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智能卡及ESAM安全模块

附录A：
智能卡及ESAM安全模块基本知识

A.1 智能卡和ESAM安全模块简介

A.1.1 智能卡简介
智能卡普通特指具备微解决器（CPU）和操作系统（COS）IC卡，也称CPU卡。所谓IC卡又称集成电路卡（Integrated Circuit Card），从信号传播接口方式来分，有接触式IC卡、非接触式IC卡、两种接口方式合一双界面IC卡。接触式IC卡重要遵循国际原则为ISO7816系列，非接触卡重要遵循国际原则为ISO14443系列。

智能卡由于具备智能分析、计算、判断和学习等功能因此才称之为智能卡。握奇公司智能卡文献管理、安全属性、读写操作、密钥管理是通过卡内芯片操作系统COS（Chip Operating System）监控、管理和执行，并受到发卡方对卡片个人化时在卡内预先设定密钥系统及安全认证机制控制。

握奇公司TimeCOS智能卡和通用智能卡操作系统TimeCOS可应用在金融、安全控制、税务等各种领域，具备顾客空间大，读写速度快，有良好防火墙保护功能支持一卡多用特点。支持原则DES算法或Triple-DES算法，符合中华人民共和国人民银行金融卡应用规范（PBOC规范），并且也完全符合ISO7816国际原则。

依照应用领域不同规定，握奇公司TimeCOS智能卡有TimeCOS/PBOC（接触式符合银行卡规范）、TimeCOS/PK（接触式支持PKI公钥算法）和TimeCOS/DI（接触/非接触式双界面卡）等各种系列。

A.1.2 ESAM安全模块简介
ESAM（Embedded Secure Access Module）嵌入式安全控制模块系列产品，是北京握奇智能科技有限公司研制出具备普遍应用价值嵌入式数据安全产品。ESAM硬件平台采用西门子和飞利浦等智能卡专用保密微控制器产品，具备安全 ROM和 EEPROM 安全控制、真随机数发生器RNG、DES/3DES加速器等安全构造，硬件安全性能达到ITSEC E4级原则，具备防检测、抗袭击、自毁等硬件安全特性。ESAM芯片操作系统采用北京握奇智能科技有限公司开发TimeCOS/ESAM嵌入式安全操作系统，有密钥安全存储、完善安全机制、原则加密算法等特点。

ESAM系列产品完全符合ISO7816原则和中华人民共和国人民银行金融IC卡规范，通过中华人民共和国人民银行金融卡认证和北京市科委软件产品认证，并获得了国家密码管理委员会安全认证和生产销售允许，当前被广泛用在安全认证等方面。

A.2 智能卡及ESAM安全模块物理特性

A.2.1智能卡图例及引脚阐明
引脚号
引脚定义
C1
Vcc（电源）
C2
RST（复位）
C3
CLK （时钟）
C4
NC （空）
C5
NC （空）
C6
I/O （输入/ 输出）
C7
NC （空）
C8
GND （地）

A.2.2 ESAM模块图例及引脚阐明

引脚号
引脚定义
引脚阐明
引脚号
引脚定义
引脚阐明
1
GND
地
8
VCC
电源
2
NC
空
7
RST
复位
3
I/O
输入/输出
6
CLK
时钟
4
NC
空
5
NC
空

A.3 智能卡及ESAM安全模块技术参数

A.3.1 Absolute Maximum Ratings

Limit Values

Parameter
Symbol
Min.
Typical
Max.
Unit
Supply voltage
Vcc
-0.3

7
V
Input voltage
VIN
-0.3

Vcc+0.3
V
Operating temperature
TA
-25

70(+85)
℃
Storage temperature
TS
-40

125
℃
Pulse voltage
VESD
1500
4000

V
(ESD protection，all pins)

A.3.2 Electrical Characteristics (3V System) (TA= -25℃ to 70℃)

Limit Values

Parameter
Symbol
min
typ
max.
Unit
Conditions
Supply voltage
VCC
2.7
3
3.3
V

Supply current
ICC

3
6
mA
VCC=3.3V,
fCLK=5MHZ
Supply current
ICCD

14
50
mA
t=400ns;
Spikes(峰值)
E=12nAs
Sleep mode current
ICCSoff

45
100
μA
TA=25℃,

CLK off,

all inputs at VCC
ICCSon
22
200
μA
fCLK=1MHZ,

TA=25℃,

all inputs at VCC
I/O,bi-directional
VIH
0.7×VCC

VCC+0.3
V

Port
IIH
-20
20
μA

VIL
-0.3
0.2×VCC
V

IIL
-200

μA

VOH
0.7×VCC

V

IOH
-20

μA

VOL

0.4
V

IOL

1
mA
RST
VIH
0.8×VCC

VCC+0.3
V

IIH
-20
20
μA
VIL
-0.3
0.2×VCC
V
IIL
-200

μA
CLK
VIH
0.7×VCC

VCC+0.3
μA

IIH
-20
20
V
VIL
-0.3
0.2×VCC
μA
IIL
-20

V

A.3.3 Electrical Characteristics (5V System) (TA=-25℃ to 70℃)

Limit Values

Parameter
Symbol
Min.
Typ.
Max.
Unit
Conditions
Supply voltage
VCC
4.5
5
5.5
V

Supply current
ICC

3
10
mA
VCC=5.5V，fCLKmax
Supply current
ICCD

33
100
mA
t=400ns;
Spikes
E=40nAs
Sleep mode current
ICCSoff

100
μA
TA=25℃,

CLK off,

all inputs at VCC
ICCSon
200
μA
fCLK=1MHZ,

TA=25℃,

all inputs at VCC
I/O,bi-directional
VIH
0.7×VCC

VCC+0.3
V

Port
IIH
-20
20
μA

VIL
-0.3
0.8
V

IIL
-200

μA

VOH
3.8

V

IOH
-20

μA

VOL

0.4
V

IOL

1
mA
RST
VIH
VCC-0.7

VCC+0.3
V

IIH
-20
20
μA
VIL
-0.3
0.6
V
IIL
-200

μA
CLK
VIH
0.7×VCC

VCC+0.3
μA

IIH
-20
20
V
VIL
-0.3
0.5
μA
IIL
-200

V

A.3.4 AC Characteristics (3V/5V System) (TA= -25℃ to 70℃)

Limit Values

Parameter
Symbol
min
typ
max.
Unit
Conditions
I/O Port

Rise/fall time
tR,tF

1
μs

Reset

Rise/fall time
tR,tF

1
μs

Hold time low
tHR
50

μs
Wait until start of
twa
-
-
104
clock
application

pulses
Program

Wait until EEPROM

output(chip identification)
twi
900
-
-
clock

pulses
CLK,Clock Input

Frequency
fCLK
1

5
MHZ
VCC=4.5V

1
7.5
MHZ
optional；VCC=4.5V

1
4
MHZ
VCC=2.7V

0.1×1/ fCLK
ns
5V,0.1×VCC to
Rise/fall time
tR,tf

0.9×VCC

50
ns
3V，0.1×VCC to

0.9×VCC
Duty cycle

40
60
%
VT=0.5×VCC
Security Sensor Threshold

Low voltage
VLVD
t.b.d.
2.4
2.7
V
t﹥1.0μs

VLVD
t.b.d.
3.6
4
V
t﹥2.5μs
High voltage
VHVD
5.5
6.2
t.b.d.
V

Low frequency
fLFD
350
500
650
kHz
VCC=5.0V

fLFD
t.b.d.
250
t.b.d.
kHz
VCC=3.0V
High frequency
fHFF
7.5

MHZ
VCC=4.5V

fHFF
5

MHZ
VCC=2.7V
EEPROM

Erase Cycle Time
tER
1.75

ms

Write Cycle Time
tWR
3.5

ms

Recovery Time
tREC

10
μs
(after prog.cycle)

A.3.5智能卡及ESAM安全模块技术性能指标

技术性能参数
SLE44系列芯片
SLE66系列芯片
KS88SC9
MF21CD80
CPU
8位保密微控制器
8/16位保密微控制器
8位保密微控制器
8位保密微控制器
ROM
17K 字节
32K 字节
32K 字节
20K 字节
RAM
256 字节
256 字节
256 字节
256 字节
EEPROM
512/1K/2K/4K/8K/16K/32K 字节可选（某些版本只有 8K/16K/32K 可选）
时钟频率
1-5MHZ 可选，缺省为3.57MHz
EEPROM寿命
擦写次数不少于 500,000次
擦写时间
擦写1/2/4/8/16 字节 分别需要 5.28/5.31/5.38/5.52/5.8 毫秒
数据保存时间
不不大于
工作电压
2.7-5.5V ，缺省为5V
工作电流
不大于10 mA
休眠模式
当智能卡等待接受命令时处在休眠状态,最大电流100微安
工作温度
-25 至 +70（+85）摄氏度
通讯方式
接触或非接触式异步串行半双工
通讯速率
接触模式：9.6k bps、19.2k bps、38.4k bps、76.8k bps、缺省为9.6k bps
非接触模式：106k bps
通信合同
接触模式： 支持T=0、T=1可选，缺省合同为T=0
非接触模式： 三星 KS88SC9 支持ISO14443 Type B
飞利浦 MF21CD80 支持ISO14443 Type A
APDU长度
最大长度为183字节

A.3.6 智能卡及ESAM安全模块技术性能指标
如下指标测试条件为：接触模式、时钟3.57MHz、T=0合同、波特率9.6k bps、只涉及运算时间。
技术性能指标
SLE44系列芯片
SLE66系列芯片
KS88SC9
MF21CD80
3DES运算时间
37 ms
16 ms
0.2 ms
0.2 ms
SHA算法时间
147 ms/64byte
73 ms/64byte
-

RSA签名时间
-
268 ms
-
-
RSA认证时间
-
18 ms
-
-
RSA加密时间
-
21 ms
-
-
RSA解密时间
-
268 ms
-
-
FAC签名时间
95 ms/32byte
--
-
-
A.4 智能卡及ESAM安全模块通讯时序

A.4.1 激活和冷复位

Vcc
I/O
CLK
RST
VPP

Ta
Tb
tb
ta
tc

未定义

应答

Tc
ta≤200/f
400/f≤tb
400/f≤tc≤40000/f

按上图所示,在Ta时间对CLK加时钟信号。I/O线路应在时钟信号加于CLK200个时钟周期(ta)内被卡置于状态Z(ta 时间在Ta之后)。时钟加于CLK后,保持RST为状态L,至少400周期(tb)内卡复位(tb在Ta之后)。

A.4.2 热复位
VCC

VPP

tf
td
te

RST

CLK

I/O
未定义

应答

Tc Td Tc
td ≤ 200/f 400/f ≤ te 400/f ≤ tf ≤ 40000/f

按上图所示，当VCC和CLK保持稳定期,接口设备置RST为状态L至少400时钟周期(时间te)后,接口设备启动热复位。

A.4.3 释放

Vcc

VPP

RST

CLK

I/O

未定义

当信息互换结束或失败时（例如无卡响应或卡被移出），接口设备应按以上顺序释放电路。

A.4.4 复位应答
复位应答ATR（Answer To Reset）是一系列字节值，这些字节是由卡发送给接口设备复位命令响应。ATR数据定义如下：

复位
|
| _________________________________________ _______ _________
| | | | | | | | | | | | | | | | |
'-->| TS| T0|TA1|TB1|TC1|TD1|TA2|TB2|TC2|TD2| ......... | T1| ... | TK|TCK|
|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___| _|___|_ _|__ |___|

TS ： 初始字符
TO ： 格式字符
TAi ： 接口字符 [ codes FI,DI ]
TBi ： 接口字符 [ codes II,PI1 ]
TCi ： 接口字符 [ codes N ]
TDi ： 接口字符 [ codes Yi+1，T ]
T1，... ，TK ：历史字符 (max,15)
TCK ：校验字符

对于T=0合同TimeCOS智能卡复位应答数据如下：

其中，历史字符数据如下：

A.4.5 T＝0通讯合同操作时序

A.4.5.1 ETU计算
I/O口线上所用数位宽度被拟定为基本时间单位ETU（Elementary Time Unit），计算公式为：ETU=372/f（其中f为时钟频率，普通在1—5MHz范畴之间选取，普通当时钟频率为3.579MHz时，传播速率为9600波特率）。
A.4.5.2 T＝0发送字节时序

字符帧构造如下：

起始位 校验位 下一起始位
<------- 8 数据位 ------>
Z ____ ________________________________......______ __
| | | | | | | | | | | | |
I/O | |ba|bb|bc|bd|be|bf|bg|bh|bi| 保护时间 | |
|___|__|__|__|__|__|__|__|__|__| |___|_
A ： ： ： :
0 t1 ： t10
： :
:<---- (n+/-0.2) etu --->:

字符传播前，I/O端应被置为状态Z，如图所示，一种字符涉及10个持续时刻，每一时刻不是在状态Z，就是在状态A。
l 第一种时刻m1被置于状态A,这个时刻称为起始时刻；
l m2～m9这八个时刻传送1个字节；
l 最后一种时刻m10保证字符奇偶校验。它传送“奇偶校验位
l 则从字符上升沿到mn下降沿间延迟应是tn=(n±0.2)etu；
l 在复位应答期间,卡发出两个持续字符上升沿间延迟应不超过9600etu,这个最大值被称为“初始等待时间”。

A.4.5.3数据发送时序

校验对的时数据发送时序如下：

起始 起始
_____ _____________________________________ ___________
| | | | Byte i | | |P | | Byte i+1
|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| 保护时间 |__|___________

校验出错时数据发送时序如下：

起始 偶校验位 起始
_____ ______________________________ 出错 __ ___________
| | | | Byte i | | |P | | 信号 | | | Byte i+1
|__|__| |________| |__|___________

两个持续字符上升沿之间延迟至少是12etu（一种字符持续时间10±0.2etu+保持时间），在保持时间内接口设备和卡都保持接受状态（I/O状态为Z）。

当奇偶校验出错时，接受方在10.5±0.2etu时间发送一种状态为A，至少为1etu，最大为2etu出错信号，然后将等待对有争议字符重发。

发送方检测到一种差错信号后，将检查I/O电路在11±0.2etu时状态：
l 如果I/O为状态Z，即假定为对的接受；
l 如果I/O状态为A，即假定传播是不对的。在检测到差错信号后至少两个etu延迟之后，发送方重复该字符。

如果卡没有重发字符：
l 卡忽视接口设备来错误信号并不应受其破坏；
l 接口设备应能启动重复整个复位操作。

以上对智能卡及ESAM安全模块做了简朴简介，详细内容请参照ISO7816原则、中华人民共和国金融卡规范及TimeCOS操作手册。