HMAC認(rèn)證協(xié)議的ZQ032SA單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

引言

　　在開(kāi)放的通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，建立安全可靠的電子商務(wù)平臺(tái)是十分重要的。通常需要通過(guò)加密的方法對(duì)客戶的有關(guān)信息，如密碼、合同等加以保護(hù)，使之不被盜取或篡改。當(dāng)客戶提出服務(wù)申請(qǐng)時(shí)，必須對(duì)客戶身份的合法性、報(bào)文的完整性進(jìn)行確認(rèn)。

　　HMAC（Keyed-Hashing for Message Authentication）是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)議。它是一種基于密鑰的報(bào)文完整性的驗(yàn)證方法，其安全性是建立在Hash算法基礎(chǔ)上的。它要求通信雙方共享密鑰、約定算法、對(duì)報(bào)文進(jìn)行Hash運(yùn)算，如MD5、SHA、RIPEMD等，形成固定長(zhǎng)度的認(rèn)證碼。通信雙方通過(guò)認(rèn)證碼的校驗(yàn)來(lái)確定報(bào)文的合法性。這個(gè)協(xié)議可以用來(lái)作加密、數(shù)字簽名、報(bào)文驗(yàn)證等。

　　利用HMAC協(xié)議可以建立一個(gè)身份認(rèn)證的電子商務(wù)平臺(tái)，客戶和服務(wù)端雙方需要預(yù)先約定唯一的公鑰和加密算法；客戶單方面保留自己密碼作為密鑰，服務(wù)端只保留公鑰和認(rèn)證碼。這個(gè)認(rèn)證碼是密鑰經(jīng)HMAC協(xié)議加密得到定長(zhǎng)碼字。當(dāng)客戶提出服務(wù)申請(qǐng)時(shí)，應(yīng)提交鑰和密鑰的認(rèn)證碼。服務(wù)端通過(guò)公鑰確認(rèn)客戶的基本身份，再檢驗(yàn)認(rèn)證碼確定客戶的合法性。這樣，客戶的私密信息在服務(wù)端、傳輸媒介中都是加密隱藏的。

　　我們利用服務(wù)器建立了服務(wù)端的模擬用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)客戶端的加密算法，電話線作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了HMAC協(xié)議在IP電話計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　1 HMAC的算法原理

　　1.1 HMAC算法定義

　　用公式表示如下：

　　HMAC=H（key xor opad,H(key xor ipad,text)）

　　H（X，Y）代表對(duì)X+Y的消息進(jìn)行一種Hash運(yùn)算；

　　ipad代表重復(fù)B次的單字節(jié)十六進(jìn)制常數(shù)0x36；

　　opad代表重復(fù)B次的單字節(jié)十六進(jìn)行常數(shù)0x5c；

　　key代表64字節(jié)的字符串，由密鑰組成，不足的補(bǔ)0；

　　text代表任意長(zhǎng)度文本。

　　密鑰≥L字節(jié)。當(dāng)大于B時(shí)，先經(jīng)Hash計(jì)算形成L字節(jié)的秘鑰（B是Hash算法中一次迭代運(yùn)算的數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)；L是Hash算法形成報(bào)文摘要的字節(jié)數(shù)）。

　　HMAC協(xié)議定義了迭代兩次的Hash加密算法，最終形成報(bào)文摘要（DIGEST）值就是認(rèn)證碼?；谒惴ǖ目煽啃?、安全性和易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)特性，先用Hash中的MD5算法實(shí)現(xiàn)HMAC，其B=64,L=16。

　　1.2 MD5算法定義

　　MD5算法以對(duì)任意長(zhǎng)度消息多次循環(huán)迭代的散列運(yùn)算，最終形成16 Byte報(bào)文摘要。這個(gè)摘要對(duì)文本具有唯一性，可作為認(rèn)證碼。在目標(biāo)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度下，這個(gè)摘要是難于破解的。

　?。?）報(bào)文填充

　　MD5算法要求對(duì)任意長(zhǎng)度報(bào)文進(jìn)行填充，構(gòu)成N×64 Byte消息分組，N為整數(shù)。其中每一分組又劃分為16個(gè)4字節(jié)子分組。

　　填充數(shù)據(jù)分2步。首先，填充使得數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度恰好為（N×64-8）Byte的數(shù)，即在報(bào)文有效數(shù)據(jù)后補(bǔ)1個(gè)0x1，其它補(bǔ)0x0至滿足上述要求。然后，再后補(bǔ)上8字節(jié)（64位）的報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（填充前字節(jié)數(shù)）。這樣，數(shù)據(jù)就被填充為64Byte（512bit）的整數(shù)倍。

　　（2）初始化MD5參數(shù)

　　4個(gè)4字節(jié)位變量（A、B、C、D）用來(lái)作為報(bào)文摘要的初始值：

　　A=0x01234567

　　B=0x89abcdef

　　C=0xfedcba98

　　D=0x76543210

　　(3)算法

　　MD5算法是對(duì)消息分組依次迭代算法。第1次運(yùn)算的初始值為ABCD，以后每一次迭代運(yùn)算的結(jié)果都替換ABCD作為下一次的初始值，共經(jīng)過(guò)N次的迭代運(yùn)算，就得到該消息的報(bào)文摘要，如圖1所示。

　　對(duì)每一消息分組的運(yùn)算方法是相同的。首先把初始值A(chǔ)BCD放入變量abcd，然后進(jìn)行4輪相似的運(yùn)算變換，每輪包含16次操作。每次操作對(duì)其中的3個(gè)變量（4字節(jié)）bcd做1次非線性運(yùn)算，將其結(jié)果加上變量a,一個(gè)消息子分組Mi，一個(gè)常數(shù)Ti；將所得結(jié)果向環(huán)移一個(gè)不定的數(shù)Si,再加變量b，然后用該結(jié)果取代變量a,變換abcd=dabc，進(jìn)入下一次運(yùn)算，共16次，如圖2所示。4輪運(yùn)算結(jié)束后，把變量abcd與初始ABCD進(jìn)行“異或”運(yùn)算，結(jié)果作為下一分組的初始值。

　　計(jì)算公式如下：

　　第1輪：SUB_FF(a,b,c,d,Mi,Si,Ti):a=b+((a+F(b,c,d)+Mi+Ti)Si)

　　第2輪：SUB_GG（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a=b+((a+G(b,c,d)+Mi+Ti)Si)

　　第3輪：SUB_HH（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）:a=b+((a+H(b,c,d)+Mi+Ti)Si)

　　第4輪：SUB_II（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a=b+((a+I(b,c,d)+Mi+Ti)Si)

　　數(shù)據(jù)交換規(guī)則：a,b,c,d→d,a,b,c→c,d,a,b, →b,c,d,a

　　最終：ABCD=ABCD+abcd

　　其中：Mi為16個(gè)信息子包，每個(gè)4字節(jié)；Ti為4字節(jié)常數(shù);Si為左移位數(shù)；abcd為32位變量；初始值為ABCD。
　
　　函數(shù)：F（X，Y，Z）=XY|NOT(X)Z

　　G(X,Y,Z)=XZ|Ynot(Z)

　　H(X,Y,Z)=XxorYxorZ

　　I(X,Y,Z)=Yxor(X|not(Z))

　　2 HMAC在IP電話計(jì)費(fèi)上的應(yīng)用

　　利用HMAC的認(rèn)證功能，可對(duì)用戶的IP儲(chǔ)值卡中的金額進(jìn)行保護(hù)。在試驗(yàn)系統(tǒng)中，智能終端相當(dāng)于認(rèn)證系統(tǒng)的客戶端，如圖3所示。

　　當(dāng)用戶使用時(shí)，用戶只須直接撥入所叫的電話號(hào)碼即可。智能終端則自動(dòng)撥向IP服務(wù)商，待響應(yīng)后，反終端序列號(hào)、主叫電話號(hào)碼、認(rèn)證碼一同發(fā)給服務(wù)商。智能終端序列號(hào)相當(dāng)于公鑰，用戶的密碼就是密鑰。智能終端對(duì)密鑰進(jìn)行HMAC協(xié)議的加密運(yùn)算自動(dòng)生成認(rèn)證碼。

　　服務(wù)曾幾何時(shí)接收數(shù)據(jù)碼流，根據(jù)終端序列號(hào)確定用戶的基本信息，再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的認(rèn)證碼與接收到認(rèn)證碼的比較，確認(rèn)用戶的合法身份。如身份無(wú)誤，則接通話路，計(jì)時(shí)收費(fèi)。

　　其中第3步認(rèn)證碼的格式如表1所列。

　　表1 認(rèn)證碼格式

　　16Byte認(rèn)證碼，是經(jīng)由HMAC加密得到的，其中的KEY值、TEXT值都可以作為用戶密碼。由于認(rèn)證碼高4bit為為0，所以不可以直接發(fā)送DTMF，要把4bit校驗(yàn)碼排在認(rèn)證碼之后，共組成132bit數(shù)據(jù)，一起經(jīng)過(guò)串行左移轉(zhuǎn)化，每3bit構(gòu)成1組，最后形成44個(gè)DTMF。

　　智能終端由單片機(jī)、DTMF撥號(hào)電話機(jī)、液晶顯示等芯片構(gòu)成。MCU不但要承擔(dān)主控任務(wù)，還要實(shí)現(xiàn)HMAC的運(yùn)算。

　　3 HMAC的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

　?。?）ZQ032SA單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　ZQ032SA 是北京中慶公司具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Flash型MCU，與Motorola 6805系列單片機(jī)功能相似，指令兼容。其采用CMOS工藝，工作穩(wěn)定、功耗低、采用小型表貼封裝（SOP28），適合民用設(shè)備使用。

　　主要特性有：

　　*8位MCU，兼容增強(qiáng)型6502指令集；

　　*4MHz主頻，典型取指周期0.5μs。

　　*16Kbyte片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。

　　*352Byte片內(nèi)用戶RAM，其中包括64Byte的堆棧區(qū)；

　　*1個(gè)13位的多功能計(jì)數(shù)器和1個(gè)看門狗WDT

　　*20個(gè)通用I/O接口；

　　*1個(gè)載波調(diào)制發(fā)生器CMT；

　　*Flash保護(hù)機(jī)制；

　　*Flash在線程序下載；

　　*2種節(jié)電模式。

　　引腳排列和內(nèi)部模塊可參見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。（http://www.dpj.com.cn）。

　?。?）HMAC算法的實(shí)現(xiàn)

　　基于單片機(jī)內(nèi)部可用RAM的大小及實(shí)際使用時(shí)可能的密碼長(zhǎng)度，在認(rèn)證系統(tǒng)中規(guī)定了消息長(zhǎng)度，key≤64B,text≤58B。這樣在本例中，MD5運(yùn)算的消息分組N=2。在單片機(jī)4MHz主頻時(shí)，經(jīng)過(guò)程序優(yōu)化，完成HMAC的運(yùn)算所需時(shí)間小于3ms。詳細(xì)程序網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）。

　　下面列出主要流程圖。

　　其中：MD5_MAIN是MD5運(yùn)算主程序；

　　MD5_ONE子程序是MD5的一個(gè)分組運(yùn)算；

　　SUB-FF、FBCD、GBCD、HBCD、IBCD分別是MD5運(yùn)算中相應(yīng)函數(shù)的子程序；

　　SHIFT子程序完成Si的功能；

　　EXCH子程序完成地址4組數(shù)據(jù)的交換；

　　常數(shù)Ti列表于MEM_C，移位Si列表于TABLE_S；

　　消息子分組順序列表于TABLE_M；

　　KEY鍵盤程序讀入存于MEM_M，TEXT存于MEM_MB。

　　標(biāo)號(hào)MEM1-4的RAM用于中間計(jì)算。

　　HMAC流程如圖4所示。

　　MD5算法中的一個(gè)消息分組的計(jì)算程序流程如圖6所示。

　　HMAC作為一種認(rèn)證的協(xié)議，可以用于那么需要數(shù)字簽名、身份認(rèn)證或報(bào)文完整性檢驗(yàn)等領(lǐng)域。在家用電子市場(chǎng)、安防、電子商務(wù)方面，都有廣泛的用途。

　　在單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)HMAC認(rèn)證的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步把ZQ032SA的IP核與其它外圍邏輯構(gòu)成ASIC，用于智能卡，將有應(yīng)用前景。

在HMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，加入其它成熟的加密算法，如DES，可以進(jìn)一步提高認(rèn)證的安全性。