向POS终端下载密钥的技术方案
摘 要 本文描述了一种向 POS 终端下载密钥的技术方案。通过该方案，可以为生产中的终端下载唯一的非对称密钥。出厂后的终端，可以通过该非对称密钥连接银行后台下载主密钥。该方案可以将非对称密钥通过自动化的方式注入 POS 终端。 POS 终端在生产后可以直接部署到商户，节省了运输到银行下载主密钥的工作。通过这个方案，减少了人工管理成本，提高了终端从生产环节到达部署环节的效率。
本文源自福建电脑第 37 卷 第 6 期2021 年 6 月
关键词 POS 终端;密钥下载;一机一密;自动化
1 引言
本文所提出的方案基于密码学，应用于 POS 终端这一金融支付场景上[1]，用于解决向 POS 终端预置密钥的问题。作为一款金融支付终端，本文的方案主要使用 POS 终端完成付款功能。在这个过程中，POS 终端保护传递到银行后台的持卡人的敏感数据，如 PIN 和 PAN 的机密性和完整性[2]。为了做到这一点，根据密码学原理[3]，POS 终端需要使用合适的密钥保护这些敏感数据。从密钥生命周期的角度来看，如何将密钥下载到 POS 终端，是整个金融支付领域非常重要的问题。
2 研究技术背景分析
随着电子支付产业的不断发展，电子支付因其快捷、便利的特点，受到人们的广泛认可和关注。因此，银行卡支付、消费卡支付已经成为人们消费支付的主要方式。其充分依托网络技术得以发展[4]。电子支付系统包括消费者使用的终端设备、支付平台等多种不同的设备。为了保证消费者的个人权益不受影响，消费者需要在安全环境中消费。消费者将账号和 PIN 输入 POS 终端[5]，然后由该终端统一向支付平台传输信息。作为电子支付的重要载体， POS 终端承担了保护消费者账号和 PIN 的重要责任。为了避免账号或密码被破解，更好地保护持卡人的财产安全，在整个支付过程中都会通过加密的方式保护账号和密码，避免其以明文形式出现。因此，接受 PIN 输入的 POS 终端需配备相应的密钥管理体系[6]。如何下载初始密钥到终端，是一个需要解决的问题。常见的密钥下载方式有两种。
(1)终端在生产后，运输到银行的专用环境内，直接连接到银行后台下载明文交易密钥。该方式为当前传统的密钥下载方式，终端厂商需要先将终端发货给银行，然后由银行安排专人为每一台终端下载密钥，最后再由银行安排人员将终端布放到各个商户。在整个流程中，需要将终端先发货到银行，再发货到商户，延长了终端布放的时间。另一方面，银行需要有专人为每台终端下载密钥，增加了人力成本和管理成本。由于银行系统是对 POS 终端下载明文密钥，需要确保该区域始终在安全环境内[7]。
(2)终端在生产的时候，连接到终端厂商后台下载明文厂商密钥。通过该方式，终端出厂后已经有厂商密钥，可以使用该厂商密钥与银行后台建立安全通道，进而下载银行交易密钥。通过该方式生产的终端，生产后可以直接布放到商户，缩短了终端布放的时间。但由于是下载明文厂商密钥，则需要在厂商工厂内建立单独的安全环境，只能在此环境里下载明文密钥，相应地会降低生产效率。
主密钥和工作密钥是 POS 终端最常用的密钥管理体系，具有分级的特征，而这种体系和每笔交易均衍生出密钥的管理方法，都需要在终端下载初始密钥。目前，普遍以远程密钥下载方式下载初始密钥到终端[8]，要求支付终端在出厂后预置非对称密钥和证书。
针对上述两种方案各自存在的问题，本文提出了一种新的解决方案。终端在生产的时候，与终端厂商后台建立安全通道，厂商密钥则可通过该安全通道，在终端与后台之间安全地传输。通过该方案，既满足了为出厂的终端下载厂商密钥的需求，同时不需要为工厂建设专门的安全房，还能对终端的生产效率没有造成太大的影响。
3 技术实现重点研究
对于生产中的终端，此时内部并没有可以和服务器交互的密钥。如何与服务器建立安全通道是本方案的设计要点。
本方案主要涉及三个角色：终端、PC、服务器。图 1 展示了三种之间的连接关系。
现说明三者之间进行交互的完整流程。
(1)三个角色各自拥有的重要数据。
服务器拥有提供加解密功能的证书及私钥(Enc_Server_keypair)[9]，提供表征自己身份的证书和私钥(Auth_Server_keypair)以及 PC 的 Sub CA (Securemedia_SubCA)。同时，服务器作为一个 CA，可以为终端签发证书。
PC 拥有表征自己身份的证书 和 私 钥 (Auth_Securemedia_keypair) 以及服务器的 Sub CA(Server_SubCA)。PC 可以使用 Server_SubCA 验证服务器的真实性。
终端预置有服务器的 Sub CA(Server_SubCA)。终端可以使用 Server_SubCA 验证服务器证书的真实性。
(2)三个角色之间建立安全通道的流程。
每台 PC 的登录口令，由两名生产线上的操作员共同管理，第一名操作员负责登录口令的前 5 位，第二名操作员负责登录口令的后 5 位。
整个过程需要两个人一起操作才能完成，称为双控机制。具体为：两名操作员分别输入登录口令， PC 验证登录口令成功后，操作员才能使用 PC 上运行的软件，与服务器建立安全通道。
PC 与服务器，基于各自的证书及私钥，以及对方的 Sub CA，使用 TLS1.2 协议建立双向认证安全通道。
知道 PC 登录口令的人员，均为生产线上的操作员，均会按照生产流程，检查生产线上的 POS 终端，在确保外观完整后，才将该 POS 终端接入安全通道。当 POS 终端接入安全通道后，开启厂商密钥下载的流程。
(3)服务器向 POS 终端签发厂商证书的流程。
服务器向 POS 终端发送 Enc_Server_keypair 的证书。POS 终端使用 Server_SubCA 验证该证书的真实性后，终端生成随机会话密钥 SK，使用服务器证书加密该 SK，并通过 PC 与服务器之间的安全通道，将 SK 密文传递给服务器。服务器使用相应的私钥解密密文得到 SK 明文。若终端自己生成公私钥对的速度较慢，则由服务器生成公私钥对并完成证书签发，由服务器将经过 SK 加密后的私钥密文和证书发送给终端;若终端自己生成公私钥对的速度较快，则终端上送证书请求给服务器，证书请求的真实性由 SK 保证，服务器验证证书请求有效后，由服务器签发证书，并将证书发送给 POS 终端。图 2 展示了密钥下载的整个流程。
4 技术特征分析
通过上述流程可以看到，本文描述的技术方案，主要基于 PKI 体系，使用非对称密钥协商会话密钥，再使用该会话密钥保护待传递的数据，如私钥或证书请求。
考虑到生产中的 POS 终端没有密钥，因此只能由 POS 终端认证服务器，而服务器无法认证 POS 终端。为了解决这个问题，本方案引入 PC，通过 PC 与服务器基于 TLS1.2 建立的安全通道，确保后续 POS 终端与服务器交互数据的完整性和真实性。
两名操作员分别输入登录口令后，PC 验证登录口令的正确性，确保操作员身份的合法性。操作员自然能够按照厂商管理规范的要求，确保终端身份的合法性。
简言之，首先通过 PC 验证登录口令，再通过操作员检查 POS 终端的身份，完成对终端的身份认证。
在上述第 3 步流程里，当 POS 终端将 SK 的密文发给服务器时，只有合法的服务器才能正确解密 SK。通过该隐式认证，完成 POS 终端对服务器的身份验证。至此，完成了厂商密钥下载流程里，终端与服务器的双向认证流程。
在完成双向认证后，开始传递密钥。POS 终端使用预置在自己软件里的服务器 Sub CA，验证服务器下发的证书有效性，确保该证书确实来源于可靠的 CA。然后，由 POS 终端生成随机会话密钥 SK，再使用该证书加密 SK。通过该方式，确保 SK 只能被有效的服务器解密，从而保证 SK 不会被攻击者恶意获取。另一方面，由于 PC 已经与服务器建立安全通道，该通道确保了二者之间传递数据的真实性，使得密文 SK 的真实性得到了保障，避免了伪造 POS 终端获取厂商密钥的可能性。
5 结束语
为了保证本文提出的技术方案可以顺利实施，需要做好多方面的工作。在前期部署阶段需要做好充足的准备。由于方案涉及到证书，因此必须对 CA 中心进行合理的部署，搭建完整的 PKI 体系。在建立 CA 中心时，可以选择多种不同的方法。第 1 种方法可以在可信的第三方挂靠 CA 机构，成为其附属机构。第 2 种方法可以由终端厂家建立自己的 CA 中心。不论是哪种方式，服务器和加密机均需要放置在安全环境内，不过只需要部署集中式的服务器和加密机即可，不需要在每个工厂都设立单独的安全房。
在此基础上，还需要签发采集终端随机生成SK 的证书，用于加密该 SK 并上送到服务器。通过加解密方式，确保只有真实的服务器才能获取到该 SK。
同时，还需要注意到，通过 PC 的介入，可以在 PC 与服务器之间建立双向认证通道，从而保证通道之间传递数据的真实性，确保终端上送的证书请求或密文 SK 的真实性。
本文提出的技术方案，允许终端的厂商密钥可以由终端生成，也可以由服务器生成。至于采用哪种方式来实施，取决于终端生成厂商密钥的速度。这样，因终端性能不足造成的低效产能问题，可以得到有效的解决。
通过上述技术手段，终端在生产过程中，即可完成获取厂商密钥的目的，从而使得终端后续可以进行远程下载银行密钥的操作。
综上，本文提出的技术方案描述了对 POS 终端下载厂商密钥的解决方案。该方案使用了 PKI、非对称算法、双向认证这些密码学技术。通过 PKI 技术，为建立双向认证安全通道及传递敏感数据，提供了可信证书链。通过建立安全通道，以及生产线上操作员对终端的生产管理，完成了服务端与终端之间的双向认证。
同时，基于该双向认证安全通道，确保终端与服务端之间传递数据的真实性，确保双方之间传递的临时会话密钥是可信的，从而保证厂商密钥的可靠性。由于本文提出的技术方案对生产流程增加了一些额外操作，但对生产本身并没有提出本质上的改变，因此对生产效率没有造成较大影响。同时，由于不需要为每个工厂均设立单独的安全房，降低了生产成本和管理成本[10]。总而言之，本技术方案从安全、效率、成本三个角度出发，解决了为生产线上的终端预置厂商密钥的需求。