标签（空格分隔）： Java 智能卡

我们将从原理上理解Java Card开发中一些关键的技术信息。

名词解释

Applet：J2SE中也存在Applet这个概念。这里的Applet可以看做类似于Android中一个个APP。分为ROM Applet、事前发行和事后发行Applet。
AID：应用标识符。又区分为Package AID和Applet AID。相当于MAC地址的构造，前四个字节是IEEE分配的，后四个字节是厂商定义的内部序列号。Applet AID是Package AID的所有部分外加一些字节
CAP：Converted Applet。我们知道，J2SE中也存在Applet，这里沿袭了Applet的定义——小应用程序。由于智能卡的计算能力有限（据说是最小的计算平台），所以需要将二进制文件class进行削减，于是就构成了CAP
ATR：复位应答，卡-机交流的第一句话，包括协议之类的数据
DF：专用文件Dedicated File的缩写，DF的作用可以等同于计算机中的目录文件
MF：在一张卡片里（这里说的是卡片而不是某个应用）有且仅有一个特殊的DF，称为主文件MF，这个MF的FID默认为3F00，相当于计算机中的根目录，而且在任何时候MF都可以被选择
EF：基本信息文件Elementary File，也就是说通常情况下和应用相关的数据都会存放于EF中。
如果某个DF下没有子DF，只有若干EF，那么这个DF也被称作ADF，反之如果某个DF下除了有EF之外，还有子DF，那么这个父级的DF也被称作DDF。为了对文件进行访问，需要给文件分配一个特定的标识。无论是DF还是EF都会有对应的两个字节长ID标识，也就是所谓的FID。而DF还会有5-16个字节长的名字，也叫做AID。EF还会有一个5位长（范围从1到30）的短文件标识，就是SFI。

ADPU

APDU的全称是Application Protocol Data Unit，也就是在应用层实现的数据单元。其中读卡器发出的叫Command-APDU，卡回复的叫Response-APDU。
Command-APDU：

Response-APDU：

在卡-机通信开始之前，还有个请求和回复的过程。这时候我们可以收到一个ATR如：
ATR = 0x3b 0xf0 0x11 0x00 0xff 0x00
| TS | T0 | TA1,TB1,TC1,TD1 |T1,T2,...,T15 | TCK |
| :----: | :----: | :----: | :----: | :----: | :----: |
| 起始* | 格式*，决定接口和历史 | 接口（由T0决定：b5-TA1，b8-TD1） | 历史 | 校验 |
| 0x3B/0x3F | 0xF0 | 0x11 0x00 0xFF 0x00 | Null | Null |

Applet构成简介

我们以最简单的demo为例：

package hellojavacard;

import javacard.framework.APDU;
import javacard.framework.ISO7816;
import javacard.framework.Applet;
import javacard.framework.ISOException;

public class Appletcard extends Applet {

    private Appletcard() {
    }

    public static void install(byte bArray[], short bOffset, byte bLength) throws ISOException {
        new Appletcard().register(bArray, (short) (bOffset + 1), bArray[bOffset]);
    }

    public void process(APDU apdu) {
        if (selectingApplet()) {
            return;
        }

        byte[] buf = apdu.getBuffer();
        switch (buf[ISO7816.OFFSET_INS]) {
        case (byte) 0x00:
            break;
        default:
            ISOException.throwIt(ISO7816.SW_INS_NOT_SUPPORTED);
        }
    }
}

注册Applet

这一步是通过register()函数实现的，register()函数有两种形式，一种是不带参数的，一种是带参数的，这些参数在Applet的安装期间就进行了传递：

register(byte[] bArray,short bOffset,byte bLength)
#byte[] bArray － 包含安装参数的数组
#short bOffset － 安装参数在 bArray 中的起始位移
#byte Length － bArray 中的参数数据的字节数

这些初始化值是Applet开发者定义的，通常钱包应用可以包括记录数目，钱包ID，卡初始余额等。

选择Applet

在未被选择之前，Applet是处于挂起状态的。这一步是通过selectingApplet()实现的，SELECT APDU 命令是在 Java 卡平台上被标准化的唯一 APDU 命令。注意，正常情况下Applet只能通过成功的SELECT APDU命令执行，但有些卡可以通过配置缺省Applet的方式省去这一步骤。
C-APDU：

R-APDU：

与之对应的反向操作为deselect()，相当于进程阻塞操作block。在复位和掉电的情况下，取消选择不执行deselect()。

获取APDU

为了处理APDU，我们先要将其获取并存储至字节数组buffer。APDU buffer 是一个字节数组，其长度可通过方法 apdu_buffer.length确定。

public void process(APDU apdu)｛
//索取APDU 
buffer byte[] apdu_buffer = apdu.getBuffer()；
｝

在调用一个 applet 的 process 方法时，在APDU buffer 中只有命令的前 5 个字节是可用的――前 4
个字节是APDU 头〔CLA,INS,P1,P2〕而第 5 个字节（P3）是一个附加的长度域。P3 的含义是隐含的， 由命令的 case 决定：

• 对于 case1，P3=0；
• 对于 case2，P3=Le，表示输出的响应数据的长度；
• 对于 case3 和 case4，P3=Lc，表示输入的命令数据的长度。

返回状态字

• 正常状态：返回状态字0x9000。(SW1：0x90;SW2:0x0)
• 在 命 令 处 理 过 程 中 的 任 何 地 方 ， applet 终 止 操 作 并 通 过 调 用 静 态 方 法
  ISOException.throwIt(reason) 抛出 ISOException 例外。
• 如果由底层 Java 卡系统检测到错误， JCRE 的行为是不确定的。例如， JCRE 可能抛出一个例
  外 APDUException 或 TransactionException。

智能卡安全

从上面的APDU交互过程我们可以看出，交互的过程完全通过明文传输。这就好比TCP/IP协议实现了端-端的传输，踢进了临门一脚。对于智能卡传输过程中的安全性，我们就要借助应用层协议（如SSL/TLS）。智能卡的传输过程也是一样，我们需要对一些敏感的信息进行加密（比如卡交易金额），同时对消息的可靠性也有认证的需求（还比如卡交易金额）。另外，加密可以作为一个身份认证的标示（比如SIM卡与注册网络），这样可以将其视作一个令牌（token）。
javacard.security 包

javacardx.crypto 包

下面将一些应用进行举例：

计算消息摘要

Public static MessageDigest GetInstance(byte algorithm,boolean externalAccess)；
#第一个参数可以为ALG_SHA、ALG_MD5，和 ALG_RIPEMD160
#第二个参数设置的是Applet计算的MD结果可否被外部访问

这里以SHA-1为例，对三个字节数组m1、m2、m3计算摘要：

Public class myApp extends Applet 
｛ 
Private MessageDigest sha;
Public MyApplet()
    { 
    sha ＝ MessageDigest.getInstance(MessageDigest.ALG_SHA,false);
    //把字节数组 m1 中的整个数据馈入消息摘要计算 
    sha.update(m1,(short)0,(short)(m1.length));
    //再从字节数组 m2 中位移 0 起馈入 8 字节数据 
    sha.update(m2,(short)0,(short)8);
    //将字节数组 m3 中的全部数据作为最后一批发送给消息摘要计算，并将 hash 值保存于字节数组 digest 中位移 0 开始的地方 
    sha.doFinal(m3,(short)0,(short)(m3.length)，digest,（short）0)；
    } 
｝

产生密钥

类 KeyBuilder 定义了一个供你选择的选择参数集，使你选择密钥的类型和密钥的长度。例如，为了建 立一个长度为 64 字节（64*8 = 512 位）的 RSA 私钥，你调用 buildKey 方法如下：

    RSAPrivateKey rsa_private_key;
    rsa_private_key ＝ (RSAPrivateKey)KeyBuilder.buildkey(KeyBuilder.TYPE_RSA_PRIVATE, KeyBuilder.LENGTH_RSA_512,false);#这里进行了强制类型转换是便于调用RSAPrivateKey接口中的方法setModulus和setExponent

注意，这里生成的密钥对象未被初始化，还需要设置模数Modulus（r）和指数Exponent（e）。

计算和验证签名

签名就是生成摘要和产生密钥并进行加密的复合过程。所以我们要先构造签名实例：

Signature signature;
Signature ＝ Signature.GetInstance（Signature.ALG_DSA_SHA，false);
#第一个参数支持主流的签名算法
#第二个参数设置的是Applet计算的Signature结果可否被外部访问

因为签名要使用一个密钥，我们需要初始化这个 Signature 对象。为此，我们需要调用两个 init 方法
之一：

public void init（Key theKey,byte theMode）;
public void init（Key theKey,byte theMode,byte[] bArray,short bOff,short bLen）;
#第二个init方法环允许你在字节数组bArray中规定算法初始化参数。如初始向量IV

在一个非对称算法中，签名和验证不是使用同一个密钥。所以，你应在第二个参数 theMode 中指
出如何使用密钥。有两种模式，如类 Signature 中所定义：

• MODE_SIGN--指出签名模式
• MODE_VERIFY--指出验证模式

下面的代码计算来自数组 s1， s2，和 s3 的数据的签名：

Public class myApp extends Applet 
｛ 
Private Signature signature;
Public MyApplet()
    { 
    Signature ＝ Signature.GetInstance（Signature.ALG_DSA_SHA，false);
    Signnature.init（Key theKey,byte theMode）;
    //或Signnature.init（Key theKey,byte theMode,byte[] bArray,short bOff,short bLen）;
    //输入字节数组 s1 中的数据
    Signature.update(s1,(short)0,(short)(s1.length));
    //输入字节数组 s2 中的数据
    Signature.update(s2,(short)0,(short)(s2.length));
    //作为最后一批数据输入字节数组 s3 中的数据并生成签名，放到数组 sig_buffer 中，从位移 0 起
    Signature.sign(s3,(short)0,(short)(s3.length),sig_buffer,(short)0)；
    } 
｝

下面的例子表明如何验证上一例子中计算出来的签名：

Public class myApp extends Applet 
｛ 
Private Signature signature;
Public MyApplet()
    { 
    Signature ＝ Signature.GetInstance（Signature.ALG_DSA_SHA，false);
    Signnature.init（Key theKey,byte theMode）;
    //或Signnature.init（Key theKey,byte theMode,byte[] bArray,short bOff,short bLen）;
    //输入字节数组 s1 中的数据
    Signature.update(s1,(short)0,(short)(s1.length));
    //输入字节数组 s2 中的数据
    Signature.update(s2,(short)0,(short)(s2.length));
    //作为最后一批数据输入字节数组 s3 中的数据并生成签名，放到数组 sig_buffer 中，从位移 0 起
    Signature.sign(s3,(short)0,(short)(s3.length),sig_buffer,(short)0)；
    //输入数组 s3 中的最后一批数据并用计算出来的签名验证放在 sig_buffer 中的签名
    If(Signature.verify(s2,(short)0,(short)(s2.length),sig_buffer,sig_offset,sig_length) ！＝ true)｛ISOException.throwIt(SW_WRONG_SIGNATURE)；｝
    } 
｝

数据加密和解密

下面的例子以 CBC 模式 DES 算法建立一个 Cipher 对象。输入数据无 padding。该 Cipher 对象以一个
用于加密的 DES 密钥初始化：

Public class myApp extends Applet 
｛ 
Private Cipher cipher;
Public MyApplet()
    { 
    Cipher ＝ Cipher.getInstance(Cipher.ALG_DES_CBC_NO_PAD,false)；
    Cipher.init(des_key,Cipher.MODE_ENCRYPT)；
    //或Signnature.init（Key theKey,byte theMode,byte[] bArray,short bOff,short bLen）;
    //输入字节数组 s1 中的数据
    Signature.update(s1,(short)0,(short)(s1.length));
    //输入字节数组 s2 中的数据
    Signature.update(s2,(short)0,(short)(s2.length));
    //作为最后一批数据输入字节数组 s3 中的数据并生成签名，放到数组 sig_buffer 中，从位移 0 起
    Signature.sign(s3,(short)0,(short)(s3.length),sig_buffer,(short)0)；
    //输入数组 s3 中的最后一批数据并用计算出来的签名验证放在 sig_buffer 中的签名
    If(Signature.verify(s2,(short)0,(short)(s2.length),sig_buffer,sig_offset,sig_length) ！＝ true)｛ISOException.throwIt(SW_WRONG_SIGNATURE);}
    } 
｝

接着，为了加密数据，利用 update 方法和 doFinal 方法：

public short update(byte[] inBuf,short inOffset,short inLength,byte[] outBuff,short outOffset);
public short doFinal(byte[] inBuf,short inOffset,short inLength,byte[] outBuff,short outOffset);

随机数据的生成

随机数是密码技术过程（ procedures）经常需要的。为了建立一个随机数发生器，你要调用类javacard.security.randomData中的方法getInstance并指出一种算法。算法选择参数可为RandomData.ALG_PSEDO_RANDOM，它表示伪随机数生成算法实用程序;或者为RandomData.ALG_SECURE_RANDOM，它指的是密码技术上安全性很强的随机数生成算法。
为了获得一个随机数，调用generatedata方法如下：

RandomData random_data = randomdata.getInstance(RandomData.ALG_SECURE_RANDOM);
//种子提供于字节数组 seed 中
random_data.setSeed(seed,seed_offset,seed_length);
//把一个随机数写入字节数组 random_num 中
random_data.generatedata(random_num, random_num_offset, random_num_ length);