Java 卡关键技术的研究及实现

文章编号：1001-9081（2006）03-0742-04

Java卡关键技术的研究及实现

李彦超，吕丽民，胡新建

（浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310014）

（lyc@http://doc.guandang.net）

根据最新Java卡规范，对Java卡的关键技术进行了深入研究和分析，提供了Java卡系统摘 要：

在AT90SC智能卡上的一种具体实施。详细描述了Java卡实施所采用的系统构架和工作流程，深入

并讨论了为提高Java卡虚拟机执行效率所采取的策略。测试分析Java卡虚拟机和API等关键技术，

结果表明，该Java卡系统能够正确高效地解释及执行Java卡应用程序。

关键词：Java卡；智能卡；JCRE；JCVM；applet；API中图分类号：TP368.1 文献标识码：A

StudyandimplementationofJavacardkeytechnology

LIYan-chao,LüLi-min,HUXin-jian

（CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,HangzhouZhejiang310014,China）Abstract:AccordingtothelatestspecificationsofJavacard,thekeytechnologyofJavacardwasanalyzedindepth.ArealimplementationofJavacardsysteminAT90SCsmartcardwasprovided.Thesystemarchitectureandworkflowoftheimplementationweredescribed.SuchkeytechnologyasJavacardvirtualmachineandAPIwereanalyzed.ThepolicyofimprovingexecutingefficiencyofJavacardvirtualmachinewasdiscussed.ThetestingresultsshowthattheJavacardsystemcaninterpretandexecutetheJavacardappletscorrectlyandefficiently.

Keywords:Javacard;smartcard;JCRE;JCVM;applet;API

场正开始起步。在台湾和香港已经使用了相关的Java卡产品，如台湾的保健卡和香港的八达通卡等。但是，从总体上看，国内Java卡的研究和发展速度相对比较缓慢。在国内市场上，缺少具有自主知识产权的Java卡系统。

本文根据Sun公司公布的JavaCard2.2.1规范，提供了Java卡系统的一种具体实施方案。文章详细描述了Java卡系统实施所采用的整体方案，深入分析了Java卡虚拟机和API等关键技术。Java卡实施采用了ATMEL公司的AT90SC6464C智能卡，其硬件环境为：16位CPU，64K的FLASH，1K的RAM和64K的EEPROM。

0 引言

［1］

Java卡是一种可以运行Java程序的智能卡。它充分

利用了Java的平台无关性，使得Java技术“一次编写，随处运行”的思想在智能卡上得以实现。1996年，Sun公司公布了Java卡技术规范，目前Java卡规范的最新版本是2.2.1。

传统智能卡应用一般都是在专用开发环境，使用汇编或C语言进行开发。由于不同卡生产商对其智能卡定义了独特的指令集和编程接口，开发人员需要花费大量的时间熟悉底层通信接口协议、内存管理等智能卡硬件细节。此外，由于不同智能卡的开发环境不通用，使得应用在不同生产商的卡上进行移植变得非常复杂。

与传统的智能卡相比，Java卡有许多优点：

第一，平台无关性。符合Java卡规范的应用程序可以在不同制造商发行的Java卡中运行。

第二，支持一卡多用和重用。Java卡允许多个应用程序安全地运行在同一卡上。而且可以在不更换卡片的情况下，根据需要动态添加或删除卡中的应用。

第三，灵活性。Java语言的面向对象特性使得编程极为灵活，可利用通用的Java开发工具进行应用的开发。

第四，安全性。Java卡继承了Java语言的安全特性，包括原子事务、应用防火墙等。由于其独特的优势，Java卡技术已经成为智能卡的主流发展趋势。

国外对Java卡的研究较早，如今Java卡已广泛运用于用户身份识别、交通、通讯及金融等领域。在国内，Java卡的市

1 Java卡系统整体方案

1.1 Java

卡系统构架

收稿日期：2005-10-26 修订日期：2005-12-29

浙江省重大基础软件产品专项（2004C11052）；浙江省科学技术厅重点科研工业项目（2005C21030） 基金项目：

作者简介：李彦超（1980-），男，江西南昌人，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统、信息安全； 吕丽民（1961-），男，浙江缙云人，副教

胡新建（1980-），男，浙江临海人，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统、信息安全.授，硕士，主要研究方向：计算机智能技术、信息安全；

AppletINSTALLER，JCAPI（JavaCardApplicationProgrammingInterface）及扩展API。

在系统构架图中，位于底层的COS主要负责对智能卡的RAM、EEPROM、串口及中断等硬件资源进行管理。JCRE是Java卡的核心部分，处于中间层，主要用于维护Java卡系统运行时的环境，负责Java卡Applet的执行及卡内Applet的安全。其中，JCNM是JCRE与COS的接口。JCVM则主要完成Java语言字节码的解析及执行任务。Java卡应用编程接口JCAPI，为Java卡应用提供了核心类库。JavaCardAppletINSTALLER负责Java卡应用的下载、安装及卸载等工作。Java卡应用开发商或其他Java卡开发商开发的通用型API，可以作为JCRE的扩展API。位于Java卡系统构架顶部的是Java卡Applet。从图中可以看出，Java卡允许多个应用程序同时存在于同一张智能卡上。当然，卡上的Applet不一定都处于工作状态，只有被选中后才进入工作状态。按照ISO7816规范，智能卡上最多允许四个应用处于工作状态。同时，在某一时刻只可能有一个当前Applet，即只有一个Applet处于运行状态，其他Applet处于等待状态。1.2 Java卡系统工作流程

Java卡系统是一个以处理APDU（ApplicationProtocolDataUnit）指令流为中心的系统。COS的核心处理部分是一个等待/分发APDU指令的无限循环。Java卡接收CAD（CardAcceptanceDevice，也称为读卡器）发出的APDU请求指令，分析并分发给相应模块进行处理，并将APDU响应指令返回给CAD，实现与CAD

的交互。

Context访问当前对象。对象类型则用来区分类对象与数组对象。对于数组对象，可进一步区分为boolean，byte，short和reference数组对象。对象所属类Context与所属类的引用可以定位该对象的类定义。数组可以看成是类http://doc.guandang.netng.Object的对象。临时对象标志用于区分对象是否是临时对象（TransientObject）。所谓临时对象，是指该对象的数据内容（实例域或数组数据），在卡断电后不需要保存，但对象本身需要保存。在Java卡重新上电或应用被取消选定后，临时对

［3］象的数据内容清空成默认值（0，false或null）。因此，JCVM

具体的编译器，一般来说采用这种结构，代码平均定位时间较长。此外，JCVM的解释函数代码长度过长，在运行时，容易产生缺页中断。KVM（KilobyteVirtualMachine，一个手持式设采用的便是这种解释方式。而查表备上使用的Java虚拟机）

解释方式，则首先为每个操作码建立一个相应处理函数，然后定义一个函数指针数组，该数组保存操作码处理函数的地址。函数地址在该数组中的偏移量与函数相应的操作码值对应。在解释执行阶段，以字节码的操作码值作为偏移量，便可直接定位到该字节码的相应处理函数，如图4所示。采用查表解释执行方式，代码定位时间均衡且较短，但增加了一定的程序空间消耗。经过对测试数据进行仔细比较，发现查表解释方临时对象的数据内容可以存放在RAM里，而不需要存放在EEPROM中。由于智能卡写EEPROM操作的耗时远远大于写RAM操作，所以，在编写Java卡应用程序时，应尽量将那些不需要永久保存数据内容的对象创建为临时对象。2.4 异常处理及异常对象全局化

Java卡虚拟机和Java虚拟机 …… 此处隐藏：6717字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……