近年来,随着交通运输部ETC联网收费工作的推进,我国实现了29个省市高速公路联网收费,4650余万ETC用户车辆可在联网省域内的高速公路ETC车道上电子不停车缴费畅行。目前,ETC作为我国高速公路最重要的应用支付应用场景之一,ETC储值卡充值已成为用户使用过程中最频繁的业务需求。特别是随着ETC用户量的增长以及互联网移动支付的发展,ETC用户对于储值卡充值的便利性、方式的多样性必然会提出更高的要求。然而,传统营业网点对于用户充值服务存在地域和时间上的限制,必然会在一定程度上制约了ETC业务的发展。2014年起,本人作为项目负责人全面参与了内蒙古ETC联网收费的建设,以及ETC蒙通卡客服系统的建设工作,截至日前内蒙古自治区为全国唯一发行ETC储值卡的省份。随着ETC用户量发展,ETC蒙通卡网点人工充值不便已成为用户日常投诉的重点,解决用户ETC卡充值问题,也成为近年内蒙古ETC运营管理单位的重点工作内容。鉴于本人工作专注于ETC领域且内蒙古自治区以及全国其他ETC省份皆有着强列的ETC卡充值的业务需求,为此本文特选取内蒙古自治区的ETC卡为研究对象,研究探讨ETC卡的互联网空中充值系统以解决用户充值难的问题。同时,考虑到ETC卡空中充值系统是基于互联网实现,而目前国内已建设的ETC卡互联网充值系统的江苏、山东、北京等省份基本是采用物理安全硬件方式以解决系统的访问安全问题,为此本论文创新性的提出采用非对称密钥的CA数字认证技术以保证ETC卡充值的安全。同时,由于ETC卡用户充值存在节假日“井喷式”需求增长,本ETC卡空中充值系统设计采用服务器集群部署的Redis缓存技术及Zookeeper分布式系统协调框架技术,以通过负载均衡处理方式满足节假日期间用户充值并发量的问题。为此,本文主要依托内蒙古ETC卡为研究对象,选取采用CA安全认证技术应用于ETC储值卡的互联网空中充值系统设计及实现为课题研究方向。本文首先采用文献资料法,收集、查阅相关文献资料,全面了解ETC卡充值技术国内外研究现状;以及专项对内蒙古ETC卡充值系统及业务现状进行分析,提出了系统建设的功能需求和业务处理流程要求。然后,采用UML统一建模语言,从总体上设计系统的体系结构、功能模块及数据库设计等,以完成系统总体结构的规划。同时,进一步论述了系统的关键技术的研究,重点对空中充值系统涉及服务器间以及服务器与终端的CA双向认证进行设计及研究,主要包括CA双向认证的SLL握手协议,以及SHA-1摘要算法、RSA1024非对称算法和HMAC会话密钥算法,以最终研究一套符合ETC卡移动在线充值的安全密钥认证体系。最后,直接通过内蒙古自治区高速公路联网收费结算管理服务中心的专用ETC系统测试环境以及邮储网上银行正式接口进行系统开发实现验证,以介绍本系统的实现方式及应用价值。最后,对本文的研究成果进行了归纳和总结,并提出了下一步的研究方向,并对系统的应用前景进行了展望。