1、 概述

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)上交易等活動(dòng)日益頻繁，從而網(wǎng)絡(luò)安全成為人們關(guān)注的重要問(wèn)題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，信息安全的內(nèi)涵也在不斷延伸，從最初的信息保密性發(fā)展到信息完整性、可用性、可控性和不可否認(rèn)性，進(jìn)而又發(fā)展為攻（攻擊）、防（防范）、測(cè)（檢測(cè)）、控（控制）、管（管理）、評(píng)（評(píng)估）等多方面的基礎(chǔ)理論和實(shí)施技術(shù)。目前對(duì)于安全性有以下三個(gè)指標(biāo)：身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性。

HMAC_SHA1算法在身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)完整性方面可以得到很好的應(yīng)用，在目前網(wǎng)絡(luò)安全也得到較好的實(shí)現(xiàn)。然而大多數(shù)應(yīng)用通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，但其安全性很難得到真正的保障，于是研究安全算法的硬件實(shí)現(xiàn)已成為熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)算法和現(xiàn)場(chǎng)可編程芯片特點(diǎn)的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的HMAC_SHA1_96算法應(yīng)用方案。

2、 SHA1函數(shù)

SHA1函數(shù)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)局和美國(guó)國(guó)家安全局設(shè)計(jì)的與DSS一起使用的安全散列算法SHA，并作為安全散列標(biāo)準(zhǔn)（SHS）的聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS）而公布，SHA1是SHA的修訂版。當(dāng)輸入長(zhǎng)度小于2 64bit消息時(shí)，輸出160bit的摘要，其算法步驟如下：

步驟一：填充附加位。一般經(jīng)過(guò)填充使報(bào)文長(zhǎng)度512取模余64bit。該步驟通常是需要的，即使報(bào)文長(zhǎng)度已經(jīng)是所希望的長(zhǎng)度。因此填充長(zhǎng)度范圍為1到512，最高位為1，其余為0。

步驟二：附加報(bào)文長(zhǎng)度值。即把一個(gè)64bit的報(bào)文長(zhǎng)度數(shù)附加在上述報(bào)文之后（高字節(jié)優(yōu)先），從而達(dá)到512bit的倍數(shù)。

步驟三：初始化變量?？梢允褂?60bit的緩存（即160bit寄存器）來(lái)存放該散列函數(shù)的初始變量、中間摘要及最終摘要，但首先必須初始化， 給初始變量賦值，即：

A=0x67452301，B=0xefcdab98， C=0x98badcfe，D=0x10325476，E=0xc3d2e1f0

步驟四：處理512bit報(bào)文分組。在該步驟中包括四個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)有20個(gè)處理步驟，而每個(gè)循環(huán)對(duì) B﹑C﹑D所用的非線(xiàn)性函數(shù)不同，并且所用的常數(shù)也不同：

對(duì)于t=0～19，

ft （B，C，D）=（B∧C ）∨（（￢B）∧D），

Kt=0x5a827999

對(duì)于t=20～39，

ft （B，C，D）=B⊕C ⊕D，

Kt=0x6ed9eba1

對(duì)于t=40～59，

ft （B，C，D）=（B∧C ）∨（B∧D）∨（C∧D），

Kt=0x8f1bbcdc

對(duì)于t=60～79，

ft （B，C，D）=B⊕C ⊕D，

Kt=0xca62c1d6

注：∧表示“與”；∨表示“或”；⊕表示“異或”；￢表示“取反”。

在每一步驟中都將執(zhí)行如下的算法過(guò)程（圖1）。

歸納為以下形式﹐其中 《《《 表示循環(huán)左移： A’， B’， C’， D’， E’← （（A《《《5） + ft （B，C，D）+Et +Wt +Kt ）， A， （B《《《30）， C， D 由于我們輸入的是16個(gè)32bit消息，而SHA1運(yùn)算需要80個(gè)32bit數(shù)據(jù)，所以存在一個(gè)由512bit 消息生成2560bit數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程（即生成W運(yùn)算） ，其轉(zhuǎn)換機(jī)制如下：

對(duì)于t=0～15， W t=Mt；

對(duì)于t=16～79，

Wt=（M t-3⊕Mt-8⊕Mt-14 ⊕Mt-16）《《《1。

步驟五：結(jié)果輸出。512bit報(bào)文運(yùn)算完就輸出 160bit的報(bào)文摘要。

3、HMAC_SHA1_96算法

HMAC_SHA1_96算法［2，3，6］ 是基于單向散列函數(shù)SHA1和以密鑰為基礎(chǔ)的完整性檢查驗(yàn)證機(jī)制，它是從生成的160bit摘要中選擇從高到低的96bit作為最終輸出。在該算法中主要就是SHA1函數(shù)和HMAC算法。它的作用在于生成摘要放在消息后面以驗(yàn)證消息在傳輸時(shí)是否受到修改或變動(dòng)，保證消息的完整性。根據(jù)HMAC的定義，本設(shè)計(jì)的HMAC_SHA1_96算法原理圖如圖2。

圖2算法的幾點(diǎn)說(shuō)明：① _ipad表示補(bǔ)位后的密鑰與ipad 異或的結(jié)果，K_opad表示補(bǔ)位后的密鑰與opad異或的結(jié)果；② 次SHA1運(yùn)算包括生成W運(yùn)算；③ 由SHA1運(yùn)算輸出的結(jié)果是經(jīng)過(guò)加法處理的結(jié)果；④ 虛線(xiàn)部分表示圖上忽略的信息分組和相應(yīng)的SHA1運(yùn)算部分；⑤ 如果只有512bit消息，則第一輪只需進(jìn)行兩次SAH1運(yùn)算，就轉(zhuǎn)到第二輪。圖2又可寫(xiě)成如下的表達(dá)式：

SHA1（ K XOR opad， SHA1（K XOR ipad， M） ）

其中 K是密鑰補(bǔ)位后的新值，即在密鑰后補(bǔ)0使之為512bit；ipad是0×36重復(fù)16次的一個(gè)數(shù)組；opad是0×5c重復(fù)16次的一個(gè)數(shù)組；M是消息；XOR表示異或運(yùn)算；SHA1是安全散列函數(shù)。

4、 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)以上算法分析和實(shí)現(xiàn)流程特點(diǎn)，結(jié)合 FPGA芯片的硬件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行如下的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4.1使用RAM結(jié)構(gòu)

在HMAC_SHA1_96算法體系中，有大位數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如果要用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要大約7000左右的寄存器，占用大量的FPGA芯片資源，這是因?yàn)镕PGA芯片上，每個(gè)LE（邏輯單元）單元只有一個(gè)寄存器，這樣每個(gè)LE單元上其它硬件資源將會(huì)浪費(fèi)。然而FPGA芯片上大量的ESB（嵌入式系統(tǒng)塊）資源沒(méi)有充分利用，而ESB可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的存儲(chǔ)模塊，如RAM、ROM、FIFO和CAM等，在這種情況下，可以采用ESB實(shí)現(xiàn)RAM來(lái)代替寄存器，從而節(jié)省LE硬件資源，并且RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，控制起來(lái)比寄存器方便很多。

4.2 重復(fù)利用相同模塊

正如前面算法所述，SHA1算法是由80次運(yùn)算組成的，而每次運(yùn)算的結(jié)構(gòu)又是一樣的，如果采用水線(xiàn)形式的運(yùn)算模式，利用80個(gè)同樣的模塊，會(huì)占用很多的硬件資源，不符合優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，因此可以先優(yōu)化設(shè)計(jì)出一個(gè)模塊，再對(duì)該模塊復(fù)用80 次，每一次運(yùn)算的結(jié)果需存入寄存器，以便送入下一次運(yùn)算，這樣可極大地優(yōu)化利用FPGA硬件資源。

4.3 模塊劃分

HMAC_SHA1_96算法體系的硬件實(shí)現(xiàn)，必會(huì)存在與外圍電路的數(shù)據(jù)握手傳輸。由于外圍電路（8255或CPU）的工作時(shí)鐘頻率與所設(shè)計(jì)的芯片工作時(shí)鐘頻率不一樣，要讓設(shè)計(jì)芯片與外圍電路協(xié)調(diào)工作，就必須專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)輸入輸出接口電路，再設(shè)計(jì)出核心處理模塊，從而不受外界電路工作環(huán)境影響。由此，可以將本設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：輸入模塊、算法實(shí)現(xiàn)模塊和輸出模塊。

4.3.1 輸入模塊

由于輸入模塊會(huì)跟外圍電路（如8255）連接進(jìn)行信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)握手信號(hào)ACK和OBF，每次輸入8bit數(shù)據(jù)寫(xiě)到64×8bit的RAM，需要64 次，而外圍電路什么時(shí)候輸入數(shù)據(jù)由內(nèi)部信號(hào)sha_end控制，該模塊的輸出一次為32bit，所以相當(dāng)于一次讀4×8bit數(shù)據(jù)。

4.3.2 算法實(shí)現(xiàn)模塊

該模塊主要進(jìn)行HAMC_SHA運(yùn)算，輸出160bit摘要，其數(shù)據(jù)處理流程圖見(jiàn)圖3（圖中 M_RAM用來(lái)存儲(chǔ)消息），其中又可以分為以下幾個(gè)主要部分：

① 密鑰輸入處理部分。處理密鑰時(shí)需要先對(duì)其進(jìn)行異或運(yùn)算，然后把其寫(xiě)入兩個(gè)32×16bit的 RAM，假設(shè)分別為I_RAM和O_RAM。I_RAM里數(shù)據(jù)在第一輪SHA1算法首先運(yùn)算，而O_RAM 里的數(shù)據(jù)要到第二輪才開(kāi)始運(yùn)算。

② 生成W處理部分。 由于SHA1函數(shù)中要進(jìn)行80次運(yùn)算，每次運(yùn)算采用不同的32bit W值，而輸入的只有16個(gè)32bit數(shù)據(jù)，于是該算法采用四個(gè)不同的W值進(jìn)行異或運(yùn)算生成新的W值。這四個(gè)W值是從80×32bit的W_RAM讀出的，而生成新的 W值再依次寫(xiě)入該RAM中沒(méi)有使用的位置。

③ SHA1運(yùn)算部分。是設(shè)計(jì)的核心部分，需要完成80次運(yùn)算，每次從32×80bit RAM讀出一個(gè)32bit W值，最終生成160bit摘要。

④ 摘要處理部分。主要對(duì)每一次SHA1運(yùn)算后生成的摘要與本次的初始密鑰進(jìn)行加法運(yùn)算，作為下次SHA1運(yùn)算的初始密鑰，或者作為最終輸出摘要，或者作為下一輪SHA1運(yùn)算的消息輸入。

⑤ 摘要補(bǔ)位部分［6］ 。對(duì)第一輪生成的160bit摘要進(jìn)行補(bǔ)位，方法為：［160］～［190］ 0［191］ 1 ［192］～［479］ 0 ［480］～［511］=1010100000，將此值寫(xiě)入一個(gè)16×32bit的FILL_RAM。

4.3.3 輸出模塊

同輸入模塊一樣，由于同外圍電路進(jìn)行信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)握手信號(hào)STB和IBF，每次輸出8bit數(shù)據(jù)到外圍電路，但該部分主要是一個(gè)8×12bit RAM，可以一次寫(xiě)入96bit數(shù)據(jù)。

4.4 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)輸出端加鎖存器是為了保證輸出數(shù)據(jù)被外圍電路采樣之前始終有效，從而達(dá)到本設(shè)計(jì)與外圍電路協(xié)調(diào)工作的目的。結(jié)構(gòu)圖如圖4。

5、 FPGA實(shí)現(xiàn)

我們知道，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由邏輯陣列塊（LAB）、嵌入式系統(tǒng)塊（ESB）、快速通道互聯(lián)和輸入輸出單元（IOE）組成。LAB是由10個(gè)LE、LE 間關(guān)聯(lián)的進(jìn)位鏈﹑級(jí)連鏈﹑LAB控制信號(hào)和LAB局部互連構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算通道，特別適合本設(shè)計(jì)算術(shù)運(yùn)算單元的硬件實(shí)現(xiàn)。ESB如前所說(shuō)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的存儲(chǔ)模塊，特別適合于大位數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？焖偻ǖ朗怯脕?lái)實(shí)現(xiàn)LE之間，ESB 與I/O之間的快速互連，并且具有高扇出能力，它是一系列縱橫交錯(cuò)的連續(xù)式分布通道，能夠得到高性能和快速的信號(hào)傳輸，提高本設(shè)計(jì)運(yùn)算效率和信號(hào)的穩(wěn)定性。I/O單元由一個(gè)雙向緩沖器和一個(gè)寄存器組成，含有可編程延時(shí)，可確保零保持時(shí)間或最小的時(shí)鐘到輸出時(shí)間，減少設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸出的毛刺現(xiàn)象。另外FPGA可以重復(fù)使用，以方便修改代碼或參數(shù)時(shí)再重新配置FPGA。

本設(shè)計(jì)采用Altera的APEX20KE160EQC240_1X 芯片實(shí)現(xiàn)，其功能模塊及PC接口原理圖見(jiàn)圖5。

圖中FPGA編程器采用QuartusⅡ2.0軟件， HMAC_SHA1_96應(yīng)用環(huán)境設(shè)置主要配置軟件控制HMAC_SHA1_96的運(yùn)行機(jī)制，PCI控制器用來(lái)控制FPGA芯片與PCI BUS的通訊。先通過(guò)QuartusⅡ2.0軟件對(duì)代碼布局布線(xiàn)生成pof文件或sof文件， pof文件可直接用來(lái)配置FPGA，但每次使用時(shí)必須重新配置；而sof文件可以先存入EEPROM，再由 EEPROM對(duì)FPGA配置，每次上電前由EEPROM配置，這樣可以直接應(yīng)用于信息安全硬件系統(tǒng)中。

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