CN101051291A - 一种智能卡与u盘复合设备及其通过认证程序控制闪存读写的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能卡与U盘复合设备及其通过认证程序控制闪存读写的方法。Applet认证程序是一个运行在智能卡操作系统上的应用程序，可按照某一个逻辑实现访问控制，而且Applet认证程序可以下载和删除。将智能卡技术(Java卡)和智能卡与U盘复合设备控制技术相结合的方法，并利用安装在其上的具有访问控制逻辑的Applet认证程序，可以实现智能卡与U盘复合设备资源的控制访问，只要满足一定的安全条件，使得具有智能卡特征的安全U盘更加安全和灵活，可广泛用于军队、国家保密部门和政府机关等部门与场所。

Description

一种智能卡与U盘复合设备及其通过认证程序控制闪存读写的方法

技术领域

本发明涉及信息安全、多应用智能卡、访问控制、USB存储技术

背景技术

U盘是广为使用的移动存储设备，多用于数据交换目的。但U盘自身缺乏安全保护机制，为U盘的使用带来了安全隐患，如数据交换时病毒或木马的引入或植入，同时也限制了U盘在某些领域的使用。

在U盘上增加访问控制方式有：口令、指纹等。口令方式的安全性较差，指纹方式需要另外的指纹认证模块才能实现。

智能卡技术也是一种访问控制技术，在身份认证、设备认证领域广泛应用。按照卡内片上系统实现机制分为文件系统卡和虚拟机卡。多应用智能卡是一种基于虚拟机技术的智能卡技术。目前智能卡技术多采用Java卡技术，其他还有.NET卡、Multos卡技术。前者占90％以上，而且按照Java卡技术开发的智能卡能达到的安全级别为EAL4+。

目前，智能卡技术已经取代文件系统卡技术被广泛应用于各个领域，如金融、电信、政府、军队等。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种将智能卡技术(Java卡)和智能卡与U盘复合设备控制技术相结合的方法，并利用在智能卡与U盘复合设备上安装的具有访问控制逻辑的Applet认证程序以实现对智能卡与U盘复合设备资源的控制访问，最终使得智能卡与U盘复合设备成为安全U盘。

本发明的技术方案如下：

一种智能卡与U盘复合设备装置，包括：主机端1，所述主机端1为具有USB接口的计算机、内存20、IO控制器30和闪存40，还包括：支持RSA、DH、ElGamal、ECC公钥算法，DES、3DES、AES对称密码算法和第三方加密算法的加密协处理器50、按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统203且通过所述加密协处理器50完成加解密运算的Z32UF安全控制器60，所述加密协处理器50集成在所述Z32UF安全控制器60芯片上；所述内存20、IO控制器30、闪存40、加密协处理器50、Z32UF安全控制器60构成智能卡与U盘复合设备2，所述主机端1通过USB接口与所述智能卡与U盘复合设备2连接在一起。

一种通过智能卡上的Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备闪存读写的方法，在所述智能卡与U盘复合设备2的所述Z32UF安全控制器60上安装有按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统203，其上运行有智能卡与U盘复合设备控制程序201和Applet认证程序113，通过所述智能卡上的Applet认证程序控制闪存读写的方法步骤如下：

①、待处理数据101，所述主机端1发送数据到所述智能卡与U盘复合设备2，此数据分为三种：

认证数据a，

写入/读取闪存的请求数据b，

其他数据c，

三种数据被所述智能卡与U盘复合设备的控制程序201接受，进入下一步，

②、所述智能卡与U盘复合设备的控制程序201检测数据包的类型201，

③、如果是所述认证数据a，发送到所述Applet认证程序113进行处理，

④、所述Applet认证程序113对所述认证数据a进行身份认证处理，

⑤、判断认证成功否？如果身份认证成功，所述Applet认证程序113通过所述智能卡操作系统203，激活所述闪存访问标记202，进入认证成功213，

⑥、否则，进入认证失败214，

⑦、如果是非认证数据，但系所述写入/读取闪存的请求数据b，则进入检查闪存访问标记215，

⑧、判断检查闪存访问标记215是否被激活216，如果未激活，进入103，抛弃该数据，

⑨、如果已激活，将该数据写入到所述闪存40中保存数据，否则进入101，返回相应的错误信息，

⑩、如果是所述其他数据c，则直接进入103扔掉，不对外返回任何信息。

所述加解密运算用于验证和签名。

所述智能卡操作系统203与所述智能卡与U盘复合设备2内的所述Z32UF安全控制器60、闪存40共存在一个单一芯片内或者一个电路板上。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下显著特点：

1、将智能卡技术(Java卡)和智能卡与U盘复合设备控制技术相结合，并利用在其上安装的具有访问控制逻辑的Applet认证程序可实现对智能卡与U盘复合设备资源的控制访问，使得智能卡与U盘复合设备成为安全U盘。

2、Applet认证程序是一个运行在智能卡操作系统上的应用程序，可按照某一个逻辑实现访问控制，而且Applet认证程序可以下载和删除，只要满足一定的安全条件，使得具有智能卡特征的安全U盘更加安全和灵活。

附图说明

图1-普通U盘的物理结构示意图

图2--智能卡与U盘复合设备的物理结构示意图

图3--智能卡与U盘复合设备内软件层次结构图

图4--本发明智能卡上Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备访问方法的示意图

图5--本发明智能卡与U盘复合设备的工作流程图

图--6主机端1与普通U盘通信框图

图--7主机端1与智能卡通信框图

图--8主机端1与智能卡和U盘复合设备2通信框图。

图--9主机端1通过两种SCSI指令与智能卡和U盘复合设备2通信示意图。

图--10主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送的三种数据示意图。

其中，1--主机端，智能卡与U盘复合设备所依附的主机，如PC机，2--智能卡与U盘复合设备，20--内存，30--IO控制器，40--闪存，用于保存数据的存储器，50--加密协处理器，60-Z32UF60安全控制器，113--Applet认证程序，201--智能卡与U盘复合设备的控制程序，202-闪存访问标记，101-第一种标准SCSI指令，102-第二种SCSI指令，103--智能卡指令，104-智能卡指令标记，201--智能卡与U盘复合设备控制程序，203--按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统。

具体实施方式

本发明通过智能卡上安装的Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备访问的方法，解决了智能卡与U盘复合设备自身缺乏安全保护机制的问题，使得智能卡与U盘复合设备最终成为安全U盘。

附图1是普通U盘的物理组成，主要由四个物理单元构成：Flash控制器10、内存20、IO控制器30和闪存40。

附图2是本发明智能卡与U盘复合设备物理结构图，和普通U盘类似，智能卡与U盘复合设备的物理组成也包括上述四个主要元素，除此之外还包括支持RSA、DH、ElGamal、ECC公钥加密算法、DES、3DES、AES对称密码算法和第三方加密算法的加密协处理器50及Z32UF安全控制器60。

智能卡与U盘复合设备中，Flash控制器10被32位的国产信息安全处理器芯片Z32UF安全控制器60取代，Z32UF安全控制器60包括智能卡控制器和USB控制器，内存也相应的变大(以满足运算需要)。在Z32UF安全控制器60中运行的系统也和普通U盘的完全不同，在保留了普通U盘使用的控制程序外，还包含一个按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统203，其上运行有智能卡与U盘复合设备控制程序201，通过加密协处理器50完成RSA、ECC、DH、ElGamal公钥加密算法、DES、3DES、AES对称密码算法和第三方加密算法(验证和签名)。

Z32UF安全控制器60还控制着闪存40，使之数据的进出是有条件的。在Z32UF安全控制器60的控制下，进入到闪存40的明文数据被加密保存，读出时自动解密，即以明文读出。

本发明中智能卡操作系统203与智能卡与U盘复合设备2内的Z32UF安全控制器60、闪存40共存在一个单一芯片内或者一个电路板上。

附图3是智能卡与U盘复合设备内软件层次结构图，表明Applet认证程序113与智能卡操作系统203的逻辑关系，智能卡操作系统203上运行有智能卡与U盘复合设备控制程序201和Applet认证程序113。

附图4是基于智能卡上Applet认证程序113控制智能卡与U盘复合设备2访问的示意图，图中虚线分割线的左边代表智能卡与U盘复合设备2的外部系统主机端1，如PC机，虚线右边代表本发明所述的智能卡与U盘复合设备2，其中，

主机端1：智能卡与U盘复合设备2所依附的主机，如PC机。

在智能卡与U盘复合设备2内除了智能卡与U盘复合设备控制程序201外，还存在一个按照Java卡技术规范实现的智能卡操作系统203。运行在其上的Applet认证程序113，其内部实现了对闪存资源访问控制逻辑。

智能卡与U盘复合设备控制程序201：智能卡与U盘复合设备内解析数据包内容的解释程序，主要解析认证数据、智能卡与U盘复合设备读取和写入的请求数据。

Applet认证程序113：运行在智能卡操作系统203上的应用程序，一般用Java语言编写，代表了某种身份识别逻辑。

智能卡操作系统203：按照Java卡技术规范实现的基于虚拟机技术的智能卡操作系统，负责运行Applet认证程序和闪存访问标记的维护

闪存访问标记202：在智能卡与U盘复合设备2内寄存器或EEPROM内保存的标记。此标记只能通过Applet认证程序113来激活和使之失效。

闪存40：一个NAND类型的存储芯片，用于保存数据。

智能卡操作系统203在内部设置一个控制智能卡与U盘复合设备闪存读写的标记202，该标记保存在受智能卡操作系统保护的区域内。即，除智能卡操作系统203外，其他的控制程序不能访问。但Applet认证程序113是可以控制这个标记的：当Applet认证程序允许(通过其实现的内部访问控制后)外界读写智能卡与U盘复合设备时将激活这个标记，否则将使这个标记失效。

当智能卡与U盘复合设备控制程序201接收到定向到智能卡操作系统203的数据时①，将交给Applet认证程序113进行处理②，处理的数据包括认证请求。在智能卡操作系统203的支持下，完成身份认证工作。

认证成功后，将通过Applet认证程序113激活闪存访问标记202③，否则使之无效。Applet认证程序113也处理外界使闪存访问标记202无效的指令，此时将使标记无效。即，闪存40不允许读写操作，由当定向到闪存40的指令时，首先检测闪存访问标记202④，如果是激活状态就允许进入闪存40⑤；否则直接扔掉，智能卡与U盘复合设备控制程序201对此标记是只读的，不能修改。

附图5示出了本发明智能卡与U盘复合设备(认证过程和写入/读取两个过程)的工作流程，具体实施步骤如下：

智能卡与U盘复合设备的外系统主机端1发送待处理数据101到智能卡与U盘复合设备2，此数据被智能卡与U盘复合设备控制程序201接受。此控制程序201将检测数据包的类型，如果是认证数据a，将发送到Applet认证程序113进行处理。Applet认证程序113按照其内置的逻辑进行身份认证处理211，如果身份认证211成功，Applet认证程序113通过智能卡操作系统203的帮助，激活闪存访问标记202，进入认证成功213，否则进入认证失败214。

如果是非认证数据，但系写入/读取闪存的请求数据b，此时需要检查闪存访问标记215是否被激活216，如果已激活，则将数据写入到闪存40中，否则抛弃数据到103，并返回相应的错误信息。如果即不是认证数据a也不是写入/读取闪存请求数据b的其他数据c，则进入103直接扔掉，不对外返回任何信息。

对于上述三种数据类型，本发明不作硬性规定，实施时可以设置相应的数据报头，以实现对三种数据的区分即可。

图6-图10是通信协议示意图。

下面以认证数据为例说明本发明的实施过程：

如以主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送认证数据，即“认证”命令，并获得智能卡和U盘复合设备2的响应结果和状态结果，需要三次指令交互：发送“认证”命令、“响应”命令和“状态字”命令。

如果智能卡和U盘复合设备2接收到“认证”命令，Applet认证程序113对认证数据进行验证，如果验证通过，将设置闪存访问标记202为1，表示激活成功213；如果验证未通过，则设置闪存访问标记202为0进入214，表示不能将数据保存在闪存40中。如果智能卡和U盘复合设备2接收到“响应”命令，返回空。如果智能卡和U盘复合设备2接收到“状态字”命令，将认证结果返回给主机端1。具体实施如下：

“认证”命令

认证命令内容为0x0180120000083131313131313131，主机端1将此数据通过SCSI Passthrough方式发送给智能卡和U盘复合设备2，请求认证。

“响应”命令

无。

“状态字”命令

状态字命令内容为0x03，主机端1将此数据通过SCSIPassthrough方式发送给智能卡和U盘复合设备2获得智能卡和U盘复合设备2的响应后的状态字。如果得到0x9000，表示认证成功，此时智能卡和U盘复合设备2已将闪存访问标记202设为1；如果得到非0x9000，则说明认证失败，而且智能卡和U盘复合设备2中的闪存访问标记202为0。

智能卡和U盘复合设备2是被动设备，即不能主动地向主机端1返回响应结果。只能由主机主动地发送标记为“响应”和“状态字”的指令取回结果。

上述认证数据的实施过程是基于以下第二种SCSI指令即对智能卡和U盘复合设备2的通信协议完成的：

①首先对智能卡和U盘复合设备2定义第二种SCSI指令102的数据格式，

②同时利用该第二种SCSI指令102，实现主机端1与智能卡和U盘复合设备2之间的数据通信。

定义第二种SCSI指令102数据格式的过程如下，

①、标准SCSI指令101的格式为：

SCSI命令头

数据

操作结果

其中“SCSI命令头”是外界向设备传送的命令数据，“数据”部分可以是外界发送的数据，也可以是设备向外界返回的数据，

②、智能卡指令103的格式为：

CLA

INS

P1

P2

Lc

Data

Le

其中，“CLA”代表了命令类，“INS”代表了指令，“P1和P2”代表了参数，“Lc”是“Data”域数据长度，“Data”是“Lc”指示的数据，“Le”是期望智能卡返回的数据长度。

③、第二种SCSI指令102的格式如下：

SCSI命令头

标记104+智能卡指令103＝102第二种SCSI指令

操作结果

其中“标记104”为智能卡指令标记104，定义其格式如下：

标记名称	标记	数据
			命令	{标记1}	智能卡的命令指令数据
响应	{标记2}	智能卡的响应指令数据
			状态字	{标记3}	智能卡的状态字数据

利用该第二种SCSI指令102，实现主机端1与智能卡和U盘复合设备2之间数据通信的步骤如下：

①主机端1发送标记为“命令”的数据，

②主机端1发送标记为“响应”的数据，取回响应结果，

③主机端1发送标记为“状态字”的数据，取回状态字。

1)、主机端1发送标记为“命令”的数据，将智能卡命令指令103打包成第二种SCSI指令102的数据，按照智能卡指令标记104中“命令”标记处理，然后发送给智能卡和U盘复合设备2，

2)、主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送标记为“响应”的数据，智能卡和U盘复合设备2响应结果的处理，由智能卡和U盘复合设备2上的Z32UF安全控制器60处理，其步骤为：

①标记响应数据，按照智能卡指令标记104中“响应”标记处理，

②标记状态字，按照智能卡指令标记104中“状态字”标记处理，

3)、主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送标记为“状态字”的数据，主机端1通过第二种SCSI指令102取得响应数据，直到取完，其步骤为：

①如果存在，即获得响应数据

②获得状态字。

第二种SCSI指令102的数据格式，即对智能卡和U盘复合设备2的通信协议。

下面以主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送一个“选择文件”命令，并发送“响应”、“状态字”标识得到智能卡和U盘复合设备2的响应数据和状态字的过程为例，说明该协议的实施过程：

1.定义三个标记，分别对应“命令”、“响应”和“状态字”三个标记，它们是：

命令标记      0x01

响应标记      0x02

状态字标记    0x03

2.主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送标识“命令”

对应标记为“命令”的数据是“选择文件”的APDU指令如下：

CLA	INS	P1	P2	Lc	Data	Le
							0x00	0xa4	0x04	0x00	0x02	0x3f01	无

其中Data部分代表智能卡和U盘复合设备中一个已有的文件标识(0x3f01)。

按照第二种SCSI指令格式定义发送的数据内容：0x0100a40400023f01，然后将此数据通过SCSI Passthrough方式发送给智能卡和U盘复合设备2。

3.主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送标识“响应”，按照第二种SCSI指令格式定义发送的数据内容：0x02，然后将此数据通过SCSI Passthrough方式发送给智能卡和U盘复合设备2。得到智能卡和U盘复合设备2的响应0x00。

4.主机端1向智能卡和U盘复合设备2发送标识“状态字”按照第二种SCSI指令格式定义发送的数据内容：0x03，然后将此数据通过SCSI Passthrough方式发送给智能卡和U盘复合设备2，得到智能卡和U盘复合设备2返回的状态字：0x9000。

本发明中的硬件产品均为国产市售产品，智能卡操作系统与各种应用程序均为公知技术。

通过智能卡上的Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备，具有很高的安全性和灵活性，尤其在须具有严格的访问控制特征的保密部门、军事机关等高保密级别的部门，市场需求非常巨大。

由于各个系统需求不一样，IT架构也存在很大的差异，基于智能卡技术的智能卡与U盘复合设备可以借助Applet认证程序的灵活性来解决这个问题。而且，加入上述的控制技术对智能卡与U盘复合设备的数据吞吐无任何影响。

本发明在安全性、可扩展性、灵活性等多方面性能优于已有的安全U盘产品，可直接用于军队、国家保密部门和政府机关等部门与场所。与本发明内容相同或相似的技术方案，应在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种智能卡与U盘复合设备装置，包括：主机端(1)，所述主机端(1)为具有USB接口的计算机、内存(20)、IO控制器(30)和闪存(40)，其特征在于：还包括：支持RSA、DH、ElGamal、ECC公钥算法，DES、3DES、AES对称密码算法和第三方加密算法的加密协处理器(50)、按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统(203)且通过所述加密协处理器(50)完成加解密运算的Z32UF安全控制器(60)，所述加密协处理器(50)集成在所述Z32UF安全控制器(60)芯片上；所述内存(20)、IO控制器(30)、闪存(40)、加密协处理器(50)、Z32UF安全控制器(60)构成智能卡与U盘复合设备(2)，所述主机端(1)通过USB接口与所述智能卡与U盘复合设备(2)连接在一起。

2、一种通过智能卡上的Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备闪存读写的方法，在所述智能卡与U盘复合设备(2)的所述Z32UF安全控制器(60)上安装有按照Java Card技术规范编制的智能卡操作系统(203)，其上运行有智能卡与U盘复合设备控制程序(201)和Applet认证程序(113)，其特征在于：

通过所述智能卡上的Applet认证程序控制闪存读写的方法步骤如下：

①、待处理数据(101)，所述主机端(1)发送数据到所述智能卡与U盘复合设备(2)，此数据分为三种：

认证数据(a)，

写入/读取闪存的请求数据(b)，

其他数据(c)，

三种数据被所述智能卡与U盘复合设备的控制程序(201)接受，进入下一步，

②、所述智能卡与U盘复合设备的控制程序(201)检测数据包的类型(201)，

③、如果是所述认证数据(a)，发送到所述Applet认证程序(113)进行处理，

④、所述Applet认证程序(113)对所述认证数据(a)进行身份认证处理，

⑤、判断认证成功否？如果身份认证成功，所述Applet认证程序(113)通过所述智能卡操作系统(203)，激活所述闪存访问标记(202)，进入认证成功(213)，

⑥、否则，进入认证失败(214)，

⑦、如果是非认证数据，但系所述写入/读取闪存的请求数据(b)，则进入检查闪存访问标记(215)，

⑧、判断检查闪存访问标记(215)是否被激活(216)，如果未激活，进入(103)，抛弃该数据，

⑨、如果已激活，将该数据写入到所述闪存(40)中保存数据，否则进入(101)，返回相应的错误信息，

⑩、如果是所述其他数据(c)，则直接进入(103)扔掉，不对外返回任何信息。

3、如权利要求1所述的一种智能卡与U盘复合设备，其特征在于：所述加解密运算用于验证和签名。

4、如权利要求2所述的一种通过智能卡上的Applet认证程序控制智能卡与U盘复合设备闪存读写的方法，其特征在于：所述智能卡操作系统(203)与所述智能卡与U盘复合设备(2)内的所述Z32UF安全控制器(60)、闪存(40)共存在一个单一芯片内或者一个电路板上。

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