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HMAC认证协议的单片机实现
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：HMACZQ032SA（6805）MD5IP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-HashingforMessageAuthentication）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。
1HMAC的算法原理
1.1HMAC算法定义
用公式表示如下：
HMAC=H（keyxoropad,H（keyxoripad,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.
1.2MD5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16Byte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×64Byte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））
2HMAC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*10Byte21Byte16Byte0.5Byte32Byte,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。
3HMAC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Motorola6805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。
（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。
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。
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