BR0113929B1 - Cartão multiportas - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "CARTÃO MULTIPORTAS". A presente invenção se refere ao campo de cartões inteligentes, particularmente cartões inteligentes do tipo ISO 7816.

Esses cartões são apresentados na forma de um módulo compacto compreendendo um grande número de elementos eletrônicos, tais como memórias, microprocessadores, modem.

Como a tecnologia avança rapidamente, desempenhos reservados ontem para sistemas de grande porte estão a partir de agora disponíveis em cartões inteligentes. A norma ISO 7816 define a interface desse cartão que é realizada por meio de uma roseta de 8 contatos cujas funções são definidas pelo padrão. A idéia desse cartão tem sido ditada pela necessidade de ter suportes de dados portáteis que oferecem grande segurança quanto à proteção desses dados. À parte de suas estruturas, eles são usados para aplicações de armazenamento e processamento que precisam de poucas entradas - saídas. De fato, de acordo com a norma ISO 7816, apenas uma conexão é usada para essa função em um modo bidirecional em modo semiduplex.

Dessa maneira a evolução desses cartões é limitada por essas estruturas, limitando seu uso às aplicações de controle, enquanto o processamento de dados rápido é realizado em outras unidades.

Esse é, particularmente, o caso na televisão paga, onde os sinais são codificados por uma chave que varia com o tempo. No fluxo de dados de áudio/vídeo que chega no decodificador são adicionadas mensagens de gerenciamento (EMM), que contêm as chaves em formas criptografadas. Quando essa mensagem é reconhecida, ela é dirigida para o cartão inteligente servindo como módulo de segurança.

Nessa concretização, o cartão inteligente contém as diferentes chaves que permitem descriptografar essas mensagens e verificar se o assinante tem direitos bastante para ver esses dados. Se for assim, o cartão envia informação mais uma vez, permitindo ao decodificador decodificar os dados codificados.

Esse método tem diversas desvantagens. A primeira é que deve fornecer as chaves liberadas para um decodificador que não é considerado como um elemento seguro. Essa também é a razão pela qual as chaves são mudadas em intervalos regulares, tipicamente, cada segundo. Embora essa estrutura seja satisfatória em muitos aspectos, ela tem um problema real em outras aplicações, por exemplo, no caso de armazenamento de dados. Nesse tipo de aplicação, a noção de duração da validade de uma chave desaparece e é associada aos dados codificados, uma chave que apenas o cartão inteligente pode decodificar. É bem compreendido que o fato de fornecer a chave ao decodificador, um computador, neste exemplo, implica um risco de que a referida chave seja interceptada por uma terceira pessoa e divulgada sem controle. A fim de resolver esse problema, uma solução possível é decodificar os dados diretamente no cartão inteligente. Dessa maneira, a chave de codificação não sai do cartão, porque essa chave é usada diretamente no interior do cartão para processar os dados codificados.

Esse tipo de uso rapidamente vem contra as restrições físicas do cartão ISO 7816, cuja porta E/S tem uma taxa de transferência de cerca de 10 a 100 Kbits/seg. O mesmo tipo de problema surge quando do uso de um cartão de não contato do tipo ISO 14443. As taxas de transferência sendo cerca de 106 a 425 Kbits/seg.

Qualquer modificação estrutural do cartão é confrontada com um problema de compatibilidade com as leitoras ISO 7816 e ISO 14443 que não compreenderá essa nova especificação. 0 objetivo da invenção é ter um cartão inteligente que respeita a compatibilidade com as leitoras existentes e que propõe outros serviços, particularmente a possibilidade de decodificar os dados codificados no interior do cartão na velocidade requerida pela taxa de dados.

Esse objetivo é obtido por um cartão inteligente compreendendo uma roseta de oito contatos ISO 7816 e pelo menos um canal bidirecional padrão, caracterizado pelo fato de compreender um canal de alta velocidade ligado a conexões não usadas.

Por conexões não usadas queremos significar conexões que não têm funções particulares pela norma ou conexões que não são mais usadas nas presentes gerações de cartões.

Nessa categoria nós encontramos bem compreendidas as duas conexões RFU (Reservadas para Uso Futuro) , bem como a conexão Vpp, que permitiu fornecer às memórias não voláteis uma tensão maior do que 5V (normalmente de 12V a 2IV). Com a chegada de novas tecnologias de memórias não voláteis, tais como NVRAM, EEPROM ou FLASH, a tensão é gerada pelo próprio cartão e essa conexão não é mais usada atualmente.

Graças ao uso dessas linhas suplementares, é possível definir um protocolo que é diferente daqueles usados na norma ISO 7816 e, desse modo, abre o campo para outras aplicações. A disponibilidade de três conexões permite uma ligação em alta velocidade graças a uma linha de "clock" (CLK), uma linha de entrada (IN) e uma linha de saída (OUT) . É possível usar juntos os diferentes canais de acesso do cartão, por exemplo, pelo funcionamento do canal padrão bidirecionalmente por meio de uma linha E/S. Esse canal de alta velocidade adiciona funções àquelas já existentes, por exemplo, um módulo de codificação - decodificação de alta velocidade. O uso desse canal de alta velocidade tem conseqüências sobre a arquitetura do cartão. De agora em diante é possível propor um módulo de decodificação (ou de codificação) que é realizado totalmente no interior do cartão. Com essa finalidade os dados que chegam através do canal rápido são dirigidos para um módulo de decodificação especializado. De fato, esses dados não têm que se deslocar, necessariamente, através do microprocessador, eles podem ir diretamente para o módulo de decodificação especializado por meio de um barramento rápido interno.

Com essa finalidade, o cartão inteligente de acordo com a invenção compreende meios de multiplexação que permitem um acesso direto entre o canal rápido e um ou diversos módulos especializados. Esses meios também permitem dirigir o fluxo de canal rápido para o microprocessador, se necessário. Se certos microprocessadores não podem processar dados em velocidades de diversos Mb/s, outras versões mais desenvolvidas tornam esse processamento possível e podem substituir certos módulos especializados. Desse modo, o microprocessador, através de software (programável), será capaz de ser substituído nos módulos especializados realizando operações matemáticas graças aos circuitos eletrônicos (não programáveis).

De acordo com a invenção, os meios de multiplexação permitem serializar diversos módulos especializados. 0 cartão de acordo com a invenção pode compreender um primeiro módulo de compressão de dados cuja saída é dirigida para um módulo de codificação.

Durante o processamento de dados pela polarização do canal rápido, os outros meios de comunicação permanecem disponíveis, particularmente a ligação de E/S descrita na norma ISO 7816 ou a ligação de não contato do tipo ISO 14443.

Desse modo, é possível transferir a informação de controle por esses meios, a referida informação sendo usada para a transmissão de informação de gerenciamento do cartão, tal como, por exemplo, os parâmetros dos módulos de decodificação ou os direitos anexados a esses parâmetros.

De acordo com a invenção, os meios de multiplexação compreendem meios de extração e injeção, a fim de separar certos tipos de dados do fluxo de dados. Um fluxo de dados numéricos para televisão paga compreende dados úteis, tais como dados de áudio ou vídeo e de controle. Quando esse fluxo é dirigido para o canal rápido, é necessário extrair os dados de controle que contêm a informação sobre as chaves de decodificação, bem como as várias informações de gerenciamento.

Esse módulo de extração e injeção é personalizado pelo microprocessador e quando uma mensagem corresponde aos critérios de reconhecimento, essa mensagem é dirigida para o microprocessador.

Os dados processados por esse cartão são, em geral, organizados em blocos. Cada bloco começa por um identificador de bloco e descreve o tipo de informação contida no referido bloco.

Na função inversa, que é a codificação de dados, esse módulo pode inserir dados de controle no fluxo que chega do barramento rápido. Esses dados de controle são gerados pela unidade central, por exemplo, para qualificar o fluxo de dados, transmitir as palavras de controle na forma codificada ou transmitir informação de roteamento. Com essa finalidade, esse módulo compreende uma memória de armazenamento temporário, que recebe os blocos de dados que chegam do barramento rápido e os blocos de dados que chegam da unidade central. Se a memória de armazenamento temporário contém um bloco de dados de controle, ele é inserido no fluxo no final de um bloco de dados que chega do barramento rápido. Esse fluxo é, então, transmitido para o módulo de configuração para ser dirigido para a porta de saída rápida.

Graças a essa estrutura é possível processar todo o fluxo no interior do cartão inteligente, dessa maneira aumentando grandemente a segurança dos dados. Também é possível criar um fluxo completo de dados codificados ou decodificados no interior do cartão, incluindo a informação de gerenciamento, como palavras de controle.

De acordo com uma concretização, o canal rápido segue as normas USB (Universal Serial Bus - Barramento Serial Universal). A particularidade dessa interface é que os sinais usam duas conexões, uma para os dados que entram (IN) e a outra para os dados que saem (OUT). 0 cartão inteligente de acordo com a invenção compreende um módulo de detecção de protocolo, que permite que ele se adapte ao protocolo USB e que o converte no protocolo interno do cartão inteligente, por exemplo, através da regeneração do "clock". A presente invenção será melhor compreendida com a ajuda da figura anexa, tomada como um exemplo não limitativo, em que o desenho único representa a arquitetura de um cartão inteligente e sua leitora, de acordo com a invenção.

Nessa figura estão representados os dois tipos de ligação do estado da técnica, isto é, a ligação galvânica (A) e a ligação sem contato (B) . Embora os cartões conhecidos, normalmente, compreendam apenas uma dessas ligações, é possível, por razões de compatibilidade, produzir esse cartão. A ligação de E/S é dirigida para um UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter - Transmissor Receptor Assíncrono Universal), que é acoplado a uma memória de armazenamento temporário (BUF). Os sinais que chegam no UART são formatados e filtrados, a fim de eliminar os ruídos e outras interferências. A memória de armazenamento temporário (BUF) é usada para armazenar os dados que entram antes que eles sejam processados pelo microprocessador.

Um processamento similar é realizado pelo canal sem contato (B) . Os sinais emitidos pela leitora são usados ao mesmo tempo para alimentar o cartão. Isso é porque a antena do cartão (20) tem uma função quádrupla, isto é, transmitir e receber os dados entre o cartão e a leitora, para proporcionar um relógio para o microprocessador e alimentar o cartão. 0 módulo de abastecimento (SPL) transforma a portadora de alta freqüência em uma tensão que é utilizável pelo cartão. Acima desse módulo está um módulo de configuração do sinal modulado, tal como um modem. A tensão assim obtida é transmitida para um módulo de gerenciamento de abastecimento PWRM encarregado da seleção da fonte de abastecimento, particularmente quando diversas fontes estão disponíveis. Na concretização onde o cartão é abastecido galvanicamente pela leitora, o módulo de gerenciamento de abastecimento (PWR) seleciona principalmente a corrente galvânica que chega da leitora. Essa tensão regulada VP é, então, distribuída para os elementos do cartão. A informação decodificada pelo UART está, então, acessível no barramento padrão (STB) representado com uma linha espessa na figura. Esse barramento permite ligar todos os módulos entre si com a unidade central (CPU) como controladora de gerenciamento. Para as suas necessidades de memória, o cartão tem um conjunto de memórias (MEM) composto de uma memória de programa (ROM ou NVRAM) , uma memória de trabalho (RAM) e uma memória de salvamento (NVRAM) . Essas diferentes memórias podem ser gerenciadas por um gerenciador de memórias (MM) . Esse módulo também compreende o gerenciamento dos direitos de acesso à diferentes memórias. 0 cartão de acordo com a invenção compreende um segundo barramento rápido (HSB) representado por uma linha tracejada na figura. Esse barramento HSB pode ser do tipo paralelo ou em série e permite velocidades de mais de Mb/s. Os módulos conectados nesse barramento também são conectados no barramento padrão para transmissão das inicializações, das chaves e outra informação de personalizações. No barramento HSB rápido estão conectados módulos de codificação-decodificação especializados de acordo com os diferentes protocolos suportados. Dessa maneira, módulos do tipo IDEA, DES, DES-triplo, Hash ou AES são previstos. Além disso, outros módulos especializados, tais como módulos de compressão ou de descompressão podem ser adicionados de acordo com as necessidades.

Um módulo usando a tecnologia FPLA (Field Programmable Logic Array - Matriz Lógica de Campo Programável) permite programar as operações de algoritmos de codificação futura. A unidade central CPU pode configurar esse módulo para realizar as operações necessárias para a codificação de informação ou qualquer outra função. Esse tipo de módulo normalmente dispõe os blocos de função única (registrador de deslocamento, XOR, por exemplo) , que são conectados de acordo com as necessidades para realizar a função complexa escolhida.

Um aspecto importante da invenção é representado pelos elementos que compõem o canal rápido. Um primeiro módulo de detecção de protocolo DP está encarregado da formatação dos sinais e do reconhecimento do protocolo usado. Os sinais são convertidos de acordo com o protocolo interno, por exemplo, em uma série de barramentos sincronizados com três fios. Esse módulo está encarregado da adaptação à norma definida para o interfaceamento externo. A detecção do protocolo é feita automaticamente, por exemplo, dependendo da presença ou da ausência de um sinal de "clock" ou da freqüência de transmissão que é usada.

Uma vez que os sinais são formatados de acordo com um protocolo conhecido, os sinais são dirigidos para o multiplexador MUX. Esse módulo permite enviar os sinais para o módulo alvo de acordo com as necessidades. A unidade central CPU pode, por exemplo, configurar o multiplexador para enviar os sinais do canal rápido para o módulo de codificação de IDEA. Quando do fluxo, o módulo de extração e injeção FF analisa os dados e extrai aqueles que respondem aos critérios programados. Quando os critérios de reconhecimento são satisfeitos, uma interrupção é gerada pelo módulo de extração e injeção FF, que informa à unidade central CPU da disponibilidade desses dados. 0 módulo multiplexador MUX pode, igualmente, enviar os dados para a unidade central CPU se as capacidades de processamento de fluxo de dados são suficientes. É possível, igualmente, integrar ao módulo de MUX uma memória de armazenamento temporário para armazenar os dados temporariamente antes que o módulo alvo possa processá-los.

Como é descrito acima, o módulo de extração e injeção FF funciona em ambas as direções e permite inserir os blocos de controle em direção ao canal rápido. É conhecido que esse tipo de cartão não tem um gerador de "clock" interno, mas que é dependente dos sinais de "clock" que chegam da leitora. Em nosso caso, temos três fontes de "clock" possíveis, o CLK de entrada clássico de acordo com a norma ISO 7816, o relógio Cl extraído da transmissão sem contato ou o relógio que acompanha o barramento rápido C2. 0 módulo de gerenciamento de relógio CLKM gerencia essas fontes diferentes e verifica se o cartão recebe os pulsos de relógio. Esse módulo também compreende meios para multiplicar ou dividir a freqüência de acordo com as necessidades. Esse módulo pode produzir diversos sinais de pulso de relógio de acordo com as necessidades, por exemplo, uma primeira freqüência para a unidade central CPU e uma segunda freqüência para os módulos rápidos (DVD, PKC, IDEA...). O gerenciamento das diferentes fontes de relógio responde aos critérios definidos em termos de hierarquia. A ordem de prioridade é, normalmente, a fonte ISO 7816 (CLK) , então, a fonte de não contato ISO 14443 (Cl) e, finalmente, a fonte de canal rápido (C2). A presente invenção também se refere a uma leitora de cartões compreendendo meios para comunicação através de um canal rápido com o cartão inteligente.

Essa leitora deve ser capaz de se adaptar a um grande número de tipos de cartões, particularmente de gerações diferentes. A interface da leitora com o computador é vantajosamente a porta USB, permitindo transferências rápidas de dados. 0 cartão inteligente pode não suportar o protocolo e requerer uma conexão de três fios (IN, OUT, CLOCK) . Nesse caso, a leitora compreende uma interface que permite converter os sinais, respondendo à norma USB em um protocolo aceitável para o cartão. Deve ser notado que a identificação do tipo de cartão e também de suas capacidades de comunicação é realizada pelos canais tradicionais bem definidos na norma.

Esses canais podem ser do tipo ISO 7816 (galvânicos) ou do tipo ISO 14443 (canal eletromagnético).

De acordo com uma concretização particular da leitora, o módulo de extração e injeção FF está localizado no interior da leitora. Dessa maneira, todo o fluxo pode chegar pelo canal rápido, por exemplo, pela interface USB e é nessa leitora que o reconhecimento das mensagens de gerenciamento será feito. Estas últimas serão enviadas pelo canal tradicional para o cartão inteligente.

Claims (6)

1. Cartão inteligente compreendendo uma roseta de oito contatos do tipo ISO 7816, compreendendo um módulo de decodificação, uma unidade central (CPU) ligada a um primeiro barramento (STB) , pelo menos um canal bidirecional padrão (A) e um canal em série de alta velocidade (DP, FF) ligado às conexões não usadas pelo canal bidirecional padrão, em que o canal de alta velocidade em série é conectado a um segundo barramento (HSB) e pelo fato de compreender uma pluralidade de módulos de codificação- decodificação (IDEA, FPLA) ligados pelo segundo barramento (HSB), os referidos módulos de codificação-decodificação sendo igualmente ligados ao primeiro barramento (STB) e à unidade central (CPU), caracterizado pelo fato de que compreende um módulo de multiplexação (MUX) ligando os referidos módulos de codificação-decodificação ao canal de alta velocidade em série, o referido módulo de multiplexação (MUX) sendo ligado ao segundo barramento (HSB) e ao primeiro barramento (STB).

2. Cartão inteligente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato desses módulos de codificação- decodif icação serem do tipo tal como IDEA, AES, Hash, DES ou DES triplo.

3. Cartão inteligente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o módulo de multiplexação (MUX) ser conectado em configuração estrela e permitir serializar diversos módulos de codificação-decodificação.

4. Cartão inteligente, de acordo com as reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender um módulo de extração e injeção (FF) encarregado de receber e comparar os dados do canal de alta velocidade com os valores predefinidos e de transmitir os dados reconhecidos para a unidade central (CPU)

5. Cartão inteligente, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o módulo de extração e injeção (FF) compreender uma entrada de dados de controle e uma memória de armazenamento temporário permitindo inserir esses dados no fluxo de dados que chega do barramento de alta velocidade (HSB).

6. Cartão inteligente, de acordo com as reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de o canal bidirecional padrão ser do tipo sem contato de acordo com ISSO 14443.