基本介紹
介紹,CPU卡的安全功能,系統結構和功能,相關算法,3.1 3DES算法,3.2 分散算法,3.3 原始密鑰的生成算法,
介紹
雖然傳遞密鑰比較安全的做法是採用非對稱加密體制，用己方私鑰和對方公鑰進行雙重簽名加密，對方用其私鑰和已公鑰進行解密處理。採用這種方法來傳遞密鑰比較麻煩，實現起來非常困難，不僅要求通信雙方要有已方的公鑰和私鑰，而且還要獲得對方的公鑰。公鑰和私鑰的產生比較複雜和困難，而且通常還需要作為公證的第三方介入。目前絕大多數的通信雙方都沒有這些條件，並且它們之間的通信絕大多數是一次性的。考慮到上述原因，往往不採用非對稱加密體制，而仍然採用實現方法和途徑都相對簡單和容易得到的對稱加密體制。
採用對稱加密體制時，加密密鑰和解密密鑰是相同的或相關聯的，因此對其存儲和傳遞的安全性要求非常高。如前所述，採用傳統方式進行加密處理時，其效果等同於軟體加密效果，在安全性方面不如硬體直接加密的效果；由此可以看出，如果我們既用硬體設備進行加密處理，又用專門的硬體設備來存儲和傳遞密鑰，這樣就可以極大地提高密鑰系統的安全性。目前能滿足這兩種要求，而且得到業界廣泛認可的器件只有CPU智慧卡。CPU卡具有硬體加密結構，可以作為加密器件使用；而且其特殊的軟體體系-COS（Chip Operation System）又為數據存儲和操作提供了較高的安全性，可用於小批量數據的存儲。
CPU卡的安全功能
CPU卡作為智慧卡家族中最新的成員，由於具有較高的安全性和套用方便性，得到越來越廣泛的套用，CPU卡的安全性不僅體現在其硬體結構上，而且其軟體系統COS也保證了套用的安全性，同時還提高了套用的方便性和靈活性。
CPU卡的加解密功能由內嵌的硬體加密協處理器來完成，具有很高的安全性。目前，CPU卡一般採用DES加密算法。DES算法是一種疊代分組密碼算法，它加密時把明文以64比特為單位分成塊，然後用密鑰把每一塊的明文轉化為64比特密文。使用的密鑰長度為64位，其中有效長度為56位（有8位用於奇偶校驗）。為了進一步提高安全性，CPU卡通常採用三重DES算法加密，採用的密碼長度為128位。
在套用時，CPU卡的安全性是由其COS的安全體系來保證的，它涉及到卡中信息的訪問控制機制和保密機制。智慧卡之所以能夠迅速地發展並且流行起來，其中的一個重要的原因就在於它能夠通過COS的安全體系給用戶一個較高的安全保證和套用方便性。COS安全體系在概念上包括三部分：安全狀態、安全屬性和安全機制[1]。智慧卡在安全狀態滿足安全屬性的要求，通過執行操作指令，在安全機制的作用下，從當前的安全狀態轉移到下一個安全狀態。
系統結構和功能
CPU卡密鑰管理系統的主要功能是提供各種密鑰的生成機制和加密算法，並將生成的密鑰存儲在具有密鑰導出功能的CPU智慧卡，即SAM（Security Access Module）卡中。密鑰的發行採用梯級生成、下發方式，即由上級生成下一級所需的各種子密鑰，並以卡片的形式，採用線路加密的方式傳遞給下一級，極大地提高了系統的安全性和套用的方便性。根據功能，系統分為：根密鑰系統、主密鑰系統、初始化密鑰系統和SAM卡密鑰系統。系統結構具有一定的伸縮性，可以根據實際需要進行裁減，減少或增加分級層次，通常不超過三級傳遞關係（圖中所示即為三級），以免系統過於複雜。在我們投入實際使用的系統中，根據用戶要求和系統規模，取消了初始化密鑰系統這一級而只採用了二級傳遞關鍵，使系統結構更加緊湊，實現起來更加簡單容易。
根密鑰系統的主要功能是生成系統最初的原始母密鑰，即根密鑰，它由系統安全管理員輸入的系統安全字（由安全管理員自由決定）來生成；主密鑰系統則用分散因子對根密鑰進行分散加密，得到了主密鑰；而初始化密鑰系統則對主密鑰再進行分散加密，得到工作密鑰系統所使用的工作密鑰；SAM卡密鑰系統則直接由根密鑰導出SAM卡密鑰，將其直接用於工作密鑰系統，以控制和配合工作密鑰的使用。
系統將生成的各種密鑰存儲在相應的CPU智慧卡中。根據鑰卡和主密鑰卡採用具有密鑰導出功能的SAM母卡；而SAM卡密鑰則採用不具有導出功能的SAM卡來儲存。SAM瞳是種加強了密鑰安全功能的CPU卡，它支持密鑰多級分散功能，比普通CPU卡具有更高的安全性。工作密鑰則直接存放於實際工作系統所使用的普通CPU卡中。
系統在生成相應的密鑰時，同時生成相應的認證密鑰，將其存儲在相應的認證卡，以控制和配合密鑰卡的使用。如圖2所示，密鑰卡必須通過其證卡的相互認證（外部認）證後才能正常使用；而密鑰認證卡使用的合法性由個人身份識別號PIN保護，只有正確核心對PIN後才可以使用。
而空白卡片的合法性，則是由產生商認證卡來驗證的。生產商認證卡通常是生產廠商製作的，其中存放著生產商傳輸代碼，它也是由PIN保護的，正確核心對PIN後才可以使用。由此可以看出，系統中每一張卡的使用都必須過相應的認證，成功驗證其合法性後，才能投入正常使用，極大地保證系統的安全性。
相關算法
在本系統，加密算法主要採用非常成熟的、強度比較高的DES算法。為了進一步提高系統安全強度，在實際系統中，採用的是以DES算法為基礎的3DES算法。關算法簡介如下。
3.1 3DES算法
3DES算法用兩個密鑰（KL和KR）對明文（X）進行3次DES加密/解密[2]。
3DES的加密方式：Y=DES(KL,DES-1(KR,DES(KL,X)))
對應的解密方式為：X=DES-1(KL,DES(KR,DES-1(KL,Y)))
其中DES（K，X）表示用密鑰K對數據X進行DES加密，DES-1（K，Y）表示用密鑰K對數據Y進行解密（以下同）。
3.2 分散算法
為了支持分級加密傳遞功能，CPU卡還採用了密鑰分散算法，它是指將一個雙長度（16位元組）的密鑰MK，對分散數據進行處理，推
導出一個雙長度的密鑰DK（DKLDKR）。其算法如下[3]：
推導DK左半部分DKL的方法是：
·將分散數據的最右16個數字作為輸入數據；
·將MK作為加密密鑰；
·用MK對輸入數據進行3DEA運算。
推導DK右半部分DKR的方法：
·將分散數據的最右16個數字求反，作為輸入數據；
·將MK作為加密密鑰；
·用MK對輸入數據進行3DEA運算。
3.3 原始密鑰的生成算法
第一步，輸入種子A和種子B：由兩個獨立的人各輸入一個16位數（或少於16位），分別作為SeedA和SeedB；
第二步，計算種子C：SeedC=SeedA◎SeedB；
第三步，密鑰種子的初始化：
·KEYINIT=常量
·Seed=DES-1（DES（DES-1（KEYINIT，SeedC）,SeedB），SeedA）
·設K3=Seed
第四步，密鑰種子的生成：
·K0=DES-1（DES（DES-1（K3,SeedC），SeedB），SeedA）K3
·K1=DES-1(DES(DES-1(K0,SeedC)，SeedB），SeedA)
·K2=DES-1(DES(DES-1(K1,SeedC)，SeedB），SeedA）
·K3=DES-1(DES(DES-1(K2,SeedC),SeedB),SeedA)
第五卡，密鑰種子的檢驗：
·K4=K0+K2不是弱DES密鑰；
·K5=K1+K3不是北DES密鑰；
·K4不等於K5；
第六卡，主密鑰生成：
·A=K0K1
·B=K2K3
·MK=A+B，MK即為生成的原始密鑰
重複執行從第四步以第六步，直到所有的原始密鑰全部生成。
本系統採用了成熟、安全性高的加密算法和完美的體系結構，其安全性是由CPU的安全性和DES算法的完全強度來保證的。經過國內某單位兩年多的實際運行，證明本系統較好地貫徹了“秘密在於密鑰”的思想，具有較高的完全性和先進性，主要表現為如下幾個特點：
（1）採用完全性高的CPU卡作為密鑰的產生、存儲和傳遞介質，保證了密鑰數據的安全性；CPU卡獨特的安全體系保證了其中的數據不會被非法操作；
（2）利用硬體加密技術，對整個過程中所使用的臨時變數進行加密處理，並對傳遞過程進行線路加密，保證了在生成和傳遞過程的安全性；
（3）分級傳遞結構，使系統具有一定的擴展性，既支持獨立系統，也可用於分散式系統；
（4）系統具有自癒合功能，對關鍵數據進行備份，保證了系統具有一定的抗毀能力；
（5）系統結構簡單、實現方便、性價比較高。
