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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。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-Hashing for Message Authentication）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。
1 HMAC的算法原理
1.1 HMAC算法定义
用公式表示如下：
HMAC=H（key xor opad,H(key xor ipad,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。
1.2 MD5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16 Byte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×64 Byte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
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