王振

（武漢三江航天網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研發(fā)部，武漢 430040）

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64MB SDRAM，文件存儲(chǔ)采用128MB NAND Flash， HS32U2－U芯片提供SM2算法。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。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

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(jì)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)16Mbps＠80MHz，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)

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SPI總線實(shí)現(xiàn)三星CPU與HS32U2－U芯片低層數(shù)據(jù)交互。

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

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)最終通過加載模塊方式調(diào)用SM2算法芯片，同時(shí)通過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)通過模塊方式加載到內(nèi)核中。相關(guān)函數(shù)代碼如下：

3.4 SM2API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。

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［2］符意德，陸陽(yáng).嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］李俊.嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［4］Samsung Electronics.S3C2440A32－BIT CMOS MICROCONTROLLER USER'S MANUAL［EB／OL］.［2011－11－23］.http：／／www.samsungsemi.com／.