HMAC认证协议的单片机实现_单片机论文
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，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)<<<si)
第2轮：sub_gg（a,b,c,d,mi,si,ti）：a<=b+((a+g(b,c,d)+mi+ti)<<<si)
第3轮：sub_hh（a,b,c,d,mi,si,ti）:a<=b+((a+h(b,c,d)+mi+ti)<<<si)
第4轮：sub_ii（a,b,c,d,mi,si,ti）：a<=b+((a+i(b,c,d)+mi+ti)<<<si)
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，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。（//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（//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<<si的功能；
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。