基于Java Card的校園一卡通設計與研究

于璐　羅麗云

摘要：基于Java Card技術進行一卡通體系構造，提出了可信身份認證方案，并從帶權限的密鑰集選擇和動態(tài)口令生成兩個方面進行了研究，以消除存在的安全隱患。

關鍵詞：Java Card；Applet；校園一卡通；信息安全

DOIDOI：10.11907/rjdk.151521

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008015802

0 引言

隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、信息技術的高速發(fā)展，各高校普遍使用計算機信息系統(tǒng)來進行各個部門的管理工作。相較于傳統(tǒng)的“一個系統(tǒng)一張認證卡”的信息管理模式，當前更多人傾向于對認證信息進行集成。在單位數(shù)字化工程中，一卡通成為最為重要的信息關聯(lián)核心，能實現(xiàn)更為高效和人性化的服務及管理。然而，隨著信息的高度集成，一卡通在為人們提供便捷綜合認證服務的同時，其安全問題也隨之顯露。其中，如何實現(xiàn)身份的安全認證是一個亟待解決的問題。

1 基于Java Card技術的一卡通體系結構

一卡通的設計需要考慮其基本功能、安全性、多應用、跨平臺等方面，要求同一張卡片提供多種服務，且各業(yè)務之間不會相互影響，能夠獨立運行，這些要求通過Java Card技術能夠得到很好的解決。

1.1 Java Card技術

Java Card 技術是Sun公司結合Java技術和智能機技術推出的一種新的技術規(guī)范，提供了平臺獨立性，以及存儲和動態(tài)更新多種應用的能力。Java Card系統(tǒng)中包括虛擬機、框架層、企業(yè)添加類、應用程序等組成部分[1]。其中，Applet是在Java Card中運行的應用程序，每張卡可以有多個Applet程序，可以動態(tài)裝載到卡上或者從卡上刪除。這些程序分別提供不同的服務，如基本身份信息、電子錢包等，不同的Applet用application identifier（AID）來標識。Applet之間設置了防火墻相隔離，保證服務之間的獨立運行狀態(tài)。此外，為了完成合法的穿越防火墻訪問，JCRE 提供了服務共享（shareable）機制，如果1個applet希望為其它applet提供自己的某些服務， 可以通過服務共享機制允許其它applet穿越防火墻訪問自己共享的服務[2]。

1.2 校園一卡通架構

結合校園需求特點，校園一卡通系統(tǒng)綜合了借閱、門禁、用餐、信息房的使用、消費、賬務管理、結算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫娴膽谩Ｍㄟ^校園局域網(wǎng)，用戶可以查詢個人信息，服務中心系統(tǒng)也能夠對各功能的子系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，子系統(tǒng)之間也可以根據(jù)需要進行信息的傳遞與交流。整個業(yè)務系統(tǒng)主要分為4部分，分別是個人信息識別、電子消費、學生/職工管理、信息綜合查詢，如圖1所示。

圖1 校園一卡通整體架構

其中，個人信息識別主要涉及持卡人姓名、性別、照片信息、身份證號碼、出生年月、戶口所在地、系別、專業(yè)、校園身份（例如：學生、教師、行政人員、實習生等）、入學/入職時間、學號/教工號等相關個人信息，是個人信息的電子認證功能，為校園內的各種行為（如圖書館、考勤、門禁、網(wǎng)絡管理等）提供必要的身份認證；電子消費主要承擔銀行卡的相關功能，包括校園內部的小額消費和校園內的大額消費兩種；學生/職工管理主要涉及校內人員相關動態(tài)行為的記錄及管理；信息綜合查詢主要是對所有相關記錄進行查詢，即用戶通過讀取一卡通數(shù)據(jù)查詢與自身相關的歷史信息。

根據(jù)具體需求，智能卡的數(shù)據(jù)設計主要包含3個主體：教職員工、在校學生以及畢業(yè)生。

教職員工主體主要包含三方面數(shù)據(jù)信息：基本應用數(shù)據(jù)區(qū)，主要存放照片、指紋、持卡人基本信息文件等不易發(fā)生改變的信息；公共應用數(shù)據(jù)區(qū)，主要存放由學校維護的反映持卡人基本信息的相關通用信息文件；校內管理應用數(shù)據(jù)區(qū)，主要存放校內使用的相關信息，如醫(yī)療、門禁、圖書館借閱等。

在校學生主體主要包含4方面的數(shù)據(jù)信息：其中，基本應用、公共應用和校內管理應用數(shù)據(jù)區(qū)與教職員工的基本類似，存放學生的一些特定基本信息；學生注冊數(shù)據(jù)區(qū)，則記錄學生注冊信息、電子檔案以及學歷等相關信息。

畢業(yè)生主體主要包含四方面數(shù)據(jù)信息，其中，基本應用數(shù)據(jù)區(qū)與前兩者相似，存放畢業(yè)生的相關信息；個人信息應用數(shù)據(jù)區(qū)，主要存放學生在校期間的相關活動行為，包括個人標識特征信息、基本信息、各科考試成績、參與水平考試成績、獎懲信息等；學生就業(yè)情況數(shù)據(jù)區(qū)，記錄學生從實習到就業(yè)的所有相關信息，幫助學生進行就業(yè)跟蹤；學生貸款數(shù)據(jù)區(qū)，主要包括學生在校期間的借貸信息及個人誠信水平等。

2 一卡通安全性分析及解決方案

Java Card平臺的開放性以及服務能夠動態(tài)下載、移除的特性，使得不同的卡外實體通過不同的服務提供者與卡上不同的Applet進行交互。業(yè)務的復雜性增加了安全和管理問題的復雜性，由此產生的安全隱患也備受關注。這些安全和管理問題包括：鑒別非法訪問，包括終端對文件系統(tǒng)的非法訪問；多應用服務的非法下載、使用、刪除；服務共享機制的非法下載、使用和刪除；卡上多應用調用系統(tǒng)資源的合法性等。

卡外實體與卡上多應用的相互身份識別，包括持卡人身份識別和卡上應用身份識別?？ㄍ鈱嶓w和卡上應用的安全通信，包括通信雙方的身份認證，數(shù)據(jù)通信的保密性、完整性，通信數(shù)據(jù)序列的順序性等。

綜上分析得知，可信的身份認證是解決所有安全隱患的關鍵。加密算法設置、密鑰管理、遠程登錄口令確認這3個方面是實現(xiàn)身份認證的主要途徑，以確保持卡人無法非法獲取權限或服務非法調用系統(tǒng)資源。在本文中，加密算法采用PKI技術對認證信息進行加解密。

2.1 密鑰管理

密鑰是實施信息加解密的必要工具，經(jīng)過公鑰加密的信息只有對應的私鑰才能解密還原原始信息。因此，使用不同級別的公鑰對信息進行加密可以實現(xiàn)權限分級，保障用戶或服務的合法權限分配。

具體做法為：在卡上開發(fā)一個卡管理的Applet，該應用程序的主要任務是管理和維護一組密鑰集，密鑰集的數(shù)目可根據(jù)權限需求確定，采用服務共享機制（shareable）提供服務，不同的密鑰集對應不同的安全等級，例如文件系統(tǒng)訪問的權限等級、不同Applet分權限下載、安裝、刪除等。當需要進行某種級別的安全操作時，卡外實體利用選定的某個密鑰集，與卡管理Applet中的對應密鑰集進行相互身份認證，確認權限等級。雙向認證通過后，卡外實體可下載、使用Applet提供的服務，而Applet也可以對外提供符合身份等級權限的安全服務，同時Applet也可以向服務提供商申請下載、調用經(jīng)身份認證后才允許提供的安全服務。

2.2 登錄口令確認

動態(tài)口令認證系統(tǒng)主要由兩部分組成：客戶端操作和服務器端認證?？蛻舳藢⒋碛脩羯矸莸奈ㄒ恍宰R別碼（固定部分）和某種變化的因素（可變部分）作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過特定算法運算得到一個動態(tài)口令。在服務器認證端進行同樣的操作，并與客戶端送來的登錄信息進行比較，若兩者匹配，則認證通過[3]。其中，客戶端的固定部分包括卡的唯一標識碼和自身隨機生成的3DES密鑰，可變部分為置于卡端和服務器端的計數(shù)器因子，每認證成功一次計數(shù)器加1。具體步驟如下：

客戶端操作：首先隨機生成一個3DES密鑰deskey，并將卡內該應用的計數(shù)器初始化為0，獲取卡唯一性標志碼ICCID，通過shareable獲取與其身份相對應的密鑰集SP。利用SP將ICCID和deskey進行加密運算，將生成的加密后的信息info發(fā)送至認證服務器端。

服務器端操作：接收來自客戶端的info信息，根據(jù)參數(shù)判斷注冊過程后，利用相應權限的私鑰進行解密，獲取客戶端的ICCID和隨機生成的deskey，依據(jù)約定將計數(shù)器置為0。

至此，雙方均擁有了一致的口令因子?？蛻舳死?個口令因子進行相應的計算得到一個動態(tài)口令，之后計數(shù)器加1，并將此口令發(fā)送至服務器驗證。服務器端接收到來自客戶端的口令后，使用相同的計算因子和算法得到一個動態(tài)口令，將此口令與客戶端口令相比對。若口令一致，則通過驗證，為客戶提供所選密鑰集權限下的相關服務，同時計數(shù)器加1。具體流程如圖2所示。

3 結語

從Java Card技術本身而言，其具有平臺獨立、一卡多用、復用、應用開發(fā)簡單快速等特點。但隨著高校服務項目的增多，消費內容也在不斷增加，在實際應用中，除了要考慮整體網(wǎng)絡架構，還要考慮卡內應用程序和接口程序的安全性以及持卡人身份認證和權限分配問題，從而最大程度上保證一卡通的安全使用。本文在討論校園一卡通架構的基礎上，從帶權限的密鑰集選擇和動態(tài)口令生成這兩個方面進行了探討，使得用戶能夠在更加安全的環(huán)境中進行服務的選擇和應用。

參考文獻：

[1] 田文進.JavaCard技術在數(shù)字化校園一卡通中的應用[J].電子測試，2013（19）：250251.

[2] 董威.基于JavaSIM卡的GlobalPlatform安全技術研究[J].北京郵電大學學報，2006（3）：9194.

[3] 唐倩.基于Java_SIM卡的移動身份認證解決方案和關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 宮萍.基于JavaCard的校園和科研院所一卡通的應用設計[J].四川兵工學報，2012（7）：114116.

[5] 李明江.基于JavaCard的校園一卡通的應用設計[J].黔南民族師范學院學報，2009（6）：2428.

（責任編輯：孫 娟）