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網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)中IC卡讀寫(xiě)器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)安全問(wèn)題，提出了一種完整的智能IC卡讀寫(xiě)器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。此方案討論了基于單片機(jī)的IC卡讀寫(xiě)器硬件和軟件設(shè)計(jì)、基于PC/SC行業(yè)規(guī)范的讀寫(xiě)器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和IC卡的軟硬件選取。隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式正發(fā)生著巨大的變革。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NC）的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的革新，代表著未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)可以采用開(kāi)放源碼操作系統(tǒng)，為發(fā)展帶有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。在開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)中，Linux是一種較好的選擇。它源代碼公開(kāi)，可以根據(jù)要求自行剪裁并且穩(wěn)定，對(duì)資源要求低，有大量應(yīng)用軟件支持。按照網(wǎng)絡(luò)電腦的特定需求，可以開(kāi)發(fā)出具有自主智能產(chǎn)權(quán)的CPU，從而提高網(wǎng)絡(luò)電腦的安全。網(wǎng)絡(luò)電腦走的是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集中式管理的道路，具有成本低廉、管理費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)。
為此，國(guó)家863計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)主題發(fā)展規(guī)劃提出了以下要求：組織優(yōu)勢(shì)力量，研究網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，研制網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品，選擇若干典型應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)行應(yīng)用示范，以此推動(dòng)國(guó)產(chǎn)微處理器芯片和系統(tǒng)軟件的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)電子政務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教育、金融、社區(qū)服務(wù)、企業(yè)管理等方面的信息化建設(shè)。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的安全問(wèn)題顯得非常突出。尤其在某些特殊領(lǐng)域，如電子政務(wù)等，安全問(wèn)題顯得極端重要。目前，在計(jì)算機(jī)安全方面，有各種不同的方法，但效果都不太好。本文提出的智能IC卡技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)是一種全新的方法，能夠很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的安全。智能IC卡（Smart IC）具有較高的安全性，以前主要用在金融、電信等領(lǐng)域，筆者把此技術(shù)推廣應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，以提高安全性。智能IC卡本身含有自行研制的COS（Chip OS）和加密算法，并采用多密鑰、多加密算法體系，對(duì)所有的敏感數(shù)據(jù)文件加密保護(hù)。如圖1所示。
IC卡子系統(tǒng)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的核心，它保存了加密算法所需要的私有密鑰，供加密算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密使用。
1 IC卡讀寫(xiě)器硬件開(kāi)發(fā)方案
IC卡作為一種信息技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)領(lǐng)域，如金融、電信等，不同領(lǐng)域均有各自不同的應(yīng)用特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求。IC卡在某一領(lǐng)域的應(yīng)用，必須適應(yīng)該領(lǐng)域的特點(diǎn)。國(guó)際上有關(guān)組織及部分針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的不同要求，制定了IC卡在某一領(lǐng)域應(yīng)用所應(yīng)參考或遵循的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)所有智能IC卡都必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO/IEC 7816國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。讀寫(xiě)器的硬件也必須遵循ISO/IEC 7816國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
ISO/IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)要求IC卡與IC卡讀寫(xiě)器使用串行通信，時(shí)序要求非常嚴(yán)格。常用的MCS51系列單片機(jī)速度較慢，每個(gè)指令周期需要12個(gè)機(jī)器周期，較難達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)所要求的嚴(yán)格時(shí)序。Microchip公司的PIC系列單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，每個(gè)指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，并且除轉(zhuǎn)移指令外，所有指令都可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，速度較快，能夠滿足該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)時(shí)序的嚴(yán)格要求。所以采用一片PIC16C73單片機(jī)作為IC卡讀寫(xiě)器的控制器。
讀寫(xiě)器與IC卡的通信，采用半雙工的ISO 7916-3字符幀協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。3.57MHz的晶振為IC卡和讀寫(xiě)器提供時(shí)鐘。在缺省工作方式下，IC卡和讀寫(xiě)器的通信速率為9600bps。即時(shí)鐘頻率為3.57MHz，每372個(gè)時(shí)鐘輸入或輸出一個(gè)比特位。在未來(lái)需要較高通信速度時(shí)，可以在對(duì)程序作較小改動(dòng)的前提下，提高晶振頻率，如采用2×3.57MHz的晶振。
IC卡讀寫(xiě)器與NC之間的通信，可以采用USB接口、并口、串口、PS/2口等多種方案。采用USB接口可以實(shí)現(xiàn)即插即用和熱拔插等功能。但使用USB接口，電路和協(xié)議都很復(fù)雜，并且增加USB接口器件會(huì)較大地增加系統(tǒng)成本。并口有較高的通信速度，但通信線路較多，硬件比較復(fù)雜，可靠性不好，且IC卡讀寫(xiě)器并不需要太高的通信速度，故使用并口也不是理想的方案。而PS/2口一般固定給鍵盤和鼠標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)使用，使用PS/2口就會(huì)占用這些標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的接口，故也不在考慮范圍之內(nèi)。使用串口通信雖然速度慢，但卻具有硬件成本低、軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。而通信速度完全可以滿足IC卡讀寫(xiě)器的要求。所以IC卡讀寫(xiě)器采用了RS232串口與NC主機(jī)通信的方案。
整個(gè)系統(tǒng)使用5V電壓供電。IC卡讀寫(xiě)器采用低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電源從RS232接口的信號(hào)線上獲得。RS232接口的電壓為±12V,經(jīng)過(guò)電源穩(wěn)壓器件LP2950將12V電壓變?yōu)?5V，給IC卡讀寫(xiě)器所有器件提供電源。
IC卡讀寫(xiě)器硬件的原理框圖如圖2所示。
IC卡各引腳接到單片機(jī)I/O口上，由單片機(jī)對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)。由于PC（NC）機(jī)的RS232接口電平與單片機(jī)的邏輯電平不同，所以需要對(duì)串口信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖2中使用了電平轉(zhuǎn)換器件。它把單片機(jī)的TTL邏輯電平轉(zhuǎn)化為RS232接口的±12V電平，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與RS232的透明傳輸。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)直接接在RS232接口上。
2 IC卡讀寫(xiě)器軟件開(kāi)發(fā)方案
IC卡讀寫(xiě)器驅(qū)動(dòng)程序由讀寫(xiě)器與IC卡通信的通信程序、讀寫(xiě)器與NC或PC通信的通信程序以及NC與讀寫(xiě)器通信的驅(qū)動(dòng)程序三部分組成。其中，NC與IC卡讀寫(xiě)器通信的程序符合PC/SC規(guī)范，它與PC/SC規(guī)范的中間件結(jié)合，向應(yīng)用程序提供符合PC/SC規(guī)范的API函數(shù)。
2.1 讀寫(xiě)器與IC卡通信的通信程序
該通信程序采用ISO 7816-3字節(jié)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)編制。使用T=0，即字符協(xié)議，主要實(shí)現(xiàn)與IC卡的通信。由于選用的時(shí)鐘為3.57MHz，在IC卡I/O口默認(rèn)的9600bps通信速度下，每隔372個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖，I/O狀態(tài)可能變化一次。所以，為了準(zhǔn)確讀取IC卡I/O狀態(tài)，在IC卡輸出的每一位脈沖中間，即I/O啟動(dòng)186個(gè)時(shí)鐘周期后，讀取I/O狀態(tài)。為了排除可能的干擾，在186個(gè)時(shí)鐘周
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