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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(guó)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(xiàng)目，也在我國(guó)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(kāi)密鑰基礎(chǔ)設(shè)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(yàn)證、不可否認(rèn)性等功能已經(jīng)離不開(kāi)PKI技術(shù)的支持。隨著PKI密碼技術(shù)的發(fā)展，SM2算法（國(guó)際上稱之為ECC算法）應(yīng)用越來(lái)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(shí)現(xiàn)SM2算法PKI技術(shù)，提供基于SM2算法的簽名驗(yàn)證、數(shù)字信封和解封、數(shù)據(jù)加解密來(lái)實(shí)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(jì)
本設(shè)計(jì)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(tái)，內(nèi)存采用64 MB SDRAM，文件存儲(chǔ)采用128 MB NAND Flash，HS32U2U芯片提供SM2算法。
圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(jì)算以及和各個(gè)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(dòng)程序、內(nèi)核映像、文件系統(tǒng)；
◆ Ethernet：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(guò)SPI接口訪問(wèn)HS32U2U芯片，為系統(tǒng)應(yīng)用提供SM2算法。SM2芯片接口設(shè)計(jì)如圖2所示。
HS32U2U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(shí)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(shí)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)。
圖2 SM2芯片接口設(shè)計(jì)
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括SM2算法的應(yīng)用層API和SM2內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用層API實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)用SM2算法，例如SM2公私密鑰對(duì)的產(chǎn)生、SM2簽名功能、SM2驗(yàn)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(dòng)是SM2驅(qū)動(dòng)通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)三星CPU與HS32U2U芯片低層數(shù)據(jù)交互。
3.1 Bootloader設(shè)計(jì)
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(gè)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(xiàng)
根據(jù)需要配置內(nèi)核選項(xiàng)，主要包含：
◆ 啟動(dòng)傳遞參數(shù)
◆ devfs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(shí)還要將SPI總線和模塊加載的功能選項(xiàng)選中。因?yàn)橄到y(tǒng)最終通過(guò)加載模塊方式調(diào)用SM2算法芯片，同時(shí)通過(guò)SPI總線來(lái)交互數(shù)據(jù)。
3.3 SM2設(shè)備系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
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(dòng)可以分為字符類設(shè)備、塊類設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口類設(shè)備和其他非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。SPI設(shè)備被看做是字符型設(shè)備。
每個(gè)SPI外設(shè)都由1個(gè)總線號(hào)、1個(gè)設(shè)備號(hào)和1個(gè)功能號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)，共有3個(gè)訪問(wèn)空間，即內(nèi)存空間、I/O端口和配置寄存器。每個(gè)設(shè)備功能都有一個(gè)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(dòng)通過(guò)模塊方式加載到內(nèi)核中。相關(guān)函數(shù)代碼如下：
static const struct file_operations spi_fops{
.owner=THIS_MODULE,
.open=spi_open,//設(shè)備打開(kāi)
.read=spi_read,//讀數(shù)據(jù)
.ioctl=spi_ioctl,//控制
.release=spi_release, //釋放SPI
.write=spi_write,//寫數(shù)據(jù)
}//SPI驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
static int __init spimodule_init(void){
int result;
result=register_chrdev(spi_major,spi_name,&spi_fops);
if(result<0) {
return -1;
}
s3c2440_clkcon=(int *)ioremap(0x4C00000c,3);
spi_gpgcon=(int *)ioremap(0x56000060,4);
spi_gpgdat=(int *)ioremap(0x56000064,4);
spi_gpgup=(int *)ioremap(0x56000068,2);
spi_gpecon=(int *)ioremap(0x56000040,4);
spi_gpedat=(int *)ioremap(0x56000044,1);
spi_gpeup=(int *)ioremap(0x56000048,2);
SPCON0=(int *)ioremap(0x59000000,1);
SPSTA0=(int *)ioremap(0x59000004,1);
SPPIN0=(int *)ioremap(0x59000008,1);
SPPRE0=(int *)ioremap(0x5900000c,1);//波特率設(shè)置寄存器
SPTDAT0=(int *)ioremap(0x59000010,1);//SPI TX DATA REGISTER
SPRDAT0=(int *)ioremap(0x59000014,1);//SPI RX DATA REGISTER
return result;
} //SPI設(shè)備注冊(cè)，以及初始化SPI寄存器函數(shù)
3.4 SM2 API設(shè)計(jì)
由于SM2算法主要有簽名驗(yàn)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(guò)這些API函數(shù)可以實(shí)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(guò)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(yǔ)
本系統(tǒng)通過(guò)嵌入式系統(tǒng)實(shí)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(guó)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(huì)有更大的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn)
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[4] Samsung Electronics. S3C2440A 32BIT CMOS MICROCONTROLLER USERS MANUAL[EB/OL].[20111123]. http://www.samsungsemi.com/.
作者：王振 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》
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