引言
智能卡或稱 IC 卡，英文名稱為SMART Card 或Integrated CircuitCard。它是由一個集成電路芯片嵌
于塑料基片中封裝而成?？ㄖ械募呻娐钒ㄖ醒胩幚砥鳎–PU） ，閃存（EEPROM）、隨機存儲器 （RAM）、只讀存儲器（ROM）等[1]。動態多應用智能卡允許一張卡片上可以同時容納多個應用，并且在 不同的場合使用不同的應用，同時應用本身還可以根據需要隨時下載到卡中或從卡中刪除。這給供卡方、發卡方和持卡方都帶來了好處。動態多應用智能卡將是智能卡未來發展的總趨勢。
1 智能卡文件系統的設計模型
1.1 文件的類型及組織結構
本系統遵守ISO/IEC 781* 標準所定義文件標準。根據標準，可以支持專用文件（DF）和基本文件（EF）兩種文件?？▋鹊奈募倪壿嫿M織結構由下列專用文件的結構化分級組成，在根處的DF 稱為主文件（MF）。該MF 是必備的。其他DF是任選的。定義兩種類型的EF：1）內部EF（KEF）。 存儲那些預期由卡解釋的數據。如密鑰。2）工作EF（WEF）。存儲那些預期不由卡解釋的數據。
EF 結構有以下幾種，
1）透明結構。指的是二進制的或雜亂無章的結構。換句話說，一個透明文 件根本沒有內部結構。該結構的文件可以通過使用偏移值進行讀出和寫入。READ BINARY和 UPDATE BINARY 命令可用于這些方面。
2）記錄結構。是基于鏈接固定長度的記錄文件結構，這種 結構的數據可以自由存儲，存取的最小單位是一個記錄。該操作系統支持線性定長記錄結構，并且記錄長度必須為4 個字節的偶數倍數，并且小于一頁大小，這樣就防止一條記錄跨頁存儲。
文件的邏輯組織結構如圖 1 所示。文件系統是一個樹型結構，根目錄為MF。MF（主文件）是 特殊的文件，是文件系統的根，在卡片中唯一存在，相當于DOS的根目錄。EF（基本文件）建在DF 下，存儲應用的各種數據和管理信息。DF（專有文件）一般僅相當于DOS 的子目錄，但主文件MF 的一個DF則代表了一個應用。MF 下和應用的根DF 下都有一KEF，用于存儲密鑰或PIN。MF 下的 DF 中建立的EF 和DF 都只能由該應用使用，其他應用不能訪問。
智能卡中的目錄文件（MF 和DF）僅由文件頭標組成，EF 文件是由文件頭標和文件體兩部分組
成的。文件頭中包含文件的標識、大小、訪問權限和其他基本信息。文件頭的長度是一定的。EF 的
文件體就是各種卡片應用所需的數據元。其大小是在文件創建時就確定的。
1.2 文件訪問以及文件管理
所有EF 文件頭中都含有屬性字段，指明此文件的特殊信息。屬性字段占兩字節，字段中的每一
比特位代表一種屬性。它們在創建時確定，不允許更改。目前只使用了前三個比特位，分別是：
1）可刪除屬性。此屬性位為1 表示可以被刪除，0 表示不可被刪除。
2）可寫屬性。此屬性位為1 表示可以被修改，0 則表明此文件為只讀文件。
3）可讀屬性。此屬性位為1 表明此文件可以被瀏覽，0 表示不可以被瀏覽。
應用要對文件訪問需要達到一定的安全狀態。當該應用的進程現有狀態滿足所需要狀態，并且符
合和該文件的屬性要求時，該進程才能訪問文件。當前進程的安全狀態是由其是否滿足當前目錄文件 下的KEF 中的相應密鑰決定的。在MF下僅有DF（應用目錄），沒有EF 文件，其KEF 則只含有創 建密鑰，讀密鑰，刪除密鑰。而一般的KEF 文件中含有四個密鑰，分別是讀密鑰，寫密鑰， 創建密鑰，刪除密鑰。
為了方便文件管理，有一些典型變量要保存在 RAM 中，把這些變量封裝成一個結構體CMB， 放在進程的PCB 中。一個CMB塊包含如下變量：1）mfhead。此變量總指向最高層MF 文件頭地址。 2）mfsecurity。此變量表明MF達到的安全狀態。其初始值在進程建立時賦值。3）dfsecurity。此變量 表明現行選擇的DF達到的安全狀態。其初值在進程建立時賦值。4）currentdf、currentwef。這兩個 變量分別為當前DF、當前WEF文件頭地址。在進程時它們的值為NULL，在進程運行過程中由 SELECT 命令顯式賦值。5）currentrecord_adr。此變量在當前WEF為記錄結構時使用，它指向當前使 用記錄號， 如為透明文件，無效地址。在進程建立或者重新選擇WEF 時，其值被賦為0。由記錄結構 WEF讀、寫命令更改。6）currentef_kef。此變量為當前DF 下KEF 文件頭地址。當創建進程時，就 會創建一個CMB 塊，其 currentdf被賦為當時正在訪問的DF，安全狀態被賦為0。如果currentdf 為 0 時，表示當前的工作目錄為MF。
1.3 EEPROM 的劃分
該智能卡的EEPROM大小為256K，其中分為應用數據區（32K），應用代碼去（160K），系統區 （16K）以及交換區（48K）。
應用數據區存放著應用的配置數據，并且都是以文件的形式存儲的。應用數據區的 EEPROM 是 以頁的形式動態分配給各個應用，每頁大小為32字節。每個文件的頁地址信息由文件分配表詳細記 錄。應用代碼區存放著應用的運行代碼。應用代碼區分為40 塊，每塊大小為4K。塊和應用是一一對應的關系，即每塊對映一個應用。系統區：存放操作系統的信息以及用于管理應用及文件的一些系統表：應用使用表，文件分配表，文件打開表，數據區使用表。文件打開表是用來防止讀寫沖突的，當某文件正在被改寫時，需要給該文件上鎖，等對該文件操作完成后再對該文件解鎖。
數據區使用表記錄了應用數據文件在數據區的存儲情況，當一個應用要訪問某一個數據文件時，需要查看該表，檢查該文件是否屬于該應用，防止應用篡改其他應用的數據文件。操作系統的信息用超級塊記錄。交換區 就是當內存不足時，使用交換區來擴充內存。
2 文件系統
2.1 文件分配表
該操作系統中，文件系統僅設計到應用數據區，和應用系統區以及應用代碼去無關，所以文件系 統占32K 的EEPROM空間。數據區是以頁的形式分配給文件的，每頁大小是32 字節，共設有1024 頁。存儲在系統區的文件分配表占用1K 空間。分配表如圖2 所示：該表一共有1024頁（用十六進制 表示），第1 頁代表數據區的前32 個字節，以后依次類推。當表項為FFFF，表示文件結束。當記錄 為FFFE時，該頁可用。每頁的表項記錄該文件下一頁的頁碼。如圖所示。該文件占用的頁碼分別是 1，0xC，0xD，0x10，0x14。
2.2 文件管理的指令
1）SELECT FILE（選擇文件）：建立文件成功后，才能進行文件選擇，面向對象文件管理系統要
求在文件被選中之后才可以進行存取處理。文件選擇就是通知操作系統即將對哪個文件進行訪問。新
文件的成功選擇將導致前面的選擇無效。這就意味著在任何時候被選中的文件只有一個。該文件系統 的支持根據文件的FID進行文件的選擇。
2）CREATE FILE（創建文件）：該命令允許在智能卡中建立EF、KEF、DF。在執行該命令之前， 必須先達到特定的安全狀態。在創建時，判斷創建地址是否有效，即CMB塊的相應地址。同時創建 時會影響目錄樹的結構，可能需要修改其父親節點或者其兄弟節點，因此要檢測所影響的結點是否可以訪問，如果需要修改的節點不可被訪問，該命令則不能執行。對于EF 和KEF，他們都擁有文件體，則根據其大小具體分配。在申請頁面時，一次把所需要的頁數全部分配給該文件，并且在文件分配表里建立好映像。然后文件系統再根據文件分配表，把文件體寫入EEPROM中。
3）DELETE FILE（刪除文件）：是把指定的智能卡的文件從存儲器中刪除，其釋放的存儲空間由
操作系統收回。文件系統的文件是存儲在應用數據區，因此該命令的操作對象是數據區的文件，并不 涉及其他存儲區域的數據。MF 為文件系統的根目錄，是不可被刪除的。
KEF 為DF 中的密鑰文件， 僅刪除KEF 會對其上層DF 造成極大的安全隱患，因此不提供單純的刪除KEF 操作，把該操作是嵌入在刪除DF。該命令分為兩類：刪除DF 和刪除EF。刪除DF 函數僅刪除沒有子DF 文件的DF文件， 如果所刪除的DF 具有直接子DF 文件（可以有EF文件），則DF 不能直接刪除，需要首先刪除子DF文件，然后再使用本函數刪除。該操作會影響其父親節點或兄弟節點以及子EF 節點，所以刪除之前需要查看文件打開表，檢查這些文件是否可以訪問，如果有不可以訪問的節點，則退出返回相應的錯 誤信息。
當然執行該操作之前，必須達到一定的要求安全狀態。刪除EF 時，操作對象是CMB 塊中 的當前工作文件EF，因此要刪除某EF之前需要先選擇該文件。如果當前工作文件地址無效，則返回相應的錯誤信息。當然執行該操作之前，必須達到一定的要求安全狀態并且該EF 具有可刪除屬性。
4）VERIFY 命令用來把傳送給智能卡的秘密對象和所存儲的基準值相比較，根據比較結果，改變CMB 塊中的安全狀態。該操作系統的密鑰存儲在密鑰文件KEF中，位于MF 的KEF 被用來作為 智能卡中所有應用通用的密鑰，如果是DF 的KEF，則它僅可用于在DF 內的有關應用，即應用的專用密鑰。
該命令的操作對象默認為CMB塊中指向的當前所使用密鑰文件。一般的密鑰文件含有四個密鑰， 分別是：
?。?）瀏覽密鑰：滿足該密鑰后，可以讀該目錄下的所有EF 文件和子DF 頭標。
（2）更新密 鑰：滿足該密鑰后，可以在該目錄下的所有EF 文件中執行更新操作。
（3）刪除密鑰：滿足該密鑰后， 可以在該目錄下執行刪除操作。
?。?）創建操作：滿足該密鑰后，可以在該目錄下執行刪除操作。因此， verify 函數就是判斷其滿足相應的密鑰，然后改變CMB塊中的安全狀態，使其可以執行后需操作。
對于每一個密鑰都有一個重試計數器。對于肯定的比較結果，它被賦予零，對于否定的比較結果，
它增量1。如果重試計數器達到對大值，則絕對沒有任何可能再進行對密鑰的進一步比較。為了保證
安全，先對計數器字段加一并寫入到記錄中。然后比較讀出密鑰和輸入密鑰是否匹配。匹配則將0 寫 入到記錄的計數器字段中，并將安全狀態設置為OK結果狀態。否則將安全狀態設置為NOK 結果狀 態，并返回允許嘗試的剩余次數或記錄被鎖。
3 結論
本文研究并設計動態多應用智能卡文件系統。利用文件分配表為每個文件建立映像，利用 CMB
塊進行文件管理，設置文件訪問機制保證了每個應用的讀寫安全，最后詳細設計文件操作命令，使得 應用可以對文件進行建立，刪除等操作。