PC/SC 函式庫簡介

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PC/SC 全名是 Personal Computer/Smart Card，是一套專門為智慧卡和讀卡機之間溝通所設計的標準規範。這個規範是由 PC/SC Workgroup 制定的。

PC/SC 函式庫是根據這個規範實作的 API 集合，使我們在開發智慧卡應用程式時能夠更加方便。

本文將簡單介紹 PC/SC 函式庫的基本概念、使用流程及 APDU 通訊協定，幫助你更好地理解這個重要的智慧卡標準。

PC/SC 基本概念

PC/SC 規範定義了智慧卡與電腦之間的互動標準。它包含硬體和軟體兩個層面的規範。在軟體方面，主要的實作包括 Windows 系統的 WinSCard 和跨平台的 PCSCLite。image 42

PC/SC 與其他智慧卡標準

在深入了解 PC/SC 函式庫的使用流程之前，我們有必要了解 PC/SC 在整個智慧卡技術生態系統中的位置。PC/SC 雖然是一個重要的標準，但它並非孤立存在的。讓我們來看看 PC/SC 與其他幾個常見的智慧卡相關標準之間的關係。

JavaCard

JavaCard 是一個在智慧卡上運行的應用開發平台。與 PC/SC 不同，JavaCard 允許開發者使用 Java 語言為智慧卡編寫應用程式。PC/SC 則專注於主機和讀卡機之間的通訊。

在實際應用中，我們常常會使用 PC/SC 來與運行 JavaCard 應用的智慧卡進行通訊。

ISO 7816

ISO 7816 是一系列關於智慧卡的國際標準，涵蓋了從物理特性到傳輸協議等多個方面。PC/SC 在很大程度上是基於 ISO 7816 標準的，特別是在 APDU 通訊協議方面。

我們可以將 PC/SC 視為 ISO 7816 標準在個人電腦環境下的具體實現。

NFC

NFC（Near Field Communication）是一種短距離無線通訊技術，常用於非接觸式智慧卡和移動支付。雖然 PC/SC 主要針對接觸式智慧卡，但它也支持某些非接觸式卡。

許多 NFC 讀卡器可以通過 PC/SC 介面與電腦通訊，這為 NFC 應用提供了更廣泛的使用場景。

PKCS#11

PKCS#11 是一個加密令牌介面標準，定義了應用程式如何使用智慧卡等加密設備。與關注底層通訊的 PC/SC 不同，PKCS#11 專注於更高層次的加密操作。

在實際應用中，許多 PKCS#11 的實現會在底層使用 PC/SC 來與智慧卡進行通訊。

總結來說，PC/SC 在智慧卡技術體系中扮演著基礎通訊的角色。它為其他更高層次的標準和技術提供了必要的通訊能力。在開發智慧卡應用時，我們往往需要將 PC/SC 與其他標準或技術結合使用，以實現更複雜、更安全的功能。
理解了 PC/SC 與其他標準的關係，我們就能更好地把握 PC/SC 在智慧卡開發中的重要性。

接下來，讓我們深入了解 PC/SC 函式庫的基本使用流程。

PC/SC 函式庫的基本使用流程

使用 PC/SC 函式庫與智慧卡進行通訊，通常遵循以下基本流程：

  1. 建立上下文: SCardEstablishContext()
  2. 列舉讀卡機: SCardListReaders()
  3. 連接卡片: SCardConnect()
  4. 執行卡片操作
  5. 斷開連接: SCardDisconnect()
  6. 釋放上下文: SCardReleaseContext()

以下是一個簡單的流程圖，展示了 PC/SC 函式庫的使用流程：
PC/SC 使用流程

卡片操作函數

連接卡片後，可以使用以下函數進行各種操作：

  1. SCardTransmit(): 發送 APDU 命令
  2. SCardBeginTransaction() / SCardEndTransaction(): 開始/結束交易
  3. SCardControl(): 發送讀卡機命令(如 PIN Pad 操作)
  4. SCardStatus() / SCardGetAttrib() / SCardGetStatusChange(): 獲取卡片狀態

APDU 通訊協定

APDU (Application Protocol Data Unit) 是基於 ISO7816-4 標準的智慧卡通訊協定。它定義了命令 (Command) 和回應 (Response) 的格式：

Command APDU: [CLA][INS][P1][P2][Lc][Data][Le]
Response APDU: [Data][SW1][SW2]

APDU 命令格式詳解：

  • CLA (1 byte): 指示命令類別
  • INS (1 byte): 指示特定命令
  • P1, P2 (各 1 byte): 命令參數
  • Lc (0-3 bytes): 表示後續 Data 欄位的長度
  • Data (變長): 命令資料
  • Le (0-3 bytes): 期望的回應資料長度

APDU 回應格式詳解：

  • Data (變長): 回應資料
  • SW1, SW2 (各 1 byte): 狀態字，表示命令執行的結果

實際應用範例

以下是一個簡單的 C++ 範例，展示如何使用 PC/SC 函式庫連接智慧卡並讀取 ATR (Answer To Reset)：

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#include <winscard.h>
#include <iostream>

int main() {
    SCARDCONTEXT hContext;
    SCARDHANDLE hCard;
    DWORD dwActiveProtocol;
    BYTE pbAtr[32];
    DWORD dwAtrLen = sizeof(pbAtr);

    // 建立上下文
    if (SCardEstablishContext(SCARD_SCOPE_SYSTEM, NULL, NULL, &hContext) != SCARD_S_SUCCESS) {
        std::cerr << "Failed to establish context." << std::endl;
        return 1;
    }

    // 列出讀卡器
    LPTSTR pmszReaders;
    DWORD dwReaders;
    if (SCardListReaders(hContext, NULL, NULL, &dwReaders) != SCARD_S_SUCCESS) {
        std::cerr << "Failed to list readers." << std::endl;
        SCardReleaseContext(hContext);
        return 1;
    }

    pmszReaders = (LPTSTR) malloc(dwReaders * sizeof(char));
    if (SCardListReaders(hContext, NULL, pmszReaders, &dwReaders) != SCARD_S_SUCCESS) {
        std::cerr << "Failed to list readers." << std::endl;
        free(pmszReaders);
        SCardReleaseContext(hContext);
        return 1;
    }

    // 連接卡片（假設使用第一個可用的讀卡器）
    if (SCardConnect(hContext, pmszReaders, SCARD_SHARE_SHARED,
                     SCARD_PROTOCOL_T0 | SCARD_PROTOCOL_T1, &hCard, &dwActiveProtocol) != SCARD_S_SUCCESS) {
        std::cerr << "Failed to connect to card." << std::endl;
        free(pmszReaders);
        SCardReleaseContext(hContext);
        return 1;
    }

    // 獲取 ATR
    if (SCardStatus(hCard, NULL, NULL, NULL, NULL, pbAtr, &dwAtrLen) == SCARD_S_SUCCESS) {
        std::cout << "ATR: ";
        for (DWORD i = 0; i < dwAtrLen; i++) {
            printf("%02X ", pbAtr[i]);
        }
        std::cout << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to get card status." << std::endl;
    }

    // 斷開連接並釋放資源
    SCardDisconnect(hCard, SCARD_LEAVE_CARD);
    free(pmszReaders);
    SCardReleaseContext(hContext);

    return 0;
}

常見問題和注意事項

  • 讀卡機驅動問題：確保已正確安裝讀卡機驅動。
  • 權限問題：某些系統可能需要管理員權限才能訪問智慧卡讀卡機。
  • 多執行緒安全：在多執行緒環境中使用 PC/SC 函式庫時需要特別注意同步問題。
  • 錯誤處理：應該總是檢查 PC/SC 函數的返回值，以確保操作成功。
  • 資源釋放：記得在使用完畢後釋放所有分配的資源，避免記憶體洩漏。

結論

PC/SC 函式庫為開發智慧卡應用提供了標準化的介面。通過理解其基本概念、使用流程以及 APDU 協定,開發者可以更有效地實現智慧卡與電腦之間的安全通訊。

參考資源

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