SK3012003A3 - Viacportová karta - Google Patents

Abstract

Karta má rozhranie ôsmich kontaktov podľa ISO 7816 a najmenej jeden štandardný obojsmerný kanál, cez ktorý je možná výmena dát rýchlosťou okolo 500 kbit/s. Aby bolo možné takú kartu používať i v aplikáciách, ktoré vyžadujú spracovanie informácií rýchlosťami niekoľkých Mbit/s, pridá sa na kartu vysokorýchlostný sériový kanál, ktorý sa pripojí k pripojeniam nepoužívaným štandardným obojsmerným kanálom. Vysokorýchlostný sériový kanál nadväzuje na druhú zbernicu (HSB), ktorá prepája niekoľko kódovacích/dekódovacích modulov a multiplexný modul (MUX). Všetky tieto moduly sú prepojené tiež štandardnou zbernicou karty.

Description

Viacportová karta

Oblasť techniky

Vynález sa týka inteligentných (smart) kariet, vynález sa týka zvlášť inteligentných kariet podľa štandardu ISO 7816.

Doterajší stav technikv

Inteligentné karty majú obvykle podobu kompaktného modulu, ktorý sa skladá z mnohých elektronických prvkov, ako sú pamäte, mikroprocesory alebo modem. Rýchly rozvoj elektroniky spôsobuje, že funkcie a činnosti, ktoré boli pred tým vyhradené iba rozsiahlym systémom, je možné dnes realizovať na inteligentných kartách.

Štandard ISO 7816 definuje pripojovacie rozhranie inteligentných kariet. Karta má 8 kontaktov, ktorých funkcie sú opísané v štandarde.

Vznik a vývoj inteligentných kariet bol vyvolaný potrebou mať prenosné dátové zariadenia, ktoré by sa vyznačovali vysokou úrovňou zabezpečenia uchovávaných dát. Karty sa používajú predovšetkým pre také aplikácie uchovávania a spracovávania dát, ktoré nevyžadujú mnoho vstupno-výstupných operácií. Skutočne, podľa štandardu ISO 7816 sa na komunikáciu používa iba jediné pripojenie, ktoré pracuje v obojsmernom režime polovičného duplexu.

Použitie takých kariet podľa doterajšieho stavu techniky sa preto obmedzuje iba na riadiace aplikácie, keď sa rýchle spracovanie dát vykonáva v iných moduloch.

V systémoch platenej televízie sa signály kódujú kľúčom, ktorý sa čas od Času mení. V toku zvukových a obrazových dát, ktorý prichádza k dekodéru prijímača platenej televízie, sú zahrnuté riadiace správy (EMM), ktoré obsahujú kľúče v zašifrovanej podobe. Po rozpoznaní sa EMM správa presmeruje k inteligentnej karte, ktorá slúži ako zabezpečovací modul.

V tomto uskutočnení sú v inteligentnej karte uložené rôzne kľúče, ktoré umožňujú dešifrovanie EMM správ, a teda určenie toho, či má predplatiteľ práva k daným zvukovým a obrazovým dátam. Pokiaľ áno, odošle karta informáciu, ktorá dekodéru umožní zakódované dáta správne zobrazovať.

Opísaný spôsob má niekoľko nevýhod. Prvou nevýhodou je to, že kľúče sa dekodéru, ktorý nie je možné považovať za bezpečný prvok, odovzdávajú v otvorenej podobe. Obvykle sa to rieši periodickou zmenou kľúča, typicky jedenkrát za sekundu. Aj keď ide o v mnohých ohľadoch vyskúšaný spôsob, v iných aplikáciách, napríklad v prípade uchovávania dát, sa javí problematický. Myšlienka periodickej zmeny kľúča sa neuplatní, pretože dáta je možné zakódovať iba raz, a to kľúčom, ktorý na dekódovanie dát môže použiť iba inteligentná karta.

Odborníkom je zrejmé, že posielanie kľúča dekodéru, napríklad počítaču, v otvorenej podobe predstavuje určité riziko, že kľúč zachytí neautorizovaná osoba a zneužije ho.

Možným riešením uvedeného problému je vykonávanie dekódovania dát priamo v inteligentnej karte. V takom prípade kľúč kartu neopustí. Kľúč sa použije na spracovanie kódovaných dát priamo v inteligentnej karte.

Opísané navrhované riešenie však rýchlo narazí na fyzické obmedzenia kariet podľa štandardu ISO 7816, ktorých vstupno-výstupné (I/O) obvody pracujú s prenosovými rýchlosťami 10 až 100 kbit/s.

Obdobné obmedzenia platia i pre bezkontaktné karty typu ISO 14443 s prenosovými rýchlosťami 106 až 425 kbit/s.

Štrukturálne zmeny karty je možné vykonávať len v rozsahu kompatibility s čítacími zariadeniami ISO 7816 a ISO 14443, t.j. nová štruktúra karty by mala byť zrozumiteľná čítačkám podľa existujúcich štandardov.

Cieľom vynálezu je priniesť inteligentnú kartu, ktorá si zachová kompatibilitu so súčasnými čítacími zariadeniami a pritom bude mať schopnosť poskytovať ďalšie funkcie, zvlášť možnosť dekódovania kódovaných dát vo vnútri karty rýchlosťou, ktorá bude zodpovedať rýchlosti prenosu dát.

Podstata vynálezu

Uvedený cieľ vynálezu sa dosiahne inteligentnou kartou, ktorá zahrnuje 8 kontaktov rozhrania podľa ISO 7816 a najmenej jeden štandardný obojsmerný kanál, vyznačujúcou sa tým, že ďalej zahrnuje vysokorýchlostný kanál prepojený k nepoužívaným pripojeniam.

Nepoužívanými pripojeniami sa rozumejú tie pripojenia, ktorým norma nepriraďuje konkrétne funkcie, alebo pripojenia, ktoré sa už nepoužívajú v súčasných generáciách kariet.

Do tejto kategórie spadajú dobre známe dve pripojenia RFU (Reserved for Future Use - rezervované pre budúce použitie) a pripojenie Vpp, ktoré umožňuje napájanie stálych pamätí karty napätím vyšším než 5 V (obvykle 12 až 21 V). Nové typy stálych pamätí, ako sú NVRAM, EEPROM alebo FLASH, sú napájané priamo z karty a Vpp pripojenie teda zostáva nevyužité.

Existencia týchto doplnkových, dnes nevyužívaných trás, umožňuje defi1 novať protokol, ktorý sa líši od štandardu ISO 7816 a otvára nové možnosti nasadenia inteligentných kariet.

Tri voľné pripojenia umožňujú zriadiť vysokorýchlostný spoj, ktorý bude mať časovaciu trasu (CLK), vstupnú trasu (IN) a výstupnú trasu (OUT). Je možné používať súčasne rôzne prístupové kanály karty, napríklad štandardný kanál môže obojsmerne prebiehať cez I/O trasu. Taký vysokorýchlostný kanál rozširuje možnosti karty, ktorá sa môže použiť napríklad ako vysokorýchlostný kódovací-dekódovací modul.

Použitie vysokorýchlostného kanálu si vynúti zmeny architektúry karty. Podľa vynálezu je možné navrhnúť a vyrobiť dekódovací (alebo kódovací) modul, ktorý bude umiestnený bezo zvyšku na karte. Dáta prichádzajúce rýchlym kanálom sa smerujú priamo k špecializovanému dekódovaciemu modulu. Dáta nemusia nevyhnutne prechádzať mikroprocesorom, k špecializovanému dekódovaciemu modulu môžu prichádzať po vnútornej rýchlej zbernici.

Inteligentná karta podľa vynálezu môže na ten účel zahrnovať multiplexný prostriedok, ktorý zaisťuje priame spojenie medzi rýchlym kanálom a jedným alebo viacerými špecializovanými modulmi. Tento prostriedok tiež v prípade potreby umožňuje smerovanie toku vysokorýchlostným kanálom k mikroprocesoru. Aj keď nie sú v súčasnej dobe určité procesory schopné spracovávať dáta rýchlosťami niekoľko Mbit/s, je možné dôvodne očakávať, že budúce verzie také spracovanie umožnia a tak nahradia určité špecializované moduly. Teda, programovateľné mikroprocesory nahradia špecializované moduly, ktoré vykonávajú matematické operácie v neprogramovateľných elektronických obvodoch.

Podľa vynálezu multiplexný prostriedok umožňuje zoradiť do série niekoľko špecializovaných obvodov. Karta podľa vynálezu môže napríklad zahrnovať prvý kompresný modul, ktorého výstup sa vedie na vstup kódovacieho modulu.

V priebehu spracovania dát prenášaných rýchlym kanálom zostávajú ostatné komunikačné prostriedky voľné, zvlášť I/O trasa opísaná v norme ISO 7816 alebo bezkontaktná trasa podľa ISO 14443. Tieto voľné prostriedky je možné tak využiť na prenášanie riadiacich informácií, ktoré môžu obsahovať napríklad informácie pre správu karty, napríklad parametre dekódovacích modulov alebo týmto parametrom priradené práva.

Podľa vynálezu multiplexný prostriedok zahrnuje vyberači a vkladací prostriedok, ktorý umožňuje oddeľovanie určitých typov dát z dátového toku.

Digitálny dátový tok platenej televízie zahrnuje užitočné dáta, ako sú zvukové alebo obrazové dáta, a riadiace dáta. Pred tým, než sa tento tok nasmeruje k rýchlemu kanálu, je z neho nevyhnutné vyňať riadiace dáta, ktoré obsahujú in5 formácie o dekódovacích kľúčoch a iné organizačné informácie. Vyberači a vkladací prostriedok je ovládaný mikroprocesorom; keď správa splňuje rozpoznávacie kritérium, presmeruje sa k mikroprocesoru.

Dáta spracovávané kartou sú obvykle usporiadané do blokov. Každý blok začína blokovým identifikátorom, ktorý opisuje typ informácie obsiahnutej v danom bloku.

Pri obrátenej činnosti, t.j. pri kódovaní dát, vie modul vkladať riadiace dáta do toku prichádzajúceho z rýchlej zbernice. Riadiace dáta sa generujú v centrálnej jednotke a slúžia napríklad na kvalifikáciu dátového toku, prenos riadiacich slov v zakódovanej podobe alebo prenos smerovacích informácií. Modul zahrnuje vyrovnávaciu pamäť, do ktorej sa ukladajú dátové bloky prichádzajúce po rýchlej zbernici a dátové bloky od centrálnej jednotky. Pokiaľ vyrovnávacia pamäť obsahuje blok riadiacich dát, vložia sa tieto riadiace dáta na koniec dátových blokov prichádzajúcich po rýchlej zbernici. Tok sa potom vedie k tvarovaciemu modulu, odkiaľ sa smeruje na rýchly výstupný port.

Vďaka opísanému usporiadaniu je možné spracovávať tok dát vo vnútri inteligentnej karty a tak značne zvýšiť úroveň zabezpečenia dát. Inteligentná karta podľa vynálezu umožňuje vytvárať úplný tok kódovaných alebo dekódovaných dát vrátane organizačných informácií, ako sú riadiace slová, v rámci karty.

V jednom uskutočnení vynálezu sa rýchly kanál riadi normou USB (Universal Seriál Bus - univerzálna sériová zbernica). Zvláštnosťou tohto rozhrania je to, že signály využívajú dve trasy, jednu pre prichádzajúce dáta (IN) a druhú pre dáta odchádzajúce (OUT).

Inteligentná karta podľa vynálezu zahrnuje modul detekcie protokolu, ktorý sa dokáže prispôsobiť USB protokolu a ktorý ho prekladá do interného protokolu inteligentnej karty, napríklad pomocou regenerácie časovania.

Prehľad obrázkov

Vynález bude zrejmejší z následného podrobného opisu príkladného uskutočnenia s odkazmi na sprievodný výkres.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 sú znázornené dva možné spoje podľa súčasného stavu techniky - galvanický spoj (A) a bezkontaktný spoj (B). Aj keď známe karty normálne využívajú iba jeden typ spoja, z dôvodov kompatibility je možné vyrobiť kartu, ktorá bude zahrnovať typy oba.

Galvanický I/O spoj vedie k UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter - univerzálny asynchrónny prijímač-vysielač), ktorý je spojený s vyrovnávacou pamäťou (BUF). Signály prichádzajúce do UART sa formátujú a filtrujú na odstránenie šumu a iných interferencií. Vyrovnávacia pamäť slúži na ukladanie prichádzajúcich dát predtým, než ich spracuje mikroprocesor.

Obdobné spracovanie prebieha tiež v bezkontaktnom kanále (B). Signály vysielané čítačkou slúžia aj na napájanie karty. Anténa 20 karty má teda štyri funkcie: vysiela a prijíma dáta vymieňané medzi kartou a čítačkou, zaisťuje časovanie mikroprocesora a napája kartu. Napájači modul (SPL) transformuje vysokofrekvenčnú nosnú na napätie, ktorým je možné kartu napájať. Za napájacím modulom je tvarovací modul modulovaných signálov, napríklad modem.

Získané napätie sa vedie k modulu PWRM riadenia napájania, ktorý zaisťuje výber napájacieho zdroja, zvlášť v prípadoch, keď je k dispozícii zdrojov viac. V uskutočneniach, v ktorých je karta napájaná galvanický čítačkou, modul PWRM riadenia napájania vyberie galvanický prúd z čítačky. Regulované napätie VP sa potom rozvádza k prvkom karty.

Dekódované informácie z UART sa umiestnia na štandardnej zbernici (STB), ktorá je na obr. 1 vyznačená hrubou čiarou. Zbernica prepája všetky moduly navzájom a navyše s centrálnou jednotkou (CPU), ktorá je riadiacim streΊ diskom karty. Pamäťové nároky karty pokrýva pamäťová zostava (MEM), ktorá sa skladá z programovej pamäti (ROM alebo NVRAM), operačnej pamäti (RAM) a dátovej pamäti (NVRAM). Všetky pamäti môžu byť riadené správcom pamäti (MM). Správca pamäti zahrnuje tiež správu prístupových práv k jednotlivým pamätiam.

Karta podľa vynálezu zahrnuje druhú rýchlu zbernicu (HSB), ktorá je na obr. 1 vyznačená čiarkované. HSB zbernica môže byť paralelná alebo sériová a umožňuje prenos viacerých Mbit/s. Moduly pripojené k tejto zbernici sú pripojené aj ku štandardnej zbernici, po ktorej sa prenáša inicializácia, kľúče a iné operačné informácie. K rýchlej HSB zbernici sú pripojené špecializované kódovacie-dekódovacie moduly podľa kartou podporovaných protokolov, napríklad IDEA, DES, triple-DES, Hash alebo AES štandardov. Ďalšími modulmi, ktoré môžu byť podľa potreby pripojené k rýchlej zbernici, môžu byť iné špecializované moduly, napríklad kompresné a dekompresné moduly.

Modul využívajúci FPLA technológiu (Field Programmable Logic Array miestne programovateľné logické pole) umožňuje naprogramovať činnosti budúcich kódovacích algoritmov. Centrálna jednotka CPU vie tento modul naprogramovať tak, aby vykonával činnosti potrebné pre kódovanie informácií alebo ľubovoľnú inú funkciu. Tento typ modulov obvykle zahrnuje jednoduché bloky (napríklad posun registra, XOR funkcia), ktoré sa zapojujú podľa potreby vybranej zložitejšej funkcie.

Dôležitým rysom vynálezu sú prvky, ktoré tvoria rýchly kanál. Prvý modul DP detekcie protokolu vykonáva formátovanie signálu a rozpoznávanie použitého protokolu. Signály sa prekladajú do vnútorného protokolu, napríklad na sériový tok synchronizovanej zbernice s tromi vodičmi. Modul zodpovedá za prispôsobenia signálu norme, podľa ktorej je navrhnuté vnútorné rozhranie. Detekcia protokolu sa vykonáva automaticky, napríklad podľa prítomnosti alebo naopak neprítomnosti časovacieho signálu alebo podľa frekvencie použitého prenosu.

Akonáhle je signál sformátovaný podľa známeho protokolu, nasmeruje sa k multiplexéru MUX. Z tohto modulu môže signál pokračovať podľa potreby k ľubovoľnému ďalšiemu modulu. Centrálna jednotka CPU môže napríklad multiplexér nakonfigurovať tak, aby posielal signál z rýchleho kanála k IDEA kódovaciemu modulu, dátový tok prechádza vyberacím a vkladacím modulom FF, ktorý dáta analyzuje a vyberá tie, ktoré zodpovedajú naprogramovanému kritériu. Pokiaľ dôjde ku splneniu rozpoznávacieho kritéria, vygeneruje modul FF prerušenie, ktorým centrálnu jednotku CPU informuje o tom, že požadované dáta sú k dispozícii.

Multiplexér MUX môže v prípade dostatočnej spracovacej kapacity dáta posielať k centrálnej jednotke CPU rovnako dobre. Taktiež je možné do MUX modulu zahrnúť vyrovnávaciu pamäť na dočasné uloženie dát v prípade, že ich cieľový modul v danom okamihu nemôže prijať.

Ako bolo uvedené vyššie, vyberači a vkladací modul FF môže pracovať v oboch smeroch a umožňuje vkladanie riadiacich blokov do dátového toku v rýchlom kanále.

Odborníkom je známe, že tieto typy kariet nemajú vnútorné hodiny a teda závisia od časovania prichádzajúceho od čítačky. V našom prípade sú k dispozícii tri časovacie signály: klasický vstup CLK podľa ISO 7816, Cl časovanie odvodené od bezkontaktného prenosu a C2 časovanie, s ktorým pracuje rýchla zbernica. Časovací modul CLKM všetky zdroje sleduje a zaisťuje, aby karta dostávala správne časovacie pulzy. Časovací modul CLKM tiež zahrnuje prostriedok na násobenie alebo delenie frekvencie podľa potreby. Modul môže generovať niekoľko časovacích signálov podľa potrieb jednotlivých modulov, napríklad prvú frekvenciu pre centrálnu jednotku CPU a druhú frekvenciu pre rýchle moduly (DVD, PKC, IDEA, atď.).

Správa rôznych zdrojov časovania sa riadi stanovenými kritériami, ktoré sú väčšinou odvodené od hierarchie. Obvykle má najvyššiu prioritu zdroj ISO 7816 (CLK), potom bezkontaktný zdroj ISO 14463 (Cl) a nakoniec zdroj rýchleho kanála (C2).

Vynález sa týka tiež čítačky kariet, ktorá zahrnuje prostriedok na komunikáciu s inteligentnou kartou prostredníctvom rýchleho kanála.

v

Čítačka musí vedieť komunikovať s veľkým množstvom typov kariet rôznych generácií. Rozhraním čítačky k počítaču je s výhodou USB port, ktorý umožňuje vysokorýchlostný prenos dát. Inteligentná karta však nemusí tento protokol podporovať a môže vyžadovať trojdrôtové spojenie (IN, OUT, CLOCK). V takom prípade čítačka zahrnuje rozhranie, ktoré umožní prevod signálov podľa normy USB do protokolu karty. Identifikácia karty a jej komunikačných schopností prebieha po tradičných, v norme definovaných kanáloch. Kanál je buď typu ISO 7816 (galvanický) alebo typu ISO 14443 (elektromagnetický).

V jednom uskutočnení čítačky je vyberači a vkladací modul FF súčasťou čítačky. V takom prípade prichádzajú všetky dáta do karty iba rýchlym kanálom, napríklad cez USB rozhranie. Rozpoznávanie riadiacich správ sa vykonáva priamo v čítačke, ktorá ich potom inteligentnej karte predáva po tradičnom kanále.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Inteligentná karta obsahujúca rozhranie ôsmich kontaktov podľa ISO 7816, dekódovací modul, centrálnu jednotku (CPU) spojenú s prvou zbernicou (STB), najmenej jeden štandardný obojsmerný kanál a vysokorýchlostný sériový kanál spojený s pripojeniami, ktoré nie sú používané štandardným obojsmerným kanálom, vyznačujúca sa tým, že vysokorýchlostný sériový kanál je pripojený k druhej zbernici (HSB), pričom karta ďalej obsahuje multiplexný modul (MUX) a množinu kódovacích-dekódovacích prostriedkov, ktoré sú prepojené druhou zbernicou (HSB), pričom kódovacie-dekódovacie a multiplexné moduly (MUX) sú zároveň spojené s prvou zbernicou (STB).
2. 2. Inteligentná karta podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že kódovaciedekódovacie moduly sú typov ako IDEA, AES, Hash, DES alebo tripleDES.
3. 3. Inteligentná karta podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že multiplexný modul (MUX) je zapojený do hviezdicového usporiadania a umožňuje sériové radenie niekoľkých kódovacích-dekódovacích modulov.
4. 4. Inteligentná karta podľa jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že zahrnuje vyberači a vkladací modul (FF), ktorý prijíma a porovnáva dáta z vysokorýchlostného kanála s vopred definovanými hodnotami a rozpoznané dáta vysiela k centrálnej jednotke (CPU).
5. 5. Inteligentná karta podľa nároku 4, vyznačujúca sa tým, že vyberači a vkladací modul (FF) zahrnuje vstup riadiacich dát a vyrovnávaciu pamäť, ktorá umožňuje vkladať tieto dáta do dátového toku, ktorý prichádza z vysokorýchlostnej zbernice (HSB).
6. 6. Inteligentná karta podľa jedného z nárokov 1 až 5, vyznačujúca sa tým, že štandardným obojsmerným kanálom je bezkontaktný typ podľa ISO 14443.