中国无线射频支付的加密体系及应用初探

中国无线射频支付的加密体系及应用初探2007-07-26 10:16 一、前言

金融电子化潮流，为国内基于互联网进行的金融服务技术填补了一大缺口，中国银联支付网关集团2005年交易量已超过150亿，但对于网路安全与虚拟货 币的管理还是一个处于探讨的阶段，尤其在清华大学王晓云教授成功攻破网络加密MD5和 SHA-1后，人民银行对由键盘输入银行卡号和密码的外国网上支付普遍的作法表示担忧。

公安部从2004 年起向13 亿多公民发放内置RFID（无线射频）标签的居民身份证，这是全球最大的RFID项目之一，中国银联网络支付集团，研拟正运用中国二代身份证技术有关的，有自有知识产权的软硬件加密方法`。

网上支付有一个特点，从表现上是IT领域，容易进入，但实质是金融行业，与金融有关的业务中有非常多的规则，也有很多非常敏感的事情，例如网络安全的 问题、信用卡套现、洗钱、非法集资等，问题的复杂性很高。很多网上支付的公司，在人民银行即将颁布的《清算组织管理办法》下，应该会有比较大的调整。没有 技术和安全机制的，很难真正在国内的网上支付个行业中立足。

由于人民银行的清算政策和网上资金的监管还是处于空白状态，第三方支付公司现在还在努力争夺用户中。不管是什么第三方，最终都要通过银行， 一旦操作方式有问题，都会牵连到银行，银行承担巨大风险，这是人民银行最担心的地方。同时，由于第三方支付公司本身的风险而牵连买卖双方导致的损失，用户 处于最末端，风险才是最大的。人民银行希望能够对第三方支付公司的资金流向、业务流程全监控，这样才能规避风险，但现在没有相关法规能让第三方支付公司受 到合理的监控。而支付业务永远是金融业务，做支付业务首先要拿到政策，

RFID首先将主要应用于居民身份证，如果将这个RFID号码当成网上识别的一部分，然后和中国金融认证中心的1024位电子证书结合，在网上交易就非常安全。

但是普遍采纳RFID还面临许多挑战，包括：RFID 各地已颁发的5千多万张交通卡标准不兼容，是开放电子钱包跨行业跨区域运营面临的挑战。

有了二代身份证标准的为中心，目前已有3万张卡 加上人民银行的配合应用，政府是采纳RFID最重要的推动力量。中国银联的介入成为密钥交换中心，并在所有的POS加上RFID读写模块，对推动电子支付 的网上和网下业务是正的关键。正如过去二十年移动电话行业年收入增长率超过20%一样，RFID 行业在中国有望沿用相同的成熟模式、实现长期可持续增长。

二、政策与方向

目前与中国银联支付网关共同开发线上(Internet) 的收款业务和小额支付电子钱包的离线支付及清算有一个叫www.eRMB.org 的公司提供了手机(非I /RFID /eNetmouse (hardware DES) /CFCA数字签名PKI 射频化的软硬结合解决方案。由于网络黑客及普遍的键盘木马问题，人民银行不支持键盘输入银行卡号、及密码做为网络银行支付方法。

中国人民银行的公告〔2005.10.26〕第 23 号电子支付指引（第一号）规定银行通过互联网为个人客户办理电子支付业务，除采用数字证书、电子签名等安全认证方式外，单笔金额不应超过1000元人民 币，每日累计金额不应超过5000元人民币。”的限制，就是要防范网上交易的风险.

三、虚拟账号的加密防范与我国将来规划的安全管理体系

国际RFID卡无论是在脱机交易还是联机交易，或日终的交易结算过程中都要使用密钥进行交易的认证。认证过程主要是使用存储在交易认证服务器中的密钥进行MAC计算，因此交易管理基本功能包括以下功能：

MAC/TAC计算服务：使用交易认证加密机内部保存的密钥对传入的数据进行MAC或TAC（交易认证码）计算，并将结果通过网络输出。

MAC/TAC校验服务：使用交易认证加密机内部保存的密钥对传入的数据进行MAC/TAC计算，并将计算结果与传入的结果进行比较,如果结果相同，则返回新的MAC值或返回认证通过。

1、特殊保护密钥

国际交易认证服务器中的密钥：

通信密钥保护密钥：首次下载通讯主密钥时用于保护通信主密钥的下发；

通信主密钥根密钥：用来离散生成通信主密钥的密钥；

签到主密钥根密钥：用来离散生成各个终端的签到主密钥的密钥。

通信工作密钥根密钥：用来离散生成通信工作密钥的密钥。

2、完整性认证和密钥下发安全机制：

联机交易通讯过程中，通讯报文的防篡改性由通信工作密钥保护，采用标准的3DES算法的MAC认证机制。

前置系统向终端（杜下发通讯主密钥和签到主密钥的安全性，是从交易认证加密机中通过标准的3DES算法的加密导出来保证通讯过程中的密钥的安全隐藏，加密密钥存于交易认证服务器中，外界无法获得。

POS终端的通讯主密钥和签到主密钥的替换是用专用的密码设备（密码键盘）实现。

各个终端的通讯主密钥的区分是通过用交易认证服务器中的根密钥按各个终端号分散得到，此过程也是在交易认证服务器进行。

3、交易验证过程

交易验证服务器内存储了从密钥管理加密机中导入的多种相关密钥，当联机交易进行时，它从前置系统获得实时的交易数据，用对应的密钥对其进行验证，然后 通过前置系统将结果发给业务主机。由于交易验证系统处理的是联机交易，因此采用了双机热备的形式，以保证联机的安全稳定。密钥管理系统的交易验证服务器为 银行前置系统安全验证提供密钥服务。

4、人民银行三级密钥管理体系

我国应用在EMV标准与国际卡接轨上加入了POBOC的自有加密法和管理体系，将来在全国PBOC金融RFID卡架构中，各级密钥管理中心会利用密钥 管理系统来实现密钥的安全管理。密钥管理中心采用全国密钥管理总中心、二级密钥管理中心、成员行密钥管理中心三级管理体制。整个安全体系结构主要包括三类 密钥：全国通用的消费/取现主密钥GMPK、发卡银行的联机交易密钥和发卡银行的其他主密钥。根据密钥的用途，系统采用不同的处理策略。

GMPK是整个系统的根密钥，只能由全国密钥管理总中心产生和控制，并装载到下发的PSAM卡中；BPK由全国密钥管理总中心将GMPK根据二级密钥 管理中心机构代码分散产生，并通过传输卡传递到二级密钥管理中心；二级密钥管理中心再根据成员银行的机构代码分散产生MPK，也通过传输卡传输到成员银行 密钥管理中心，其他主密钥由成员行自行产生。


5、密钥管理中心与密钥的传递

上述的三级密钥分散流程确定了在管理上需要建立三级的密钥管理中心：人民银行总行的全国密钥管理总中心（一级密钥管理中心）、人民银行分行或商业银行总行的二级密钥管理中心、发卡行的三级密钥管理中心：

（1）全国密钥管理总中心配备了SJY49一级密钥管理系统、发卡设备和密钥管理软件，全国密钥管理总中心在SJY49系统内，使用经国家主管部门审 查通过的算法，生成全国通用的消费/取现主密钥GMPK，并保存在SJY49系统中，系统还使用RFID卡进行密钥的备份和恢复。全国密钥管理总中心处理 下属二级密钥管理中心的申请，使用二级机构的代码分散GMPK得到BMPK，并用随机生成的传输密钥加密和签名后，分段派发到多张密钥传输卡中，同时将传 输密钥用二级机构的公钥加密后也分段保存到多张传输卡中。密钥传输卡使用PIN保护。密钥传输卡通过安全的途径传递到二级机构。另外全国密钥管理总中心还 进行PSAM卡的一次发卡，发卡系统从SJY49系统获得密钥服务。

（2）二级密钥管理中心配备SJY49二级密钥管理系统，二级密钥管理中心向总中心申请领取BMPK等密钥，密钥经密钥传输卡下发后，SJY49系统 从卡中分段读取传输密钥和BMPK密文，并进行解密后将BMPK保存在SJY49系统中。二级密钥管理中心处理下属发卡行密钥管理中心的申请，使用发卡行 的代码分散BMPK得到MPK，采用与密钥管理总中心相同的方法生成密钥传输卡，并传递到发卡行。

（3）发卡行密钥管理中心配备SJY49三级密钥管理系统、发卡设备、交易设备。发卡行密钥管理中心向二级密钥管理中心申请领取MPK等密钥，采用与 二级中心相同的方式得到MPK并保存在密钥管理系统中。发卡行密钥管理中心还需要生成本行的专有密钥，这些密钥保存在SJY49系统中。至此，发卡行 SJY49系统中包含了所有电子存折/电子钱包应用所需的主密钥（MPK、MLK、MULK、MTK、MRPK、MPUK、MUK、MAMK），发卡 时，SJY49系统内部将MxxK根据用户卡的应用序列号（卡号）分散得到DxxK，经用户卡的传输密钥加密后，通过网络方式，传输给发卡系统，写入到用 户卡中。同时，联机密钥也将传递至交易设备，为前置系统提供联机交易验证服务。

6、密钥多版本多索引体系

为了降低密钥泄漏导致的风险，金融RFID卡密钥管理系统使用了密钥的多版本和多索引技术。下面以消费密钥为例说明密钥的多版本和多索引技术是如何降低系统风险的：

消费密钥总共有5x5=25个不同密钥，在用户卡中存放的是其中的同一版本的5个密钥，在PSAM卡中存放的是其中的同一索引的5个密钥，在交易时， 使用的用户卡和PSAM卡所共同拥有的密钥，即图中的交叉点的密钥。任何一张用户卡和任何一张PSAM卡之间必然存在这样的一个密钥。

当其中的一个密钥泄漏时，可以将所有包含该密钥PSAM卡销毁，替换成其他索引的PSAM卡，这样，该泄漏的密钥不会在消费中再次使用，保证了交易的安全；由于只更换少量的PSAM卡，大量的用户卡不用作任何变动，从而降低了密钥泄漏所导致的风险。

为了确定消费时所用密钥的版本和索引，需要知道PSAM卡中密钥的索引和用户卡中密钥的版本，这些信息都保存在PSAM卡和用户卡相应的信息文件中；消费时，POS机从用户卡中取得密钥的版本信息，从PSAM卡中取得密钥的索引信息，从而唯一确定一个消费密钥。

密钥组数也不能太多。一方面，在卡片生命周期内多组密钥全被破解的可能性不大，并且对付硬掩膜攻击的方法，密钥组数再多也没用；另一方面密钥组数太多，将占用用户卡和PSAM卡的大量空间，增加卡片的成本。

7、各级密钥管理中心职能及软硬件配置

（1）全国密钥管理总中心

全国密钥管理总中心应是中国银联体系中新建的部门或子公司，主要负责以下三个职能：

1. 产生和管理全国总的消费/取现主密钥GMPK。

2. 接收二级机构的PSAM请求，进行PSAM卡一次发卡。

3. 接收二级机构的发卡请求，生成二级机构消费主密钥。

（2）二级机构密钥中心

二级机构密钥中心的主要职能为：

1. 接收和管理人总行下发的BMPK。

2. 接收各成员行的PSAM卡请求，转发至人总行。

3. 接收各成员行的发卡请求，制作三级消费主密钥。

（3）三级机构密钥中心

三级机构密钥中心的主要职能为：

1. 接收和管理二级机构下发的MPK。

2. 产生本发卡行的专有密钥。

3. 用户卡的发卡。

4. PSAM卡的二次发卡。

5. 装载专有密钥到交易服务器中。

6. 布放POS机。

四、全国应用一卡通安全体系

1、全国应用一卡通设计思路

应用一般可分为两种情况：

简单行业应用。该类应用本身无太多复杂应用，不需建立独立的密钥系统进行管理。

特殊行业应用。该类应用一般具有独立的密钥系统，由行业内部自己管理，应用过程中独立发行自己本行业的PSAM卡，并在终端设备中单独放置。

全国应用一卡通主要就是针对简单行业应用所设计的一套体系，该体系通过对全国应用维护根密钥的四级分散实现了应用的全国通用。整个体系由全国应用一卡通一级密钥中心、二级密钥中心、各地各应用三级密钥中心及发卡行四级密钥中心四个部分组成。

在各应用中，如有消费等相关金融功能将由金融RFID卡电子钱包部分实现，而各自应用所需的维护密钥都由一卡通一级密钥中心产生的维护根密钥分散而来。

由于待加入应用的不确定性，建议一次生成5类维护密钥，每类密钥采用5个版本5个索引共25个密钥。密钥总数为125个。

2、全国应用一卡通体系图

可以看出，整体架构可分为金融和全国应用一卡通两个部分，两部分间又有部分交叉重叠。应用维护密钥的流程为：

1. 在一级中心生成全国应用维护根密钥，并将根密钥写入PSAM卡中；

2. 一级中心根据二级中心的代码，将全国应用维护根密钥进行发散下发至二级中心；

3. 二级中心根据各应用的代码，将全国应用维护二级密钥进行分散，得到各应用的维护密钥，下发至各应用；

4. 各应用将全国应用维护三级密钥传输至各发卡行，各发卡行再根据用户卡序列号的到每张用户卡的应用维护密钥，写入卡中。如应用各自发卡，则应用发卡程序由用户卡序列号，进行分散得到该用户卡的应用维护密钥，写入卡中。

3、全国应用一卡通体系特点

采用全国应用一卡通具有以下五个特点：

1. 通过对全国应用维护根密钥的三级分散实现了应用的全国通用；

2. 在PSAM卡中存放全国应用维护根密钥从而实现应用的脱机处理；

3. 体系扩展性强，加入新应用时，不需把PSAM卡回收重发；

4. 加强了对各应用的统一管理；

5. 应用支付功能由金融电子钱包实现，有利于推动金融RFID卡的普及使用。

4、基本功能

如前所述，RFID卡无论是在脱机交易还是联机交易，或日终的交易结算过程中都要使用密钥进行交易的认证。认证过程主要是使用存储在交易认证服务器中的密钥进行MAC计算，因此交易管理基本功能包括以下功能：

MAC/TAC计算服务：使用交易认证加密机内部保存的密钥对传入的数据进行MAC或TAC（交易认证码）计算，并将结果通过网络输出。

MAC/TAC校验服务：使用交易认证加密机内部保存的密钥对传入的数据进行MAC/TAC计算，并将计算结果与传入的结果进行比较,如果结果相同，则返回新的MAC值或返回认证通过。


5、特殊保护密钥

交易认证服务器中的密钥：

通信密钥保护密钥：首次下载通讯主密钥时用于保护通信主密钥的下发；

通信主密钥根密钥：用来离散生成通信主密钥的密钥；

签到主密钥根密钥：用来离散生成各个终端的签到主密钥的密钥。

通信工作密钥根密钥：用来离散生成通信工作密钥的密钥。

6、完整性认证和密钥下发安全机制

联机交易通讯过程中，通讯报文的防篡改性由通信工作密钥保护，采用标准的3DES算法的MAC认证机制。

前置系统向终端下发通讯主密钥和签到主密钥的安全性，是从交易认证加密机中通过标准的3DES算法的加密导出来保证通讯过程中的密钥的安全隐藏，加密密钥存于交易认证服务器中，外界无法获得。

POS终端的通讯主密钥和签到主密钥的替换是用专用的密码设备（密码键盘）实现。

各个终端的通讯主密钥的区分是通过用交易认证服务器中的根密钥按各个终端号分散得到，此过程也是在交易认证服务器进行。

（1）发卡行密钥中心

安全平台的组成有密钥服务，发卡服务，交易验证服务以及相应的管理终端，三个主要的服务在网络区域上物理隔离，数据交换通过PK卡＋数字信封技术离线传递，杜绝一切网络入侵的可能性，确保安全。

（2）中心职能

各商业银行密钥管理中心是整个PBOC金融三级密钥管理体系的三级机构以及全国应用一卡通四级密钥管理体系的三级机构，其上级机构为PBOC金融二级密钥管理中心以及各应用三级密钥管理中心。发卡行密钥管理中心主要职能有：

1. 负责严格认真的贯彻上级密钥中心制定的密钥管理总体方案，负责密钥管理中心管理人员的培训。

2. 负责向上级密钥管理中心申请各类相关密钥、PSAM卡及有关业务的联系，并接受上级密钥管理中心的业务管理和稽核。

3. 负责本发卡行密钥管理中心的日常运行，妥善保管敏感信息和核心设备，建立工作日志，详细记录系统密钥的生成、分发、更新、废除等有关记录，并由专人定期检查，发现问题，及时报告。

4. 在出现安全紧急情况时，迅速制定应急方案，并组织全行实施，同时向上级密钥管理中心和有关部门报告。

5. 产生本发卡行的专有密钥（包括应用主控密钥、圈存密钥、PIN重装密钥、PIN解锁密钥、应用维护密钥、专有消费密钥等）。

6. 装载交易密钥至交易服务器中，实现交易验证。

7. 装载用户卡和PSAM卡发卡密钥到发卡服务器中，为用户卡和PSAM卡的发卡提供密钥服务。

五、结论

银行卡的发卡量是8亿张，在全球是40亿张。我国的网民有1亿多，已覆盖经把网民群体，银行卡是最IT化，电子化程度是最高的，基于IT架构起来的平台的话，是非常容易跟网上平台对接的。

另外银行卡产业成熟，有国际标准、国内标准，也有行业的规范及完整的市场体系，这些体系也非常很嫁接到互联网或无线网上。 因此网上支付未来仍然是网上支付的主要载体。透过网上支付的商务与银行卡的现有行业规范，所以非常容易的形成多元化，能够符合、配合到各类新出的电子商务 的服务形式。解决了安全问题，商务应用发展必定迅猛。