基于FPGA的身份認證智能卡設計

身份認證是保密通信和信息安全的基礎。通過(guò)身份認證機制可以鑒別網(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。因此，身份認證一直是網(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)人生物特征的認證。認證方式包括口令認證、智能卡認證以及指紋、虹膜等生物認證方式。

　　口令認證是最為廣泛的一種認證方式，從普通的計算機登錄系統到網(wǎng)絡(luò )郵件系統都采用這種方式。但是，口令認證的安全性比較低，容易被他人盜用。基于指紋、虹膜的生物身份認證方式是生物技術(shù)在信息安全領(lǐng)域的應用，具有普遍性和唯一性的特點(diǎn)，但基于生物識別設備成本和識別技術(shù)水平的考慮，目前還難以得到大規模普及?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/智能卡">智能卡的身份認證方式結合了硬件技術(shù)和身份認證技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提供安全可靠的認證手段，是目前迅速發(fā)展的一種認證方式。

　　本文提出了一種基于FPGA的身份認證智能卡的設計方案。在FPGA內部實(shí)現身份認證相關(guān)的數據加密運算，加密算法采用128 bit Rijndael算法。相關(guān)的身份信息和加密運算所需要的常量數據均存放在FLASH存儲器中，加密后的數據通過(guò)PCI總線(xiàn)傳給計算機系統。

　　1 身份認證系統概述

　　身份認證是指通信雙方可靠地驗證對方的身份。參與身份認證的雙方根據功能的不同分別被稱(chēng)為認證方和被認證方。被認證方向認證方發(fā)起認證請求，同時(shí)提交自己的身份信息。認證方響應認證請求，檢驗被認證方提交的身份信息，并將認證結果返回被認證方。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證方的身份信息。這就要求在身份認證中所使用的密碼算法具有足夠高的安全強度。

　　Rijndael算法是美國國家標準和技術(shù)研究所(NIST)推薦的高級數據加密標準(Advanced Encryption Standard)，是一種分組密碼算法，可以根據加密等級的不同采用128 bit、192 bit和256 bit三種不同的分組長(cháng)度，具有易于軟硬件實(shí)現、安全性能好、效率高和靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　Rijndael算法中主要運算模塊都是規則的邏輯運算，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。以ByteSub置換為例，該模塊是Rijndael算法中唯一的非線(xiàn)性變換部件，是決定算法安全性的關(guān)鍵。利用軟件實(shí)現要進(jìn)行大量矩陣運算，而在FPGA中可以用地址線(xiàn)譯碼直接在FPGA內部的LUT(Look Up Table)邏輯中查表完成。

　　基于智能卡的身份認證系統認證主要流程均在智能卡內部完成。相關(guān)的身份信息和中間運算結果均不會(huì )出現在計算機系統中。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)相結合提高了基于智能卡的身份認證系統安全性。

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

　　(1) 被認證方向認證方發(fā)起認證請求，并提供自己的IDi。

　　(2) 認證方首先查找合法用戶(hù)列表中是否存在IDi，如果不存在則停止下面的操作，返回被認證方一個(gè)錯誤信息。如果存在IDi，則認證方隨機產(chǎn)生一個(gè)128 bit的隨機數N，將N傳給被認證方。

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

　　(4) 被認證方從智能卡輸出數據寄存器中取得加密后的數據，傳給認證方。認證方同樣通過(guò)智能卡完成共享密鑰K對隨機數N的加密，如果加密結果和被認證方傳來(lái)的數據一致則認可被認證方的身份，否則不認可被認證方的身份。

　　這個(gè)過(guò)程實(shí)現了認證方對被認證方的單向認證。在某些需要通信雙方相互認證的情況下，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證。由于每次認證選擇的隨機數都不相同，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 智能卡硬件結構

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

圖1身份認證智能卡硬件結構圖

　　FPGA主要實(shí)現Rijndael算法中置換、循環(huán)移位，多輪迭代和模2加等運算模塊，同時(shí)提供PCI9054和FLASH存儲器的數據接口控制邏輯以及用戶(hù)身份信息碼驗證模塊。PCI 9054主要實(shí)現PCI總線(xiàn)和FPGA之間數據交換。FLASH存儲器芯片MX29LV800B用于存放身份認證過(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，分別存放對應芯片的配置信息。FPGA通過(guò)PCI 接口實(shí)現數據收發(fā)以及命令解釋執行。