基于ATL的智能卡中间件的实现

摘     要：COM（组件对象模型）为组件的开发和应用提供了一个标准平台。介绍了智能卡和其基于ATL（活动模板库）的 COM组件的实现，重点阐述其实现过程和实现流程，最后简述中间件的应用。该组件封装智能卡COS（片内操作系统），并以dll文件形式提供给用户，增强了组件的重用性，且方便系统升级和扩展。

关  键  词：智能卡 ；组件对象模型；活动模板库；片内操作系统

    智能卡（Smart Card），即IC卡，它将存储和处理信息数据的芯片镶嵌于塑料基片中，具有标准信用卡大小。智能卡存储容量大、安全性高、寿命长、适应性强、应用范围广，但其最大的特点是：在保持安全的情况下，一卡多用。在现阶段，CPU卡是使用最广泛的智能卡，卡中包含：CPU、E2PROM、RAM以及固化在ROM中的片内操作系统（COS）。

    在智能卡中，COS遵循ISO/IEC7816规范，它主要负责存储空间管理、文件系统管理和安全管理。虽然COS提供了智能卡底层接口的实现，但如果用户使用不同的操作系统、读卡器或开发平台，这就需要为不同的用户开发不同的应用软件，这样势必极大地增加软件开发的工作量，同时给用户的使用带来不便。那么，能否开发一种通用的智能卡软件呢？智能卡中间件就是答案。

    由于智能卡COS是硬件相关的，此时，藉用COM技术对COS进行封装，使之成为智能卡中间件。这样，降低了智能卡应用的难度，扩展了智能卡应用的广度。图1体现了中间件的逻辑位置以及调用层次关系。

图1中间件调用层次图

    1  COM技术概述

    根据组件化程序设计思想，一个大型的应用程序划分为多个模块，且每个模块保持一定的功能独立性，在协同工作的同时通过相互之间的接口完成实际的任务，这样每一个独立的模块叫组件。当所有的组件开发完毕，将它们装配在一起便成为一个完整的系统。当软硬件环境发生变化或用户需求有所改变时，只需要对受影响的个别组件进行修改，重新组装即可完成系统的更改。

    COM（Component Object Model）是微软开发的公共组件标准，该标准包括规范和实现两大部分。规范部分定义了怎样以独立于语言和独立于位置的方式调用对象，怎样定位和标识组件，以及怎样创建组件对象。实现部分主要是COM库（包含于ole32.dll和rpcss.dll中），它提供系统服务，具体包括：定位和装入组件，执行进程间通信和远程通信等工作。

    在Windows平台上，COM组件以dll或exe文件形式发布，当组件在操作系统的注册表中注册后，用户可以像使用标准ActiveX控件一样享受其服务。应该注意的是，COM对象只通过接口提供服务，提供服务同时隐藏了其内部实现，这就不同于C++对象在源代码级上的封装，COM对象实现的必须是二进制级上的封装。根据COM规范，COM对象接口（简称COM接口）能自我描述，且不依赖具体实现对象，并且需要消除接口调用与接口实现之间的耦合，这就要求COM接口用一种与具体实现语言无关的语言来定义，该语言就是IDL（Interface Definition Language）。另外，按照COM规范，COM对象和接口必须唯一被标识，对象标识符称为CLSID，接口标识符称为IID，两者都是由生成的128二进制位的GUID来标识（Global unique identifier，基于概率的算法保证其全球唯一性）。

    2 COM接口及对象的创建

    任何COM接口都是从一个IUnknown接口（也叫未知接口）继承。IUnknown接口包含三个成员函数：QueryInterface()、AddRef()和Release()。三者十分重要，不可或缺，QueryInterface ()用于查询组件实现的其它接口，AddRef()用于增加引用计数，Release()用于减少引用计数，当引用计数减为零时，接口自动在内存中释放组件本身。

    同时一个COM对象还包括一个叫IClassFactory（类厂）的基本接口，该接口中最重要的一个函数就是CreateInstance，它用来创建COM对象的实例，一般情况用户不会直接调用它。

    还有一个基本的接口叫做IDispatch接口（调度接口）。用来解决不支持指针的上层语言（如脚本语言VBscript,javascript等）的函数调用问题。该接口把每个函数和属性都编上号，客户程序将编号传递给IDispatch接口完成调用。

    图2较详细的说明了创建对象的流程。

图2 进程内服务器对象创建流程 

    3  基于ATL的中间件创建

    3.1中间件开发工具选择

    目前，中间件开发有三种方式：（1）COM SDK直接开发；（2）MFC开发；（3）ATL开发。用
SDK开发工作量大，需仔细了解COM底层原理，且很多重复劳动；MFC开发的组件需要运行时MFC42.dll库来支持，组件体积大、时间开销大，且要求是扩展dll；ATL是专用于开发组件的C++模板库，它将与COM相关的众多工具集成到统一的编程环境中，ATL利用模板使程序代码量小，执行效率较高。所以，用ATL开发智能卡组件是一个比较好的选择。

    3.2中间件软件结构和主要功能

    为使中间件具有更好的适应性，中间件的软件采用了分层结构模型。如图3所示， 应用层为用户提供API，实现诸如对卡的上、下电操作，密钥对生成，数据加解密等。智能卡层响应用户层的请求，向下传递信息，同样也将下层的信息返回给应用层。读卡器层，由配置文件选择相应的读卡器，并将请求向下传递。数据传输层实现数据传输协议。这种分层结构能够很好的屏蔽硬件之间的差异，灵活性好。

    图3 中间件分层模型

 该中间件基于智能卡COS所提供的命令接口来进行开发，主要完成一些基本过程：（1）建立文件系统，如建立MF、DF文件和各种EF文件；（2）文件系统操作；（3）身份认证和鉴权；（4）智能卡复位、锁定和解锁；（5）密钥生成，由卡生成RSA密钥或外部装入RSA密钥；（6）读写公钥和私钥等。

    3.3中间件实现流程
 
    VC中的ATL封装了COM技术细节，提供了AppWizard向导，简化了难度，同时也支持COM的一些高级特性，如双节口、连接点、ActiveX控件等。下面简述中间件的实现过程。
 
    （1）利用AppWizard创建一个ATL工程。选择DLL服务器（进程内组件），不需要选择proxy/stub、MFC和MTS，然后引入底层dll的头文件，这样，该程序框架中就包含了一组COM标准所要求的导出函数和一个全局成员：CComModule  _Module.
 
    （2）添加一个COM对象，它包含底层对应的众多接口，如ISCard接口（智能卡指令和相关PC/SC的接口）、IIError接口（错误代码的设置和读取等功能接口）、IIIOP接口（读写器和IC卡资源管理器等功能接口）、IICardProperties接口（智能卡的相关信息接口）。
 
    （3）IDL支持自定义结构体，在IDL文件中引入底层智能卡COS自定义的结构体，并加上唯一的UUID，需要删除底层头文件中的重复定义。

    （4）为各接口添加属性和方法。注意接口方法要用IDL语言（和C++接近）声明，从IDL定义的接口代码需要经过编译器（MIDL.exe）编译，编译后的文件组成如图4所示。
除了声明参数类型外，还要声明参数的属性，如属性修饰[out,retval]，表示通知客户端，该参数必须作为方法调用的返回值被返回。例如：
HRESULT GenerateRSAKey(const unsigned char wPubKeyFileID,[out,retval] long *bRet);
属性修饰缺省的情况下表示输入参数，const unsigned char wPubKeyFileID省略了 [in]。

图4  idl文件编译结构

    （5）实现每个接口中包含的方法，针对该实现，需要实现大量的方法，这个过程是繁琐的、耗时的，可能需要迭代开发模式，以减少客户端测试的时间。一个简化例子如图5所示：

    图5 COM层函数的简单实现
 
    （6）编译、建造工程，VC自行注册组件。
 到此，智能卡中间件创建完成。下面还需要建立客户端程序测试和验证中间件。

    3.4中间件的应用

    无论在哪种开发环境下使用组件，在二次开发的初期，必须建立COM组件的运行环境。以VC为例，重点说明一种组件运行环境的建立。

    首先引入头文件*.h（组件接口声明）和*_i.c（定义组件所有的CLSID和IID）；然后初始化COM库，调用CoCreateInstance()得到所需接口的指针；当客户端调用完毕，释放实例，最后卸载COM库。
另一种方式，可以使用#import指令导入类型库（*.tlb）的方式，此处不再赘述。
建立COM运行环境后，可实现智能卡的应用。图6展示了一典型的中间件应用流程：

图6 智能卡工作逻辑

    4  结束语

    智能卡中间件利用ATL实现了COM规范。同时注意到，编写中间件测试程序也是必要的，只有开发和测试交替进行，才能保证组件的可用性。另一方面，在组件结构方面，该组件使用分层模型，这就很好地屏蔽了硬件信息，为用户提供了一个统一的接口，实现组件的通用性、可扩展性和移植性。