１ＰＯＳ终端的关键软件设计
１．１通用ＣＰＵ卡的密钥结构设计
通用ＣＰＵ卡密钥管理系统是用来产生、保存、传递、分散、更新、销毁密钥的密钥管理工具．利用密钥系统完成ＰＯＳ机具所用ＳＡＭ卡的生成和用户卡片的洗卡，洗卡是对出厂白卡进行主控密钥替换的过程．洗卡时进行以下操作：在生产商密钥（卡片主控密钥）的控制下，更新卡片主控密钥；利用卡片主控密钥，装载卡片维护密钥；利用卡片的维护密钥，更新卡片ＣＤＦ区域的文件［３，４］；在卡片主控密钥的控制下，装载应用主控密钥；在应用主控密钥的控制下，装载应用维护密钥；利用应用主控密钥，装载应用主工作密钥；利用应用维护密钥，安全更新卡片ＡＤＦ区域的文件［５］．下面给出与中国移动一卡通ＣＰＵ卡与２．４ＧＣＰＵ卡规范兼容的ＣＰＵ卡结构设计［６］，密钥结构见图１．通用ＣＰＵ卡片在发行时，建立一个ＡＤＦ１脱机钱包应用，该应用做为一卡通应用的默认应用［２］．如果一卡通用户需要其他的应用时，可根据需要自己建立其他的应用，其他应用在建立时都依赖卡片主控密钥，在卡片主控密钥的控制下装载该子应用下的应用密钥．
１．２Ｍ１卡的密钥结构设计
Ｍ１卡密钥体系的设计，总共使用了两组密钥，它们是扇区根密钥和传输密钥，这两组密钥都是８字节密钥，扇区密钥对特定的因子进行ＤＥＳ加密后产生Ｍ１卡的扇区密钥，而传输密钥对ＰＯＳ机的脱机交易报文进行一定方式的ＤＥＳ运算后得到报文验证码．Ｍ１和ＣＰＵ卡的上述密钥结构设计，解决了引起卡片不能兼容使用的第一个问题．密钥载入是从用户密钥卡中读取与ＰＯＳ机相关的密钥文件，然后把密钥文件组装后，写入ＰＯＳ机内部的一个ＰＳＡＭ卡中．中国移动一卡通密钥系统的ＳＡＭ卡生成由中国移动公司管理，只需装入ＰＯＳ机的另一个ＰＳＡＭ卡中．
１．３密钥系统对多钱包多应用的支持
密钥体系一共有３类密钥，分别是中国移动一卡通版ＣＰＵ卡密钥、通用版ＣＰＵ卡密钥和Ｍ１卡密钥，其中中国移动一卡通版ＣＰＵ卡的密钥体系已经实现了多钱包多应用的功能，而且密钥管理系统可独立使用．Ｍ１卡的多钱包多应用的扇区密钥采用同一根密钥进行分散．ＣＰＵ卡（ＳＩＭ卡）的多钱包技术采用多个应用的方法来实现，也就是一个钱包对应一个应用．对于每个应用来说，相应的就需要有应用管理密钥（应用主控密钥和应用维护密钥）和针对不同功能的应用密钥，例如：联机钱包应用必须有联机交易鉴权密钥和联机交易ＴＡＣ密钥，身份识别应用有身份识别密钥等．使用卡片主控密钥中的ＰＩＮ码作为脱机钱包的ＰＩＮ码．ＣＰＵ卡（ＳＩＭ卡）在用户处注册时，如果要建立除了ＡＤＦ１以外的其他应用，首先要建立应用ＡＤ－Ｆｘ，然后在该应用下建立ＫＥＹ文件，在ＫＥＹ文件中添加应用主控密钥，应用主控子密钥由应用主控主密钥一级分散后得到，把得到的子主控密钥再在卡片主控密钥（发行密钥）的控制下以ＤＥＳ＆ＭＡＣ的方式载入．
１．４ＰＯＳ离线交易流水报文
为确保ＰＯＳ机在整个一卡通系统的通用性，ＰＯＳ机必须包含中国移动一卡通ＰＯＳ机的所有报文数据项［６］，同时增加Ｍ１卡、通用ＣＰＵ卡卡片种类信息，以增加其通用性（见表１）．表１中的报文数据项确保了几种卡片交易的通用性［７］，解决了卡片不能兼容使用的第二个问题．
１．５ＰＯＳ机离线交易流程
Ｍ１卡和通用ＣＰＵ卡的离线钱包交易应用与中国移动一卡通的规范相对应，Ｍ１卡片的应用号为卡片的Ｍ扇区号，通用ＣＰＵ卡片的ｎ号应用对应Ｍ１卡片的ｎ号扇区的应用，这些关键设计保证了不同卡片之间钱包应用的一致性，解决了卡片不能兼容使用的第三个问题．基于ＣＰＵ卡和Ｍ１卡离线交易处理的关键流程分别见图２、图３．ＴＡＣ码的计算方法：从交易报文的机具序列号开始，每８个字节为一组，一共分为７组，最后一组缺少的６个字节以０ｘ８００ｘ０００ｘ０００ｘ０００ｘ０００ｘ００补齐，然后每组依次对应异或，共异或８次，得到一组８字节异或数据，然后把这组数据用通讯密钥加密，加密后的前４个字节作为通讯报文验证码．Ｍ１卡和通讯ＣＰＵ卡的ＴＡＣ用此方法计算．中国移动一卡通卡片ＣＰＵ卡的ＴＡＣ由卡片ＣＯＳ计算得到．ＰＯＳ检验ＣＰＵ卡片的有效性主要通过检查卡片的启用标志、卡类别标志、应用序列号、启动日期、有效日期、日累计消费限额、逻辑卡号、日累计消费额和最后一次交易日期信息确定．卡片的黑名单验证则利用卡片的逻辑卡号到ＰＯＳ机的黑名单区查找卡片是否为黑名单［６］．卡片钱包的有效性，主要根据卡片的余额是否超过系统规定的钱包最大余额数，以及是否足够支付当前的消费来判定［７］．Ｍ１卡片钱包的有效性主要包含值块钱包的主块和备份块数据的合法性、应用状态块合法性、钱包的日消费限额和日消费次数、钱包应用的有效期、限次判定，卡片写应用的消费信息主要包括写入卡片的日累计消费额、写入卡片的日累计消费次数、写入卡片的最后一次交易时间、写入卡片的累计消费次数，卡片的存储交易记录主要更新卡片的扇区记录、存储卡片上传流水，把交易记录存储到１号块，原来１号块的记录转存到２号块．
2设计创新点
2．１用位图模式存储帐户黑白名单管理算法
离线ＰＯＳ机一般采用持卡人承担交易风险的模式，考虑到业务的需要，我们设计了离线交易的卡片帐户认证管理．为了实现离线状态下ＰＯＳ机对卡片的认证，需要解决卡片在ＰＯＳ机内的存储和查找问题．ＰＯＳ机一般采用单片机设计，存储空间比较小，不超过２５６Ｋ．如果在ＰＯＳ机内存储卡片的物理号，每个物理号为４个字节（移动２．４Ｇ卡为８个字节），１００万张卡片占用４ＭＢ的空间，存储空间不够．新发行一张卡片下发到ＰＯＳ机，对卡片重新排序的时间为１００×ｌｏｇ（１００）万次，因此，在ＰＯＳ机内按照卡片的物理卡号排序是无法实现的．为此，提出了一种在ＰＯＳ机内采用卡片逻辑卡号的黑白名单管理算法，将发行的ＩＣ卡按照逻辑卡号编码，写入卡片扇区．卡片逻辑卡号与ＰＯＳ机ＦＡＬＳＨ存储空间的存储位一一对应．大大节省了存储空间，１００万张卡片只需要６２Ｋ的存储空间．如果系统发行了ｎ张卡，则在ＰＯＳ机内查找一个逻辑卡号的时间为Ｏ（ｎ）．新增一张卡片只需要对其逻辑卡相应存储区位写１操作，废止一张卡只需要将其相应存储位写０操作．
２．２移动一卡通系统的卡片结构和报文协议
改进了移动一卡通系统的卡片数据存储格式和通讯协议，使卡片按照应用分类存储交易流水，一旦出现账卡不一致，可通过卡片和ＰＯＳ机双方历史记录进行追溯，实现系统的自维护性．
３结语
采用上述设计的ＰＯＳ机，性能指标通过了相关测试［８］，配套的多卡合一系统，在测试阶段，发行卡片数量为１００万张，服务器连接２台交易前置机，每台交易前置机连接网关数量为４个，每个网关带３２台ＰＯＳ机的情况下，ＰＯＳ机读卡响应时间在１ｓ以内，系统下发到ＰＯＳ机卡片挂失信息的时间＜５ｓ，完成一笔交易，ＰＯＳ机读写卡片时间＜２ｓ，ＰＯＳ机交易数据传输到数据库系统的时间为２５笔／ｓ．采用该设计的应用系统运行良好．
作者：郭明超 单位：兰州大学 信息科学与工程学院
