??? 摘 要： 介紹了一種應(yīng)用DS2432器件實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證及軟件功能保護(hù)的方法,。首先分析了信息認(rèn)證的基本計(jì)算模型,，然后應(yīng)用DS2432器件并使用SHA-1算法實(shí)現(xiàn)了1-Wire" title="1-Wire">1-Wire網(wǎng)絡(luò)的安全認(rèn)證" title="安全認(rèn)證">安全認(rèn)證,。分析了其質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證過(guò)程，從而得出可將系統(tǒng)密鑰存放在安全存儲(chǔ)器" title="安全存儲(chǔ)器">安全存儲(chǔ)器中,，而不必存放在程序代碼內(nèi),。這種系統(tǒng)便于擴(kuò)展,，DS2432的數(shù)據(jù)安全性甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置信息修改，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)了低成本的安全認(rèn)證功能,。
??? 關(guān)鍵詞： 認(rèn)證? 密鑰? SHA-1算法? 信息認(rèn)證碼MAC? 1-Wire? 數(shù)據(jù)安全

?

??? 高技術(shù)電子產(chǎn)品保證正確的身份識(shí)別至關(guān)重要,，系統(tǒng)供應(yīng)商需要在外有黑客攻擊這樣的“外患”,，內(nèi)有克隆硬件這樣的“內(nèi)憂”的環(huán)境中保護(hù)其產(chǎn)品的安全性。實(shí)現(xiàn)這些安全需求的關(guān)鍵是認(rèn)證,。Maxim/Dallas Semiconductor公司的DS2432器件^[1]以安全存儲(chǔ)器形式提供加密控制和保護(hù)方案,，非常適合需要知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、HW/SW許可權(quán)管理,、安全軟件功能與狀態(tài)設(shè)置,、防篡改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等 方面的應(yīng)用。
1 認(rèn)證機(jī)制
1.1 認(rèn)證
??? 認(rèn)證是指兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體之間建立身份認(rèn)可的過(guò)程,。單向認(rèn)證情況下,，一方需向另一方證明其身份的合法性。對(duì)于雙向認(rèn)證,，雙方需要彼此向?qū)Ψ阶C明自己的身份,。最常用的認(rèn)證方法是利用口令實(shí)現(xiàn)的。使用口令的主要問題是應(yīng)用中口令是暴露的,，極易被探測(cè),。
??? 1883年，弗蘭德斯語(yǔ)言學(xué)家Auguste Kerckhoffs發(fā)表了一篇關(guān)于軍事加密的文章,，震驚了整個(gè)世界,。Kerckhoffs認(rèn)為：安全不應(yīng)依靠隱匿性(例如非公開的保密算法)，而應(yīng)依靠算法及其密鑰的力量,。如果安全受到破壞,，只需替換密鑰，而不是替換整個(gè)系統(tǒng)^[2],。
??? 基于密鑰的認(rèn)證過(guò)程^[2]如圖1所示,。密鑰(私密)和需要認(rèn)證的數(shù)據(jù)(“信息”)作為輸入，計(jì)算出信息認(rèn)證碼MAC后附加到信息上,。信息接收方進(jìn)行相同的運(yùn)算,，將MAC計(jì)算結(jié)果與隨信息一起收到的MAC比較，如果二者相同,，則信息是合法的,。

??????????????????????????????????
??? 但是，這種認(rèn)證過(guò)程有一個(gè)弱點(diǎn),。非法者如果截取到信息,，可隨后回放此信息，以仿冒合法身份。為克服這種固有的MAC弱點(diǎn)和證明MAC發(fā)送方的合法身份,，接收方可產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù),，作為質(zhì)詢碼回送給發(fā)送方。MAC發(fā)送方必須根據(jù)密鑰,、信息和質(zhì)詢碼重新計(jì)算新的MAC,，并返回給接收方。如果對(duì)應(yīng)任何質(zhì)詢碼發(fā)送方都可產(chǎn)生有效的MAC,，則可以確信發(fā)送方是知道密鑰的,，其身份是合法的，該過(guò)程就是質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證,。
1.2 SHA-1算法
??? 在加密學(xué)中,，由信息產(chǎn)生固定長(zhǎng)度MAC的算法稱為“單向”散列算法。單向算法從固定長(zhǎng)度MAC輸出推演出較長(zhǎng)的原始信息極為困難,。相反,，通過(guò)加密的方法則較為容易，因?yàn)榧用艿男畔⑴c原始信息是成正比的,。
??? SHA-1是經(jīng)過(guò)深入研究和國(guó)際認(rèn)可的單向散列算法^[2-4],，由National Institute of Standards and Technology (NIST)開發(fā)。SHA-1已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3:2004,，算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是公開的,。
??? SHA-1算法的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)： (1)不可逆性,從計(jì)算角度講，不可能從MAC推演出輸入信息,。(2) 抗沖突性,對(duì)于特定MAC,，找到多于一種輸入信息是不現(xiàn)實(shí)的。(3)高雪崩效應(yīng),輸入的任何變化都會(huì)使MAC結(jié)果產(chǎn)生巨大的變化,?；谶@些原因以及對(duì)該算法的國(guó)際性研究，Maxim/Dallas Semiconductor公司選擇SHA-1作為其安全存儲(chǔ)器的質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證算法,。
2 利用DS2432實(shí)現(xiàn)低成本安全認(rèn)證功能
??? DS2432 EEPROM內(nèi)置SHA-1引擎,，借助1-Wire接口，可以方便地將其加入到任何帶有數(shù)字處理能力的電路中,，例如帶微控制器(μC)或FPGA的電路,。最簡(jiǎn)單的情況下，僅僅需要一個(gè)空閑I/O引腳以及一個(gè)上拉電阻即可構(gòu)成1-Wire接口,。如果板上的計(jì)算能力或者剩余的程序存儲(chǔ)空間不足以完成SHA-1算法MAC計(jì)算,，設(shè)計(jì)者可以采用DS2460 SHA-1協(xié)處理器，或?qū)⒂?jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中最近的主機(jī),。協(xié)處理器還有另一個(gè)好處,，即可將系統(tǒng)密鑰存放在安全存儲(chǔ)器中,，而不必存放在程序代碼內(nèi)^[1]。
??? 每個(gè)子系統(tǒng)電路板上的DS2432可以保護(hù)系統(tǒng)供應(yīng)商免受上述欺騙,。除了進(jìn)行質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證外,，DS2432還可以在其用戶EEPROM內(nèi)存儲(chǔ)獨(dú)立的配置信息。配置數(shù)據(jù)可防止非法篡改,，且系統(tǒng)供應(yīng)商具有完全的控制權(quán),。配置信息可以位圖形式或代碼字形式存儲(chǔ)，完全由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者決定,。根據(jù)實(shí)際需要,，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單地設(shè)置配置信息,。由于DS2432提供方便的1-Wire接口,，設(shè)計(jì)者只需增加如圖2所示的一個(gè)MOSFET和一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，就可以在電路板其他部分不上電的情況下,，通過(guò)探測(cè)點(diǎn)向DS2432寫入配置信息,。MOSFET將DS2432與其他電路隔離，當(dāng)子系統(tǒng)正常工作時(shí),，也不會(huì)妨礙DS2432的正常訪問,。

???????????????????????????
??? 該配置信息寫入方法還帶來(lái)另一個(gè)好處，系統(tǒng)在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后,，允許進(jìn)行遠(yuǎn)程更新/更改,。任何未用于配置/功能管理的用戶EEPROM均可采用電子標(biāo)牌的形式實(shí)現(xiàn)電路板標(biāo)識(shí)功能。
3 DS2432認(rèn)證功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 器件總體架構(gòu)
??? DS2432的1-Wire接口,、1KB SHA-1安全存儲(chǔ)器的主要數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)流路徑如圖3所示,。在這個(gè)模型中包含了8字節(jié)密鑰和臨時(shí)存儲(chǔ)質(zhì)詢碼的緩沖存儲(chǔ)器" title="緩沖存儲(chǔ)器">緩沖存儲(chǔ)器(暫存器)以及主要數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元包括獨(dú)一無(wú)二的器件ID號(hào),、四個(gè)用戶EEPROM頁(yè)面,、控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器和系統(tǒng)常數(shù)。

?????????????????????????????????
??? 器件ID號(hào)用作1-Wire網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址,，同時(shí)還用于認(rèn)證過(guò)程,。用戶存儲(chǔ)器存放待認(rèn)證“信息”的主要部分。系統(tǒng)常數(shù)有助于滿足格式需求和完成填充功能,，從而構(gòu)成SHA-1算法的64字節(jié)輸入數(shù)據(jù)塊,。控制寄存器執(zhí)行特定的器件功能,，例如可選的密鑰寫保護(hù)或EEPROM仿真模式,，控制寄存器通常不參與認(rèn)證過(guò)程。
??? 在這個(gè)模型中,，可毫無(wú)限制地讀取器件ID號(hào)和用戶EEPROM的信息,，并可完全讀/寫訪問緩沖存儲(chǔ)器,，還可以直接裝入密鑰，但永遠(yuǎn)不能讀取它,。如若改變用戶存儲(chǔ)器或寄存器的內(nèi)容,，則要求主機(jī)和從機(jī)(即DS2432)計(jì)算出相同的寫操作認(rèn)證MAC，才可以打開緩沖存儲(chǔ)器至EEPROM的路徑,。
??? 根據(jù)MAC結(jié)果的不同用途,，DS2432 SHA-1引擎具有三種不同的工作方式^[3]。任何情況下,，SHA-1引擎均接收64字節(jié)輸入數(shù)據(jù),，并計(jì)算出20字節(jié)的MAC結(jié)果。不同之處在于輸入數(shù)據(jù),。作為安全系統(tǒng)的根本需求,，主機(jī)必須知道或者能夠計(jì)算出應(yīng)用中的有效/合法的從器件密鑰。
3.2 質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證MAC
??? DS2432的主要功能是完成質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證,。主機(jī)發(fā)送一個(gè)隨機(jī)質(zhì)詢碼,，指示DS2432根據(jù)該質(zhì)詢碼、密鑰,、主機(jī)所選存儲(chǔ)器頁(yè)的數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)計(jì)算出響應(yīng)MAC,，如圖4所示。

?????????????????????????????

?????????????????????????????????
??? DS2432巧妙實(shí)現(xiàn)的安全認(rèn)證功能，不但保護(hù)了程序代碼,，而且公共硬件平臺(tái)利用安全的軟件功能設(shè)置也有助于降低生產(chǎn)成本,；DS2432的數(shù)據(jù)安全性甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置信息修改，節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間,；從DS2432所展示的功能可以看出,，一個(gè)小小的硅晶片將對(duì)收益產(chǎn)生巨大的影響，實(shí)現(xiàn)了低成本的安全認(rèn)證,。
參考文獻(xiàn)
[1] Maxim/Dallas Semiconductor. Protecting the R&D investment—two-way authentication and secure soft-feature?settings. www.maxim.com.cn. 2005.
[2] SCHNE1ER B．應(yīng)用密碼學(xué)：協(xié)議,，算法與C源程序[M].吳世忠，祝世雄,，張文政等,，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，
?2000．
[3] MEDHI D． HUANG D． MEHTA M, et al． Locationaware?key management scheme for wireless seflS0r networks[C]．Procedings of 2004 ACM Workshop on Se. curity of Ad?Hoc and Sensor Networks．Washington DC. USA： ACM ??Press. 2004：29-42.
[4] LEE P P C,， LUI J C S,，YAU D K Y． Distributed collaborative key agreement protocols for dynam ic peer
?groups[C]. Proc．of the ICNP,2002:53-62.