一種JavaCard庫包后下載的方法

作者/ 許晶1,2 王于波1,2 張彥杰1,2 袁艷芳1,2 付青琴1,2

　　1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗室 電力芯片設計分析實(shí)驗室(北京100192)

　　2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術(shù)研究中心(北京100192)

摘要: JavaCard將標準API的定義引入了嵌入式開(kāi)發(fā)，這帶來(lái)了平臺和應用開(kāi)發(fā)的分離，使得開(kāi)發(fā)更為便利。而當發(fā)行后的平臺有新增功能的需求時(shí)，需要考慮在平臺還是應用層來(lái)進(jìn)行實(shí)現。如需在每個(gè)應用中進(jìn)行實(shí)現，代碼會(huì )冗余、空間占用會(huì )增大;如采用傳統的補丁方式，實(shí)現又有較多限制。在避免重新掩膜的情況下，本文提出一種后下載庫包的方法，將新增功能定義為庫包，庫包的實(shí)現采用Java包的方式，在平臺上先下載實(shí)現好的庫包，再下載調用庫包的應用。驗證表明，該方法具有節省空間、方便實(shí)現以及節省成本等優(yōu)點(diǎn)。

引言

　　由于具有靈活性和安全性，JAVA卡在智能卡領(lǐng)域的應用越來(lái)越多。當一張JAVA卡發(fā)行后，如果多個(gè)應用需要調用同一個(gè)功能模塊，現有的辦法是在每個(gè)應用(JavaCard Applet)中實(shí)現此功能。這將導致空間占用的增加，在存儲資源有限的情況下，會(huì )使得JAVA卡上支持的應用個(gè)數減少。如果使用補丁機制將此功能模塊做成智能卡的補丁，開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的功能模塊會(huì )受到補丁機制的靈活性限制。如要重新進(jìn)行卡片掩膜，又將涉及到成本的增加。

　　本文將有類(lèi)似需求的功能模塊作為JAVA卡的一個(gè)外部庫包，每個(gè)應用不需要單獨實(shí)現這些功能，而采用調用新增的庫包的方式，減少了空間的占用。庫包實(shí)現方式靈活，便于快速開(kāi)發(fā)。在ROM掩膜的平臺上，也免除了重新掩膜的成本。試驗結果證明，此方法能具有很好的靈活性和安全性，并節省了智能卡的空間。

1 JAVA卡平臺和應用開(kāi)發(fā)模式

　　1.1 傳統的智能卡平臺應用開(kāi)發(fā)模式

　　傳統智能卡COS開(kāi)發(fā)時(shí)，平臺和應用通常是由一個(gè)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的^[1]。平臺負責實(shí)現底層芯片驅動(dòng)、算法模塊及文件系統等功能。應用實(shí)現滿(mǎn)足行業(yè)規范的開(kāi)卡、交易流程及安全機制等，比如裝載密鑰、內部認證、加解密等功能。如圖1所示，各行業(yè)發(fā)布規范，各智能卡廠(chǎng)商根據規范開(kāi)發(fā)出多款產(chǎn)品，每一款產(chǎn)品都有單獨的平臺和行業(yè)應用，以提供給不同的行業(yè)進(jìn)行商用。

　　1.2 JAVA卡平臺應用開(kāi)發(fā)模式

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始使用智能卡，人們對一張卡上集成多個(gè)應用的需求也隨之增長(cháng)^[2]。90年代開(kāi)始，多應用芯片卡開(kāi)放系統陸續出現。其中使用最為廣泛的就是JavaCard平臺^[3]。JAVA卡的平臺和應用完全分離。一張搭載JAVA卡平臺的卡片，能夠在平臺發(fā)行后再下載應用，這是JAVA卡比使用本地語(yǔ)言如C語(yǔ)言的Native卡有著(zhù)更為便利的優(yōu)勢，一張JAVA卡能夠適應不同的應用場(chǎng)景，而不需要開(kāi)發(fā)多個(gè)版本的COS(Chip Operation System，片上操作系統)^[4]。

　　而平臺和應用的分離是通過(guò)統一的API來(lái)實(shí)現的。JAVA卡API是JAVA卡運行環(huán)境的重要組成部分之一^[5]，它提供了一套統一的、基于國際標準的、用于應用開(kāi)發(fā)的編程接口，包括I/O接口、異常管理、安全管理等接口^[6]。JAVA卡平臺實(shí)現API接口，JAVA卡應用可以通過(guò)調用API接口來(lái)進(jìn)行編程，生成可下載文件。

　　在JAVA卡發(fā)行之后，還能夠進(jìn)行應用的下載、安裝、刪除等管理^[5]。不同的應用開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的JAVA卡應用，也可以下載到不同平臺開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的、支持同一API版本的JAVA卡平臺上。如圖2所示。

　　應用開(kāi)發(fā)時(shí)，引用JAVA卡API庫包進(jìn)行編譯，生成可下載文件CAP包。應用下載到平臺后，對平臺庫包API的調用采用動(dòng)態(tài)鏈接機制，通過(guò)平臺編譯的Token值索引，找到調用的JAVA包、類(lèi)和方法，完成相應功能的實(shí)現^[8]。

2 通用的JAVA卡新增功能實(shí)現方式及問(wèn)題

　　本文將實(shí)現了具體功能的API包稱(chēng)為庫包。常見(jiàn)的JAVA卡標準庫包包括java.io、java.lang、javacard.framework、javacard.security、javacardx. crypto等^[6]。庫包java.io和java.lang定義了一些常見(jiàn)的異常(Exception)，javacard.framework定義了JAVA卡平臺運行環(huán)境的各種操作接口，javacard.security和javacardx. crypto定義了國際算法和密碼相關(guān)的安全接口。

　　在一張JAVA卡發(fā)行后，如果不同的應用需要平臺新增實(shí)現相同的功能，傳統的實(shí)現方法，第一種是每個(gè)應用都實(shí)現一套相同的功能函數;第二種方法是采用JAVA卡傳統的補丁方式，將功能實(shí)現增加到平臺中;第三種方法是重新開(kāi)發(fā)平臺，如果為ROM掩膜的卡片，還需要重新進(jìn)行平臺掩膜。

　　現有的新增通用功能的方法都有各自的問(wèn)題：

　　1)第一種方法，每個(gè)應用內部實(shí)現一套功能函數，這樣導致代碼量的冗余，在智能卡有限的空間中，如果單個(gè)應用的代碼量增大，會(huì )導致可加載應用的個(gè)數減少;

　　2)第二種方法，JAVA卡傳統的補丁方式，一般是在JAVA卡運行環(huán)境中，在調用方法的時(shí)候進(jìn)行補丁函數的判斷，如果該方法有補丁函數，則運行補丁函數;如果沒(méi)有補丁函數，則運行現有的函數，這種方法增加了判斷的時(shí)間，使得卡運行效率降低，而且補丁函數的開(kāi)發(fā)有較多的限制;

　　3)第三種方法，重新開(kāi)發(fā)一版新平臺，這種方法不僅導致芯片可能有重新掩膜的成本，而且增加了多個(gè)版本的維護工作。

3 JAVA卡庫包后下載的方法

　　本文將后下載的庫包分為兩個(gè)模塊，庫實(shí)現包模塊和庫接口包模塊，此處的庫，指的是Java卡外部庫，非標準庫，即卡內未預置的庫，需要新增功能的庫包。

　　實(shí)現時(shí)，首先實(shí)現一個(gè)庫實(shí)現包，庫實(shí)現包作為一個(gè)JAVA卡的包(Package)，基于JAVA卡標準庫包進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包中包含了新增庫的功能函數(Java文件)。Java文件通過(guò)javac編譯器引用Java API，生成庫實(shí)現Java可裝載文件(Class文件)，然后，通過(guò)JavaCard編譯器converter引用JavaCard和GP(Global Platform，應用安全管理平臺)的API^[9]，將Class文件生成庫實(shí)現Java卡可裝載文件(CAP文件)，如圖3所示。

　　然后，用庫實(shí)現源文件生成庫接口源文件，只保留方法的聲明。如果希望庫接口包中含有最少的函數聲明，可以將需要提供的接口所在的類(lèi)和函數都放在最前位置編譯。由于converter中JAVA卡外部類(lèi)按照字母順序來(lái)生成排序的類(lèi)Token值^[8]，需要將提供接口的類(lèi)排列在包的最前位置。接口文件的實(shí)現，保證了實(shí)現的代碼不會(huì )被泄露。應用需要獲取庫接口文件JAVA卡庫文件，通過(guò)javac編譯器生成應用Java可裝載文件后，使用converter工具，除了引用JavaCard和GP API外，還需引用庫接口JAR包，生成應用的JAVA卡可裝載文件。

　　最后，完成應用的裝載安裝過(guò)程。在應用裝載前，需要寫(xiě)在現有的標準JAVA卡上，通過(guò)JavaCardLoader(下載器)先將庫實(shí)現JAVA卡可裝載文件安裝進(jìn)JAVA卡，然后，再通過(guò)JavaCard Loader和Installer(安裝器)將應用的Java卡可裝載文件下載并安裝進(jìn)JAVA卡中，完成應用的下載和安裝。如圖4所示。

4 結論

　　將本文的方法與傳統的方法相比較。相比第一種方法，在應用中實(shí)現庫包的功能，減少了代碼量。如果庫功能實(shí)現的代碼量為n Kbytes，應用實(shí)現的代碼量是m Kbytes，當一張卡上有i個(gè)應用需要調到該庫的功能時(shí)，第一種方法需要的代碼量是i*(n+m)Kbytes，而本方法需要的代碼量是n+i*m Kbytes，減少了(i-1)*n Kbytes的代碼量。代碼量的減少，可以在芯片選型時(shí)，選擇空間較小，成本較低的芯片。

　　與第二種方法相比，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)難度，并提高了運行效率。依靠傳統的補丁方式實(shí)現功能庫函數時(shí)，需要在設計時(shí)就考慮到有可能出現的問(wèn)題，設計好補丁入口。在實(shí)現時(shí)，有較多開(kāi)發(fā)上的限制。采用JAVA卡包來(lái)實(shí)現新增功能的庫函數，能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)難度。運行時(shí)，傳統的補丁需要在函數調用時(shí)判斷是否具有補丁函數，在每個(gè)方法調用前都增加了運行時(shí)間成本，本方法提高了運行效率。

　　與第三種方法相比，減少了版本維護，如果在ROM掩膜的芯片上，還節約了芯片掩膜成本。此方法在功能函數缺失或需要新增的時(shí)候，只需將Java庫實(shí)現包下載進(jìn)JAVA卡，并提供相應的庫接口包給應用開(kāi)發(fā)的用戶(hù)，無(wú)需重新開(kāi)發(fā)一版COS，減少了COS的版本。在ROM掩膜的芯片上，無(wú)需再次進(jìn)行芯片掩膜，直接將功能庫進(jìn)行下載，大大節約了多次掩膜的成本。

　　綜上所述，相比傳統方法，本文提出的JAVA卡庫包后下載的方法具有節省卡片空間、便于開(kāi)發(fā)、節約成本的優(yōu)點(diǎn)。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第47頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。