CN103336977A - 车辆电子信息卡安全保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆电子信息卡安全保护系统及方法，该系统包括RFID读写设备及插在其上的PSAM卡、车辆电子信息卡、以及包含初始化模块、鉴权模块和访问密钥动态生成模块的软PSAM卡，初始化模块用于PSAM卡的初始化设置；鉴权模块用于对PSAM卡进行鉴权认证；所述访问密钥动态生成模块生成车辆电子信息卡的访问密钥，所述访问密钥由RFID读写设备返回给系统，实现车辆电子信息卡数据的安全保护。与现有技术相比，本发明是一种安全、可靠的“软PSAM+硬PSAM”双安全核架构方法，车辆电子信息卡的访问密钥不需存储于RFID读写设备、采集设备或数据中心，提高了车辆电子信息卡内数据的安全性，提升了RFID读写设备的读写速度和效率，实现了访问密钥生成的动态性。

Description

车辆电子信息卡安全保护系统及方法

技术领域

本发明涉及信息保护技术，特别是涉及一种车辆电子信息卡“软PSAM+硬PSAM”双安全核架构。

背景技术

车辆电子信息卡将有关车辆身份的数字化信息存储于其中，使用时固定安装在车辆前挡风玻璃上，这样一来，存储在车辆电子信息卡中的信息就可以由RFID读写设备（比如阅读器）直接读取，所以该技术的识别可靠性较高。但是，车辆电子信息卡中的数据若被轻易读取并非法利用，将会对车辆的信息安全造成不可估量的损失。

现有技术中车辆电子信息卡的访问密钥可以对车辆电子信息卡中的数据进行读保护，对于防止车辆电子信息卡中的信息被他人非法利用具有重要意义。

车辆电子信息卡包括Reserved、EPC、TID和USER四个数据存储区：

Reserved区中存储访问口令（Access Password）和杀死口令（Kill Password）；EPC区为首先对外暴露的区域，任何RFID读写设备（比如阅读器）或采集设备都可随意读取；TID区为出厂时，由厂家统一设定的唯一编码；USER区用来存储与系统需求相关的信息。在未获得正确访问密钥的情况下，RFID读写设备（比如阅读器）或采集设备不能读出Reserved区和USER区中的数据，而EPC区和TID区能被随意读取。

PSAM卡指终端安全控制模块，内嵌于各类终端设备，为其提供IC卡级别的安全保护。PSAM卡除具备用户卡功能外，还具有计算功能。PSAM中增加了计算型密钥。PSAM卡主要应用于商用POS，网点终端，直连终端等设备上，具有安全控制管理功能，支持多级发卡机制，适用于多应用环境。符合ISO/IEC 7816系列国际标准，《中国金融集成电路（IC）卡规范》，《社会保障（个人）卡规范》，《中国金融IC卡试点PSAM应用规范》。

PSAM卡具有以下特点：

1.支持一卡多应用，各应用之间相互独立（多应用、防火墙功能）。

2.支持多种文件类型包括二进制文件，定长记录文件，变长记录文件，循环文件，钱包文件。

3.在通讯过程中支持多种安全保护机制（信息的机密性和完整性保护）。

4.支持多种安全访问方式和权限（认证功能和口令保护）。

5.支持中国人民银行认可的DES、3DES算法、SM1和SM7国密算法。

6.支持多级密钥分散机制，产生《中国金融集成电路（IC）卡规范》中定义的MAC1和校验MAC2。

7.支持多级密钥分散机制，用分散后的密钥作为临时密钥对数据进行加密、解密、MAC等运算，以完成终端与卡片之间的合法性认证等功能。

8.支持多种通讯协议：接触界面支持T=0（字符传送）和T=1（块传送）通讯协议。接触界面符合PPS协议，支持多种速率选择。

9.支持多种容量选择可选择8K、16K字节EEPROM空间

目前，对于车辆电子信息卡中数据的读保护，主要是基于Gen2协议的特点以及当前车辆电子信息卡的特性，其具体操作方式为：先将所有访问密钥列表存储在RFID读写设备（比如阅读器）的PSAM卡中，利用EPC区中的部分或全部数据作为获取访问密钥的索引，对车辆电子信息卡进行读取时，根据存储在EPC区中的访问密钥索引，从插在RFID读写设备（比如阅读器）中的PSAM卡中获取对应的访问密钥；还可将所有访问密钥列表存储在数据中心，根据存储在EPC区中的访问密钥索引，从数据中心获取访问密钥。

以上对车辆电子信息卡进行读保护的方式，有效地利用了首先读取EPC区，利用EPC区作为获取访问密钥的索引，需要将访问密钥存储在PSAM卡或数据中心，在一定程度上保障了访问密钥的安全性。

但在实际的应用中，如果将访问密钥存储在RFID读写设备（比如阅读器）的PSAM（终端安全控制模块）卡中，一旦插在RFID读写设备（比如阅读器）上的PSAM卡被盗，信息将是不安全的；另外，每次读取车辆电子信息卡中的信息时，须从PSAM卡中检索访问密钥，耗费时间相对较长，不能有效地支持车速较高、车辆并行的实际应用需求；在对访问密钥进行更新时，需要对每个RFID读写设备（比如阅读器）PSAM卡中的访问密钥进行更新，在实际的应用环境中统一更新的难度较大。这些正是与本发明最接近的现有技术存在的技术缺陷。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种车辆电子信息卡“软PSAM+硬PSAM”双安全核架构方法，基于PSAM卡特性和RFID射频识别技术，实现车辆电子信息卡的初始化、访问密钥动态生成和访问密钥更新三大应用。

本发明提出了一种车辆电子信息卡安全保护系统，该系统包括RFID读写设备及插在其上的PSAM卡、车辆电子信息卡、以及，包含初始化模块、鉴权模块和访问密钥动态生成模块的软PSAM卡，其中：

所述初始化模块由RFID读写设备调用，用于PSAM卡的初始化设置；

所述鉴权模块由RFID读写设备调用，用于对PSAM卡进行鉴权认证；

所述访问密钥动态生成模块，用于在上述鉴权认证成功后，根据路面RFID读写设备采集到车辆电子信息卡中信息，生成车辆电子信息卡的访问密钥，所述访问密钥由RFID读写设备返回给系统，实现车辆电子信息卡数据的安全保护。

所述访问密钥配对成功后，由RFID读写设备访问车辆电子信息卡，返回车辆电子信息卡数据。

本发明还提出了一种车辆电子信息卡安全保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

RFID读写设备调用软PSAM中的鉴权认证模块；

读取PSAM卡中设备唯一码进行PSAM卡鉴权认证，

若鉴权认证成功，

RFID读写设备从车辆电子信息卡返回有效车辆电子信息卡的EPC信息；

调用访问密钥动态生成模块，生成访问密钥；

向RFID读写设备返回访问密钥；

实现车辆电子信息卡的安全保护。

所述访问密钥配对成功后，由RFID读写设备访问车辆电子信息卡，返回车辆电子信息卡数据。

与现有技术相比，本发明结构简单、设计科学合理、制作成本较低，车辆电子信息卡的访问密钥不需存储于RFID读写设备（比如阅读器）、采集设备或数据中心，使用PSAM卡对RFID读写设备进行鉴权，提高了车辆电子信息卡内数据的安全性，提升了RFID读写设备的读写速度和效率，实现了访问密钥生成的动态性，是一种安全、可靠的车辆电子信息卡“软PSAM+硬PSAM”双安全核架构方法。

附图说明

图1为本发明的车辆电子信息卡EPC区存储数据结构图；

图2为本发明的车辆电子信息卡初始化流程图；

图3为本发明的车辆电子信息卡访问流程图；

图4为本发明的PSAM卡鉴权模块的鉴权算法流程图；

图5为本发明的PSAM卡鉴权模块在系统中的流程时序图

图6为本发明的车辆电子信息卡初始化流程时序图；

图7为本发明的车辆电子信息卡访问流程时序图。

具体实施方式

下面通过具体实施例及附图对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明的车辆电子信息卡安全保护系统包括RFID读写设备及插在其上的PSAM卡、车辆电子信息卡、软PSAM卡（包含PSAM卡初始化模块、PSAM卡鉴权模块、车辆电子信息卡访问密钥生成模块）。PSAM指终端安全控制模块，内嵌于各类终端设备，为其提供IC卡级别的安全保护，除具备用户卡功能外，还具有计算功能，直连终端等设备上，具有安全控制管理功能，符合ISO/IEC7816系列国际标准。

如图1所示的EPC区存储数据结构示意图中，车辆电子信息卡的EPC区中存储版本号、密钥种子、指纹和随机码，分别占8bit，32bit、24bit和32bit。

如图2所示的初始化车辆电子信息卡的流程，这是车辆电子信息卡初次发行时进行的操作。具体包括以下步骤：

步骤1、根据随机时间生成版本号。

步骤2、根据版本号调用密钥种子生成算法生成密钥种子。

步骤3、根据随机改写EPC码算法，得到EPC随机码。

步骤4、将版本号、密钥种子、指纹和EPC随机码写入EPC区。

步骤5、根据版本号调用访问密钥生成算法结合密钥种子生成访问密钥。

步骤6、将车辆涉密信息写入USER区。

步骤7、将访问密钥写入车辆电子信息卡的Reserved区，锁定车辆电子信息卡，完成初始化操作。

如图3所示，通过路面RFID读写设备（比如阅读器）采集车辆电子信息卡中信息时，根据EPC区中的密钥种子和版本号生成访问密钥的流程，包括以下步骤：

步骤1、对RFID读写设备（比如阅读器）作清点操作，获取EPC信息；

步骤2、根据EPC区信息得到指纹；

步骤3、若指纹符合要求，根据EPC区信息通过内置访问密钥生成算法生成访问密钥；

步骤4、RFID读写设备（比如阅读器）加载访问密钥读取USER区数据；

步骤5、获取成功，采集USER区数据；

步骤6、将USER区数据存储在RFID读写设备（比如阅读器）内定期或实时上传。

如图4所示，鉴权模块，实现了RFID读写设备（比如阅读器）通过PSAM卡两级密钥体系认证后，读取到PSAM卡中存储的RFID读写设备唯一码，并与从RFID读写设备中读取的设备唯一码进行合法性认证，具体包括以下步骤：

步骤1、对PSAM卡进行外部认证，

步骤2、外部认证通过，获取RFID读写设备唯一码；

步骤3、读取PSAM卡中存储的RFID读写设备唯一码；

步骤4、如果读取失败，将步骤2获取的RFID读写设备唯一码写入PSAM卡中；

步骤5、如果读取成功，比对PSAM卡中RFID读写设备唯一码和步骤2获取的RFID读写设备唯一码是否一致；

步骤6、如果一致，鉴权成功。

本发明的具体实施过程按照时序描述如下：

如图5所示，为PSAM卡鉴权模块在系统中的流程时序图，包括以下步骤：

PSAM卡鉴权流程中RFID读写设备（比如阅读器）与软PSAM以及PSAM卡之间依序包括的操作分为两步：第一步对PSAM卡初始化，RFID读写设备上电，启动嵌入式程序→调用软PSAM中的初始化模块执行初始化PSAM卡算法→软PSAM初始化硬PSAM，第二步PSAM卡鉴权认证，RFID读写设备调用软PSAM中的鉴权认证算法→软PSAM读取硬PSAM中设备唯一码→鉴权认证成功生成访问密钥→返回访问密钥到RFID读写设备，即实现了对于访问密钥生成算法的成功调用。

如图6所示，车辆电子信息卡初始化流程中依序包括的操作有：初始化应用程序向访问密钥生成模块发送初始化操作指令，由访问密钥生成模块进行的操作包括：生成伪随机数→生成版本号和密钥种子→生成访问密码→生成EPC区中的密钥种子数据；之后，将EPC和访问密码写入车辆电子信息卡，返回写入操作结果值，即实现初始化结果值返回。在车辆电子信息卡初始化的过程中，访问密钥由算法动态生成，初始化应用程序会将动态生成的访问密钥写入车辆电子信息卡，并在EPC第一块数据中正确写入访问密钥生成算法的版本。

如图7所示，车辆电子信息卡访问流程，包括以下步骤：

RFID读写设备调用软PSAM中的鉴权认证算法→软PSAM读取硬PSAM中设备唯一码→鉴权认证成功，RFID读写设备清点车辆电子信息卡→从车辆电子信息卡返回有效车辆电子信息卡的EPC信息→由访问应用程序调用访问密钥生成算法，生成访问密钥→向RFID读写设备返回访问密钥→由RFID读写设备访问车辆电子信息卡→返回车辆电子信息卡数据。

对于RFID读写设备（比如阅读器）来说，要正确读取车辆电子信息卡中携带的信息，就必须要知道访问密钥。由于RFID读写设备内部可以存储多种访问密钥生成算法，当RFID读写设备获得车辆电子信息卡的EPC区数据后，根据其中获取访问密钥生成算法的版本后号来调用正确的访问密钥生成算法，生成访问车辆电子信息卡需要的访问密钥。非法RFID读写设备在未得到访问密钥时，不能对车辆电子信息卡中的数据进行读写操作。

访问密钥生成算法，可以使用EPC区的部分数据（密钥种子信息的区块）作为种子。为了防止EPC数据被他人利用作为唯一标识，在RFID读写设备内部会有个随机改写EPC数据的算法。这样一来，在RFID读写设备具备应用程序模块更新的能力的前提下，系统的管理者可以实现对访问密钥生成算法以及随机改写EPC码算法的动态更新。

当初始化车辆电子信息卡或者有只更改车辆电子信息卡的访问密钥的需求的时候，需要一个密钥种子生成算法来使EPC区的某些区块的信息呈现出随机化的状态，尤其是那些作为密钥种子信息的区块，这样生成的访问密钥随机性更强。密钥种子生成算法应该具有和访问密钥生成算法相同的版本号。

若需要更新访问密钥时，首先，根据车辆电子信息卡原EPC区数据生成访问密钥，获取对车辆电子信息卡的读写权限；其次，车辆电子信息卡访问密钥动态生成算法重新生成新的EPC区数据和访问密钥；最后，将新生成的EPC区数据和访问密钥写入车辆电子信息卡，完成对车辆电子信息卡访问密钥的更新。

上述访问密钥动态生成模块的算法记载在申请人的另一件专利申请中，即，

申請號：CN201210312481.0

申请日：2012-08-29；

发明名称：车辆电子信息卡访问密钥动态生成方法；

该前案中关于车辆电子信息卡访问密钥动态生成方法的技术内容，摘录如下（参见说明书发明内容及权利要求部分）：

“车辆电子信息卡访问密钥动态生成方法，所述车辆电子信息卡包括Reserved、EPC、TID和USER四个数据存储区，且基于RFID射频识别技术，实现初始化、访问密钥动态生成和访问密钥更新，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化车辆电子信息卡：初始化应用程序向访问密钥生成系统发送初始化操作指令，根据随机时间产生版本号，再调用密钥种子算法，根据版本号生成密钥种子和EPC随机码，并将版本号、密钥种子、指纹和EPC随机码写入EPC区，最后将生成的访问密钥写入Reserved区；

密钥种子公式为：

$s_0=s_{-1}^2\mathrm{mod}n$

其中：定义n＝pq，p，q是两个满足p≡q≡3mod4的大素数，n是Blum整数，s_-1为选择的一个与n互素的随机整数；

步骤二、动态生成车辆电子信息卡访问密钥和EPC随机码：访问应用程序清点车辆电子信息卡从车辆电子信息卡获得EPC区存储信息，根据EPC区存储的指纹信息验证车辆电子信息卡的身份，如果符合要求则获取对车辆电子信息卡的读写权限，调用访问密钥生成算法，根据存储在EPC区中的密钥种子和版本号动态生成访问密钥；

访问密钥公式为：

f(s₀)＝(z₁，z₂，…，z_l)

其中

$s_0=s_{-1}^2\mathrm{mod}n$

z_i＝s_imod2

l为访问密钥的位数，s_i为访问密钥的第i位的数，经过z_i＝s_imod2后，z_i为访问密钥的第i位的数（此时z_i的值为0或1），生成的访问密钥f(s₀)＝(z₁,z₂,…,z_l)为0、1bit串；s₀是前面算出的访问密钥的种子；

根据所选取n的不同（即素数对p，q的选取的不同）来区分不同的版本，即不同的版本号对应不同的n；

EPC随机码计算公式为：

将密钥种子s₀作为种子，利用公式

s_i+1＝(a×s_i+b)mnc      0≤i≤l-1

其中，n，a，b为整数；

生成EPC随机码

g(s₀)＝(z₁,z₂,…,z_l)

l为EPC随机码的位数，s_i为EPC随机码的第i位的数，z_i为EPC随机码的第i位的数；

z_i＝s_imod2，

生成的EPC随机码g(s₀)＝(z₁,z₂,…,z_l)为0、1bit串；

步骤三、更新访问密钥：首先根据车辆电子信息卡原EPC区数据生成访问密钥，获取对车辆电子信息卡的读写权限；其次，车辆电子信息卡访问密钥动态生成算法重新生成新的EPC区数据和访问密钥；最后，将新生成的EPC区数据和访问密钥写入车辆电子信息卡，完成对车辆电子信息卡访问密钥的更新。

初始化车辆电子信息卡的步骤仅需在车辆电子信息卡初次发行时执行一次。

EPC区中存储信息包括版本号、密钥种子、指纹和随机码，分别占8bit，32bit、24bit和32bit。

指纹，用来验证车辆电子信息卡是否为本系统发行的。

该方法在仅需更改车辆电子信息卡的访问密钥的时候，调用密钥种子生成算法来使EPC区中的密钥种子信息区块的数据呈现出随机化的状态，使得密钥种子生成算法具有和访问密钥生成算法相同的版本号。

EPC区的密钥种子信息区块的数据进行随机更新，实现对访问密钥生成算法以及随机改写EPC码算法的动态更新。”

Claims (4)

1.一种车辆电子信息卡安全保护系统，其特征在于，该系统包括RFID读写设备及插在其上的PSAM卡、车辆电子信息卡、以及包含初始化模块、鉴权模块和访问密钥动态生成模块的软PSAM卡，其中：

所述初始化模块由RFID读写设备调用，用于PSAM卡的初始化设置；

所述鉴权模块由RFID读写设备调用，用于对PSAM卡进行鉴权认证；

所述访问密钥动态生成模块，用于在上述鉴权认证成功后，根据路面RFID读写设备采集到车辆电子信息卡中EPC码，生成车辆电子信息卡的访问密钥，所述访问密钥由RFID读写设备返回给系统，实现车辆电子信息卡数据的安全保护。

2.如权利要求1所述的车辆电子信息卡安全保护系统，其特征在于，所述访问密钥配对成功后，由RFID读写设备访问车辆电子信息卡，返回车辆电子信息卡数据。

3.一种车辆电子信息卡安全保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

RFID读写设备调用软PSAM中的鉴权认证模块；

读取PSAM卡中设备唯一码进行PSAM卡鉴权认证，

若鉴权认证成功，

RFID读写设备从车辆电子信息卡返回有效车辆电子信息卡的EPC信息；

调用访问密钥动态生成模块，生成访问密钥；

向RFID读写设备返回访问密钥；

实现车辆电子信息卡的安全保护。

4.如权利要求3所述的车辆电子信息卡安全保护方法，其特征在于，所述访问密钥配对成功后，由RFID读写设备访问车辆电子信息卡，返回车辆电子信息卡数据。

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