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HMAC認(rèn)證協(xié)議的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)
摘要：HMAC是一種基于密鑰的Hash算法的認(rèn)證協(xié)議，可以應(yīng)用于電子商務(wù)領(lǐng)域。我們通過(guò)國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單片機(jī)ZQ032SA，實(shí)現(xiàn)了以MD5算法為核心的HMAC協(xié)議，并把它調(diào)用于IP電話計(jì)費(fèi)認(rèn)證系統(tǒng)。引言
在開(kāi)放的通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，建立安全可靠的電子商務(wù)平臺(tái)是十分重要的。通常需要通過(guò)加密的方法對(duì)客戶的有關(guān)信息，如密碼、合同等加以保護(hù)，使之不被盜取或篡改。當(dāng)客戶提出服務(wù)申請(qǐng)時(shí)，必須對(duì)客戶身份的合法性、報(bào)文的完整性進(jìn)行確認(rèn)。
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(bào)文完整性的驗(yàn)證方法，其安全性是建立在Hash算法基礎(chǔ)上的。它要求通信雙方共享密鑰、約定算法、對(duì)報(bào)文進(jìn)行Hash運(yùn)算，如MD5、SHA、RIPEMD等，形成固定長(zhǎng)度的認(rèn)證碼。通信雙方通過(guò)認(rèn)證碼的校驗(yàn)來(lái)確定報(bào)文的合法性。這個(gè)協(xié)議可以用來(lái)作加密、數(shù)字簽名、報(bào)文驗(yàn)證等。
利用HMAC協(xié)議可以建立一個(gè)身份認(rèn)證的電子商務(wù)平臺(tái)，客戶和服務(wù)端雙方需要預(yù)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(wù)端只保留公鑰和認(rèn)證碼。這個(gè)認(rèn)證碼是密鑰經(jīng)HMAC協(xié)議加密得到定長(zhǎng)碼字。當(dāng)客戶提出服務(wù)申請(qǐng)時(shí)，應(yīng)提交鑰和密鑰的認(rèn)證碼。服務(wù)端通過(guò)公鑰確認(rèn)客戶的基本身份，再檢驗(yàn)認(rèn)證碼確定客戶的合法性。這樣，客戶的私密信息在服務(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)端的模擬用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)客戶端的加密算法，電話線作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了HMAC協(xié)議在IP電話計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)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(duì)X Y的消息進(jìn)行一種Hash運(yùn)算；
ipad代表重復(fù)B次的單字節(jié)十六進(jìn)制常數(shù)0x36；
opad代表重復(fù)B次的單字節(jié)十六進(jìn)行常數(shù)0x5c；
key代表64字節(jié)的字符串，由密鑰組成，不足的補(bǔ)0；
text代表任意長(zhǎng)度文本。
密鑰≥L字節(jié)。當(dāng)大于B時(shí)，先經(jīng)Hash計(jì)算形成L字節(jié)的秘鑰（B是Hash算法中一次迭代運(yùn)算的數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)；L是Hash算法形成報(bào)文摘要的字節(jié)數(shù)）。
HMAC協(xié)議定義了迭代兩次的Hash加密算法，最終形成報(bào)文摘要（DIGEST）值就是認(rèn)證碼。基于算法的可靠性、安全性和易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)特性，先用Hash中的MD5算法實(shí)現(xiàn)HMAC，其B=64,L=16。
1.2 MD5算法定義
MD5算法以對(duì)任意長(zhǎng)度消息多次循環(huán)迭代的散列運(yùn)算，最終形成16 Byte報(bào)文摘要。這個(gè)摘要對(duì)文本具有唯一性，可作為認(rèn)證碼。在目標(biāo)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度下，這個(gè)摘要是難于破解的。
（1）報(bào)文填充
MD5算法要求對(duì)任意長(zhǎng)度報(bào)文進(jìn)行填充，構(gòu)成N×64 Byte消息分組，N為整數(shù)。其中每一分組又劃分為16個(gè)4字節(jié)子分組。
填充數(shù)據(jù)分2步。首先，填充使得數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度恰好為（N×64-8）Byte的數(shù)，即在報(bào)文有效數(shù)據(jù)后補(bǔ)1個(gè)0x1，其它補(bǔ)0x0至滿足上述要求。然后，再后補(bǔ)上8字節(jié)（64位）的報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（填充前字節(jié)數(shù)）。這樣，數(shù)據(jù)就被填充為64Byte（512bit）的整數(shù)倍。
（2）初始化MD5參數(shù)
4個(gè)4字節(jié)位變量（A、B、C、D）用來(lái)作為報(bào)文摘要的初始值：
A=0x01234567
B=0x89abcdef
C=0xfedcba98
D=0x76543210
(3)算法
MD5算法是對(duì)消息分組依次迭代算法。第1次運(yùn)算的初始值為ABCD，以后每一次迭代運(yùn)算的結(jié)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(yùn)算，就得到該消息的報(bào)文摘要，如圖1所示。
對(duì)每一消息分組的運(yùn)算方法是相同的。首先把初始值A(chǔ)BCD放入變量abcd，然后進(jìn)行4輪相似的運(yùn)算變換，每輪包含16次操作。每次操作對(duì)其中的3個(gè)變量（4字節(jié)）bcd做1次非線性運(yùn)算，將其結(jié)果加上變量a,一個(gè)消息子分組Mi，一個(gè)常數(shù)Ti；將所得結(jié)果向環(huán)移一個(gè)不定的數(shù)Si,再加變量b，然后用該結(jié)果取代變量a,變換abcd
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