Java Card

 Java Card
Java Card
---（文/吴宗锡）
Java的技术，因为 computing resource的不同，而区分为不同性质的Java平台，如 Enterprise Java、 Embedded Java与 Java Card等。若是以Embedded Java来说，因为功能上的要求有限，并且受限於硬体资源大小（如呼叫器），所以在硬体与Java执行环境上必须有所妥协。Java Card也是基於硬体与应用的　求所开发的技术，目的是使得 Java的技术能够在如同smart card晶片般大小的有限资源下执行。所以，目前Java Card可以说是最小的Java平台。
Java Card是Java 平台中最小的 subset，其设定的执行环境为smart card上的晶片或是有严格硬体限制的环境。Java Card的问世，一方面是为了推展Java的应用层次，一方面也是为了将Java平台的特性以及Java Card 的好处带到smart card上，这些好处主要有：
Platform-Indep endent：使得 Java Card applets （在Java Card上执行的程式）能够在不同卡片的JCAE（ Java Card Application Environment）上执行，即透过Java VM 的机制来达到跨平台的能力。
Multi-Applicat ion Capable：在同一个Java Card 中能够存放多个 Java Card applets ，并且也能够透过 download的方式来下载必要的applets 而达到一卡多用途的好处，使得卡的使用能够更有弹性。
Compatible with Existing Smart Card Standards： Java Card能与国№ 标准ISO 7816（ Smart Card标准）以及工业界标准如 Europay/Master Card/Visa (EMV)相容。
所以，在未来Java Card不但能够取代今日Smart Card的功能，更能够发展出多样化的应用，如身份识别、医疗资讯记录、电子钱包、门禁管控等，甚至能将许多不同的应用程式集合於一张卡上，使得这些随身的软体能够更小更实用。
JavaCard现行的版本有2.0与2.1版，其中2.0版是在1997 年底所释出，而2.1 版则是在今年刚释出。
如图3-1所示Java Card实№运作的模式，主要分为二个部分。

图3-1、 JavaCard运作模式图
第一个部分就是 Java Card这一端，配合CAD（Card Acceptance Device ），也就是图3-1中的Card Reader来传输、读取Card中的资料，并且供给 Card所　的电源。而JavaCard本身则可以执行applet程式，使得一些敏感的资料与行为能够安全执行而不受外部程式影响。第二部分则是图3-1右方的 Terminal端，负责提供服务程式及操作介面，并透过CAD 与JavaCard沟通。
另外，在图3-1中所表示的 APDU(Application Protocol Data Units)即双箭头的部分，则是 terminal与Java Card沟通的格式与协定。由terminal 端传送给Java Card 的APDU称为Command APDU，主要适用来下达指令以及传输资料给Java Card。图二即Command APDU的格式。

图二、 Command APDU格式
其栏位所表示的意义分别为：
CLA - Class Byte，用於识别applet
INS - Instruction Byte ，下达给applet之指令
P1 - 第一个指令参数
P2 - 第二个指令参数
Lc - Data Field之长度
Data Field - 资料栏位
Le - 回传资料之长度
例如，terminal要下达两个byte相加的加法指令（INS＝ 0x01）给applet（ CLA=0x80）时， Command APDU的写法可能为：

而当Java Card applet接收到此一指令时则会先判断 CLA byte是否为 0x80，接著再根据 terminal端所下达的指令来执行，并将Data Field依指令性质取出两个独立的byte来相加。
而由Java Card端回传给terminal端的 APDU则称为 Response APDU，图 3-3则为此APDU之格式。

其栏位所表示的意义分别为：
Data Field - return之资料栏位
SW1 - 执行状态参数1
SW2 - 执行状态参数2
所以，利用上述的加法为例，Java Card applet执行後所return的值若为 short value(16-bit integer)，则 Response APDU的表示法可能为：

其中Data Field为一short integer（以两个bytes表示），而SW1与SW2所表示的意义（0x9000 ）即"success"或是 "no error"的意思。
根据图3-1的运作模式，若以电子钱包为例，我们一开始会在Java Card上 install一个applet ，负责提款、付帐与维护帐目，当我们　要提款时，必须Java Card放入提款机（Terminal）的Card Reader中，透过提款机的服务程式与介面来提出我们　要的款项，并且通知Java Card 上的applet将这笔款项存入Java Card 的帐目中。如此我们所持有的Java Card就成为一个行动的卡片钱包。若我们　要消费的话（如搭公车、网路购物等），就可以透过相同的逻辑来扣除款项。所以，在诸如此类的消费行为里，我们就可以透过这种简单的读卡动作来达到消费的目的。不同於一般信用卡的是，我们不但能做小额的消费，也省去了付帐的繁杂手续与携带零钱的麻烦。
Java Card有如一部具体而微的电脑，其硬体的规格主要是在於维护Java Card runtime environment的　求，其最小的规格要求为：
512 bytes RAM：主要用於存放程式执行时的 stack、暂存资料以及做为I/O的缓冲区。
24 KB ROM ：主要用於存放系统的程式以及 Runtime Environment，如 JVM、applets、 native functions 等。
8 KB EEPROM：用於储存我们所下载至 Java Card的 applets，并且做为 object heap存放之处。
8-bit processor： Java Card必须至少支援8位元的处理器。
在上述的硬体架构中，基本上我们可以将Java Card想像为一部PC的缩影，而Java Card的软体架构则具有OS、 native functions 、JCRE(Java Card Runtime Environment)以及架构在此JCRE上的应用程式（Java Card applets），事实上Java Card的软体架构也是与今日的软体架构相仿，图5-1即为Java Card之软体架构。

图5-1 Java Card之软体架构图
在此软体架构中，最底层的OS and Native Functions 是负责低阶的处理工作，如同今日的作业系统。而在上面两层Java Card Interpreter与Java Card APIs and Framework就是我们所谓的JCRE，主要负责执行Java Card applets以及提供 applet执行所　要的环境。而 Industry Add-on Classes则是 service provider 所提供的classes，使得企业与公司能够提供属於自己的服务程式。
Java Card的最上层就是所谓的Java Card applets，就如图5-1所示，一个 Java Card可以执行多个Java Card applets，但是要特别注意，Java Card 的执行环境并无支援Multi-thread，所以一次只能执行一个applet，并且 applet与applet之间也有firewall的阻隔。尽管如此，在Java Card的设计之中亦有让不同的 applets相互沟通的机制，我们只　要让applet implement javacard.framewor k.Shareable interface就能够分享applet 的 resource。
因为受限於体积与 resource，所以 Java Card在执行环境上的支援是相当有限的，表5-1即 Java Card执行环境的支援现况，其他详细内容请参考 references。
表5-1 Java Card执行环境之支援 支援 不支援
boolean、byte、 short、int float、double、 long、char、 Strings
Dynamic Object Creation Dynamic Class Loading
Arrays Security Manager
Virtual mehtods Garbage Collectioin & Finalization
Dynamic allocation Threads
Packages Cloning
Exceptions Multi-dimentional arrays
Interfaces
Java Ring又名 Java-Powered iButton，是Dallas Semiconductor公司的产品，事实上 Java Ring只是Java Card的另外一种型态，Dallas公司将它制作成为钮扣的形状，进而镶嵌在戒指之上，成为一个Java Ring。
因为Java Ring是沿袭Java Card的规格，所以在软体的架构上是相同的。而 Java Ring在Java Card的原有的硬体架构下加强了其原有的结构，并且发展出与Java Card不同的应用层面。详细的资料请参考[3] 。
Java Card的2.1版总共分为四个 packages，而其内容与重要的物件分述如下：
javacard.lang package：提供 Java language重要的classes，如 Object物件，因为所有的Java物件皆继承其下。 Object class - root of class hierarchy
Throwable class - 为所有 error及exception 的superclass，这亦表示Java Card支援exception
javacard.frame work package ：是Java Card API 主要的core package，提供了实做Java Card applet基本的物件与工具。 IOS7816 abstract interface - 提供了ISO7816所使用的常数值
PIN abstract interface - 使其 subclass能透过此一介面能够做check PIN number及验证 PIN是否为validate 等功能
Shareable abstract interface - 使得不同的applets能够透过implement此介面来达到互相沟通的功能
AID class - AID(Application Identifier)是用来唯一表示Java Card applet的number，使得JCRE能够透过一个AID table来识别或选择我们所要执行的applet
APDU class - 是属於 JCRE的物件，是藉由maintain一个 byte array buffer 来接收与传送 terminal端的指令与回传applet执行的结果与状态的标准格式
Applet class - 每一个 Java Card applet 都必须继承在此 class之下。其中在 implement时要特别注意几个methods，如select、 deselect是当 terminal端跟据 applet的AID下达 select或deselect 此applet的指令时，由JCRE来启动的 methods。而 install与register 则是applet下载至 Java Card安装并向 JCRE注册之methods 。等到applet安装注册完成，并且被 terminal所select 时，所有下达的 APDU command接会交由applet的 process method来处理并负责回传结果
JCSystem class - 负责管理 applet与Java Card 的系统资源，如AID 与Transaction的管理
OwnerPIN class - 继承自PIN interface，负责 maintain卡片持有人的PIN number，并提供相关check与 update等methods
Util class - 是一个提供常用工具的class ，如byte array copy与compare等
javacard.secur ity package：提供安全机制与物件的package，其中几个重要的 interface与class 如下： Key abstract interface - 是 DESKey、 PrivateKey、 PublicKey等 interface的共同介面
KeyBuilde r class - 是一个 create各种安全的 key的factory
MessageDi gest class - 是一个可以将message做数位签章之object
javacardx.cryp to package：其中包含了关於加密与安全的物件，并且有美国的出口限制，而此package 仅包含了一个 interface与一个 abstract class： Cipher abstract class - 使得在Java Card中的资讯得以加密保护
八、范例
程式8-1 HelloWorld applet //一applet必须要属於一packagepackage samples.HelloWorld; import javacard.framework.*; //imoprt必要的packagepublic class HelloWorld extends Applet{ //此echoBytes array为"HelloWorld"的16进位表示法 private static final byte echoBytes[] = { 0x48, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f, 0x57, 0x6f, 0x72, 0x6c, 0x64};//applet constructor protected HelloWorld(APDU apdu) { //在applet initiate时向JCRE注册 register(); }/*当applet下载至Java Card时，则会启动install method来安装applet，并传入applet install所要的参数*/ public static void install( byte[] bArray, short bOffset, byte bLength ) { //initiate HelloWorld applets new HelloWorld(null); } public void process(APDU apdu) throws ISOException { //处理terminal端的APDU指令 byte buffer[] = apdu.getBuffer(); //取得APDU之buffer //将echoBytes，及"HelloWorld"byte自串copy至APDU的buffer Util.arrayCopyNonAtomic(echoBytes, (short)0, buffer, (short)0, (short)echoBytes.length);//将APDU buffer的资料设为"写出"，并直接传送出去 apdu.setOutgoingAndSend((short)0, (short)echoBytes.length); }}
以上是一个 HelloWorld的例子（程式8-1）用来介绍基本的Java Card applet的implement 方式。而此 HelloWorld范例程式的执行，是预设由terminal端传来 Command APDU後，此applet并不处理此APDU，而是直接将"HelloWorld"的讯息以APDU的方式直接回传给 terminal端。
"Java Card 2.0 Reference Implementation," htt p://www.javasoft. com. "Java Card 2.1 Reference Implementation," htt p://www.javasoft. com http://ibutton.com.tw/
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