Mit Karte, bitte!

Grundlagen und Standards von Chipkarten
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Diese dreiteilige Artikelserie zeigt Einsatzmöglichkeiten und Technologien moderner Chipkarten auf. Ausgehend von den theoretischen Grundlagen und den aktuellen Standards in diesem Artikel wird die Kommunikation mit Chipkarten anhand von praktischen Programmierbeispielen verdeutlicht. Das Spektrum der vorgestellten Chipkarten erstreckt sich von kontaktbasierten Chipkarten bis hin zu kontaktlosen RFID-Karten und die jeweils spezifischen Anwendungen, wie beispielsweise EC-Karten oder elektronische Reisedokumente.

Windows Developer

Der Artikel „Mit Karte, bitte!“ von Helmut Stoiber ist erstmalig erschienen im Windows Developer 7.2012

Die Entwicklung von Plastikkarten mit integriertem Chip hat in den frühen 80er-Jahren begonnen. Bereits wenige Jahre später resultierten daraus die ersten kommerziell eingesetzten, kontaktbasierten Chipkarten. Neben den klassischen Telefonkarten, die nur mit einem reinen Speicherchip ausgestattet sind, wurden in Deutschland ab 1988 die intelligenten Chipkarten mit Mikroprozessor zunächst primär im Mobilfunk (Netz-C) eingesetzt. Einige Jahre später haben kontaktlose Chipkarten das Spektrum erweitert. Sie werden vornehmlich als elektronische Ausweisdokumente und Zugangsberechtigungen eingesetzt. Weiterhin existieren so genannte Dual-Interface-Smart-Cards, die sowohl ein kontaktbasiertes als auch ein kontaktloses Interface aufweisen.

Artikelserie

  1. Grundlagen und Standards
  2. Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen
  3. Elektronische Dokumente
Grundlagen

Chipkarten oder auch Smart Cards (Integrated Circuit Card, ICC) besitzen einen Halbleiterchip, der sich im Inneren einer Plastikkarte befindet. Die externen Anschlüsse dieses Chips sind als Kontakte auf der Kartenoberfläche aufgebracht oder drahtlos über eine Luftschnittstelle abgreifbar, falls es sich um eine kontaktlose Karte handelt. Chipkarten sind in der Lage, Daten zu speichern sowie interne und externe Kommandos auszuführen. Die Kommunikation zwischen einer Chipkarte und der Außenwelt erfolgt via Terminal, Chipkartenlesern oder speziellen Geräten, wie beispielsweise Mobilfunkgeräte. In der Regel ist der Chip in eine Plastikkarte eingelassen, die das Format einer Scheckkarte mit Magnetstreifen hat, wie in Abbildung 1 zu sehen.

Abb. 1: Plastikkarte mit Chip
Abb. 1: Plastikkarte mit Chip

Die Abmessungen einer Standardchipkarte betragen in Übereinstimmung mit ISO/IEC 7810 exakt 85,60 x 53,98 x 0,76 Millimeter. Diese Chipkarten werden als ID1-Karten bezeichnet. Alternativ zu den Standardchipkarten existieren SIM-Karten (Subscriber Identity Module), die gemäß Abbildung 2 in einen SIM-Adapter mit USB-Anschluss eingesteckt werden können. Diese Anschlussmethode hat den Vorteil, dass kein separater Chipkartenleser erforderlich ist, sondern ein Standard-USB ausreicht. Eine Mini-SIM weist gemäß ISO/IEC 7810 die genormten Abmessungen von 25 x 15 x 0,76 Millimeter auf und trägt die Bezeichnung ID-000. Für eine Micro-SIM betragen die Abmessungen gemäß ETSI 15 x 12 x 0,76 Millimeter. In beiden Ausprägungen ist eine Ecke leicht abgeschrägt, damit das korrekte Einlegen der SIM-Karte gewährleistet werden kann.

Abb. 2: SIM-Adapter mit USB-Anschluss
Abb. 2: SIM-Adapter mit USB-Anschluss

Eine Chipkarte ist im Prinzip ein portabler Kleinstcomputer, der mit hohen Sicherheitsstandards ausgestattet werden kann. Hierzu zählen Manipulations- und Fälschungssicherheit, Kopierschutz (Chip Cloning Protection) sowie Schutz vor unberechtigtem Auslesen von Daten. Weiterhin ist ein genereller Zugriffsschutz auf sämtliche Transaktionen und Funktionalitäten aktiviert, der erst durch Eingabe einer PIN aufgehoben bzw. eingeschränkt werden kann. Im Gegensatz hierzu können die auf einem Magnetstreifen gespeicherten Daten einer traditionellen Kreditkarte sehr leicht ausgelesen, geändert oder kopiert werden.

Chipkarten mit Mikrokontroller

Die grundlegende Architektur einer Chipkarte mit Mikrokontroller ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Neben der CPU in Verbindung mit einem kryptografischen Koprozessor sind drei unterschiedliche Speicherelemente zu erkennen:

  1. RAM: Flüchtiger Arbeitsspeicher, der die Daten nur bis zum Entfernen der Versorgungsspannung hält
  2. ROM: Speicher für das Betriebssystem
  3. EEPROM: Nicht flüchtiger Speicher (Non Volatile Memory) für die Speicherung von Anwendungsdaten

Die I/O-Einheit ist bei kontaktlosen Chipkarten das Bindeglied zu einem Transponder, über den die Daten drahtlos übertragen werden (Luftschnittstelle) und der Chip getaktet und mit Spannung versorgt wird. Im Falle von kontaktbasierten Chipkarten besteht eine direkte Verbindung zu den äußeren Kontakten.

Abb. 3: Chipkarte mit Mikrokontroller
Abb. 3: Chipkarte mit Mikrokontroller

Neben den oben aufgeführten Funktionseinheiten verfügen moderne Chipkarten unter anderem über Timer, kryptografische Komponenten (DES Engine, Public Key Coprozessor etc.), Zufallsgeneratoren sowie über einen Power-up/Power-down-Reset-Generator. Mittlerweile sind die aktuellen Mikrokontroller mit 16-Bit-Architektur verfügbar. Optional kann die Registerbreite konfiguriert werden, sodass zum Beispiel 16 8-Bit-Register plus acht 16-Bit-Register oder acht 32-Bit-Register realisiert werden können.

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