运营商发展国密UIM卡技术探讨

2017-03-12郭建昌姜奎

移动通信 2017年2期

关键词：国密移动支付蓝牙

郭建昌++姜奎

【摘要】阐述了运营商发展国密UIM卡产品的必要性，介绍了国密卡产品的实现方法，对不同的实现方式进行了对比，并结合目前的产品推广现状提出了实现方案建议。

【关键词】国密运营商移动支付 UIM 蓝牙

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.015 中图分类号：TN918.91 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）02-0074-05

引用格式：郭建昌，姜奎. 运营商发展国密UIM卡技术探讨[J]. 移动通信， 2017，41（2）： 74-78.

1 引言

一场始于美国东部的大规模互联网瘫痪于2016年21日席卷全美，美国公共服务、社交平台、民众网络服务器等遭到空前网络攻击，半个国家的网络几乎陷入瘫痪。本次网络瘫痪不仅规模惊人，而且对民众生活产生了严重影响，带来的损失超过数千万美元。近期类似的信息安全事件引发了大众的广泛关注，随着科技的发展和社会的进步，各行各业对于信息安全的需求越来越紧迫，信息安全已成为国家的重点战略。

智能卡作为接入运营商网络的鉴权工具以及承载各种应用、数据的安全载体，已经成为信息安全技术发展的重要组成部分，在智能卡领域保障信息安全的关键技术就是采用各种密码算法对数据进行加密存储及运算。一直以来，我国长期沿用国际通用的密码算法（如DES、3DES、RSA、SHA-1等）体系及相关标准，近年来国家密码管理局先后发布了一系列由我国自主研发的国产商用密码算法（包括SM2、SM3、SM4等）体系及相关标准，并在相关领域进行试点推广。

近日，全国信息安全标准化技术委员会发布了24项与信息安全相关的国家标准，其中《信息安全技术具有中央处理器的IC卡嵌入式软件安全技术要求》[1]、《信息安全技术具有中央处理器的IC卡芯片安全技术要求》[2]、《信息安全技术SM2椭圆曲线公钥密码算法》[3]、《信息安全技术SM3密码杂凑算法》[4]、《信息安全技术SM4分组密码算法》[5]等多项标准与智能卡行业有密切关联。

随着“互联网+”战略的逐步落地，各行各业之间的融合也日益加深，目前运营商均在推动利用手机终端和UIM卡在移动支付领域的发展，包括金融支付类、身份识别类、门禁考勤类、公交一卡通类、医疗卫生类、社保健康卡、EID等，这与国密算法的应用领域不谋而合。运营商基于现有UIM卡产品实现国密算法，既减少对国际算法的依赖性，抵御现有的国际算法攻击风险，可提供更加安全可靠的产品，又符合国家针对信息安全相关政策的要求，提高行业自主可控能力，更加有利于占领市场先机。

本文介绍了运营商实现国密UIM卡产品的实现方法，对不同的实现方式进行了对比验证，并结合目前的产品推广现状提出了实现方案建议。

2 原理

運营商现有移动支付UIM卡是一种复合型电信智能卡。卡片以UICC多应用平台为基础进行构建，引入了Java Card虚拟机（JCVM）[6]、Java Card运行时环境（JCRE）[7]、Global Platform运行环境（OPEN）[8]、非接触框架（Contactless Framework）等多类应用的运行环境，从而实现了多个维度的“一卡多应用”。具体来说，运营商现有移动支付UIM卡可以在一张UICC上同时支持接触式应用、非接触应用、电信应用（NAA，如UIM、USIM）、非电信应用（如安全域、金融支付类应用、身份识别类应用、门禁考勤类应用、公交一卡通类应用、医疗卫生类应用、社保健康卡应用等），实现多类应用并存的业务需求，所有应用均采用Java Applet方式实现，是一种可以应用于跨领域业务的电信智能卡。

运营商现有移动支付UIM卡架构如图1所示，主要由底层架构和应用层组成，其中底层架构主要由四部分组成：

（1）硬件层：UIM卡用于同外部设备进行通信的物理接口，包括ISO7816接口[9]、SWP接口[10]、蓝牙接口等。

（2）COS层：提供内存和文件等基础管理，实现虚拟机和安全机制，实现底层传输协议及命令分发、APDU指令处理，并实现多个应用间防火墙等，为上层提供基础的逻辑处理机制。

（3）应用基础能力层：负责为UIM卡应用层的各种卡应用程序提供在卡内容下载、安装、删除的管理和存储等服务，并实现用户卡与外部设备通信的指令报文，以及包含鉴权和加密机制的安全信道会话机制。实现GP应用管理、空间管理、生命周期管理，为UIM卡提供了与终端进行交互的应用工具箱能力（包括Setup Menu（菜单显示）、Display（信息显示）、Get Input（信息输入）、Send Short Message（发送短信）、Set Up Call（拨打电话）等）。

（4）应用API层：为UIM卡应用层的各种卡应用程序提供基本调用接口，包括Java Card API、UICC/USIM API、GP API、HCI API等。

应用层则包括基础功能需求应用（电信应用、CRS、CREL、JCPM等）、安全域（为安全隔离发卡方和应用提供方而创建的具有密钥和卡内容管理功能的特殊应用）以及各类可动态加载或预置的具有复杂处理逻辑的用户卡应用（如金融支付类应用、身份识别类应用、门禁考勤类应用、公交一卡通类应用、医疗卫生类应用、社保健康卡应用、EID应用等）。

本文提到的国密UIM卡产品实现方法，主要是针对COS底层架构中的应用API层进行改造，实现国密算法API供应用层调用。

3 国密UIM卡产品实现方式

目前国密UIM卡产品主要有如下几种实现方式：

（1）在现有的移动支付UIM卡上加载国密芯片；

（2）在现有的移动支付UIM卡上加载国密芯片和蓝牙芯片；

（3）将现有移动支付UIM卡采用芯片替换为国密芯片；

（4）将现有移动支付UIM卡采用芯片替换为国密芯片，同时增加蓝牙芯片。

3.1 现有移动支付UIM卡上加载国密芯片

该方案主要是为了解决运营商现有移动支付UIM卡产品不支持国密算法的问题，基于现有移动支付UIM卡增加国密芯片。现有移动支付UIM卡底层COS调用国密芯片提供的国密算法接口，提供给应用层供Java Applet使用，这样加载在移动支付UIM卡上金融支付类、身份识别类、门禁考勤类、公交一卡通类、医疗卫生类、社保健康卡等领域的Java Applet应用就可以支持国密算法。

基于该方案现有移动支付UIM卡需进行如下改造：

（1）卡片需重新设计封装；

（2）现有移动支付UIM卡COS底层需修改，增加与国密芯片交互接口，同时增加对外提供给Java Applet的国密算法接口。

该方案的优缺点：

（1）原有移动支付UIM卡COS成熟度较高，对原有移动支付UIM卡COS底层改造较小，COS开发和测试难度较小；

（2）现有移动支付UIM卡COS底层与国密芯片交互为私有接口，存在一定的安全隐患，且性能比直接调用国密芯片底层算法接口慢；

（3）卡片重新设计封装额外增加成本，且周期较长；

（4）未解决目前不支持Open Mobile API终端无法通过客户端访问UIM卡上的Java Applet问题。

3.2 现有移动支付UIM卡上加载国密芯片和蓝牙

芯片

该方案基于3.1节的方案额外增加蓝牙芯片，为了解决部分终端不支持Open Mobile API，无法通过客户端访问移动支付UIM卡上的Java Applet的问题。增加蓝牙芯片后，手机终端可通过蓝牙接口与移动支付UIM卡进行通信。

基于该方案现有移动支付UIM卡需进行如下改造：

（1）卡片需重新设计封装；

（2）现有移动支付UIM卡COS底层需修改，增加与国密芯片交互接口，同时增加对外提供给Java Applet的国密算法接口。

该方案的优缺点：

（1）原有移动支付UIM卡COS成熟度较高，对于原有移动支付UIM卡COS底层改造较小，COS开发和测试难度较小；

（2）现有移动支付UIM卡COS底层与国密芯片交互为私有接口，存在一定的安全隐患，且性能比直接调用国密芯片底层算法接口慢；

（3）卡片重新设计封装，额外增加成本，且周期较长；

（4）增加两颗芯片后卡片封装受限，无法封装成Mini-UICC（4FF）形态，在目前卡槽设計为Mini-UICC形态的终端上无法使用；

（5）终端与UIM卡进行蓝牙交互目前暂无标准协议接口，且目前终端与卡片进行蓝牙交互成熟度不高，可能存在兼容性问题。

3.3 现有移动支付UIM卡芯片替换为国密芯片

该方案主要是将现有移动支付UIM卡采用的国外芯片替换为国密芯片，UIM卡底层COS可以直接调用国密芯片提供的国密算法接口，提供国密算法API给应用层供Java Applet使用，这样加载在移动支付UIM卡上的金融支付类、身份识别类、门禁考勤类、公交一卡通类、医疗卫生类、社保健康卡等领域的Java Applet应用就可以支持国密算法。

基于该方案，现有移动支付UIM卡需进行如下改造：

需基于国密芯片实现原移动支付UIM卡产品所有功能，同时将国密芯片提供的国密算法接口改造成可供应用层调用的国密算法API接口，其中国密算法API调用流程如图2所示。

安全应用调用国密算法API的流程说明如下：

（1）获得移动支付UIM卡算法能力：调用安全应用的客户端软件使用移动支付UIM卡的基本命令，获取移动支付UIM卡上的算法能力，该命令和移动支付UIM卡上的安全应用无关。

（2）返回算法标识：移动支付UIM卡操作系统通过算法标识返回移动支付UIM卡支持的算法能力。如果载体不支持国密算法，流程结束；如果支持国密算法，转步骤（3）。

（3）调用安全应用接口：如果移动支付UIM卡支持国密算法，调用安全应用的客户端软件调用移动支付UIM卡安全应用的命令接口。移动支付UIM卡安全应用收到调用命令后，根据命令进行处理。

（4）调用国密算法API：如果该命令的处理需要使用国密算法，通过移动支付UIM卡操作系统的商用密码算法API进行调用。

（5）返回算法调用结果：国密算法API被调用后，进行算法处理并向移动支付UIM卡上的安全应用返回算法处理结果。

（6）返回应用调用结果：移动支付UIM卡上的安全应用处理算法结束后，向客户端返回调用结果，流程结束。

该方案的优缺点：

（1）COS开发测试难度较大，需在新的芯片平台进行功能移植（包含移动支付UIM卡架构中所有功能）以及完整的产品化测试；

（2）卡片无需重新设计封装；