Answer to Reset

Answer to Reset (ATR) ist die erste Information, die eine Chipkarte in der kontaktbehafteten Kommunikation an einen Chipkartenleser übermittelt, nachdem dieser einen Reset der Karte durchgeführt hat. Vereinfacht gesprochen handelt es sich beim ATR um eine Reihe von Parametern, mit denen die Chipkarte dem Chipkartenleser mitteilt, wie er mit ihr kommunizieren kann.

Der Inhalt des ATR wird in der Chipkartenspezifikationen ISO 7816-3 spezifiziert und ist von den Fähigkeiten der Chiphardware (UART) und der Protokollimplementierung des Chipkarten-Betriebssystems abhängig. Chipkartenhersteller haben so die Möglichkeit, mit Hilfe der Kommunikationsparameter im ATR das Kommunikationsverhalten der Chipkarte und des Terminals, insbesondere die Kommunikationsgeschwindigkeit zu beeinflussen und zu optimieren. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit einer Chipkarte hängt daher in hohem Maße von den Fähigkeiten des eingesetzten Chipkartenlesers ab.

Der ATR einer Chipkarte wird auch oftmals von Host-Software benutzt, um dessen Typ zu erkennen und damit die erforderliche Middleware für den Zugriff auf die Karte auszuwählen. In der Windows-Registry sind die ATRs von Karten zu finden, um damit auf den korrekten Cryptographic Service Provider (CSP) zu referenzieren. Bei Installation eines neuen CSP werden die ATRs der unterstützten Karten in die Registry eingetragen.

Chipkarten können abhängig von der Art des Resets, den das Terminal verwendet, unterschiedliche ATRs ausgeben. Wenn die Karte durch Anlegen der Versorgungsspannung und Freigeben der Reset-Leitung startet, spricht man von einem Power-On-Reset oder auch Cold reset. Im Gegensatz dazu ist ein Warm reset oder Soft-Reset ein Signal auf der Reset-Leitung der Kontaktflächen der Chipkarte im laufenden Betrieb. Die Karte kann abhängig von der Art des Resets oder sogar abhängig von der Anzahl der Warm resets verschiedene ATRs zurückgeben.

Dieses Verhalten ermöglicht es, eine höhere Kompatibilität zwischen Chipkartenleser und Chipkarte zu erreichen. Wenn ein Chipkartenleser die Parameter des ATRs nach dem Power-On-Reset nicht unterstützt, kann er ein Signal auf der Reset-Leitung schicken und erhält je nach Kartenimplementierung einen geänderten ATR. Wenn der Leser die Parameter des geänderten ATRs unterstützt, kommt die Kommunikation zwischen Karte und Leser zustande. Führt der Chipkartenleser den Warm reset nicht aus oder unterstützt die Parametern der geänderten ATRs nicht, ist keine Kommunikation möglich, und der Kartenleser ist mit dieser Karte nicht einsetzbar.

Der ATR ist eine Reihe von Bytes. Davon sind die ersten zwei Bytes, TS und T0, verpflichtend. Alle weiteren sind optional und werden durch Angaben in den vorhergehenden Bytes (T0 und TDx) angekündigt.

TS	T0	TA1	TB1	TC1	TD1	TA2	TB2	TC2	TD2	TA3	TB3	TC3	TD3	TA4	TB4	TC4	TD4	Historical Characters	TCK

Folgende Datentypen kann man im ATR unterscheiden:

Datenelement	Bezeichnung (engl.)	Bedeutung
TS	The Initial Character	Byte, mit dem die Kommunikation gestartet wird.
T0	The Format Character	Dieses Byte gibt die Anzahl der Historical Characters und das Vorhandensein der Interface Characters TA1, TB1, TC1 und TD1 im ATR an.
TA1, TB1, TC1, TD1...	The Interface Characters	Diese Bytes geben Kommunikationsparameter an. Die vier höchstwertigen Bits des Bytes TDx zeigen jeweils das Vorhandensein der Bytes TAx+1, TBx+1, TCx+1 und TDx+1 an.
T1, T2...	The Historical Characters	Die Historical Characters sind eine Kette von maximal 15 Bytes, deren Inhalt nicht festgelegt ist.
TCK	The Check Character	XOR-Prüfsumme über alle ATR Bytes, beginnend ab Byte T0 bis zum letzten Byte vor TCK.

Dieses Byte zeigt die sogenannte convention, d. h. die Konvention der Bit- und Byteübertragung an, die die Karte verwendet.

• Die direkte Konvention (Direct convention) überträgt ein Bit 1 mit einem hohen (high) Pegel und ein Bit 0 mit einem niedrigen (low) Pegel auf der I/O-Leitung. Die Bits des zu übertragenden Bytes werden, vom niedrigstwertigen Bit beginnend, aufsteigend übertragen. Der Initial Character für die direkte Konvention ist auf '3B' festgelegt.
• Die indirekte Konvention (Inverse convention) arbeitet mit umgekehrten Pegel, d. h. ein Bit 1 wird mit niedrigem (low) Pegel und ein Bit 0 mit hohem (high) Pegel übertragen. Im Gegensatz zur direkten Konvention wird das Datenbyte vom höchstwertigen Bit absteigend übertragen. Für die Indirekte Konvention ist der Initial Character '3F'.

Die mit dem Initial Character angegebene Konvention gilt für die gesamte Kommunikation zwischen Chipkarte und Chipkartenleser. Der Initial Character ist für beide Konventionen so gewählt, dass die Pegel des Startbits und der ersten zwei übertragenen Bits des Initial Characters identisch sind. Damit kann der Chipkartenleser den korrekten Beginn des ATRs erkennen und anhand der Flanken des Startbits und des dritten übertragenen Datenbits die von der Karte gewählte Übertragungsgeschwindigkeit berechnen (Zeitabstand der Flanken / 3). Da die Übertragungsgeschwindigkeit für den ATR in der ISO 7816-3 festgelegt ist, verzichten viele Leser auf diese Berechnung.

Der Format Character enthält zwei Informationen:

1. Angabe über die folgenden Interface Characters TA1, TB1, TC1 und TD1 in den höherwertigen vier Bits.
2. Anzahl der Historical Characters im ATR in den niederwertigen vier Bits. Die Anzahl liegt damit zwischen 0 und 15.

Bit	Bedeutung
b8	Zeigt die Übertragung des TD1-Bytes an (1 = TD1 vorhanden, 0 = TD1 nicht vorhanden)
b7	Zeigt die Übertragung des TC1-Bytes an (1 = TC1 vorhanden, 0 = TC1 nicht vorhanden)
b6	Zeigt die Übertragung des TB1-Bytes an (1 = TB1 vorhanden, 0 = TB1 nicht vorhanden)
b5	Zeigt die Übertragung des TA1-Bytes an (1 = TA1 vorhanden, 0 = TA1 nicht vorhanden)
b4	Anzahl der Historical Characters (0 bis 15)
b3
b2
b1

Die Interface Character enthalten entweder

• globale Parameter für alle Protokolle oder
• protokollspezifische Parameter

Im Interface Character TA1 werden der Teiler und der Übertragungsfaktor angegeben:

Bit	Bedeutung
b8	Teiler FI
b7
b6
b5
b4	Übertragungsanpassungsfaktor DI
b3
b2
b1

Der Wert FI definiert einen Faktor (F) und zusätzlich die maximal zulässige Taktfrequenz (f max) der Chipkarte. Die nachfolgende Tabelle zeigt die möglichen Werte für FI:

FI	Wert F	f max [MHz]
0000	372 (default)	4
0001	372	5
0010	558	6
0011	744	8
0100	1116	12
0101	1488	16
0110	1860	20
0111	reserviert für zukünftige Verwendung
1000	reserviert für zukünftige Verwendung
1001	512	5
1010	768	7,5
1011	1024	10
1100	1536	15
1101	2048	20
1110	reserviert für zukünftige Verwendung
1111	reserviert für zukünftige Verwendung

Für DI lautet die Codierung folgendermaßen:

DI	Wert D
0000	reserviert für zukünftige Verwendung
0001	1 (default)
0010	2
0011	4
0100	8
0101	16
0110	32
0111	64
1000	12
1001	20
1010	reserviert für zukünftige Verwendung
1011	reserviert für zukünftige Verwendung
1100	reserviert für zukünftige Verwendung
1101	reserviert für zukünftige Verwendung
1110	reserviert für zukünftige Verwendung
1111	reserviert für zukünftige Verwendung

Mit dem Teiler F und dem Übertragungsanpassungsfaktor D kann die Zeitdauer eines Bits ETU (Elementary Time Unit) berechnet werden, wobei f die Frequenz des an die Chipkarte angelegten Taktes ist:

${\displaystyle etu={\frac {1}{D}}\cdot {\frac {F}{f}}}$

Interface Character TB1 gibt den maximalen Stromverbrauch und die benötigte Spannung zum Programmieren des EEPROMs an, die vom Chipkartenleser über die Kontaktfläche Vpp zur Verfügung gestellt werden muss. Da moderne Chipkarten die Programmierspannung über eingebaute Ladungspumpen aus der normalen Stromversorgung erzeugen, wird das TB1 meist nicht mehr im ATR angegeben.

Die folgende Tabelle zeigt die Codierung des TB1:

Bit	Bedeutung
b8	Immer 0
b7	Maximal benötigter Strom II
b6
b5	Benötigte Programmierspannung PI1
b4
b3
b2
b1

Folgende Werte sind für PI1 definiert:

PI1	Bedeutung
0	Die Kontaktfläche Vpp ist nicht an den Chip angeschlossen. Es wird keine Programmierspannung benötigt.
1 bis 4	reserviert für zukünftige Verwendung
5 bis 25	Programmierspannung in Volt (5 Volt ist Standard)
26 bis 31	reserviert für zukünftige Verwendung

Der maximal benötigte Strom ergibt sich aus II mittels folgender Tabelle:

II	benötigter Strom in mA
00	25 mA
01	50 mA (default)
10	reserviert für zukünftige Verwendung
11	reserviert für zukünftige Verwendung

Dieser Parameter gibt die „zusätzliche Schutzzeit“ (extra guardtime) als ganzzahligen Wert N an. Dieser Werte definiert die Anzahl der ETUs zwischen den Flanken zweier aufeinanderfolgender Byteübertragungen mit folgender Formel:

${\displaystyle guardtime=12+{\frac {F}{D}}\cdot {\frac {N}{f}}}$

Einzige Ausnahme ist der Wert 255, der die minimale Schutzzeit angibt, das ist

• 12 ETU für das Übertragungsprotokoll T=0 und
• 11 ETU für das Übertragungsprotokoll T=1.

TD1, TD2, TD3 und TD4 enthalten jeweils zwei Informationen:

1. Angabe über die folgenden Interface Characters TAx+1, TBx+1, TCx+1 und TDx+1 in einem Bit-Feld im höherwertigen Nibble (d. h. in den höheren vier Bits).
2. Das von der Chipkarte verwendete Übertragungsprotokoll.

Die genaue Struktur wird in der folgenden Tabelle dargestellt:

Bit	Bedeutung
b8	Zeigt die Übertragung des TDx+1-Bytes an (1 = TDx+1 vorhanden, 0 = TDx+1 nicht vorhanden)
b7	Zeigt die Übertragung des TCx+1-Bytes an (1 = TCx+1 vorhanden, 0 = TCx+1 nicht vorhanden)
b6	Zeigt die Übertragung des TBx+1-Bytes an (1 = TBx+1 vorhanden, 0 = TBx+1 nicht vorhanden)
b5	Zeigt die Übertragung des TAx+1-Bytes an (1 = TAx+1 vorhanden, 0 = TAx+1 nicht vorhanden)
b4	Protokolltyp T
b3
b2
b1

Für den Protokolltyp sind folgende Werte spezifiziert:

Protokoll T	Bedeutung
T=0	Byteorientiertes, asynchrones Halb-duplex-Übertragungsprotokoll, definiert in der Norm ISO 7816-3 Kapitel 8
T=1	Blockorientiertes, asynchrones Halb-duplex-Übertragungsprotokoll, definiert in der Norm ISO 7816-3 Kapitel 9
T=2 und T=3	Reserviert für zukünftige Voll-duplex-Übertragungsprotokolle
T=4	Reserviert für ein erweitertes asynchrones Halb-duplex-Übertragungsprotokoll
T=5 bis T=13	Reserviert für zukünftige Verwendung
T=14	Reserviert für nationale Übertragungsprotokolle. In Deutschland benutzt für ein blockorientiertes, asynchrones Halb-duplex-Übertragungsprotokoll.
T=15	Globale Schnittstellen Parameter ohne Bezug auf ein spezielles Übertragungsprotokoll

Interface Character TB2 enthält den 8-Bit-Wert PI2. Er kann als Alternative zu PI1 im Interface Character TB1 verwendet werden, um die Programmierspannung sehr genau anzugeben. PI2 gibt den Wert der benötigten Programmierspannung in Zehnteln Volt an.

Da moderne Chipkarten die Programmierspannung über eingebaute Ladungspumpen aus der normalen Stromversorgung erzeugen, wird das TB1 meist nicht mehr im ATR angegeben.

TC2 ist ein Datenelement für das Protokoll T=0 und gibt die sogenannte work waiting time an. Dieser Wert gibt die maximale Zeit zwischen der Startflanke eines jeden von der Karte gesendeten Bytes und der Startflanke des jeweils zuvor gesendeten Bytes an. Der Default-Wert der work waiting time ist 10.

Der Inhalt der Historical Characters ist in ISO 7816-4 festgelegt und in Compressed TLV (Tag 4Xh und Länge 0–15 in einem Byte, dahinter der Wert) kodiert. Sie werden für verschiedene Informationen verwendet, zum Beispiel die Version des Betriebssystems sowie die Fähigkeiten der Karte.

Oft ist statt Compressed-TLV-kodierten Datenobjekten auch eine (nicht ISO 7816-4-konforme), reine ASCII-Zeichenkette zu finden.

Der Check Character ist eine XOR-Prüfsumme von Byte T0 bis zum Byte vor dem Check Character. Zusätzlich zu den Prüfungen des Übertragungsprotokolls kann damit die Korrektheit des ATR geprüft werden.

Der Check Character darf nicht mit dem ATR gesendet werden, wenn im ATR nur das Protokoll T=0 unterstützt wird. Wenn das Protokoll T=1 verwendet wird, muss der Check Character mit dem ATR übertragen werden.

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