淺談基于CPU卡的流量計功能要求及設計方案

隨著(zhù)城市燃氣用戶(hù)的快速發(fā)展及應用，CPU卡流量計因功能強大、安全性能強的優(yōu)點(diǎn)在城市燃氣應用中越來(lái)越廣泛，它取代了傳統的上門(mén)抄表工作，為燃氣公司節省了大量的人力、物力。根據CPU卡以及城市燃氣的特點(diǎn)，設計了用于城市燃氣的CPU卡文件結構以及密鑰管理體系，實(shí)現了CPU卡流量計的計量及預付費功能。

0 引言

IC卡是一種半導體卡，其采用微電子技術(shù)進(jìn)行信息的存儲、處理。自1970 年誕生第一張IC卡以來(lái)， IC卡經(jīng)歷了一般存儲卡、加密存儲卡、CPU卡和超級智能卡4 個(gè)時(shí)代。IC卡是多學(xué)科技術(shù)綜合發(fā)展的結果，它的應用已成為一個(gè)國家科技發(fā)展水平的標志之一[1]。

IC卡在城市燃氣流量計量上的應用越來(lái)越廣泛。在CPU卡流量計之前，大量使用的是邏輯加密卡。由于邏輯加密卡的技術(shù)所限，產(chǎn)品供應商的密鑰不能向應用方( 燃氣公司) 公開(kāi)，因此應用方無(wú)法掌握核心安全，系統安全取決于產(chǎn)品供應商，并且不同型號的邏輯加密卡互不兼容，導致不同廠(chǎng)商的芯片數據存儲方案也不兼容，應用方在使用多家卡表時(shí)會(huì )帶來(lái)多種密鑰和密鑰算法管理上的復雜化[2 - 3]。

CPU卡又稱(chēng)智能卡，卡片內自帶CPU，程序容量和數據容量大，且帶加、解密算法協(xié)處理器，運算速度快[4]。采用CPU卡，并且制定一種統一的技術(shù)規范，燃氣公司能完全掌握CPU卡流量計的技術(shù)核心及密鑰算法，保證燃氣準確計量、實(shí)現先購氣再用氣、防止用戶(hù)偷氣。由此可見(jiàn)，CPU卡工業(yè)流量計成功應用的關(guān)鍵是設計完善的CPU卡密鑰系統[5]。

1 CPU卡流量計的功能要求

目前，新型的CPU卡流量計是集計量基表、電子表頭和控制閥于一體的流量計。此前，CPU卡流量計通常是集成商將流量計和IC卡控制閥通過(guò)電氣連接而成，流量計在計量一定的量( 通常為1 m3 ) 時(shí)輸出一個(gè)脈沖給IC卡控制閥， IC卡控制閥進(jìn)行扣減，當扣減超過(guò)允許透支量時(shí)，控制閥關(guān)閉。對于這種方式，電氣連接的可靠性是關(guān)鍵，經(jīng)常出現的情況是扣減不同步，流量計運行的量與IC卡控制閥扣減的量不盡相同，造成計量糾紛。

所以，從CPU卡流量計功能上講，一體化流量計是發(fā)展的趨勢。燃氣貿易中，用戶(hù)通過(guò)CPU卡購氣后充值到流量計中，燃氣公司通過(guò)CPU卡達到管理用戶(hù)用氣的目的，CPU卡起著(zhù)聯(lián)系用戶(hù)和燃氣公司的關(guān)鍵作用。另外，當上游氣價(jià)浮動(dòng)時(shí)，燃氣公司能及時(shí)通過(guò)CPU卡或其他方式調整氣價(jià)。

綜上所述，CPU卡應至少保存如下信息: 用戶(hù)信息、燃氣公司標志、購氣量和購氣次數，以及為安全需要而設計的密鑰組、不同功能卡的卡標志。為避免異常操作造成卡內數據丟失，還可以在卡文件中記錄主要操作過(guò)程，異常操作后再次插卡能恢復繼續進(jìn)行正常的操作。

2 密鑰體系總體設計

本密鑰體系設計采用三級分散四級密鑰方式，從根密鑰逐級分散，到最終的應用卡片密鑰，如圖1 所示。

圖1 密鑰體系圖

2. 1 密鑰的管理

由圖1 可見(jiàn)，在密鑰體系中，各應用卡處在體系的最底層，其密鑰是根據上一級母卡和分散因子進(jìn)行密鑰分散得到的。因此，必須加強對母卡的管理。為防止各級母卡在應用中不可預料的物理性損壞，必須對各級母卡進(jìn)行備份并根據單位需要設置管理權限。

2. 2 密鑰分散

在進(jìn)行密碼運算時(shí)，可根據密鑰長(cháng)度選擇數據加密標準( data encryption standard，DES) ，或3DES 算法。一般而言，密鑰長(cháng)度為8 B 用DES，16 B 用3DES 算法。這兩種算法的邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 運算邏輯框圖

2. 3 DES 算法

DES 算法為一種對稱(chēng)密碼體制，它是IBM 公司于1975 年研究成功并公開(kāi)發(fā)表的，開(kāi)創(chuàng )了公開(kāi)全部算法的先例。DES 算法的基本技巧是把每一位明文的影響盡可能迅速地作用到較多位輸出密文中去; 同時(shí)把每一位密鑰的影響盡可能擴散到較多位輸出密文中，以隱蔽明文的統計特性。

DES 主要采用替換和移位的方法，用56 位密鑰( 密鑰為64 位，其中8 位是奇偶校驗位，所以實(shí)際上密鑰為56 位) 對64 位二進(jìn)制數據塊進(jìn)行加密。每次加密可對64 位的輸入數據進(jìn)行16 輪編碼，經(jīng)一系列替換和移位后，輸入的64 位輸入數據被轉換成完全不同的64 位的輸出數據。

3DES 是在DES 的基礎上采用三重DES，即用兩個(gè)56 位的密鑰K1、K2進(jìn)行加密與解密。發(fā)送方用K1加密、K2解密，再使用K1加密; 接收方使用K1解密、K2加密，再使用K1解密，其效果相當于密鑰長(cháng)度加倍。[6]

3 CPU卡密鑰類(lèi)型及應用

所有CPU卡的密鑰類(lèi)型如下。在實(shí)際應用中，可以根據系統要求適當刪減。

DES 加密密鑰，用于進(jìn)行DES 加密運算的密鑰，在內部認證操作時(shí)使用。

DES 解密密鑰，用于進(jìn)行DES 解密運算的密鑰，在內部認證操作時(shí)使用。

DESMAC 密鑰，用于進(jìn)行報文鑒別代碼( messageauthentication code，MAC) 運算的密鑰，在內部認證操作時(shí)使用。

內部密鑰，用于產(chǎn)生消費、取現和圈存交易中使用的交易驗證碼( transaction authentication code，TAC) ，涉及圈存、圈提、消費/取現、修改透支限額操作命令。

維護密鑰，用于在以安全報文方式訪(fǎng)問(wèn)文件時(shí)，產(chǎn)生安全報文的密鑰。它涉及讀/寫(xiě)文件/記錄、存款、扣款、卡片鎖定、應用鎖定和應用解鎖操作命令。