基于UML建模語(yǔ)言的開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型

文章出處：http://coolbang.cn 作者：邵　華，王恒奎，王東琳   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月09日

    1 概述
 
    1.1開(kāi)放式智能卡概述
 
    隨著Internet在電子商務(wù)和人類(lèi)生活中占有越來(lái)越重要的地位，人們對(duì)認(rèn)證和安全交易的要求也越來(lái)越高。智能卡具有體積小、輕便易攜帶、可以自行存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行加密解密操作等優(yōu)點(diǎn)，與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的結(jié)合還使它成為一個(gè)可以方便地存儲(chǔ)用戶密鑰和下載保密數(shù)據(jù)的設(shè)備。
 
    智能卡中包含CPU、RAM、EEPROM、ROM和I/O，如同一部規(guī)模較小的電腦。智能卡的軟件結(jié)構(gòu)由操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)、智能卡應(yīng)用模型及其具體應(yīng)用服務(wù)程序所構(gòu)成，如圖1所示。

    在此結(jié)構(gòu)中，最底層的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)底層硬件的管理；虛擬機(jī)這一層隱藏了不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)，解釋執(zhí)行用類(lèi)匯編語(yǔ)言表示的應(yīng)用程序；開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型定義了一整套編程接口類(lèi)，提供應(yīng)用程序需要的統(tǒng)一的應(yīng)用環(huán)境；應(yīng)用程序提供具體的智能卡服務(wù)。
　　　　　　　　　　
    1.2 開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型概述
 
    當(dāng)今智能卡的功能及其終端(讀卡設(shè)備)由于制造商的不同而種類(lèi)繁多，使得智能卡的應(yīng)用程序很難在不同智能卡開(kāi)發(fā)平臺(tái)(智能卡的終端，智能卡操作系統(tǒng)和編程環(huán)境)之間移植；另外開(kāi)發(fā)智能卡所使用的編程語(yǔ)言比較低級(jí)，開(kāi)發(fā)困難、成本高。
 
    開(kāi)放式智能卡模型的提出滿足了智能卡應(yīng)用開(kāi)發(fā)的不同部分的需要，使得這些部分可以分別由應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者、智能卡發(fā)行商、智能卡開(kāi)發(fā)者、智能卡終端開(kāi)發(fā)者來(lái)完成，并都可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)并兼容使用。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者希望開(kāi)發(fā)的智能卡應(yīng)用程序能夠在不同發(fā)行商發(fā)行的卡上運(yùn)行，相應(yīng)的智能卡發(fā)行商也希望能夠采用不同應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供的應(yīng)用程序，自由地選擇操作系統(tǒng)而能適用于所有應(yīng)用程序，任意地選擇卡終端提供者所提供的裝置和硬件驅(qū)動(dòng)。開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型使得每個(gè)角色不需要隨著任何其它部件的更新而改變，每個(gè)角色所完成的功能獨(dú)立而協(xié)同。
 
    2 基于UML的開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型
 
    本文描述了一種位于智能卡應(yīng)用程序和智能卡平臺(tái)之間的中間層，即開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型(Open Card Framework)來(lái)解決以上這些問(wèn)題。目的是為了：
 
    (1) 高層APIs(Application Program Interfaces)標(biāo)準(zhǔn)化：智能卡及其終端是通過(guò)交換命令對(duì)APDU(Application Protocol Data Unit)來(lái)完成各種各樣的功能，而對(duì)于不同的智能卡終端交互的機(jī)制是不同的，模型必須提供標(biāo)準(zhǔn)接口隱藏這些機(jī)制的復(fù)雜性。
 
    (2)智能卡終端透明。智能卡的終端各式各樣(如POS機(jī)，指紋錄入設(shè)備)，模型應(yīng)盡可能隱藏設(shè)備的具體特征，并透明地提供它們的功能。
 
    (3) 智能卡操作系統(tǒng)透明。一定的命令集完成一定的任務(wù)，智能卡操作系統(tǒng)將這些命令集包裝起來(lái)，只提供給應(yīng)用程序相應(yīng)的接口。不同的操作系統(tǒng)提供的接口是不同的，框架應(yīng)隱藏這些接口的不同。
 
    (4) 智能卡的發(fā)行商透明。智能卡的發(fā)行商決定了智能卡上所裝載的應(yīng)用程序及其組織,框架同樣要隱藏這些管理和組織的細(xì)節(jié)。
 
    (5) 可擴(kuò)展性：中間層必須能夠滿足未來(lái)的技術(shù)發(fā)展需要。
 
    開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型是基于智能卡應(yīng)用的面向?qū)ο罂蚣?，是給智能卡開(kāi)發(fā)者提供的統(tǒng)一框架，它符合ISO7816相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)使得開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型可以適用于任何智能卡種類(lèi)[4]。
 
    開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型將應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)按照它們的共性和個(gè)性分成兩個(gè)部分，分別是智能卡終端組件(Card Terminal Package)和智能卡服務(wù)組件(Card Service Package).UML是一種能夠?qū)?yīng)用程序中的信息用標(biāo)準(zhǔn)的圖形元素直觀顯示的建模語(yǔ)言，它是面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn)表示，本文通過(guò)UML對(duì)開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型建立相關(guān)模型。下面將用UML具體解釋它們的任務(wù)及其內(nèi)部關(guān)系。
 
    2.1 智能卡終端組件的建模
 
    智能卡終端組件包含所有與智能卡終端相關(guān)的類(lèi)，是由智能卡終端開(kāi)發(fā)商提供的。主要任務(wù)是提供對(duì)智能卡物理終端的訪問(wèn)，并可動(dòng)態(tài)地添加和刪除智能卡終端。下面介紹這個(gè)組件中主要的類(lèi)及它們之間的關(guān)系：
 
    類(lèi)CardTerminal：從各種智能卡終端抽象出來(lái)可被繼承的類(lèi)，由其對(duì)應(yīng)的CardTerminalFactory生產(chǎn)得到。
 
    類(lèi)CardTerminalRegistry：這個(gè)類(lèi)只有唯一一個(gè)實(shí)例，管理應(yīng)用系統(tǒng)中安裝的所有智能卡終端，可對(duì)CardTerminal進(jìn)行實(shí)例注冊(cè)、注銷(xiāo)等操作。
 
    類(lèi)CardTerminalFactory：同特定的工廠生產(chǎn)一定的產(chǎn)品一樣，不同的智能卡終端制造商提供具體的CardTerminalFactory子類(lèi)，由這些子類(lèi)生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的CardTerminal實(shí)例。
 
    類(lèi)SlotChannel：向插入插槽的智能卡發(fā)送和接收APDU命令對(duì)的通道。
 
    運(yùn)用abstract factory和singleton模式[1]構(gòu)建開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型的終端組件。框架中所有CardTerminal實(shí)例都要在CardTerminalRegistry 的唯一實(shí)例中注冊(cè)， 然后由CardTerminalRegistry決定用哪家制造商提供的CardTerminal 實(shí)例，用UML表示的智能卡終端組件靜態(tài)類(lèi)圖如圖2所示。
 

    在開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型中，智能卡插入讀卡器或移除的動(dòng)作觸發(fā)外部應(yīng)用系統(tǒng)獲得對(duì)象CardTerminal，此對(duì)象利用CardID(與插入的智能卡一一對(duì)應(yīng)的)表示所插入的智能卡，并通過(guò)對(duì)象SlotChannel與智能卡傳遞APDU。相關(guān)的靜態(tài)類(lèi)圖用UML表示如圖3所示。
 

    2.2 智能卡服務(wù)組件的建模
 
    智能卡所提供的服務(wù)是通過(guò)外部應(yīng)用和智能卡之間的交互(交換APDU命令對(duì))來(lái)完成的。在開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型中，這些命令集被集成在卡上的服務(wù)中，外部應(yīng)用只需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的APIs來(lái)訪問(wèn)這些服務(wù)即可。這個(gè)框架還應(yīng)具有可擴(kuò)展性，能夠添加新的服務(wù)模塊。下面介紹這個(gè)組件中主要的類(lèi)及其關(guān)系：

    類(lèi)CardService：這是一個(gè)抽象類(lèi)，其意義是卡上的服務(wù)，它的子類(lèi)通過(guò)包裝一系列APDUs來(lái)提供具體的服務(wù)內(nèi)容。如子類(lèi)FileSystemCardService是為了完成訪問(wèn)智能卡的文件系統(tǒng)的任務(wù)。
 
    類(lèi)CardServiceFactory：同類(lèi)CardTerminalFactory功能相似，應(yīng)用服務(wù)商提供自己的CardServiceFactory代表其自身， 由CardServiceFactory產(chǎn)生它們各種服務(wù)即一些CardService實(shí)例。

    類(lèi)CardServiceRegistry：管理卡上的所有CardService對(duì)象，包括不同應(yīng)用服務(wù)商提供的服務(wù)。
 
    類(lèi)CardServiceSheduler：為服務(wù)所需的通信安排通道，給CardService對(duì)象提供一個(gè)邏輯通道發(fā)送接收命令對(duì)來(lái)完成任務(wù)。
　　
    類(lèi)SmartCard：外部系統(tǒng)通過(guò)它訪問(wèn)開(kāi)放式智能卡應(yīng)用模型來(lái)完成智能卡服務(wù)。
 
    類(lèi)似CardTerminal部件，CardServiceRegistry對(duì)象管理卡上所有的服務(wù)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)Σ迦氲闹悄芸ㄒ笠粋€(gè)特定的服務(wù)如電子錢(qián)包服務(wù)，CardServiceRegistry詢問(wèn)所注冊(cè)的所有CardServiceFactory子類(lèi)是否能為這張智能卡提供需要的服務(wù)，一旦某個(gè)CardServiceFactory子類(lèi)如PurseServiceFactory說(shuō)明它能提供電子錢(qián)包服務(wù)PurseService，于是子類(lèi)PurseServiceFactory生產(chǎn)出服務(wù)實(shí)例PurseService。這個(gè)部件的靜態(tài)類(lèi)圖如圖4所示。
 

    CardServiceScheduler為具體的服務(wù)實(shí)例和智能卡一一對(duì)應(yīng)的SmartCard實(shí)例安排邏輯通道CardChannel，進(jìn)行APDU的交換。一旦完成任務(wù)它就釋放這個(gè)CardChannel實(shí)例，以便將其提供給別的服務(wù)。這些動(dòng)作都是由智能卡插入讀卡終端或移除觸發(fā)的事件CardTerminalEvent引起的，其靜態(tài)類(lèi)圖如圖5。
 

    2.3 智能卡的應(yīng)用服務(wù)
 
    在開(kāi)放式智能卡模型中還需要建立一些重要的應(yīng)用服務(wù)，對(duì)于大多數(shù)智能卡來(lái)說(shuō)這些服務(wù)是必需的。

    類(lèi)CardManagementCardService是為了在能夠在一張智能卡上裝載、運(yùn)行、管理多個(gè)應(yīng)用程序，它是類(lèi)CardSevice的子類(lèi)。
 
    類(lèi)FileSystemCardService提供了一系列接口來(lái)訪問(wèn)操作

    系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)。
 
    類(lèi)SignatureCardService進(jìn)行安全管理，用來(lái)完成持卡人的身份認(rèn)證、文件訪問(wèn)權(quán)限控制、安全報(bào)文傳輸、數(shù)據(jù)加密和解密等任務(wù)。
 
    其它應(yīng)用程序也可以利用以上這些類(lèi)完成相應(yīng)的服務(wù)。外部應(yīng)用智能卡服務(wù)的系統(tǒng)都是通過(guò)在2.2節(jié)中提到的類(lèi)SmartCard訪問(wèn)整個(gè)應(yīng)用模型。我們給出一個(gè)服務(wù)應(yīng)用實(shí)例化過(guò)程，表現(xiàn)出對(duì)象之間是如何配合完成功能。假設(shè)外部應(yīng)用需要一個(gè)A CardService對(duì)象，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程用UML的動(dòng)態(tài)Collabartion框圖表示如圖6所示。
 

    3 總結(jié)

    開(kāi)放式智能卡的應(yīng)用框架的提出給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者、智能卡和智能卡終端投資商等帶來(lái)了極大的方便。使得智能卡的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從“一對(duì)一”到“多對(duì)多”的轉(zhuǎn)換，并為開(kāi)放式智能卡應(yīng)用構(gòu)造了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
 
   (1) 對(duì)于遵循開(kāi)放式智能卡應(yīng)用框架應(yīng)用程序，可以適用于任何一張開(kāi)放式智能卡，應(yīng)用程序不需重復(fù)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用大大減少。
 
    (2) 對(duì)于遵循開(kāi)放式智能卡應(yīng)用框架開(kāi)發(fā)的智能卡，不僅可裝載不同組織提供的多個(gè)應(yīng)用程序，且一旦運(yùn)用環(huán)境變化，可方便地裝載和卸載來(lái)更換卡上的應(yīng)用程序。

    本文描述的開(kāi)放式智能卡應(yīng)用框架滿足了應(yīng)用程序的開(kāi)放性和獨(dú)立性，不需要像傳統(tǒng)式智能卡的應(yīng)用程序都是為操作系統(tǒng)和芯片量身定做。