13.04.2015 04:41
FractalizeR 12 960 Источник
image

1. Введение


В данном цикле статей пойдет речь об использовании Java смарт-карт (более дешевых аналогов электронных ключей) для защиты программного обеспечения. Цикл разбит на несколько глав.

Для прочтения и осознания информации из статей вам понадобятся следующие навыки:
  • Основы разработки ПО для Windows (достаточно умения программировать в любой визуальной среде, такой как Delphi или Visual Basic)
  • Базовые знания из области криптографии (что такое шифр, симметричный, ассиметричный алгоритм, вектор инициализации, CBC и т.д. Рекомендую к обязательному прочтению Прикладную Криптографию Брюса Шнайера).
  • Базовые навыки программирования на любом языке, хотя бы отдаленно напоминающем Java по синтаксису (Java, C++, C#, PHP и т.д.)

Цель цикла — познакомить читателя с Ява-картами (литературы на русском языке по их использованию крайне мало). Цикл не претендует на статус «Руководства по разработке защиты ПО на основе Ява-карт» или на звание «Справочника по Ява-картам».

Состав цикла:




1. Пример апплета


На самом деле писать мы ничего не будем. Я просто приведу здесь жутко прокомментированный исходник тестового апплета для карты. А потом расскажу о некоторых тонкостях реализации.

package test;

//Импортируем необходимые библиотеки
import javacard.framework.APDU;
import javacard.framework.Applet;
import javacard.framework.ISO7816;
import javacard.framework.ISOException;
import javacard.framework.Util;
import javacard.security.*;
import javacardx.crypto.*;

//Определяем апплет
public class Test extends Applet {

    // Класс команд (CLA) для нашего апплета
    private static final byte CLA_TEST = (byte) 0x80;

    // Номер команды для тестирования скорости
    private static final byte INS_TESTSPEED = (byte) 0x20;

    // Номер команды для тестирования шифрования
    private static final byte INS_TEST3DES = (byte) 0x30;

    // Выделяем себе буфер для операций шифрования
    private static byte[] enсryptBuffer = new byte[120];

    // Создаем экземпляр класса, ведающего шифрованием. Говорим, что используем
    // DES в CBC режиме
    private static Cipher cipher = Cipher.getInstance(Cipher.ALG_DES_CBC_NOPAD,
            false);

    // Создаем экземпляр класса, который будет хранить ключ шифрования 3DES3.
    private static DESKey key = (DESKey) KeyBuilder.buildKey(
            KeyBuilder.TYPE_DES, KeyBuilder.LENGTH_DES3_3KEY, false);

    // Выделяем память для ключа ширования 3DES3
    private static byte[] keyarr = new byte[24];

    // Конструктор апплета. Вызывается один раз при установке апплета в карту
    protected Test() {
        // Заполняем буфер для шифрования байтами 0xAA
        Util.arrayFillNonAtomic(enсryptBuffer, (short) 0,
                (short) enсryptBuffer.length, (byte) 0xAA);
        // а ключ байтами 0xBB
        Util.arrayFillNonAtomic(keyarr, (short) 0, (short) keyarr.length,
                (byte) 0xBB);

        // Устанавливаем использование данных из массива keyarr в качестве ключа
        // шифрования
        key.setKey(keyarr, (short) 0);
    }

    // Метод, выполняющий установку апплета.
    public static void install(byte bArray[], short bOffset, byte bLength)
            throws ISOException {
        new Test().register();
    }

    // Метод, который вызывается при отправке команды нашему апплету
    public void process(APDU apdu) throws ISOException {
        // Получаем ссылку на буфер с данными команды
        byte buffer[] = apdu.getBuffer();

        // Если переданная апплету команда - SELECT, возвращаем управление
        // CardManager
        if ((buffer[ISO7816.OFFSET_CLA] == 0x00)
                && (buffer[ISO7816.OFFSET_INS] == (byte) (0xA4)))
            return;

        // Если CLA отличается от ожидаемого - возвращаем ошибку
        if (buffer[ISO7816.OFFSET_CLA] != CLA_TEST) {
            ISOException.throwIt(ISO7816.SW_CLA_NOT_SUPPORTED);
        }

        // Смотрим, что за команда нам отправлена и вызываем соответствующий
        // метод обработки
        switch (buffer[ISO7816.OFFSET_INS]) {
        case INS_TEST3DES:
            processTest3DES(apdu);
        case INS_TESTSPEED:
            processTestSpeed(apdu);
        default: // Для всех других значений INS возвращаем код ошибки
            ISOException.throwIt(ISO7816.SW_INS_NOT_SUPPORTED);
        }
    }

    // Метод, обрабатывающий команду тестирования скорости отправки данных
    private void processTestSpeed(APDU apdu) {
        // Получаем ссылку на буфер
        byte[] buffer = apdu.getBuffer();
        // Заполняем буфер произвольными байтами
        for (byte i = 0; i < 120; i++) {
            buffer[i] = i;
        }
        // Соощаем Java машине, что при выходе из метода process нужно передать
        // компу в качестве
        // ответа содержимое буфера начиная с байта с индексом 0 и длиной 120
        // байт.
        // Не забываем, что этот метод вызван именно методом process.
        // Немедленной отправки не происходит
        apdu.setOutgoingAndSend((short) 0, (short) 120);
    }

    private void processTest3DES(APDU apdu) {
        // Получаем ссылку на буфер
        byte[] buffer = apdu.getBuffer();

        // Шифруем содержимое enсryptBuffer, помещая результат в buffer
        cipher.doFinal(this.enсryptBuffer, (short) 0,
                (short) this.enсryptBuffer.length, buffer, (short) 0);

        // Инструктируем об отправке данных
        apdu.setOutgoingAndSend((short) 0, (short) this.enсryptBuffer.length);
    }
}


2. Некоторые тонкости


Конструктор класса апплета вызывается только один раз — при загрузке апплета в карту и его установке.

Первое, о чем нужно узнать, при разработке вашего апплета — поддерживает ли реализация Java Card API на карте сборщик мусора (garbage collector). Если сборщик мусора не поддерживается, то любой объект, созданный с помощью оператора new, останется висеть в памяти карты навечно. Уничтожить его и освободить занимаемую память будет нельзя (кроме как удалив апплет с карты).

Из этого следует один простой вывод: если ваша карта не поддерживает сбор мусора, все операторы new должны располагаться внутри конструктора класса апплета (внутри метода, с именем как у самого класса). Вне этого метода операторы new использовать будет нельзя. Если вы нарушите это правило, через какое-то время при выполнении команд апплет начнет «плеваться» ошибками и его придется перезаписать.

Но даже, если сборщик мусора поддерживается картой, автоматически работать он, скорее всего, не будет. Его нужно будет вызывать в апплете вручную. И это достаточно долгий процесс, приводящий к фрагментации памяти карты.

Второй момент — фрагментация памяти карты при управлении апплетами. Апплет в памяти карты — что файл на жестком диске. Если вы удалите апплет, записанный перед каким-нибудь другим, в памяти карты останется «дырка» свободного пространства размером с удаленный апплет. Поэтому нужно придерживаться простых правил:

  • Если некоторые апплеты после записи в карту удалять не предполагается, записывайте их первыми.
  • Если какие-то апплеты предполагается обновлять и после них в карту записаны другие — перед обновлением придется удалить их все и перезаписать.

То же самое касается динамического выделения памяти на картах, поддерживающих сборку мусора. Хоть сборщик и уничтожает неиспользуемые объекты, он может не дефрагментировать память, поскольку в случае с EEPROM карты это очень долгий процесс.

Реализация языка Java для карт не поддерживает как минимум:
  • типы char, double, float, long, int, string;
  • квалификатор transient;
  • перечисления
  • многомерные массивы

Причем, отсутствие поддержки типа int приводит к довольно смешному формату вызова методов: apdu.setOutgoingAndSend((short) 0, (short) 120) поскольку в Java числовые литералы — int по умолчанию.

Ошибки в написании апплета могут проявляться на каждом из трех уровней: компиляция (*.java -> *.class), конвертация (*.class -> *.cap), линковка апплета в карте (*.cap -> карта). Будьте внимательны. Можно написать огромный апплет, скомпилировать и сконвертировать, а потом обнаружить, что в карту он не заливается по какой-то причине. Поскольку с отладкой апплетов все сложно в этом случае можно посоветовать комментировать части апплета и заливать его в карту, пока не наткнетесь на часть, которая вызывала ошибку.

На некоторых картах присутствует верификатор (например, CodeShield на последних партиях Schlumberger/Gemalto egate). Этот верификатор дополнительно проверяет код апплета уже после загрузки его в карту на этапе установки (характерный признак его присутствия — долгая пауза перед получением ответа на последнюю команду загрузки — может достигать целой минуты), создавая дополнительный геморрой. Например, этот верификатор может требовать обязательного присутствия break в каждом case оператора switch, не давая сгруппировать два case в один.

Все члены класса апплета хранятся в EEPROM карты. Количество циклов перезаписи этой памяти хоть и велико (несколько сот тысяч циклов), но все же ограничено. В картах есть некоторое количество оперативной памяти, которую можно выделить вызовом Util.makeTransientArray (как видно из названия, память выделяется в виде массива и такое выделение доступно и на картах без сборщика мусора. Память, выделенная makeTransientArray во всех случаях освобождается корректно (см. документацию)). Обычно около 1Кб. Разумеется, работа с этой памятью быстрее, чем с EEPROM.

Чтобы представить себе возможности, которые доступные апплету, предлагаю просто пролистать документацию, входящую в состав Javacard SDK.

3. Благодарность терпеливым читателям


Спасибо всем, кто дочитал до этого места. Благодарности и негодования принимаются.

Буду рад любым вопросам в комментариях и постараюсь обновлять статью так, чтобы она включала ответы.

Комментарии (12)


  1. kalabro
    13.04.2015 11:38
    #8373767
    +1

    Мой товарищ-нехабраюзер, возмущённый качеством представленных здесь материалов по JavaCard, отрекомендовал читать книжки и не читать русскую википедию:

    А всем интересующимся вот книжка на русском:
    Java Card Technology for Smart Cards: Architecture and Programmer's Guide
    Автор: Жикун Чен
    Издательство: Техносфера
    Серия: Мир программирования
    ISBN 978-5-94836-143-7, 0-201-70329-7; 2008 г.



    1. FractalizeR Автор
      13.04.2015 11:41
      #8373777
      +1

      Вы не могли бы попросить его прокомментировать его возмущение? Можно мне на почту, если у него нет доступа на Хабр.

      Книга, на которую вы ссылаетесь, замечательная. Однако, на Хабре книги размещать смысла не имеет. И отсылать читателей Хабра к книгам тоже (иначе вообще зачем статьи писать?).

      Я буду признателен за любую критику размещенных мной публикаций.


  1. receiver
    13.04.2015 11:56
    #8373819
    +3

    Спасибо за статью. Вы пишите, что int не поддерживается, на самом деле это не совсем так. Данный тип является опциональным по спецификации, и в конкретных реализациях JCRE он может быть, и может не быть.

    По примеру:

            // Заполняем буфер произвольными байтами
        for (byte i = 0; i < 120; i++) {
            buffer[i] = i;
        }


    Произвольные байты это не 1…120, как минимум рекомендуется сделать так: 
    RandomData.getInstance(RandomData.ALG_SECURE_RANDOM).generateData(buffer, (short)0, (short) 120);

    будет надежнее и быстрее чем цикл.

    Второй момент — фрагментация памяти карты при управлении апплетами. Апплет в памяти карты — что файл на жестком диске. Если вы удалите апплет, записанный перед каким-нибудь другим, в памяти карты останется «дырка» свободного пространства размером с удаленный апплет.

    Здесь есть некоторая путаница,  следует различать код апплета и созданный экземпляр класса. Код апплета может храниться как в EEPROM, так и в ROM (маска). Экземпляр класса хранится в EEPROM.
    Соотвественно, можно создать несколько экземпляров апплета с разными AID, и при этом будет выдяляться память необходимая именно на хранение экземляра класса апплета.
    Поскольку с отладкой апплетов все сложно в этом случае можно посоветовать комментировать части апплета и заливать его в карту, пока не наткнетесь на часть, которая вызывала ошибку.

    Тут все как раз просто. Есть встроенный в NetBeans отладчик правда для JC 3.0.4, есть JCOP Tools, а если хотите под все платформы и бесплатно, и еще писать unit-тесты — вот наш проект jCardSim.


    1. receiver
      13.04.2015 12:01
      #8373837
      +1

      Пардон, спросоня.
      «Произвольные байты это не 1…120», имел в виду, конечно, 0...119.


      1. FractalizeR Автор
        13.04.2015 15:06
        #8374083
        +1

        Да, я понял. Спасибо за комментарий.

        По поводу int наверное, вы правы. Я не помню, чтобы в спецификации был какой-то запрет на поддержку этого типа. Однако в моей практике карты с его поддержкой не встречались. Кроме того, официальный конвертер из JC SDK 2.2.x не конвертит апплеты, в которых используется int. Говорит, неизвестный тип, если не ошибаюсь.

        Что касается апплетов — все верно. Однако апплеты, хранящиеся в ROM я вообще не рассматривал. Понятно, что их загружать в карту не нужно. Достаточно создать экземпляр.

        Про Netbeans я, по-моему, упоминал в статьях. Карт, поддерживающих 3.x версию SDK мне не попадалось. Поэтому и Netbeans я не использовал. Мне кажется, их и сейчас на рынке немного.


        1. receiver
          13.04.2015 16:20
          #8374181
          +1

          .


  1. receiver
    13.04.2015 16:19
    #8374179
    +1

    … конвертер из JC SDK 2.2.x не конвертит апплеты, в которых используется int...

    -i опция конвертора (-i
    Instructs the Converter to support the 32-bit integer type.)

    Не совсем справедливо делать выводы о том как работает менеджер памяти и gc в общем случае, основываясь на поведении конкретных реализаций Java Card.

    Карт, поддерживающих 3.x версию SDK мне не попадалось.

    Карт, кстати, достаточно,  в том числе и российских www.esmart.ru/_products/_token-gost.  Опять таки, нужно разделять 3.0.x Classic  и Connected Edtion. Хоть Вы и говорите в начале о том, что речь пойдет о 2.2.1, но было бы здорово добавить, как дела обстоят сейчас.


    1. FractalizeR Автор
      13.04.2015 16:44
      #8374203

      Разумеется, добавлю. Спасибо.


  1. Sqwony
    13.04.2015 19:10
    #8374339

    Как данная технология защищена от кардшаринга (наподобие активно используемой в системах спутникового ТВ) в комплекте со средствами отладки ПО и MITM?


    1. FractalizeR Автор
      13.04.2015 19:33
      #8374369

      Ява-карта — это просто черный ящик для вашего секретного апплета, который что-то там такое секретное делает. Все остальное зависит от вас как от разработчика. Сама карта за вас ничего не сделает.

      • От отладки нужно защищаться средствами вроде Themida или StarForce (я об этом писал).
      • По поводу Man-in-the-middle — не понял, что за ситуацию вы имеете ввиду. Эмуляцию карты?


      От кардшаринга можно попробовать защититься так
      • При начале работы софт устанавливает с картой защищенную сессию. При завершении работы — завершает ее, производя некий handshake с картой. Если осуществляется попытка начать новую сессию без завершения предыдущей, некий счетчик внутри карты увеличивается. При достижении X таких попыток карта блокируется. Но это сильно зависит от вашей специфики. Возможно, от таких мер просто взвоют пользователи.
      • Софт, защищенный навесным протектором, может измерять скорость получения ответа от карты. Карта, расположенная локально, отвечать будет довольно быстро. Карта, расположенная в сети, будет отвечать заметно медленнее. В зависимости от качества соединения, расшаренная по сети карта скорее всего будет иметь непредсказуемое время ответа. Это можно замерять и блокировать карту при достижении определенных критериев.
      • Карта сама может хранить несколько последних меток времени, полученных через протокол общения с ПО и действовать самостоятельно с учетом этой информации


      Как вы понимаете, карта сама никак не может установить, расшарили ее или нет. В стандартных условиях канал связи с картой приложение обычно открывает эксклюзивно, поэтому без вторжения в ОС расшарить карту будет сложно. Но, конечно, можно пустить общение с картой через свой канал, сняв это ограничение.


  1. Sqwony
    13.04.2015 20:34
    #8374435

    Да, я имел ввиду общение между софтом и картой через свой канал. Защиту от отладки при очень большом желании гипотетически можно снять. Блокировать карту при достижении счетчика определенных значений — тоже не лучший вариант, учитывая закон о защите прав потребителей (сначала нужно доказать, что это не какой-либо сбой), тем более, как правило, защищающие права потребителей стоят на стороне потребителей, плюс этим конкуренты могут воспользоваться и заполнить интернет негативом. По поводу измерения скорости получения ответа от карты — хороший вариант, но никто не запрещает поставить ПО на сервер, завести туда 1000 учетных записей с софтом и продавать решение в «облаке». Вопрос в том, насколько популярен софт и какую потенциальную прибыль он может принести разработчику. Я бы предложил разработчикам, пользующихся данным решением, добавить в подозрительных случаях СМС верификацию (например при переполнении счетчика карты), так как приплетать дополнительно смс шлюз с сим-картой для взлома — это уже перебор, хотя… В целом годная схема, спасибо


    1. FractalizeR Автор
      14.04.2015 10:15
      #8374831

      Когда вы работаете с ява-картами, единственная вещь, которую сделать действительно невозможно — это извлечь ваш апплет из карты и проанализировать его. Поэтому, если в вашем ПО нет никакой логики, которую можно было бы поместить в апплет, защита не будет абсолютно надежной.

      Мои клиенты — в основном авторы ПО для разблокировки сотовых телефонов. Как правило, там много чего можно в карту поместить (алгоритмы расчета кодов, ключи авторизации и прочее). Если у вас, скажем, бухгалтерское ПО, вряд ли использование ява-карты даст вам преимущество по сравнению с использованием какого-нибудь HASP или Guardant ключа.