国密算法在空中充值中的应用

□ 文/陈上甫 刘少军

在全国ETC联网的大背景下，各联网省份纷纷推出ETC卡空中充值系统，打破了高速公路通行卡充值的网点、地域限制，该充值系统业务模式多样化，满足不同客户的要求，同时该充值系统创新性采用基于国密算法的认证体系，保证该系统在资金圈存时的安全性，为之后其他省份的高速公路通行卡网上充值提供丰富的经验，具有很好的参考价值。

根据交通运输部发布的《交通运输部关于开展全国高速公路电子不停车收费联网工作的通知》中关于探索网上充值等服务模式的要求，本文围绕空中充值系统的应用特性和技术环境，创新性地提出一种基于国密算法的认证充值终端的处理模式，用于进一步提高空中充值系统的安全问题，为ETC卡用户提供更为安全、简单、便捷的充值服务。

与传统的充值方式相比，空中充值可有效弥补客服网点等实体渠道的不足，为客户提供多样化的灵活、便捷充值服务。空中充值的优点主要表现在服务理念的创新——将营业网点无限拉近到客户身边，减缓了营业网点的充值压力；提高服务质量——采用便利服务系统，不再受到时间和空间的限制。

国密算法介绍

国密算法即国家密码局认定的国产密码算法，即商用密码算法，是指对不涉及国家秘密内容的信息进行加密保护或者安全认证所使用的密码技术和密码产品。商用密码技术，是指能够实现商用密码算法的加密、解密和认证等功能的技术。在金融领域目前使用公开的SM2、SM3、SM4三类算法，分别是非对称算法、哈希算法、对称算法。国密算法SM2、SM3、SM4比对应的国际算法RSA、SHA1、3DES安全性要高。

数字证书介绍

非对称密钥加密（Asymmetric Key Cryptography）也称为公钥加密（Public Key Cryptography），它使用公钥/私钥，构成一对，私钥用于加密数据，公钥用于解密，其中公钥可以提供给很多人，但私钥是特定个人所独有的。向用户传送公钥使用的分发机制是数字证书，因此数字证书也称公开密钥证书，由CA系统签发，在网络通信中标志通信各方身份信息的一系列数据。证书中最重要的信息是个体名字、个体的公钥、机构的签名、算法和用途，目前最常用的证书格式X.509。

数字签名是一种使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。数字签名主要的功能是：保证信息传输的完整性、发送者的身份认证、防止交易中的抵赖发生。

数字签名过程

首先对要签名的信息进行摘要运算（如SM3），然后将生成的摘要用私钥进行加密运算（如SM2）

验签过程

信息接收方获得签名者的数字证书，验证证书的有效性（有效期，颁发等），然后取出数字证书中的公钥对签名数据解密，获得摘要，然后对信息原文进行摘要运算，如果得到的摘要相同，则说明验签成功。

基于国密算法的认证体系在空中充值系统的应用

“空中充值”是通过在电脑或手机上的简单操作来实现对ETC卡的充值办理。空中充值主要有转账和圈存两个步骤：转账时，用户可以直接通过第三方支付方式(支付宝、微信支付、网银、迷你付等)进行转账即可；圈存时，则需利用读卡设备完成写卡。

▲图1：证书签名及验签过程

▲图2：安全架构体系

空中充值业务的读写卡设备称为充值终端设备，主要实现充值金额圈存到ETC卡中，包括联网中心自发的设备与机构接入方的设备，其中联网中心自发的设备需要自行实现发行与认证，设备中内置SE模块。

当ETC卡客户选择联网中心自发充值终端设备圈存时，可以通过手机APP与自发充值终端设备蓝牙交互，实现ETC卡的充值。

自发充值终端设备与空中充值系统之间通过互联网或专线接入，数据传输建立在利用CA证书进行双向认证的基础之上。CA证书主要用途一方面用于服务器、终端双向认证，另一方面用于互联网加密通讯，具体安全架构体系如图2。

自发充值终端设备证书签发流程

目前，部中心已建成统一的CA系统，且已具备从部中心CA系统申请根证书及签发终端证书的RA系统，故采用国密算法SM2的非对称密钥认证体系，为空充系统建立子RA系统，从而与部中心CA系统进行对接，获取根证书和由部中心签发的服务器证书和终端证书。自发充值终端设备中签发的数字证书完全符合ITU X.509 V3格式，兼容ITU X.509 V4标准。联网中心建设的设备发行系统将从部中心签发的数字证书写入到终端设备内置的安全模块，完成终端设备的发行。基于国密算法的认证体系架构图如图3：

▲图3：基于国密算法的认证体系架构图

自发充值终端设备安全认证流程

在ETC卡圈存过程中，为确保空充服务器或终端设备的可信性，应对空充服务器和终端设备的身份进行高强度的基于数字证书的认证方式。对于内置数字证书的自发充值终端设备的双向认证是根据JR/T 0025.3—2013《中国金融集成电路（IC）卡规范》 第十六部分“IC卡互联网终端规范”实现，空充后台服务器与终端设备之间的安全通道，利用握手工作原理与处理中心建立端到端的逻辑安全通道，握手过程中使用的非对称算法为SM2算法，使用的对称算法为SM4，使用的签名算法为SM3。

安全通道的建立协议由握手协议和记录协议两部分组成。其中握手协议用于完成充值终端与空充服务器的双向身份认证和会话密钥的交互过程，记录协议用于完成应用数据的加密传输。

总结

空中充值系统是落实交通部鼓励探索网上充值等服务模式的战略部署，创新性推出基于国密算法的充值终端安全认证模式，构建了全国充值模式最全面、充值手段最丰富的线上充值系统，在全国同行业中处于领先位置。该系统为广大ETC卡用户提供更加快捷方便的充值服务，实现足不出户，随时随地进行充值，使出行更加智能化、便捷化、人性化。此外，ETC卡空中充值已有成熟的加密和防篡改安全保障机制，可以最大程度保障信息的机密性、完整性和确证性，防止信息被篡改、伪造和假冒，有效保障用户的资金安全。