下面是小编为大家整理的HMAC认证协议的单片机实现，本文共5篇，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。
篇1：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。
关键词：HMACZQ032SA（6805）MD5IP电话
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-HashingforMessageAuthentication）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。
1HMAC的算法原理
1.1HMAC算法定义
用公式表示如下：
HMAC=H（keyxoropad,H（keyxoripad,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.
1.2MD5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16Byte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×64Byte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<=dabc,进入下一次运算，共16次，如图2所示。4轮运算结束后，把变量abcd与初始ABCD进行“异或”运算，结果作为下一分组的初始值。
计算公式如下：
第1轮：SUB_FF（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a<=b+（（a+F（b,c,d）+Mi+Ti）<< 第2轮：SUB_GG（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a<=b+（（a+G（b,c,d）+Mi+Ti）<< 第3轮：SUB_HH（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a<=b+（（a+H（b,c,d）+Mi+Ti）<< 第4轮：SUB_II（a,b,c,d,Mi,Si,Ti）：a<=b+（（a+I（b,c,d）+Mi+Ti）<< 数据交换规则：a,b,c,d→d,a,b,c→c,d,a,b,→b,c,d,a 最终：ABCD<=ABCD+abcd 其中：Mi为16个信息子包，每个4字节；Ti为4字节常数；Si为左移位数；abcd为32位变量；初始值为ABCD. 函数：F（X,Y,Z）=X&Y|NOT（X）&Z G（X,Y,Z）=X&Z|Y?（Z） H（X,Y,Z）=XxorYxorZ I（X,Y,Z）=Yxor（X|not（Z）） 2HMAC在IP电话计费上的应用 利用HMAC的认证功能，可对用户的IP储值卡中的金额进行保护。在试验系统中，智能终端相当于认证系统的客户端，如图3所示。 当用户使用时，用户只须直接拨入所叫的`电话号码即可。智能终端则自动拨向IP服务商，待响应后，反终端序列号、主叫电话号码、认证码一同发给服务商。智能终端序列号相当于公钥，用户的密码就是密钥。智能终端对密钥进行HMAC协议的加密运算自动生成认证码。 服务曾几何时接收数据码流，根据终端序列号确定用户的基本信息，再通过数据库中存储的认证码与接收到认证码的比较，确认用户的合法身份。如身份无误，则接通话路，计时收费。 其中第3步认证码的格式如表1所列。 表1认证码格式 引导符终端序列号电话号码*随机数HMAC认证码校验码*10Byte21Byte16Byte0.5Byte32Byte,高位为0,可直接发送DTMF不可直接发送，要转化 16Byte认证码，是经由HMAC加密得到的，其中的KEY值、TEXT值都可以作为用户密码。由于认证码高4bit为为0,所以不可以直接发送DTMF,要把4bit校验码排在认证码之后，共组成132bit数据，一起经过串行左移转化，每3bit构成1组，最后形成44个DTMF. 智能终端由单片机、DTMF拨号电话机、液晶显示等芯片构成。MCU不但要承担主控任务，还要实现HMAC的运算。 （1）ZQ032SA单片机简介 ZQ032SA是北京中庆公司具有独立知识产权的Flash型MCU,与Motorola6805系列单片机功能相似，指令兼容。其采用CMOS工艺，工作稳定、功耗低、采用小型表贴封装（SOP28），适合民用设备使用。 主要特性有： *8位MCU,兼容增强型6502指令集； *4MHz主频，典型取指周期0.5μs. *16Kbyte片内Flash存储器。 *352Byte片内用户RAM,其中包括64Byte的堆栈区； *1个13位的多功能计数器和1个看门狗WDT *20个通用I/O接口； *1个载波调制发生器CMT; *Flash保护机制； *Flash在线程序下载； *2种节电模式。 引脚排列和内部模块可参见本刊网络补充版。 （2）HMAC算法的实现 基于单片机内部可用RAM的大小及实际使用时可能的密码长度，在认证系统中规定了消息长度，key≤64B,text≤58B.这样在本例中，MD5运算的消息分组N=2.在单片机4MHz主频时，经过程序优化，完成HMAC的运算所需时间小于3ms.详细程序网络补充版。 下面列出主要流程图。 其中：MD5_MAIN是MD5运算主程序； MD5_ONE子程序是MD5的一个分组运算； SUB-FF、FBCD、GBCD、HBCD、IBCD分别是MD5运算中相应函数的子程序； SHIFT子程序完成《Si的功能； EXCH子程序完成地址4组数据的交换； 常数Ti列表于MEM_C,移位Si列表于TABLE_S; 消息子分组顺序列表于TABLE_M; KEY键盘程序读入存于MEM_M,TEXT存于MEM_MB. 标号MEM1-4的RAM用于中间计算。 HMAC流程如图4所示。 MD5算法中的一个消息分组的计算程序流程如图6所示。 HMAC作为一种认证的协议，可以用于那么需要数字签名、身份认证或报文完整性检验等领域。在家用电子市场、安防、电子商务方面，都有广泛的用途。 在单片机可实现HMAC认证的基础上，可以进一步把ZQ032SA的IP核与其它外围逻辑构成ASIC,用于智能卡，将有应用前景。 在HMAC协议的基础上，加入其它成熟的加密算法，如DES,可以进一步提高认证的安全性。 HMAC认证协议的单片机实现 关键词：HMAC ZQ032SA（6805） MD5 IP电话 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。 [1] [2] [3] [4] [5] 基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现 关键词：80C166 PEC服务 PROFIBUS－FDL 当前工业设备制造技术正向高性能、专用化、分布式、网络化方向发展。以前，大量使用PLC实现的控制系统，实践证明虽然安全可靠，但由于PLC本身的技术原因，很难达到更快速的实时控制要求?它们正被高性能的嵌入式专用控制器替代。这种专用控制器的设计，可以进一步提高设备的控制性能；引入现场总线技术，保证专用控制器的系统可集成性，以适应当前分布式、网络化的应用趋势。 本文是在研制棒材生产线飞剪的专用控制器时涉及的一个子课题。为保证该控制器能与现有PLC网连接以及与远程操作站通信，在几乎不增加硬件的基础上，利用核心CPU――西门子80C166所具有的一个类似DMA的功能高效率地实现PROFIBUS－FDL从站协议。 1 西门子80C166单片机 80C166单片机是西门子C166系列16位嵌入式微控制器的第一代产品。其体系结构如图1所示。它结合RISC处理器的优点，克服了CISC处理器在嵌入式应用中的瓶颈；在25MHz时钟频率下，可达到12．5MIPS，几乎所有的指令执行时间小于80ns；在指令处理上，采用四级指令流水线管道结构；在存储管理上，统一线性地址空间可达256KB，具有段?代码?、页?数据?式管理机制；采用寄存器池，上下文切换时间只要80ns；16位乘法400ns，32位除法800ns，中断响应时间最慢400ns；外部事件控制器PEC服务具有类似DMA的功能，可实现存储器与外设之间的高速数据传输；丰富的在片外设：1KB RAM、10路A／D、76路I／O、7个定时器／计数器、16个比较／捕获单元、2个串行通信接口、在片的WATCHDOG等。 图1 西门子80C166体系结构 2 80C166的PEC服务 2．1 80C166的PEC服务机制 PEC是外部事件控制器的英文缩写。PEC服务是80C166提供的一种特殊数据传输机制。其目的是在原有的中断控制器基础上，用较小的硬件代价、尽可能少占用处理机周期实现内存与外部设备的快速数据交换?类似DMA，但无需专用的DMA控制器?。80C166有8路PEC服务通道。用PEC服务进行一次数据传输，仅占用处理机一个机器周期?20MHz时100ns，且不影响当前程序的执行。 2．2 PEC服务的工作过程 通常，当普通中断事件发生时，系统将保存当前CPU状态PSW和程序的地址；然后，根据不同的中断源，进行上下文切换，装载相应的中断矢量，执行相应的中断服务程序；执行完后，恢复被中断程序的上下文，继续执行被中断程序。 对于某一PEC服务，它总是与一具体中断源、中断矢量或中断服务相联系。在80C166中，当一个中断的'中断优先级为最高级14或15且定义了与之相关联的PEC服务通道时，该中断就具有PEC服务功能。这时，当该中断请求发生时，将不触发中断服务程序的执行，而是触发PEC服务。当PEC服务经过设定的若干次的外部事件触发后，再触发执行相应的中断服务程序(一个普通中断过程)。 (本网网收集整理) 如图2所示。一次PEC服务的工作过程是由PEC控制寄存器定义的，其中计数位域(8位传送计数器)COUNT定义了PEC服务的数据传输次数；源指针、目的指针指明具体的数据传输来源和目的；PEC服务的数据传输过程完全由硬件执行：当中断请求发生时，由硬件将源指针所指单元的内容传给目的指针所指的单元，然后由PEC控制寄存器相应定义位控制是源指针还是目的指针增加1或2，同时COUNT值减1；当多次中断请求使COUNT减为0时，PEC服务完成，触发与之关联的中断服务程序。 2．3 PEC服务应用优势 以串口接收一帧16字节的数据为例。若采用传统的串口接收方式，每接收到一字节，产生一个中断；在中断服务程序中，要将它从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中；当接收满16字节后，进行帧处理。 如果采用PEC服务的方式，只要事先定义好PEC通道就可以了。首先，定义串口接收中断优先级为14或15以及与之相关联的PEC通道。即定义相应PEC通道控制寄存器为：COUNT为16字节传输，源指针为串口接收缓冲器，目的指针为帧接收缓冲区首址且每次传输完成后，目的指针加1。这样，串口每接收到一字节，将触发一次PEC服务，由硬件将数据从串口接收缓冲器中取出，顺序放到帧接收缓冲区相应单元中，但当前执行的程序并不被中断；当16字节完全接收完成后，触发串口接收中断服务程序，进行帧的处理。 与传统的串口接收方式相比较，PEC服务方式在进行数据传输时不中断当前程序的执行，因此节省了大量的上下文切换时间，处理机效率得到大大提高。 下 面讨论采用80C166的PEC服务实现PROFIBUS－FDL从站协议的方法。 3 PROFIBUS－FDL帧结构分析 3．1 PROFIBUS－FDL帧结构 PROFIBUS帧的格式有多种形式，但对于从站来说，只要处理三种帧即可。 ．无数据且长度固定的帧： ．带数据域且长度固定的帧: ． 带数据域且长度可变的帧: 其中，各字段说明如下： SD1：无数据帧的开始定界符，＃10H； SD2：可变长度帧的开始定界符，＃68H； SD3：固定长度帧的开始定界符，＃A2H； ED：结束定界符，＃16H； LE与LEr：LE与LEr相同，都表示长度占一个字节，它是DA＋SA＋FC＋?DATA－UNIT?的字节数总和； DA与SA：DA?目的站地址?与SA?源站地址?各占一个字节； FCS：校验段，占一个字节，它采用不计进位的求和运算得到校验码。校验域为DA＋SA＋FC＋?DATA－UNIT?； FC：帧控制字字段，占一个字节； SYN：同步字段，至少33空闲位(逻辑电平1)，但仅在请求帧及令牌帧前出现，不允许在字符之间出现。 3．2 PROFIBUS帧结构的特点 从上面的帧格式可以看出帧的长度不固定。发送时，帧的长度是已知的；但接收时，帧的长度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，随时解析和保存关键信息，并确定随后接收的字节数。 4 PROFIBUS－FDL从站协议的PEC服务实现 PROFIBUS－FDL从站的数据接收及应答过程分三个阶段完成：第一阶段，帧的完整接收；第二阶段，根据接收到的FC帧控制字字段，判断主站正在进行怎样的数据请求；第三阶段，从站组织应答帧，启动帧的发送过程。 第二阶段的帧控制字处理请参考PROFIBUS标准的相关内容。对于第三阶段的组织和发送应答帧，由于数据长度和内容已知，只要定义好串口发送中断／服务，定义好相应的PEC通道：源地址为发送数据缓冲区首址＋1、目的地址为串口发送缓冲器、COUNT域为发送字节数－1，将所要发送数据的第一个字节写入串口发送缓冲器，即可触发串口发送相关的PEC服务；当COUNT减为0时，触发串口发送中断服务子程序，完成串口数据发送过程。由于该过程实现简单，不作详细讨论。这里主要讨论第一阶段的帧完整接收实现过程。 从上面的帧结构分析可见，帧的长度是不固定的。因此，为提高接收效率，应用PEC服务分三步进行数据的批量接收。 4．1 第一步：帧头接收 首先，初始化时，定义串口接收PEC服务为连续接收三字节，用于接收帧的前三字节。 由第一个字符SDx(x＝1,2,3)判断帧类型；对于不带数据固定长度帧和带数据固定长度帧接下来的两个字符是DA、SA，判断DA是否为本机地址；而对于带数据长度可变帧，接下来的两个字符是LE、LEr，判断其是否相等。 若以上判断都成立，则需定义下一次PEC服务的接收字符数：对于固定长度帧，定义PEC批量接收三字节数据，并保存DA、SA；对于可变长度帧，定义PEC服务接收四字节数据，转第二步； 若LE≠LEr或DA目的地址非本站地址，则重回到初始状态，进行帧头接收。 4．2 第二步：帧控制字接收 由于主站帧的连续发送，会再次触发PEC服务。由串口接收PEC服务连续接收三或四字节后，处理如下： ．不带数据固定长度帧，接收三字节，分别为FC、FCS、ED。对FCS和ED分别完成累加和校验与帧结束判断后，将帧控制字FC保存，转去执行帧控制字处理。 ．带数据固定长度帧? 接收三字节?分别为FC和数据单元的前两个字节，保存FC，定义PEC服务接收后八个数据字节，转第三步。 ．带数据可变长度帧，接收了四字节，分别为SD、DA、SA、FC。对SD再进行一次判断，之后判断DA是否为本机地址，保存DA、SA、FC，定义PEC服务接收余下的数据字节?长度由LE确定?，转第三步。 4．3 第三步：帧数据接收 当串口接收PEC服务连续接收八或更多的字节后，处理如下： ．带数据固定长度帧，接收八个字节，分别为余下的六字节数据和FCS、ED。在累加和校验与帧结束判断完毕后，转去执行帧控制字处理。 ．带数据长度可变帧，接收了DATA－UNIT＋2个字节，分别DATA－UNIT个数据字节和FCS、ED。在累加和校验与帧结束判断完毕后，进行协议要求的目的地址和原地址的地址扩展判断和保存，转去执行帧控制字处理。 4．4 串口接收中断服务子程序 以上三步都由串口接收中断服务子程序负责完成。每一步对应不同的处理状态。为提高程序的执行效率，用有限状态机实现。以1、2、3分别表示上述帧接收三个步骤，4表示帧控制字处理状态，其状态转换如图3。 采用这种协议实现方法，在最近研制的棒材生产线的飞剪控制器中运行效果良好。 基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现 关键词：80C166 PEC服务 PROFIBUS－FDL 当前工业设备制造技术正向高性能、专用化、分布式、网络化方向发展。以前，大量使用PLC实现的控制系统，实践证明虽然安全可靠，但由于PLC本身的技术原因，很难达到更快速的实时控制要求?它们正被高性能的嵌入式专用控制器替代。这种专用控制器的设计，可以进一步提高设备的控制性能；引入现场总线技术，保证专用控制器的系统可集成性，以适应当前分布式、网络化的应用趋势。 本文是在研制棒材生产线飞剪的专用控制器时涉及的一个子课题。为保证该控制器能与现有PLC网连接以及与远程操作站通信，在几乎不增加硬件的基础上，利用核心CPU――西门子80C166所具有的一个类似DMA的功能高效率地实现PROFIBUS－FDL从站协议。 1 西门子80C166单片机 80C166单片机是西门子C166系列16位嵌入式微控制器的第一代产品。其体系结构如图1所示。它结合RISC处理器的优点，克服了CISC处理器在嵌入式应用中的瓶颈；在25MHz时钟频率下，可达到12．5MIPS，几乎所有的指令执行时间小于80ns；在指令处理上，采用四级指令流水线管道结构；在存储管理上，统一线性地址空间可达256KB，具有段?代码?、页?数据?式管理机制；采用寄存器池，上下文切换时间只要80ns；16位乘法400ns，32位除法800ns，中断响应时间最慢400ns；外部事件控制器PEC服务具有类似DMA的功能，可实现存储器与外设之间的高速数据传输；丰富的在片外设：1KB RAM、10路A／D、76路I／O、7个定时器／计数器、16个比较／捕获单元、2个串行通信接口、在片的WATCHDOG等。 图1 西门子80C166体系结构 2 80C166的PEC服务 2．1 80C166的PEC服务机制 PEC是外部事件控制器的英文缩写。PEC服务是80C166提供的'一种特殊数据传输机制。其目的是在原有的中断控制器基础上，用较小的硬件代价、尽可能少占用处理机周期实现内存与外部设备的快速数据交换?类似DMA，但无需专用的DMA控制器?。80C166有8路PEC服务通道。用PEC服务进行一次数据传输，仅占用处理机一个机器周期?20MHz时100ns，且不影响当前程序的执行。 2．2 PEC服务的工作过程 通常，当普通中断事件发生时，系统将保存当前CPU状态PSW和程序的地址；然后，根据不同的中断源，进行上下文切换，装载相应的中断矢量，执行相应的中断服务程序；执行完后，恢复被中断程序的上下文，继续执行被中断程序。 对于某一PEC服务 [1] [2] [3] [4] 文档为doc格式篇2：HMAC认证协议的单片机实现
篇3：HMAC认证协议的单片机实现
篇4：基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现
篇5：基于80C166单片机PEC服务的PROFIBUS-FDL从站协议实现
