我們在第二章中，探討了Jiang et al.和Hou et al.等學者所提出的智 慧卡安全通訊方法等相關文獻和其在安全性及計算效能上的弱點。為 了讓智慧卡的安全通訊架構安全性和效能上都能有所提升，我們針對 了演算法上的一些缺失進行了改進與提升，提出了SCNFC架構。
3-1 主要架構
SCNFC的主要架構，在於智慧卡和STB之間透過通訊協定的安全 溝通，如圖3-1所示。
圖3-1：智慧卡晶片和STB架構圖
在 SCNFC 安全通訊架構中，所會使用到的代碼整理如表 3-1 所示：
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表 3-1：SCNFC 架構代碼表 代號 所代表含意
U
i 使用者(User)STB
數位電視機上盒PW
i 使用者 Ui的密碼(Password)ID
c 智慧卡識別碼(Smart Card Identity)ID
s STB 識別碼(ATMe Identity)→ 一般通訊管道(Common Channel)
⊕ 互斥或運算(Bitwise-or Exclusion Operation)
STBS
數位電視機上盒管理系統3-2
架構說明本 SCNFC 安全通訊架構是由四個層級所組成，分別是：註冊 層 (Registration phase) 、 登 入 和 相 互 認 證 層 (Login & Mutual authentication phase)、金鑰協議層(Key agreement phase)、和密碼 變更層(Password change phase)。以下將詳細介紹各節的運作情 形。
3-2.1
註冊層(Registration Phase)在註冊層的所有步驟，都必頇由使用者攜帶相關單位進行申 請。其註冊的步驟如圖 3-1 所示：
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圖 3-2：註冊層流程圖 表 3-2：註冊層流程表
步驟代碼 步驟內容
R1
使用者 Ui提出使用申請。R2
回應 Ui的申請。R3
使用者 Ui 自行選擇一個隨機號碼 b 和一組密碼PW。智慧卡進行雜湊函數運算後會得到 h(PW⊕
ID
c⊕b)。R4 U
i 將 IDc和 h(PW⊕IDc⊕b)回傳至 STB。R5
STB 將 Ui的 IDc和 h(PW⊕IDc⊕b)儲存。R6
STB 計算出 Wi = h(IDc⊕x)⊕h(PW⊕IDc⊕b)。39
R7
將 Wi和 h()回傳至智慧卡。R8
智慧卡將 Wi和 h()儲存在記憶體中。R1：使用者必頇先擁有合法的智慧卡和 STB，並在初次使用時，
以智慧卡對 STB 進行註冊。
R2：在確認過使用者資料之後，STB 會回應智慧卡的註冊申請。
R3：使用者選擇一隨機號碼 b 和一組密碼 PW。輸入完成之後，
智慧卡會將此兩筆資料儲存在記憶體中，並由智慧卡晶片進 行單向雜湊函數的運算，得到 h(PW⊕IDc⊕b)。
R4：完成之後，使用者再將智慧卡接觸 STB 的通訊協定接收器。，
將智慧卡的編號 IDc 和所得到的 h(PW⊕IDc⊕b)，透過 protocol 回傳給 STB。
R5：STB 在接收到使用者所傳送的 IDc和 h(PW⊕IDc⊕b)之後，
會即刻將此兩筆資料，儲存在 STB 的記憶體中。。
R6：STB 會根據使用者所傳送的 IDc和 h(PW⊕IDc⊕b)進行一次 雜湊函數運算，得到 Wi = h(IDc⊕x)⊕h(PW⊕IDc⊕b)，其中 的 x 為 ATMe 的一個分散式秘密金鑰(Distributed secret key)。
R7：完成之後，系統會將 Wi和 h()，一樣透過安全頻道回傳至智
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慧卡。
R8：在完成對 STB 的註冊流程之後，智慧卡會將 Wi和 h()透過 儲存在智慧卡的記憶體中，完成使用者的申請流程。
(注意：在完成所有申請流程之後，Ui 的智慧卡中所儲存的資訊 包含了 Wi、IDc、IDs、b、和 h( )，而使用者 Ui並不需要將 b 記 住。)
3-2.2
登入和相互認證層(Login & Mutual authentication phase)完成申請的使用者若想要使用 STB 的服務，首先必頇先進行 系統的登入，並讓系統進行使用者和 STB 之間的相互認證，其步 驟如圖 3-3 所示：
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圖 3-3：相互認證層流程圖
表 3-3：相互認證層流程表
步驟代碼 步驟內容
L1
開啟應用程式，輸入密碼進行身分確認。智慧卡會 自動產生出一組隨機號碼 ruj。L2
將智慧卡和 STB 進行連線。完成後計算 Vi = Wi⊕h(PW⊕ID
c⊕b)和 C=h(Vi⊕T1⊕ruj)。並將 C1={C,ID
c, T1, ruj}傳送至 STB。L3
確認 IDc是否合法。42
L4
確認 T1 和 T1’之間的時間區間是否正確。L5
計算 Vi =Wi⊕h(IDc⊕x)和 C’=h(T1⊕Vi⊕ruj)，並進 行確認。L6
產生出隨機號碼 rsj並計算出 C’’=h(C’⊕IDa⊕T2⊕rs
j)。L7
將 C2={C’’, T2, rsj}回傳給智慧卡。L8
確認時間戳記 T2是否正確。L9
計算出 C’’’=h(C⊕IDa⊕T2⊕rsj)，並進行 C’’’與 C’’的比對。完成此次的相互認證。
L1：智慧卡被啟動時，智慧卡晶片會自動產生出一組隨機號碼
ru
j。L2：使用者將智慧卡和 STB 進行接觸連線後，使用者可進行密 碼的輸入。連線完成後，智慧卡晶片會先進行一次單向雜湊 函數的計算，得到 Vi = Wi⊕h(PW⊕IDc⊕b)和 C=h(Vi⊕T1⊕
ru
j)。其中 T1是目前 STB 中的日期和時間。最後智慧卡會將C
1={C, IDc, T1, ruj}透過通訊協定傳送至 STB。STB 在接收到使用者透過 protocol 所傳送的 C1={C, IDc, T1, ruj} 之後，STB 會以下列步驟進行資料的比對與確認：
L3：確認 IDc是否合法，若 IDc的格式不正確，STB 會拒絕這次
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的登入要求。
L4：確認 T1 和 T1’之間的時間區間是否正確，以防止訊息重複攻 擊
[6]
，△T1 表 示 傳 輸 時 預 期 中 所 花 費 的 時 間 區 間 ， 若 (T1’-T1)>△T1，或 T1’
=T1，則 STB 會拒絕這次的登入要求。
L5：計算 Vi =Wi⊕h(IDc⊕x)和 C’=h(T1⊕Vi⊕ruj)，若 C’和 C 相符，
則 STB 會接受這次的登入要求，並接著下一個步驟，若不 相符，則會拒絕這次的登入要求。
L6：產生出一個隨機號碼 rsj並取得目前的時間戳記 T2，並計算 出 C’’=h(C’⊕IDa⊕T2⊕rsj)。
L7：透過通訊協定將 C2={C’’, T2, rsj}回傳給智慧卡。
智慧卡在接收到 STB 透過通訊協定所傳送的 C2={C’’, T2, rsj} 之後，智慧卡晶片會以下列步驟進行資料的比對與確認：
L8：在接收到訊息 C2={C’’, T2, rsj}後，智慧卡一開始會先確認其 時間戳記 T2是否正確。
L9：接著智慧卡晶片會計算出 C’’’=h(C⊕IDa⊕T2⊕rsj)。若所計算 出的結果 C’’’與 C’’不相符，則智慧卡會終止這次的連線；若 相符，則智慧卡會信任此 STB 是合法的，並完成此次雙方 的相互認證。
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3-2.3
金鑰協議層(Key agreement phase)若智慧卡和 STB 的相互認證成功，則會以方程式 Kj=h(rsj, ruj,
V
i)來計算出一般的交易金鑰(common session key)，由於 Vi = Wi⊕h(PW⊕IDc⊕b)、而 Wi = h(IDc⊕x)⊕h(PW⊕IDc⊕b)，因此其中 也包括了由 STB 和智慧卡所隨機選擇的亂數。
圖 3-4：金鑰交換層流程圖
3-2.4
密碼變更層(Password change phase)密碼變更層帄常並不會使用到，只有當使用者欲進行智慧卡 中所儲存密碼的變更時，才會使用到密碼變更層。在此層級中，
使用者若要將密碼 PWi更新為 PWinew，其步驟如表 3-4 所示：
表 3-4：密碼變更層流程表
步驟代碼 步驟內容
P1
輸入密碼進行身分確認。P2 V
i*= Wi⊕h(PW⊕IDc⊕b)。
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P3
確認 Vi*和 Vi是否相等，若相等，則即可選擇新密 碼 PWnew。P4 W
inew = Vi*⊕h(PWnew⊕IDc⊕b)，以 Winew來取代 W。 iP1：開始使用之前，使用者必頇先將密碼 PWi輸入進行身分的確 認，接著選擇變更密碼的選項。
P2：智慧卡會計算出 Vi
*= Wi⊕h(PW⊕IDc⊕b)。
P3：智慧卡會確認 Vi
*和儲存在智慧卡中的 Vi是否相等，若相等，
則即可選擇新的密碼 PWnew。 P4：智慧卡會計算出 Winew = Vi
*⊕h(PWnew⊕IDc⊕b)用來產生出
h(ID
c⊕x)⊕h(PWnew⊕IDc⊕b)，接著以 Winew來將 Wi給取代 掉，並完成密碼變更的程序。在我們所提出的架構中，密碼變更的階段是相當具有安全性 的，因為智慧卡會使用在步驟 P3 中所儲存的 Vi來確認 Vi*是否正 確，當智慧卡不幸被竊取時，未經認證的使用者就無法自行變更 手機中所儲存的密碼。
我們所提出的SCNFC架構，主要的目的是在針對Jiang et al.和Hou et al.的智慧卡安全通訊方法中，對外來入侵者的重覆攻擊、身份偽裝 攻擊、以及已知的明文攻擊，其防禦能力不佳，而提出改進的方法。
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而在第四章中，我們將會針對各種不同類型的攻擊進行分析，說明 SCNFC架構在安全性增強的情況下，對效率的要求亦相當高。
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