HMAC認證協議的單片機實現

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。

引言

在開放的通信和計算機系統中，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次的單字節十六進制常數0x36；

opad代表重復B次的單字節十六進行常數0x5c；

key代表64字節的字符串，由密鑰組成，不足的補0；

text代表任意長度文本。

密鑰≥L字節。當大于B時，先經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（64位）的報文數據長度（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4字節位變量（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）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

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