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CPU卡中T=0通訊協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)
摘要：T=0是國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一種接觸式CPU卡通訊協(xié)議。結(jié)合開發(fā)實(shí)踐，將該協(xié)議分為四個(gè)層次，主要從CPU卡的角度出發(fā)，結(jié)合終端，從兩個(gè)方面系統(tǒng)地闡述了該協(xié)議的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)T=0協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，目前已將開發(fā)成果應(yīng)用于實(shí)際中。關(guān)鍵詞：卡片操作系統(tǒng)（COS） 終端應(yīng)用層（TAL） 終端傳輸層（TTL） 應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU） 傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TPDU）
IC卡的應(yīng)用越來越廣泛，從存儲(chǔ)卡到邏輯加密卡，目前CPU卡已經(jīng)逐漸在應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。CPU卡根據(jù)通訊協(xié)議可分為兩種：接觸式和非接觸式。接觸式CPU卡主要采用兩種通訊協(xié)議：T=0和T=1通訊協(xié)議。T=0是異步半雙工字符傳輸協(xié)議，T=1是異步半雙工塊傳輸協(xié)議。目前T=0通訊協(xié)議的應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)外大多數(shù)CPU卡都支持該協(xié)議，在金融交易中也采用這種通訊協(xié)議。為了便于說明問題，本文從T=0協(xié)議的功能出發(fā)，將該協(xié)議分為四個(gè)層次：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、終端傳輸層和應(yīng)用層，見圖1。
由于該協(xié)議的特殊性，終端傳輸層與應(yīng)用層聯(lián)系非常緊密，實(shí)現(xiàn)起來比較繁瑣，在CPU卡中，這些任務(wù)通過卡片操作系統(tǒng)（COS）來實(shí)現(xiàn)。終端在與卡的信息交換中，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)始終處于主動(dòng)地位，終端向卡發(fā)送符合T=0協(xié)議的命令字節(jié)，卡中的COS完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理并將處理結(jié)果返回給終端。下面對(duì)T=0協(xié)議的四個(gè)層次進(jìn)行詳述。
1 T=0協(xié)議的物理層描述
終端與智能卡之間通過改變I/O傳輸線上的電平來交換信息。由于T=0協(xié)議是面向字符的傳輸協(xié)議，這里先定義字符幀的結(jié)構(gòu)，并對(duì)組成字符幀位的信息表示作了具體描述。字符幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
字符幀由1個(gè)起始位S、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)偶校驗(yàn)位P共10位組成。在數(shù)據(jù)傳輸中每一位的持續(xù)時(shí)間稱為基本時(shí)間單元etu(elementary time unit)，etu的值由時(shí)鐘頻率決定，etu與時(shí)鐘頻率呈現(xiàn)性關(guān)系：
1etu=(F/D) ×(1/f) （1）
其中F稱為時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換因子，D稱為波特率調(diào)整因子。時(shí)鐘頻率的范圍為1MHz～5MHz，正常的工作頻率為3.57MHz，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈什捎?600bps，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍，取F=372，D=1，代入式（1），可得：
1etu=372/f=372 （2）
即一個(gè)基本時(shí)間單元為372個(gè)時(shí)鐘周期。將工作頻率定為3.57MHz，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600bps。如果要提高數(shù)據(jù)的傳輸率，可以調(diào)整參數(shù)F來確定傳輸率。對(duì)每一位電平采用三次采樣來確定，在位持續(xù)時(shí)間的中間和左右15%的間隔各取樣一次，取樣點(diǎn)如圖3所示。當(dāng)有兩次以上電平為低，則判斷該位為0；否則該位為1，這樣確保了取樣值的可靠性。由于數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間是用匯編語句來控制的，可以通過延時(shí)語句調(diào)整采樣的時(shí)間間隔。但實(shí)現(xiàn)采樣的最基本匯編語句的執(zhí)行時(shí)間不能再縮短，因此數(shù)據(jù)傳輸率有一上限。當(dāng)每一位取樣三次時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到57600bps。如果再提高速率，取樣時(shí)序?qū)o法保證。字符幀的起始位為低電平，起始位的檢測(cè)是通過周期性地對(duì)I/O傳輸線進(jìn)行采樣來得到。國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采樣時(shí)間間隔不得大于0.2etu，實(shí)際上起始位的采樣時(shí)間間隔只有幾個(gè)時(shí)鐘周期，完全滿足要求。
2 T=0協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)鏈路層描述了字符交換的時(shí)序要求和差錯(cuò)控制以及終端對(duì)面向傳輸?shù)腻e(cuò)誤的處理，在邏輯上保證終端和卡片之間能夠正確可靠地通訊。
采用上述的字符幀，終端與卡之間進(jìn)行數(shù)據(jù)將交換，字符之間有嚴(yán)格的時(shí)序，時(shí)序是通過匯編程序語句的執(zhí)行時(shí)間來控制的。從終端到卡發(fā)送的連續(xù)字符的起始位下降沿之間的最小時(shí)間間隔由復(fù)位應(yīng)答信息通知終端，其值在12etu～266etu之間。從卡發(fā)送到終端的連續(xù)字符的起始位下降沿之間的最小時(shí)間間隔應(yīng)為12etu。
如果字符接收不正確或字符接收正確但校驗(yàn)位不正確，接收端需要在字符起始位下降沿后的（10.5±0.2個(gè)etu時(shí)刻將I/O線置為低電平約1～2個(gè)etu，見圖4，用于向發(fā)送端指明錯(cuò)誤；發(fā)送端在（11±0.2）個(gè)etu時(shí)刻檢測(cè)I/O線。如為高電平則表示字符已經(jīng)正確接收；如果發(fā)送端檢測(cè)到錯(cuò)誤，則在檢測(cè)到錯(cuò)誤那一刻起，2個(gè)etu后重發(fā)該字符，但重復(fù)發(fā)送同一字符的次數(shù)不得超過3次。如果最后一次發(fā)送失敗，當(dāng)終端是接收端時(shí)，則終端應(yīng)該在無效字符的起始位下降沿后的960個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)釋放序列；當(dāng)終端是發(fā)送端時(shí)，在卡片檢測(cè)到字符的偶校驗(yàn)錯(cuò)誤后960個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi)，終端啟動(dòng)釋放序列。
命令的執(zhí)行總是由終端應(yīng)用層（TAL）啟動(dòng)，通過終端傳輸層（TTL）送給卡片。TTL與卡片進(jìn)行命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)交換時(shí)，要保證能夠有序正確地進(jìn)行。因此，在數(shù)據(jù)交換過程中，在任何時(shí)刻TTL和卡片都應(yīng)該隱含地知道哪一方是發(fā)送者，哪一方是接收者。當(dāng)卡片接收到5個(gè)字節(jié)的命令字節(jié)后，需要向TTL返回一個(gè)過程字節(jié)或兩個(gè)字節(jié)的狀態(tài)字節(jié)，具體含義如表1、表2所示。
表1 終端對(duì)過程字節(jié)的處理
GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù) '6C' TTL等待第二個(gè)過程字節(jié)'xx'并根據(jù)'xx'重發(fā)上一條命令
表2 卡返回的狀態(tài)字節(jié)編碼
第一個(gè)狀態(tài)字節(jié)值 TTL執(zhí)行的操作 '6'或'9x'（除表1中的值外） TTL等待第二個(gè)過程字節(jié)SW2當(dāng)返回的過程字節(jié)或狀態(tài)字節(jié)均不是表中規(guī)定的值時(shí)，終端在接收到的無效字符的起始位降沿開始的9600個(gè)etu時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)釋放序列。
3 T=0協(xié)議的終端傳輸層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)鏈路層保證了TTL與卡片正常的數(shù)據(jù)交換。在此基礎(chǔ)上，TTL定義了命令和響應(yīng)APDU（Application Protocol Data Unit）通過TTL和卡片之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，因此該層協(xié)議定義了APDU到TPDU（Transport Protocol Data Unit）的映射機(jī)制以及TPDU和卡片之間如何來完成數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)命令和響應(yīng)APDU包含的數(shù)據(jù)情況，共有四種不同的APDU，TTL應(yīng)能夠?qū)λ姆N情況進(jìn)行處理，完成終端和卡之間的數(shù)據(jù)交換。由于T=0協(xié)議的特殊性，終端傳輸層和應(yīng)用層并沒有完全隔離開。為了便于說明問題，先簡(jiǎn)要描述一下應(yīng)用層，然后將終端傳輸層和應(yīng)用層結(jié)合起來進(jìn)行說明。
應(yīng)用層協(xié)議定義了C-APDU和R-APDU的具體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交換都是由一個(gè)命令-響應(yīng)對(duì)完成的，TAL通過TTL將C-APDU送給集成電路卡（ICC），ICC處理完后將處理結(jié)果組成R-APDU通過TTL送給TAL。APDU由命令報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文共同組成，根據(jù)C-APDU和R-APDU是否包含數(shù)據(jù)域，APDU有四種情況，見表3。
表3 APDU包含數(shù)據(jù)的情況
C-APDU由一個(gè)強(qiáng)制性的四字節(jié)命令頭CLA、INS、P1、P2和一個(gè)可變長(zhǎng)度的條件體組成。CLA為命令類型字節(jié)；INS為命令代碼字節(jié)；P1和P2為命令參數(shù)；條件體包括命令數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度字節(jié)Lc，命令數(shù)據(jù)域和響應(yīng)返回的最大長(zhǎng)度字節(jié)Le。根據(jù)不同的命令，條件體的組成也不相同，C-APDU有四種情況，見表4。
表4 C-APDU的結(jié)構(gòu)
R-APDU由一個(gè)最大長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的數(shù)據(jù)域和一個(gè)強(qiáng)制性的兩字節(jié)狀態(tài)代碼組成，狀態(tài)代碼給出了IC卡對(duì)當(dāng)前命令的處理結(jié)果。
對(duì)于C-APDU，終端先將其映射成T=0傳輸層的格式，然后通過TTL傳送給卡片，卡片返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)先返回給TTL，再映射成R-APDU返回給TAL。這里根據(jù)四種不同的情況，分析了C-APDU到C-TPDU以及R-APDU到R-TPDU的映射方法，并對(duì)情況2和情況4時(shí)，如何使用GET RESPONSE命令進(jìn)行了說明。C-APDU到C-TPDU的映射根據(jù)命令的情況決定，卡片返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)到R-APDU的映射要根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度來判斷。對(duì)于卡片返回的過程字節(jié)“61xx”和“6Cxx”，將用于TTL和卡片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)卡片返回“61xx”時(shí)，表示命令沒有結(jié)束，TTL不將過程字節(jié)返回給TAL，而是從TTL直接向卡片發(fā)出GET RESPONSE命令，取回上一條命令應(yīng)該返回的數(shù)據(jù)。并返回給TAL。當(dāng)卡片返回“6Cxx”時(shí)，TTL將根據(jù)“xx”的值調(diào)整并重發(fā)上一條命令。下面分別對(duì)四種命令情況進(jìn)行分析。
（1）當(dāng)C-APDU和R-APDU均不含有數(shù)據(jù)時(shí)，將C-APDU的CLA、INS、P1、P2映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、C-TPDU的P3置為“00”，卡片接收到C-TPDU后，根據(jù)命令頭決定該命令所含數(shù)據(jù)的情況。TTL接收到卡片返回的狀態(tài)后，該命令完成，TTL將狀態(tài)字節(jié)強(qiáng)制性地加到R-APDU的尾部。
（2）當(dāng)C-APDU不含有數(shù)據(jù)而R-APDU含有數(shù)據(jù)時(shí)，將C-APDU的CLA、INS、P1、P2、Le映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3，其中P3可以置為“00”，也可以置為需要返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，卡片接收到C-TPDU后，如果命令處理失敗，卡片直接將狀態(tài)代碼通過TTL返回給TAL；當(dāng)命令能夠正常處理時(shí)，如果P3指定的字節(jié)數(shù)能夠正確返回，待卡片內(nèi)部應(yīng)用數(shù)據(jù)處理完成后，這時(shí)卡片首先返回給TTL該命令的過程字節(jié)，通知TTL準(zhǔn)備接收卡片數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后卡片直接將P3字節(jié)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)字節(jié)通過TTL返回給TAL，否則，卡片只將過程字節(jié)“6Cxx”或“61xx”返回給TTL這一層。當(dāng)過程字節(jié)為“6Cxx”時(shí)，TTL根據(jù)xx重發(fā)命令取回?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)過程字節(jié)為“61xx”時(shí)，TTL發(fā)GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù)。
（3）當(dāng)C-APDU含有數(shù)據(jù)而R-APDU不含數(shù)據(jù)時(shí)，將C-APDU的CLA、INS、P1、PS、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3，待卡片對(duì)C-TPDU檢查通過后，卡片直接將過程字節(jié)返回給TTL，TTL根據(jù)返回的過程字節(jié)繼續(xù)向卡片發(fā)送P3字節(jié)的后續(xù)數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)接收完后，卡片對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果以狀態(tài)字節(jié)的方式通過TTL返回給TAL。
（4）當(dāng)C-APDU和R-APDU均含有數(shù)據(jù)時(shí)，將C-APDU的CLA、P1、P2、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS，P1、P2、P3，待卡片對(duì)C-TPDU檢查通過后，卡片直接將過程字節(jié)返回給TTL，TTL根據(jù)返回的過程字節(jié)繼續(xù)向卡片發(fā)送P3字節(jié)的后續(xù)數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)接收完后，卡片對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果命令處理失敗，卡片直接將狀態(tài)代碼返回給TTL。當(dāng)命令正常處理時(shí)，卡片返回給TTL過程字節(jié)“6Cxx”或“61xx”，當(dāng)為“6Cxx”時(shí)，TTL根據(jù)xx重發(fā)命令取回?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)過程字節(jié)為“61xx”時(shí)，TTL發(fā)GET RESPONSE命令取回?cái)?shù)據(jù)。
（1）由于T=0協(xié)議字符級(jí)檢錯(cuò)重發(fā)，與面向塊的傳輸協(xié)議T=1相比，在出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，T=0協(xié)議可以不必整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文全部重發(fā)，節(jié)省了時(shí)間。
（2）在編程過程中，對(duì)位幀進(jìn)行采樣時(shí)，采用了三次采樣判決的方式，避免了由于采樣時(shí)的偶然誤差而造成誤碼。
（3）T=0協(xié)議是應(yīng)用于智能卡中的第一個(gè)接觸式通訊協(xié)議，但該協(xié)議并沒有考慮傳輸中斷和檢測(cè)到傳輸錯(cuò)誤碼后卡和讀寫器的再同步問題。唯一的檢錯(cuò)機(jī)制就是奇偶位校驗(yàn)。對(duì)錯(cuò)誤的處理就是對(duì)出錯(cuò)的字節(jié)重新發(fā)送一次，這樣極有可能導(dǎo)致無限次的循環(huán)狀態(tài)。
（4）T=0協(xié)議并沒有與應(yīng)用層完全分割開，應(yīng)用層的命令解釋器必須告訴傳輸層當(dāng)前命令是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)。由于這個(gè)原因，這兩個(gè)模塊在命令處理過程中需要交互操作，在程序中能夠提取出一個(gè)通用的傳輸層，供應(yīng)用層調(diào)用來負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的傳輸。這種情況給編程和調(diào)試帶來了不便。同時(shí)造成模塊的可重用性較差。
（5）對(duì)于命令報(bào)文中包含數(shù)據(jù)域，同時(shí)又需要卡片返回?cái)?shù)據(jù)的命令，T=0協(xié)議不能用一條命令來實(shí)現(xiàn)，必須分為兩步實(shí)現(xiàn)：第一條命令為卡片提供數(shù)據(jù)，然后用另外一條相關(guān)的命令來取回?cái)?shù)據(jù)。這樣給卡片的編程帶來很大麻煩，同時(shí)卡片內(nèi)存中必須保留上一次操作需要返回的數(shù)據(jù)。這時(shí)如果不及時(shí)發(fā)送取數(shù)據(jù)命令而發(fā)送其它命令，可能會(huì)將敏感數(shù)據(jù)泄漏，并產(chǎn)生其它問題。這些都是T=0協(xié)議考慮不周的地方。
（6）終端傳輸層需要根據(jù)卡片返回的子程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作，使終端對(duì)數(shù)據(jù)的處理復(fù)雜化。
（7）由于目前大多數(shù)接觸式終端只支持T=0通訊協(xié)議，因此該協(xié)議仍將得到廣泛的應(yīng)用。隨著智能卡芯片功能的增強(qiáng)，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量較大的應(yīng)用，該協(xié)議將不再適用，面向塊的異步半雙工接觸式傳輸協(xié)議T=1將體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。
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