HMAC认证协议的ZQ032SA单片机实现

    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×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×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)<<

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

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

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

　　数据交换规则：a,b,c,d→d,a,b,c→c,d,a,b, →b,c,d,a

　　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&Y|NOT(X)&Z

　　G(X,Y,Z)=X&Z|Y¬(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

　　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<

　　EXCH子程序完成地址4组数据的交换；

　　常数Ti列表于MEM_C，移位Si列表于TABLE_S；

　　消息子分组顺序列表于TABLE_M；

　　KEY键盘程序读入存于MEM_M，TEXT存于MEM_MB。

　　标号MEM1-4的RAM用于中间计算。

　　HMAC流程如图4所示。

　　MD5算法中的一个消息分组的计算程序流程如图6所示。

　　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。