HMAC认证协议的单片机实现

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:HMAC是一种基于密钥的Hash算法的认证协议,可以应用于电子商务领域。我们通过国有自主知识产权的单片机ZQ032SA,实现了以MD5算法为核心的HMAC协议,并把它调用于IP电话计费认证系统。 关键词:HMAC ZQ032SA(6805) MD5 IP电话 引言 在开放的通信和计算机系统中,建立安全可靠的电子商务平台是十分重要的。通常需要通过加密的方法对客户的有关信息,如密码、合同等加以保护,使之不被盗取或篡改。当客户提出服务申请时,必须对客户身份的合法性、报文的完整性进行确认。 HMAC(Keyed-Hashing for Message Authentication)是一个公开的协议。它是一种基于密钥的报文完整性的验证方法,其安全性是建立在Hash算法基础上的。它要求通信双方共享密钥、约定算法、对报文进行Hash运算,如MD5、SHA、RIPEMD等,形成固定长度的认证码。通信双方通过认证码的校验来确定报文的合法性。这个协议可以用来作加密、数字签名、报文验证等。 利用HMAC协议可以建立一个身份认证的电子商务平台,客户和服务端双方需要预先约定唯一的公钥和加密算法;客户单方面保留自己密码作为密钥,服务端只保留公钥和认证码。这个认证码是密钥经HMAC协议加密得到定长码字。当客户提出服务申请时,应提交钥和密钥的认证码。服务端通过公钥确认客户的基本身份,再检验认证码确定客户的合法性。这样,客户的私密信息在服务端、传输媒介中都是加密隐藏的。 我们利用服务器建立了服务端的模拟用户数据库,单片机实现客户端的加密算法,电话线作为传输介质,实现了HMAC协议在IP电话计费系统中的应用。 1 HMAC的算法原理 1.1 HMAC算法定义 用公式表示如下: HMAC=H(key xor opad,H(key xor ipad,text)) H(X,Y)代表对X+Y的消息进行一种Hash运算; ipad代表重复B次的单字节十六进制常数0x36; opad代表重复B次的单字节十六进行常数0x5c; key代表64字节的字符串,由密钥组成,不足的补0; text代表任意长度文本。 密钥≥L字节。当大于B时,先经Hash计算形成L字节的秘钥(B是Hash算法中一次迭代运算的数据块字节数;L是Hash算法形成报文摘要的字节数)。 HMAC协议定义了迭代两次的Hash加密算法,最终形成报文摘要(DIGEST)值就是认证码。基于算法的可靠性、安全性和易于计算机实现特性,先用Hash中的MD5算法实现HMAC,其B=64,L=16。 1.2 MD5算法定义 MD5算法以对任意长度消息多次循环迭代的散列运算,最终形成16 Byte报文摘要。这个摘要对文本具有唯一性,可作为认证码。在目标计算机的计算速度下,这个摘要是难于破解的。 (1)报文填充 MD5算法要求对任意长度报文进行填充,构成N%26;#215;64 Byte消息分组,N为整数。其中每一分组又划分为16个4字节子分组。 填充数据分2步。首先,填充使得数据位长度恰好为(N%26;#215;64-8)Byte的数,即在报文有效数据后补1个0x1,其它补0x0至满足上述要求。然后,再后补上8字节(64位)的报文数据长度(填充前字节数)。这样,数据就被填充为64Byte(512bit)的整数倍。 (2)初始化MD5参数 4个4字节位变量(A、B、C、D)用来作为报文摘要的初始值: A=0x01234567 B=0x89abcdef C=0xfedcba98 D=0x76543210 (3)算法 MD5算法是对消息分组依次迭代算法。第1次运算的初始值为ABCD,以后每一次迭代运算的结果都替换ABCD作为下一次的初始值,共经过N次的迭代运算,就得到该消息的报文摘要,如图1所示。 对每一消息分组的运算方法是相同的。首先把初始值ABCD放入变量abcd,然后进行4轮相似的运算变换,每轮包含16次操作。每次操作对其中的3个变量(4字节)bcd做1次非线性运算,将其结果加上变量a,一个消息子分组Mi,一个常数Ti;将所得结果向环移一个不定的数Si,再加变量b,然后用该结果取代变量a,变换abcd<=dabc,进入下一次运算,共16次,如图2所示。4轮运算结束后,把变量abcd与初始ABCD进行“异或”运算,结果作为下一分组的初始值。 计算公式如下: 第1轮:SUB_FF(a,b,c,d,Mi,Si,Ti):a<=b+((a+F(b,c,d)+Mi+Ti)<< 最终:ABCD<=ABCD+abcd 其中:Mi为16个信息子包,每个4字节;Ti为4字节常数;Si为左移位数;abcd为32位变量;初始值为ABCD。 函数:F(X,Y,Z)=X%26;amp;Y|NOT(X)%26;amp;Z G(X,Y,Z)=X%26;amp;Z|Y%26;amp;not(Z) H(X,Y,Z)=XxorYxorZ I(X,Y,Z)=Yxor(X|not(Z)) 2 HMAC在IP电话计费上的应用 利用HMAC的认证功能,可对用户的IP储值卡中的金额进行保护。在试验系统中,智能终端相当于认证系统的客户端,如图3所示。 当用户使用时,用户只须直接拨入所叫的电话号码即可。智能终端则自动拨向IP服务商,待响应后,反终端序列号、主叫电话号码、认证码一同发给服务商。智能终端序列号相当于公钥,用户的密码就是密钥。智能终端对密钥进行HMAC协议的加密运算自动生成认证码。 服务曾几何时接收数据码流,根据终端序列号确定用户的基本信息,再通过数据库中存储的认证码与接收到认证码的比较,确认用户的合法身份。如身份无误,则接通话路,计时收费。 其中第3步认证码的格式如表1所列。 表1 认证码格式 引导符 终端序列号 电话号码*随机数 HMAC认证码 校验码 * 10Byte 21Byte 16Byte 0.5Byte 32Byte,高位为0,可直接发送DTMF 不可直接发送,要转化   16Byte认证码,是经由HMAC加密得到的,其中的KEY值、TEXT值都可以作为用户密码。由于认证码高4bit为为0,所以不可以直接发送DTMF,要把4bit校验码排在认证码之后,共组成132bit数据,一起经过串行左移转化,每3bit构成1组,最后形成44个DTMF。 智能终端由单片机、DTMF拨号电话机、液晶显示等芯片构成。MCU不但要承担主控任务,还要实现HMAC的运算。 3 HMAC的单片机实现 (1)ZQ032SA单片机简介 ZQ032SA 是北京中庆公司具有独立知识产权的Flash型MCU,与Motorola 6805系列单片机功能相似,指令兼容。其采用CMOS工艺,工作稳定、功耗低、采用小型表贴封装(SOP28),适合民用设备使用。 主要特性有: *8位MCU,兼容增强型6502指令集; *4MHz主频,典型取指周期0.5μs。 *16Kbyte片内Flash存储器。 *352Byte片内用户RAM,其中包括64Byte的堆栈区; *1个13位的多功能计数器和1个看门狗WDT *20个通用I/O接口; *1个载波调制发生器CMT; *Flash保护机制; *Flash在线程序下载; *2种节电模式。 引脚排列和内部模块可参见本刊网络补充版。(http://www.dpj.com.cn)。 (2)HMAC算法的实现 基于单片机内部可用RAM的大小及实际使用时可能的密码长度,在认证系统中规定了消息长度,key≤64B,text≤58B。这样在本例中,MD5运算的消息分组N=2。在单片机4MHz主频时,经过程序优化,完成HMAC的运算所需时间小于3ms。详细程序网络补充版(http://www.dpj.com.cn)。 下面列出主要流程图。 其中:MD5_MAIN是MD5运算主程序; MD5_ONE子程序是MD5的一个分组运算; SUB-FF、FBCD、GBCD、HBCD、IBCD分别是MD5运算中相应函数的子程序; SHIFT子程序完成< HMAC作为一种认证的协议,可以用于那么需要数字签名、身份认证或报文完整性检验等领域。在家用电子市场、安防、电子商务方面,都有广泛的用途。 在单片机可实现HMAC认证的基础上,可以进一步把ZQ032SA的IP核与其它外围逻辑构成ASIC,用于智能卡,将有应用前景。 在HMAC协议的基础上,加入其它成熟的加密算法,如DES,可以进一步提高认证的安全性。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/12351.html
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