基于FPGA的身份認(rèn)證智能卡設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.luckydriving.com 作者：趙 彬 謝 濤   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月17日

身份認(rèn)證是保密通信和信息安全的基礎(chǔ)。通過(guò)身份認(rèn)證機(jī)制可以鑒別網(wǎng)絡(luò)事務(wù)中涉及到的各種身份，防止身份欺詐，保證通信參與各方身份的真實(shí)性，從而確保網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的正常進(jìn)行^[1]。因此，身份認(rèn)證一直是網(wǎng)絡(luò)安全研究領(lǐng)域的前沿技術(shù)。
目前使用的身份認(rèn)證技術(shù)可以分為三種類(lèi)型：基于所知、所有以及基于個(gè)人生物特征的認(rèn)證。認(rèn)證方式包括口令認(rèn)證、智能卡認(rèn)證以及指紋、虹膜等生物認(rèn)證方式。

口令認(rèn)證是最為廣泛的一種認(rèn)證方式，從普通的計(jì)算機(jī)登錄系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)郵件系統(tǒng)都采用這種方式。但是，口令認(rèn)證的安全性比較低，容易被他人盜用?；谥讣y、虹膜的生物身份認(rèn)證方式是生物技術(shù)在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用，具有普遍性和唯一性的特點(diǎn)，但基于生物識(shí)別設(shè)備成本和識(shí)別技術(shù)水平的考慮，目前還難以得到大規(guī)模普及?；谥悄芸ǖ纳矸菡J(rèn)證方式結(jié)合了硬件技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提供安全可靠的認(rèn)證手段，是目前迅速發(fā)展的一種認(rèn)證方式。

本文提出了一種基于FPGA的身份認(rèn)證智能卡的設(shè)計(jì)方案。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證相關(guān)的數(shù)據(jù)加密運(yùn)算，加密算法采用128 bit Rijndael算法。相關(guān)的身份信息和加密運(yùn)算所需要的常量數(shù)據(jù)均存放在FLASH存儲(chǔ)器中，加密后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1 身份認(rèn)證系統(tǒng)概述

身份認(rèn)證是指通信雙方可靠地驗(yàn)證對(duì)方的身份。參與身份認(rèn)證的雙方根據(jù)功能的不同分別被稱(chēng)為認(rèn)證方和被認(rèn)證方。被認(rèn)證方向認(rèn)證方發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求，同時(shí)提交自己的身份信息。認(rèn)證方響應(yīng)認(rèn)證請(qǐng)求，檢驗(yàn)被認(rèn)證方提交的身份信息，并將認(rèn)證結(jié)果返回被認(rèn)證方。在這個(gè)過(guò)程中身份信息一般是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞。由于網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性的特點(diǎn)，使得身份信息可能在傳遞的過(guò)程中被泄露。因此一般不直接傳遞被認(rèn)證方的身份信息，而將身份信息加密后再傳遞，這樣即使加密信息被攻擊者截獲，攻擊者也無(wú)法解密信息獲得被認(rèn)證方的身份信息。這就要求在身份認(rèn)證中所使用的密碼算法具有足夠高的安全強(qiáng)度。

Rijndael算法是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）推薦的高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard）^[2]，是一種分組密碼算法，可以根據(jù)加密等級(jí)的不同采用128 bit、192 bit和256 bit三種不同的分組長(zhǎng)度，具有易于軟硬件實(shí)現(xiàn)、安全性能好、效率高和靈活等優(yōu)點(diǎn)。

Rijndael算法中主要運(yùn)算模塊都是規(guī)則的邏輯運(yùn)算，如置換，循環(huán)移位，多輪迭代和模2加等，適合在邏輯資源豐富的FPGA中實(shí)現(xiàn)^[3]。以ByteSub置換為例，該模塊是Rijndael算法中唯一的非線性變換部件，是決定算法安全性的關(guān)鍵。利用軟件實(shí)現(xiàn)要進(jìn)行大量矩陣運(yùn)算，而在FPGA中可以用地址線譯碼直接在FPGA內(nèi)部的LUT（Look Up Table）邏輯中查表完成。

基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)認(rèn)證主要流程均在智能卡內(nèi)部完成。相關(guān)的身份信息和中間運(yùn)算結(jié)果均不會(huì)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。為了防止智能卡被他人盜用，智能卡一般提供使用者個(gè)人身份信息驗(yàn)證功能，只有輸入正確的身份信息碼（PIN），才能使用智能卡。這樣即使智能卡被盜，由于盜用者不知道正確的身份信息碼仍將無(wú)法使用智能卡。智能卡和口令技術(shù)相結(jié)合提高了基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)安全性。

基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)中采用共享密鑰的身份認(rèn)證協(xié)議。假設(shè)認(rèn)證方和被認(rèn)證方共享一個(gè)密鑰K。身份認(rèn)證流程如下：

(1)      被認(rèn)證方向認(rèn)證方發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求，并提供自己的ID_i。

(2)      認(rèn)證方首先查找合法用戶(hù)列表中是否存在ID_i，如果不存在則停止下面的操作，返回被認(rèn)證方一個(gè)錯(cuò)誤信息。如果存在ID_i，則認(rèn)證方隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)128 bit的隨機(jī)數(shù)N，將N傳給被認(rèn)證方。

(3)      被認(rèn)證方接收到128 bit的隨機(jī)數(shù)N后，將N送入智能卡輸入數(shù)據(jù)寄存器中，發(fā)出身份信息加密命令，智能卡利用存儲(chǔ)在硬件中的共享密鑰K采用Rijndael算法對(duì)隨機(jī)數(shù)N進(jìn)行加密，加密后的結(jié)果存放在輸出數(shù)據(jù)寄存器中。

(4)      被認(rèn)證方從智能卡輸出數(shù)據(jù)寄存器中取得加密后的數(shù)據(jù)，傳給認(rèn)證方。認(rèn)證方同樣通過(guò)智能卡完成共享密鑰K對(duì)隨機(jī)數(shù)N的加密，如果加密結(jié)果和被認(rèn)證方傳來(lái)的數(shù)據(jù)一致則認(rèn)可被認(rèn)證方的身份，否則不認(rèn)可被認(rèn)證方的身份。

這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證方對(duì)被認(rèn)證方的單向認(rèn)證。在某些需要通信雙方相互認(rèn)證的情況下，通信雙方互換角色再經(jīng)過(guò)一遍同樣操作流程就可完成雙向認(rèn)證。由于每次認(rèn)證選擇的隨機(jī)數(shù)都不相同，因此可以防止攻擊者利用截獲的加密身份信息進(jìn)行重放攻擊。

2 智能卡硬件結(jié)構(gòu)                          

身份認(rèn)證智能卡主要包括FPGA、PCI 9054接口芯片和FLASH存儲(chǔ)器三部分，以及電源管理、時(shí)鐘和配置芯片等外圍設(shè)備?；贔PGA的PCI接口身份認(rèn)證智能卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1身份認(rèn)證智能卡硬件結(jié)構(gòu)圖

FPGA主要實(shí)現(xiàn)Rijndael算法中置換、循環(huán)移位，多輪迭代和模2加等運(yùn)算模塊，同時(shí)提供PCI9054和FLASH存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口控制邏輯以及用戶(hù)身份信息碼驗(yàn)證模塊。PCI 9054主要實(shí)現(xiàn)PCI總線和FPGA之間數(shù)據(jù)交換。FLASH存儲(chǔ)器芯片MX29LV800B用于存放身份認(rèn)證過(guò)程中所使用的加密密鑰以及用戶(hù)身份特征信息如ID值。E²PROM 93CS56為PCI 9054的配置芯片，EPCS4為Altera 公司的Cyclone 系列FPGA EP1C12的配置芯片，分別存放對(duì)應(yīng)芯片的配置信息。FPGA通過(guò)PCI 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)以及命令解釋執(zhí)行。

3 智能卡軟件結(jié)構(gòu)

身份認(rèn)證智能卡的軟件結(jié)構(gòu)主要包括頂層身份認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)用程序、PCI接口驅(qū)動(dòng)程序和FPGA內(nèi)部加密算法模塊三部份。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2身份認(rèn)證智能卡軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 認(rèn)證系統(tǒng)頂層應(yīng)用程序

系統(tǒng)頂層的應(yīng)用程序主要是提供給用戶(hù)一個(gè)GUI界面接口，以便用戶(hù)直接通過(guò)GUI接口進(jìn)行身份認(rèn)證相關(guān)操作，避免用戶(hù)直接調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，方便用戶(hù)使用智能卡。頂層應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)的智能卡驅(qū)動(dòng)程序接口，發(fā)送相應(yīng)的指令并從底層硬件獲得加密后數(shù)據(jù)，同時(shí)按照通信協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式和發(fā)送順序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.2 PCI接口驅(qū)動(dòng)程序

在windows操作系統(tǒng)下，執(zhí)行于用戶(hù)態(tài)的應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)硬件，而必須通過(guò)調(diào)用執(zhí)行于核心態(tài)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的各種服務(wù)間接地對(duì)硬件資源進(jìn)行訪問(wèn)，從而確保系統(tǒng)的安全^[4]。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是提供給硬件設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件接口，它使用戶(hù)應(yīng)用程序可以用一種規(guī)范的方式訪問(wèn)硬件，而不必考慮如何控制硬件。WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型就是windows環(huán)境下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型。

目前常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)軟件如NuMega公司的DriverStudio提供了封裝各種通用操作的驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)庫(kù)以及大量參考代碼^[5]，方便用戶(hù)進(jìn)行WDM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，有效縮短了驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)周期。

3.3 FPGA加密模塊

FPGA是身份認(rèn)證智能卡的核心部件，身份認(rèn)證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密、用戶(hù)身份信息碼驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)接口控制邏輯均在FPGA中完成。FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3  FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖

認(rèn)證方提供的128 bit隨機(jī)數(shù)N經(jīng)過(guò)State矩陣產(chǎn)生模塊分解為一個(gè)4×4的矩陣。當(dāng)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊從FLASH存儲(chǔ)器中讀出128 bit的共享加密密鑰K和S盒變換矩陣后，密鑰擴(kuò)展模塊首先將128 bit的加密密鑰K按密鑰擴(kuò)展算法產(chǎn)生一個(gè)擴(kuò)展密鑰，再?gòu)臄U(kuò)展密鑰中選擇每輪運(yùn)算的輪密鑰。在迭代控制模塊管理下，128 bit隨機(jī)數(shù)N經(jīng)過(guò)ByteSub模塊、ShiftRow模塊、MixColumn模塊、AddRoundKey模塊多輪迭代運(yùn)算，并在最后一輪運(yùn)算結(jié)束后從AddRoundKey模塊輸出加密后的密文數(shù)據(jù)。PCI 9054接口模塊主要實(shí)現(xiàn)FPGA芯片和PCI9054本地總線之間的數(shù)據(jù)交換。FLASH接口模塊將用戶(hù)讀寫(xiě)操作轉(zhuǎn)換為FLASH存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作時(shí)序。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊負(fù)責(zé)向FLASH接口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和擦除信息。命令解釋模塊和其他所有模塊相連，完成用戶(hù)命令譯碼工作。所有模塊均在Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)（FSM）控制下運(yùn)行。

4 總結(jié)

基于FPGA的智能卡提供了一種新的身份認(rèn)證方式，本文作者創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)      設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的身份認(rèn)證智能卡。身份信息加密運(yùn)算均在智能卡內(nèi)部完成，除加密結(jié)果外其他所有運(yùn)算的中間狀態(tài)值均不會(huì)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有效地提高了認(rèn)證系統(tǒng)的安全性。

(2)      利用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)在FPGA中實(shí)現(xiàn)128 bit Rijndael算法。在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50 MHz時(shí)測(cè)得智能卡加密速度達(dá)962.03 Mbits/s，在效率和速度上均優(yōu)于軟件加密方式，并且可以方便地?cái)U(kuò)展到192 bit或256 bit密鑰，使用靈活。

(3)      利用PCI 9054 實(shí)現(xiàn)FPGA與PCI總線之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，降低了PCI接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，保證大量并發(fā)認(rèn)證請(qǐng)求服務(wù)下系統(tǒng)的性能。

在基于智能卡的身份認(rèn)證系統(tǒng)中，認(rèn)證方和被認(rèn)證方均采用同樣硬件結(jié)構(gòu)的身份認(rèn)證智能卡^[6]，F(xiàn)LASH內(nèi)部存放相同的一組密鑰，可以根據(jù)需要靈活地選擇密鑰。在需要多方進(jìn)行身份認(rèn)證的系統(tǒng)中，可以在FLASH內(nèi)部同時(shí)存放多組密鑰，對(duì)于不同的認(rèn)證操作選擇與之對(duì)應(yīng)的加密密鑰，利用一塊智能卡完成多方身份認(rèn)證，具有廣闊的應(yīng)用前景?；贔PGA的身份認(rèn)證智能卡已在物流防偽系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果表明，該身份認(rèn)證智能卡安全、可靠、高效。