HMAC認證協(xié)議的單片機實(shí)現

摘要：HMAC是一種基于密鑰的Hash算法的認證協(xié)議，可以應用于電子商務(wù)領(lǐng)域。我們通過(guò)國有自主知識產(chǎn)權的單片機ZQ032SA，實(shí)現了以MD5算法為核心的HMAC協(xié)議，并把它調用于IP電話(huà)計費認證系統。

引言

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

HMAC（Keyed-Hashing for Message Authentication）是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)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(jìn)行Hash運算，如MD5、SHA、RIPEMD等，形成固定長(cháng)度的認證碼。通信雙方通過(guò)認證碼的校驗來(lái)確定報文的合法性。這個(gè)協(xié)議可以用來(lái)作加密、數字簽名、報文驗證等。

利用HMAC協(xié)議可以建立一個(gè)身份認證的電子商務(wù)平臺，客戶(hù)和服務(wù)端雙方需要預先約定唯一的公鑰和加密算法；客戶(hù)單方面保留自己密碼作為密鑰，服務(wù)端只保留公鑰和認證碼。這個(gè)認證碼是密鑰經(jīng)HMAC協(xié)議加密得到定長(cháng)碼字。當客戶(hù)提出服務(wù)申請時(shí)，應提交鑰和密鑰的認證碼。服務(wù)端通過(guò)公鑰確認客戶(hù)的基本身份，再檢驗認證碼確定客戶(hù)的合法性。這樣，客戶(hù)的私密信息在服務(wù)端、傳輸媒介中都是加密隱藏的。

我們利用服務(wù)器建立了服務(wù)端的模擬用戶(hù)數據庫，單片機實(shí)現客戶(hù)端的加密算法，電話(huà)線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現了HMAC協(xié)議在IP電話(huà)計費系統中的應用。

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(jìn)行一種Hash運算；

ipad代表重復B次的單字節十六進(jìn)制常數0x36；

opad代表重復B次的單字節十六進(jìn)行常數0x5c；

key代表64字節的字符串，由密鑰組成，不足的補0；

text代表任意長(cháng)度文本。

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

HMAC協(xié)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�；�于算法的可靠性、安全性和易于計算機實(shí)現特性，先用Hash中的MD5算法實(shí)現HMAC，其B=64,L=16。

1.2 MD5算法定義

MD5算法以對任意長(cháng)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(gè)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(gè)摘要是難于破解的。

（1）報文填充

MD5算法要求對任意長(cháng)度報文進(jìn)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(gè)4字節子分組。

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

（2）初始化MD5參數

4個(gè)4字節位變量（A、B、C、D）用來(lái)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(jīng)過(guò)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(jìn)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(gè)變量（4字節）bcd做1次非線(xiàn)性運算，將其結果加上變量a,一個(gè)消息子分組Mi，一個(gè)常數Ti；將所得結果向環(huán)移一個(gè)不定的數Si,再加變量b，然后用該結果取代變量a,變換abcd

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