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信息安全基礎(chǔ)技術(shù)及其發(fā)展
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 握奇數(shù)據(jù)    2024-04-26

1、密碼學(xué)

密碼是通信雙方按約定的法則進(jìn)行信息特殊變換的一種重要保密手段，密碼學(xué)是研究編制密碼和破譯密碼的技術(shù)科學(xué)。

密碼學(xué)是保證信息安全的一種必要核心手段，使用密碼來(lái)完成數(shù)據(jù)加密、消息認(rèn)證和數(shù)字簽名等方式實(shí)現(xiàn)通信傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和不可否認(rèn)性，從而保證信息安全交互。在應(yīng)用上，密碼學(xué)主要的應(yīng)用主要有數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和安全傳輸、數(shù)字簽名與消息認(rèn)證等。

密碼算法是密碼學(xué)的核心，主要分為對(duì)稱、非對(duì)稱、密碼雜湊（哈希算法）等三大類算法。我國(guó)從上世紀(jì) 90 年代后期開(kāi)始逐漸加大了對(duì)密碼技術(shù)的自研和應(yīng)用，并形成了 SM1、SM2、SM9、ZUC 等一些列國(guó)密算法，其中 SM2、ZUC 已成為 ISO/IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2、安全芯片

安全芯片是一種內(nèi)部集成了密碼算法并具備物理防攻擊設(shè)計(jì)的集成電路，基于其獨(dú)立的操作系統(tǒng)、CPU、內(nèi)存及存儲(chǔ)單元，與外部設(shè)備系統(tǒng)、應(yīng)用環(huán)境物理隔離，通過(guò)內(nèi)部硬件電路和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密碼算法、認(rèn)證和保密體系、物理噪聲源及自身高安全防護(hù)體系，對(duì)外提供數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加/解密、密鑰管理等基礎(chǔ)密碼功能，支撐實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、密鑰生成、安全存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)保護(hù)等安全服務(wù)。

3、安全芯片操作系統(tǒng)

芯片操作系統(tǒng)（Chip Operating System，簡(jiǎn)稱 COS）是運(yùn)行在芯片中的核心管理程序，對(duì)芯片資源進(jìn)行管理和對(duì)芯片安全提供保障，其主要任務(wù)是控制數(shù)據(jù)輸入和輸出、控制命令的執(zhí)行、管理文件、維護(hù)內(nèi)存空間、管理和執(zhí)行加密算法和執(zhí)行應(yīng)用代碼。芯片操作系統(tǒng)跟隨安全芯片工藝、密碼學(xué)、軟硬件安全防護(hù)、應(yīng)用適配性等技術(shù)進(jìn)步不斷演進(jìn)發(fā)展，在安全性、功能性、通用性、高效性等方面持續(xù)迭代，在數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域發(fā)揮了重要核心作用。

a.本地式芯片操作系統(tǒng)

本地式芯片操作系統(tǒng)底層架構(gòu)（NativeCOS）是一種封閉式的片內(nèi)操作系統(tǒng)，基于芯片底層接口直接開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)，支持單一應(yīng)用程序的功能實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較低，是目前普通智能卡和智能硬件中最為普遍的操作系統(tǒng)。由于不支持多應(yīng)用程序，導(dǎo)致芯片可復(fù)用性差，缺乏復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用支持能力。

b.開(kāi)放式芯片操作系統(tǒng)

開(kāi)放式芯片操作系統(tǒng)（開(kāi)放平臺(tái) COS）是一種基于統(tǒng)一架構(gòu)研發(fā)的、可支持二次開(kāi)發(fā)、多應(yīng)用管理和動(dòng)態(tài)下載等功能的操作系統(tǒng)，具有研發(fā)效率高、功能靈活豐富等特性，底層架構(gòu)是在芯片硬件驅(qū)動(dòng)之上研發(fā)傳輸協(xié)議和管理功能、文件管理功能、安全體系功能，在中間層實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)、運(yùn)行時(shí)環(huán)境和應(yīng)用編程接口，在此之上實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用命令解釋功能。

相比與本地式芯片操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)式芯片操作系統(tǒng)按層次進(jìn)行劃分，與底層硬件相關(guān)屬性分離通過(guò)調(diào)用API就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在編程語(yǔ)言上，開(kāi)放式芯片操作系統(tǒng)使用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言（如 JAVA），進(jìn)行開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)，具備靈活、可擴(kuò)展、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的互聯(lián)互通性等優(yōu)點(diǎn)，支持應(yīng)用預(yù)置或者出廠后動(dòng)態(tài)下載安裝，保持了上層應(yīng)用開(kāi)發(fā)者的獨(dú)立和友好性。

目前，國(guó)際市場(chǎng)主流的開(kāi)放式芯片操作系統(tǒng)是由 SUN Microsystems 公司（2021 年被 Oracle收購(gòu)）于 1996 年推出的 JavaCard，可向應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供標(biāo)準(zhǔn)的 API 接口，在其上用高級(jí)編程語(yǔ)言編寫應(yīng)用程序，在安全性上具有統(tǒng)一的國(guó)際性規(guī)范。

JavaCard 的廣泛普及加快了應(yīng)用開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，減少了開(kāi)發(fā)者對(duì)具體智能安全芯片底層結(jié)構(gòu)的研究工作，能夠以更靈活的方式支持卡片多應(yīng)用以及卡片發(fā)行后的應(yīng)用添加和刪除；不同應(yīng)用之間具有防火墻，可以通過(guò)安全通道的方式實(shí)現(xiàn)卡片和終端之間的保密通訊。