HMAC認證協議的單片機實現

    摘要：HMAC是一種基于密鑰的Hash算法的認證協議，可以應用于電子商務領域。我們通過國有自主知識產權的單片機ZQ032SA，實現了以MD5算法為核心的HMAC協議，并把它調用于IP電話計費認證系統(tǒng)。

    關鍵詞：HMAC ZQ032SA（6805） MD5 IP電話

引言

在開放的通信和計算機系統(tǒng)中，建立安全可靠的電子商務平臺是十分重要的。通常需要通過加密的方法對客戶的有關信息，如密碼、合同等加以保護，使之不被盜取或篡改。當客戶提出服務申請時，必須對客戶身份的合法性、報文的完整性進行確認。

HMAC（Keyed-Hashing for Message Authentication）是一個公開的協議。它是一種基于密鑰的報文完整性的驗證方法，其安全性是建立在Hash算法基礎上的。它要求通信雙方共享密鑰、約定算法、對報文進行Hash運算，如MD5、SHA、RIPEMD等，形成固定長度的認證碼。通信雙方通過認證碼的校驗來確定報文的合法性。這個協議可以用來作加密、數字簽名、報文驗證等。

    利用HMAC協議可以建立一個身份認證的電子商務平臺，客戶和服務端雙方需要預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，服務端只保留公鑰和認證碼。這個認證碼是密鑰經HMAC協議加密得到定長碼字。當客戶提出服務申請時，應提交鑰和密鑰的認證碼。服務端通過公鑰確認客戶的基本身份，再檢驗認證碼確定客戶的合法性。這樣，客戶的私密信息在服務端、傳輸媒介中都是加密隱藏的。

我們利用服務器建立了服務端的模擬用戶數據庫，單片機實現客戶端的加密算法，電話線作為傳輸介質，實現了HMAC協議在IP電話計費系統(tǒng)中的應用。

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X+Y的消息進行一種Hash運算；

ipad代表重復B次的單字節(jié)十六進制常數0x36；

opad代表重復B次的單字節(jié)十六進行常數0x5c；

key代表64字節(jié)的字符串，由密鑰組成，不足的補0；

text代表任意長度文本。

密鑰≥L字節(jié)。當大于B時，先經Hash計算形成L字節(jié)的秘鑰（B是Hash算法中一次迭代運算的數據塊字節(jié)數；L是Hash算法形成報文摘要的字節(jié)數）。

HMAC協議定義了迭代兩次的Hash加密算法，最終形成報文摘要（DIGEST）值就是認證碼?；谒惴ǖ目煽啃?、安全性和易于計算機實現特性，先用Hash中的MD5算法實現HMAC，其B=64,L=16。

1.2 MD5算法定義

MD5算法以對任意長度消息多次循環(huán)迭代的散列運算，最終形成16 Byte報文摘要。這個摘要對文本具有唯一性，可作為認證碼。在目標計算機的計算速度下，這個摘要是難于破解的。

（1）報文填充

MD5算法要求對任意長度報文進行填充，構成N×64 Byte消息分組，N為整數。其中每一分組又劃分為16個4字節(jié)子分組。

填充數據分2步。首先，填充使得數據位長度恰好為（N×64-8）Byte的數，即在報文有效數據后補1個0x1，其它補0x0至滿足上述要求。然后，再后補上8字節(jié)（64位）的報文數據長度（填充前字節(jié)數）。這樣，數據就被填充為64Byte（512bit）的整數倍。

（2）初始化MD5參數

4個4字節(jié)位變量（A、B、C、D）用來作為報文摘要的初始值：

A=0x01234567

B=0x89abcdef

C=0xfedcba98

D=0x76543210

(3)算法

MD5算法是對消息分組依次迭代算法。第1次運算的初始值為ABCD，以后每一次迭代運算的結果都替換ABCD作為下一次的初始值，共經過N次的迭代運算，就得到該消息的報文摘要，如圖1所示。

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

計算公式如下：

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)

數據交換規(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個信息子包，每個4字節(jié)；Ti為4字節(jié)常數;Si為左移位數；abcd為32位變量；初始值為ABCD。

函數：F（X，Y，Z）=X&Y|NOT(X)&Z

G(X,Y,Z)=X&Z|Y&not(Z)

H(X,Y,Z)=XxorYxorZ

I(X,Y,Z)=Yxor(X|not(Z))

2 HMAC在IP電話計費上的應用

利用HMAC的認證功能，可對用戶的IP儲值卡中的金額進行保護。在試驗系統(tǒng)中，智能終端相當于認證系統(tǒng)的客戶端，如圖3所示。

當用戶使用時，用戶只須直接撥入所叫的電話號碼即可。智能終端則自動撥向IP服務商，待響應后，反終端序列號、主叫電話號碼、認證碼一同發(fā)給服務商。智能終端序列號相當于公鑰，用戶的密碼就是密鑰。智能終端對密鑰進行HMAC協議的加密運算自動生成認證碼。

服務曾幾何時接收數據碼流，根據終端序列號確定用戶的基本信息，再通過數據庫中存儲的認證碼與接收到認證碼的比較，確認用戶的合法身份。如身份無誤，則接通話路，計時收費。

其中第3步認證碼的格式如表1所列。

表1 認證碼格式

16Byte認證碼，是經由HMAC加密得到的，其中的KEY值、TEXT值都可以作為用戶密碼。由于認證碼高4bit為為0，所以不可以直接發(fā)送DTMF，要把4bit校驗碼排在認證碼之后，共組成132bit數據，一起經過串行左移轉化，每3bit構成1組，最后形成44個DTMF。

智能終端由單片機、DTMF撥號電話機、液晶顯示等芯片構成。MCU不但要承擔主控任務，還要實現HMAC的運算。

3 HMAC的單片機實現

（1）ZQ032SA單片機簡介

ZQ032SA 是北京中慶公司具有獨立知識產權的Flash型MCU，與Motorola 6805系列單片機功能相似，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），適合民用設備使用。

主要特性有：

*8位MCU，兼容增強型6502指令集；

*4MHz主頻，典型取指周期0.5μs。

*16Kbyte片內Flash存儲器。

*352Byte片內用戶RAM，其中包括64Byte的堆棧區(qū)；

*1個13位的多功能計數器和1個看門狗WDT

*20個通用I/O接口；

*1個載波調制發(fā)生器CMT；

*Flash保護機制；

*Flash在線程序下載；

*2種節(jié)電模式。

引腳排列和內部模塊可參見本刊網絡補充版。（http://www.dpj.com.cn）。

（2）HMAC算法的實現

基于單片機內部可用RAM的大小及實際使用時可能的密碼長度，在認證系統(tǒng)中規(guī)定了消息長度，key≤64B,text≤58B。這樣在本例中，MD5運算的消息分組N=2。在單片機4MHz主頻時，經過程序優(yōu)化，完成HMAC的運算所需時間小于3ms。詳細程序網絡補充版（http://www.dpj.com.cn）。

下面列出主要流程圖。

其中：MD5_MAIN是MD5運算主程序；

MD5_ONE子程序是MD5的一個分組運算；

SUB-FF、FBCD、GBCD、HBCD、IBCD分別是MD5運算中相應函數的子程序；

SHIFT子程序完成<<Si的功能；

EXCH子程序完成地址4組數據的交換；

常數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。

標號MEM1-4的RAM用于中間計算。

HMAC流程如圖4所示。

MD5算法中的一個消息分組的計算程序流程如圖6所示。

    HMAC作為一種認證的協議，可以用于那么需要數字簽名、身份認證或報文完整性檢驗等領域。在家用電子市場、安防、電子商務方面，都有廣泛的用途。

在單片機可實現HMAC認證的基礎上，可以進一步把ZQ032SA的IP核與其它外圍邏輯構成ASIC，用于智能卡，將有應用前景。

在HMAC協議的基礎上，加入其它成熟的加密算法，如DES，可以進一步提高認證的安全性。