèn)為此卡片為合法卡片后，返回的可以修改IC卡記錄內(nèi)容的命令。寫(xiě)卡腳本命令執(zhí)行之前首先需要對(duì)發(fā)卡行返回的密文數(shù)據(jù)進(jìn)行外部認(rèn)證，實(shí)質(zhì)上是卡片在驗(yàn)證發(fā)卡行的真?zhèn)?。發(fā)卡行驗(yàn)證通過(guò)，便可以通過(guò)產(chǎn)生密文指令向卡片發(fā)送表示允許進(jìn)行交易，卡片收到后會(huì)產(chǎn)生允許交易的密文，產(chǎn)生TC(交易證書(shū))。TC需要保存，結(jié)算的時(shí)候或者聯(lián)機(jī)中在腳本執(zhí)行結(jié)果中返回給服務(wù)器，TL值的產(chǎn)生，說(shuō)明了卡片承認(rèn)了這筆交易，服務(wù)器清算的時(shí)候驗(yàn)證TC證書(shū)。如果TC證書(shū)驗(yàn)證通過(guò)，后臺(tái)服務(wù)就會(huì)把這筆消費(fèi)人賬。由于產(chǎn)生密文的指令可以產(chǎn)生3種應(yīng)用密文形式，分別為：TC、ARQC(授權(quán)請(qǐng)求密文)、AAC(應(yīng)用認(rèn)證密文)，在產(chǎn)生密文的指令中需要指明為產(chǎn)生TC的指令，而且需要組建CDOL2(卡片風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)據(jù)對(duì)象列表2)的數(shù)據(jù)。CDOL2的結(jié)構(gòu)同PDOL結(jié)構(gòu)，會(huì)指定卡片風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)據(jù)對(duì)象需要哪些數(shù)據(jù)元，CDOL2在讀記錄中讀取，利用協(xié)助功能模板組建CDOL2對(duì)象數(shù)據(jù)?？ㄆ邮债a(chǎn)生應(yīng)用密文指令后，如果返回正確，則可以順利執(zhí)行寫(xiě)卡指令，寫(xiě)卡指令執(zhí)行正確后，整個(gè)交易結(jié)束。此時(shí)如果交易正常，在IC卡的交易日志中應(yīng)能查到最近的這次交易。
2．4．4 生成ARQC
    ARQC(授權(quán)應(yīng)用密文)在交易中有長(zhǎng)片產(chǎn)生的一種密文，這個(gè)密文送到后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器會(huì)通過(guò)驗(yàn)證這個(gè)應(yīng)用密文的正確與否來(lái)確定IC卡的真?zhèn)?。ARQC通過(guò)發(fā)送產(chǎn)生應(yīng)用密文來(lái)得到，在產(chǎn)生應(yīng)用密文的指令中，密文類(lèi)型要選擇為ARQC，通過(guò)讀記錄、解析記錄、組建CDOL1(風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)據(jù)對(duì)象列表1)得到風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)據(jù)對(duì)象1?？ㄆ邮罩噶詈?，會(huì)返回所需的ARQC。應(yīng)用密文指令發(fā)送之前需要去完成選擇PSE、選擇AID、應(yīng)用初始化和讀記錄的工作。
2．4．5 ECC交易
     ECC(電子現(xiàn)金)交易是接觸式IC卡的一種脫機(jī)消費(fèi)方式。由于交易是在脫機(jī)的情況下進(jìn)行的，所以交易中不涉及聯(lián)機(jī)的認(rèn)證過(guò)程。在選擇PSE、選擇AID后的GPO(應(yīng)用初始化)指令中，利用PDOL指明支持電子現(xiàn)金，然后再讀取需要的IC卡記錄，得到相關(guān)的認(rèn)證數(shù)據(jù)，包括IC卡公鑰證書(shū)、發(fā)卡行公鑰證書(shū)、認(rèn)證中心公鑰索引、發(fā)卡行公鑰余項(xiàng)、IC卡公鑰余項(xiàng)、IC卡公鑰指數(shù)、發(fā)卡行公鑰指數(shù)。記錄讀取完畢后，需要先進(jìn)行DDA(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)認(rèn)證)認(rèn)證，通過(guò)后再發(fā)送產(chǎn)生應(yīng)用密文(產(chǎn)生TC)的指令，指令執(zhí)行正確后再發(fā)送外部認(rèn)證指令。指令執(zhí)行正確，交易則開(kāi)始對(duì)相關(guān)交易數(shù)據(jù)的保存以及終端風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行處理。以上任何一條指令執(zhí)行中如果發(fā)生錯(cuò)誤，交易即終止。

結(jié)語(yǔ)
    本文在超低功耗單片機(jī)MSP430F5510的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款功能豐富的IC卡讀卡器。利用MSF430F5510自帶的全速USB硬件資源實(shí)現(xiàn)了HID協(xié)議，使得讀卡器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)驅(qū)動(dòng)的使用，方便了讀卡器的使用。金融交易在芯片內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)，也可以使得這款讀卡器能作為其他產(chǎn)品的一個(gè)模塊，因?yàn)槠鋬?nèi)部實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的RSA算法、3DES算法、哈希算法SHA-1，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了牛成ARQC、寫(xiě)卡、讀取IC卡信息、讀交易口志、ECC交易。這些交融交易在讀卡器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)，能減少外部應(yīng)用對(duì)金融交易的重復(fù)開(kāi)發(fā)，節(jié)省資源，同時(shí)也大大提高了工作效率。此款讀卡器往實(shí)際的應(yīng)用中有很好的使用效果。