射頻優(yōu)卡多芯片操作系統(tǒng)隔離與安全通信方法研究.pdf

1、智能卡作為個人數(shù)據(jù)載體已廣泛應用于生產(chǎn)生活中的各個領域。隨著應用的普及，智能卡發(fā)行數(shù)量劇增，導致單個用戶卡攜帶不便和卡資源管理的復雜。同時，智能卡的多次重復發(fā)行，且用戶手中大部分智能卡大部分時間處于非工作狀態(tài)，導致卡軟硬件資源的重復配置與閑置浪費。由于現(xiàn)行多應用智能卡只支持單個芯片操作系統(tǒng)（Chip Operating System，簡稱COS），不同COS所支持的卡應用程序間存在不兼容性，故多應用智能卡未能有效解決傳統(tǒng)智能卡的便攜性和

2、資源閑置浪費問題。
　　 射頻優(yōu)卡的出現(xiàn)為上述問題的解決提供一個很好的技術思路。射頻優(yōu)卡在體系結構上集成相互獨立的現(xiàn)行多個COS及應用；在通信接口上采用射頻實現(xiàn)非接觸通信。
　　 這些特點使得射頻優(yōu)卡在有效解決日益嚴峻的多卡攜帶問題，優(yōu)化卡資源利用的同時，提供卡應用的快速自動處理。但同時，射頻優(yōu)卡的多操作系統(tǒng)架構及無線信道通信，引發(fā)了兩大關鍵安全問題：卡內(nèi)的多COS 安全隔離與卡外的射頻通信安全。
　　 基于射頻

3、優(yōu)卡體系結構特點，分析其生命周期中涉及的各種安全角色，建立多級安全依賴關系。根據(jù)每次用卡中的狀態(tài)轉移路徑，建立運行時k-COS和k-block（存儲塊）的有限狀態(tài)機模型。采用計算樹邏輯語言對運行時安全屬性進行形式化定義；
　　 使用基于有序二元決策圖的符號模型驗證規(guī)范語言對有限狀態(tài)機模型進行系統(tǒng)說明；運行符號模型驗證器檢驗安全模型對于安全屬性的滿足性。驗證結果表明，多COS 射頻優(yōu)卡運行時有限狀態(tài)機模型滿足運行時三大安全屬性，并

4、表明符號模型驗證對于COS數(shù)量小于10的射頻優(yōu)卡運行時安全模型是一種可行的形式化驗證方法。
　　 基于可編程動態(tài)地址總線的隔離機制通過對主CPU部分地址總線進行控制來限制運行COS的存儲訪問。由于地址映射控制參數(shù)可能遭受非法篡改，該機制可能出現(xiàn)運行時的非法數(shù)據(jù)訪問。從現(xiàn)實生活中會議的組織模式得到啟發(fā)，提出一種基于席位約束會議模型的隔離機制，該機制在射頻優(yōu)卡的硬件層增加一個類似于會議中主席臺的專用主席臺存儲器來存儲運行COS所需的

5、代碼與數(shù)據(jù)。與可編程動態(tài)地址總線隔離機制不同，會議模型隔離機制不需對主CPU的地址總線做任何限制，而由主席臺存儲器提供一個隔離域來限制運行COS的存儲訪問。由于主席臺存儲器的易失性，且與其它存儲器在物理上是隔離的，從而保證運行COS與其它COS的完全隔離。功能仿真表明，會議模型隔離機制能夠提供很好的運行時安全隔離環(huán)境。
　　 射頻優(yōu)卡系統(tǒng)由于射頻信道的開放性，在鏈路層上存在多卡沖突問題?；趯巫x寫器系統(tǒng)卡輸入過程、服務時間分布

6、和服務規(guī)則的分析，建立多卡識別過程的排隊模型，對系統(tǒng)達到統(tǒng)計平衡狀態(tài)下讀寫器識別范圍內(nèi)卡的概率分布、平均卡數(shù)及卡的平均逗留時間進行數(shù)學分析。借鑒已有算法中的幀長及卡應答概率調整策略，設計一種雙邊同步動態(tài)調整SDA（Synchronous Dynamic Adjusting）算法。SDA 根據(jù)上一輪閱讀循環(huán)的沖突狀況，在讀寫器和射頻優(yōu)卡雙邊分別調整幀長和應答概率。
　　 軟件仿真表明，當服務卡數(shù)大于100時，若卡平均到達率在0.5

7、與2之間變化，卡初始應答概率為0.875 或1.0時，SDA算法將達到最優(yōu)識別率。在相同的仿真條件下，SDA總的服務時間、卡的平均逗留時間和識別率均優(yōu)于兩種典型的射頻識別系統(tǒng)多標簽沖突解決算法。
　　 射頻優(yōu)卡系統(tǒng)由于信道的開放性和非對稱性，在實際應用環(huán)境中會受到各種可能的攻擊?；趯舻姆治觯岢錾漕l優(yōu)卡系統(tǒng)應用層的安全需求；基于讀寫器角色分配與授權，設計一種雙向認證保護協(xié)議。協(xié)議采用動態(tài)身份更新機制防止重發(fā)攻擊和位置跟蹤；