采用SM2算法PKI技術(shù)實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的安全性設(shè)計

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國的迅速推廣和普及，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上證券交易等項目，也在我國迅猛發(fā)展。但是網(wǎng)絡(luò)非法入侵、詐騙等事件嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)信息安全。只有不斷發(fā)展和提高網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)，才能保證網(wǎng)絡(luò)健康發(fā)展。在信息安全技術(shù)領(lǐng)域，公開密鑰基礎(chǔ)沒施（PKI）很好地為互聯(lián)網(wǎng)提供了安全服務(wù)。如今網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的認(rèn)證、數(shù)據(jù)的加解密、完整性驗證、不可否認(rèn)性等功能已經(jīng)離不開PKI技術(shù)的支持。隨著PKI密碼技術(shù)的發(fā)展，SM2算法（國際上稱之為ECC算法）應(yīng)用越來越廣，效率較之前的算法更高，破解難度更大、更安全。本系統(tǒng)在嵌入式主板上實現(xiàn)SM2算法PKI技術(shù)，提供基于SM2算法的簽名驗證、數(shù)字信封和解封、數(shù)據(jù)加解密來實現(xiàn)身份認(rèn)證，保證網(wǎng)絡(luò)信息安全交互。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計中嵌入式系統(tǒng)的CPU采用三星公司的S3C2440芯片，操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為平臺，內(nèi)存采用6 4 MB SDRAM，文件存儲采用128 MB NANDFlash，HS32U2-U芯片提供SM2算法。系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)功能如下：

◆CPU：系統(tǒng)為提供運(yùn)行、計算以及和各個模塊進(jìn)行通信；

◆RAM：為操作系統(tǒng)提供運(yùn)行空間；

◆Flash：提供boot啟動程序、內(nèi)核映像、文件系統(tǒng)；

◆Fthernet：提供網(wǎng)絡(luò)通信接口；

◆SM2：提供SM2算法接口；

◆UART：提供串口調(diào)試功能。

2 系統(tǒng)硬件接口

系統(tǒng)CPU通過SPI接口訪問HS32U2-U芯片，為系統(tǒng)應(yīng)用提供SM2算法。SM2芯片接口設(shè)計如圖2所示。

HS32U2-U芯片支持主模式和從模式，支持4種通信模式，數(shù)據(jù)通行速率可達(dá)16 Mbps@80 MHz，支持低功耗模式。

主要的SPI接口介紹如下：

◆SS：SPI從模式選擇；

◆SCLK：SPI串行時鐘；

◆MOSI：SPI主模式輸出，從模式輸入；

◆MISO：SPI主模式輸出，從模式輸入。

三星CPU提供串行時鐘頻率，按照規(guī)定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)傳入的不同格式所代表的不同的命令碼，獲取不同的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)汁的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括SM2算法的應(yīng)用層API和SM2內(nèi)核層的驅(qū)動。應(yīng)用層API實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)用SM2算法，例如SM2公私密鑰對的產(chǎn)生、SM2簽名功能、SM2驗證功能、SM2加密功能、SM2解密功能、SM2密鑰交換功能以及SM2雜湊功能等。SM2內(nèi)核層的驅(qū)動是SM2驅(qū)動通過SPI總線實現(xiàn)三星CPU與HS32U2-U芯片低層數(shù)據(jù)交互。

3．1 Bootloader設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)中，Bootloader是必需的。它是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前的一小段程序，就像BIOS一樣。這段程序可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間映射圖，從而將軟件的軟硬件環(huán)境設(shè)置到一個合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。

3．2 內(nèi)核編譯選項

根據(jù)需要配置內(nèi)核選項，主要包含：

◆啟動傳遞參數(shù)

◆dcvfs文件系統(tǒng)支持

◆芯片及系統(tǒng)類型配置

◆芯片及系統(tǒng)類型配置

◆（DMA Engine support）DMA傳輸引擎支持

除此之外，在編譯內(nèi)核時還要將SPI總線和模塊加載的功能選項選中。因為系統(tǒng)最終通過加載模塊方式調(diào)用SM2算法芯片，同時通過SPI總線來交互數(shù)據(jù)。

3．3 SM2設(shè)備系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計

Linux的內(nèi)核由設(shè)備管理、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)組成。Linux設(shè)備驅(qū)動可以分為字符類設(shè)備、塊類沒備、網(wǎng)絡(luò)接口類設(shè)備和其他非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動。SPI設(shè)備被看做是字符型沒備。

每個SPI外設(shè)都由1個總線號、1個設(shè)備號和1個功能號來標(biāo)識，共有3個訪問空間，即內(nèi)存空間、I／O端口和配置奇存器。每個設(shè)備功能郜有一個配置空間，用于決定SPI的工作方式和映射到系統(tǒng)中的地址。設(shè)備驅(qū)動通過模塊方式加載到內(nèi)核中。相關(guān)函數(shù)代碼如下：

3．4 SM2 API設(shè)計

由于SM2算法主要有簽名驗簽、加解密、獲取hash值等，API函數(shù)有SM_HsEccSign、SM_HsEccSignVerify、SM_HsEccEncrypt、SM_HsEccDecrypt、SM_SM3Init、SM_SM3Update、SM_SM3Finalize。通過這些API函數(shù)可以實現(xiàn)PKI中的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密，保證信息安全傳遞。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)如下所示：

通過上述SPI通信協(xié)議，保證在內(nèi)核層和應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定、可靠。

結(jié)語

本系統(tǒng)通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)了SM2算法接口，為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)做好了保障，且已經(jīng)成功應(yīng)用在VPN系統(tǒng)以及CA中心。SM2算法效率高、破解難度大。隨著信息安全的發(fā)展，國家密碼管理局已經(jīng)指定SM2算法取代RSA算法，在今后的應(yīng)用中會有更大的發(fā)展空間。