编者按：本文针对电子产品主机与设备之间的安全认证，提出国密算法用于安全认证，设计出通过两次签名验证完成主机对设备和设备对主机的认证方法，并以手机主机对电池的认证进行示例演示。
0 引言
我们日常生活中使用的电子产品常常是主机带有设备，如打印机与墨盒，苹果手机与数据线。这些主机与设备之间一般都有一个安全认证过程，即认证该设备是否合法，只有合法的设备接入主机才允许使用，以此保证产品安全可靠地运行。在安全认证方法上，文献[1]中讨论了使用国际安全算法SHA-256 和ECDSA 的实现方式，并且只包含了主机对设备的安全认证，并没有设备对主机的安全认证，属于单向认证。本文首先讨论了基于国密算法的设备安全认证方式，然后设计出基于国密算法的设备单、双向安全认证系统。
作者简介：许小波（1982—），男，硕士生，主要研究方向为嵌入式系统安全，Email: xuxiaobo1997@163.com。
1 国密算法安全认证方式
国密算法中包含对称密钥算法SM1、SM4 等和非对称密钥算法SM2[2]，对称算法即消息发送和接收双方使用相同的密钥进行运算，其好处是运算速度快，缺点是需要严格保管好该密钥。非对称密钥算法即消息发送和接收双方使用不同的密钥进行运算，消息发送方使用私钥签名，消息接收方使用公钥验证签名，其特点与对称密钥算法正好相反，运算速度稍慢，但只需要保管好私钥就行了，公钥是可以公开的。基于上述特点，在我们的讨论的主机与设备的安全认证中，若是采用对称算法，即主机与设备都使用相同的的密钥，这就要求设备端的密钥不能被窃取，大大增加设备端的安全保护难度。
因此，我们采用国密非对称算法SM2。
2 国密算法安全认证系统设计
首先，预置认证公钥。我们产生一对认证的SM2密钥对Authentication_Private_Key 和Authentication_Public_Key。在设备生产工厂的安全环境下，将认证公钥Authentication_Public_Key 预置到设备里，其次，用认证私钥对设备唯一性数据进行签名。设备里产生一对设备的SM2 密钥对Device_Private_Key 和Device_Public_Key。导出设备的Device_Public_Key 和设备序列号等设备唯一性数据，由认证私钥Authentication_Private_Key 对其签名，将签名信息再置入到设备里，预置后的设备所含数据如图1 所示。以上两步都是设备生产工厂的安全环境下进行，同时要求设备出厂后对置入的认证公钥和签名信息、设备的SM2 密钥对、设备序列号等唯一性数据不可更改。最后，设备出厂后认证方法如下。
主机端预置认证公钥证书Authentication_Public_Key，读取设备里的认证公钥信息进行比较，不一致则认证失败；若一致则继续读取设备里的设备公钥Device_Public_Key、序列号等唯一性数据和签名信息，进行SM2 签名验证。若签名验证失败则设备认证失败；若签名验证通过，则进一步地向设备发送一个设备认证随机数，设备端用设备私钥Device_Private_Key 对该随机数进行SM2 签名，返回该随机数的签名信息给主机，主机端用前面读取的设备公钥Device_Public_Key 对其进行SM2 签名验证。若签名验证失败则设备认证失败；若签名验证通过，则主机对设备认证成功。整个处理流程如图2 所示。
对于更高安全级别的系统，设备端也可以对主机进行认证，即双向认证系统，其方法为：主机端除了预置认证公钥证书Authentication_Public_Key，还预置有一对主机端的SM2 密钥对Host_Private_Key 和Host_Public_Key，并且预置认证私钥Authentication_Private_Key 对Host_Public_Key 的签名信息。然后，主机将Host_Public_Key 和该签名信息发送给设备进行SM2签名验证。若验证通过，主机再向设备请求一个主机认证随机数，然后主机端用主机端的SM2 私Host_Private_Key 对该随机数进行SM2 签名，再将其发送给设备进行SM2 签名验证。若验证通过，则完成了设备对主机认证。整个处理流程如图3 所示。
3 国密算法认证系统示例
我们以手机主机对电池认证为例，在手机开机或充电时手机主机对电池设备进行安全认证，只有认证成功之后手机才能开机运行或对其充电。为此，我们需要在电池设备里增加一颗国密安全芯片，用于和手机主机进行数据交互，预置公钥的安全存储和国密算法的签名验签等操作。这里我们选用上海爱信诺航芯电子科技有限公司的国密安全芯片ACL16，它采用32 位ARM Cortex-M0 内核，最高主频48 MHz，集成国密、国际算法等多种安全算法模块，电压、频率、温度等安全检测功能和主动金属屏蔽层保护、总线加密串扰等多种保护功能，拥有USB、SPI、UART、I2C 等丰富的外设接口，内置RC振荡器，专门面向低成本、低功耗的应用领域[3]。
硬件方面，我们采用两线的I2C 做为手机主机与ACL16 的通讯接口，手机主机做为I2C 主设备，ACL16做为I2C 从设备，再加上电源和地线接口，ACL16 这边就完成了。由于两边I/O 口电压不同，还需要在手机主机端增加一颗电压转换芯片，以实现1.8~3.3 V 的电压转换。整个硬件框图如图4 所示。
软件方面包括ACL16的安全固件和手机主机软件，我们先来看ACL16 这边的安全固件。ACL16 在上电后，首先进行系统初始化，开启各安全检测模块，初始化I2C 接口，然后等待接收手机主机发送的命令。待接收完一包命令数据后，对命令数据进行完整性校验，只有校验通过后才对命令进行处理。最后，待命令处理完成，将命令响应数据发送给手机主机。
手机主机方面的软件分包括，处理与ACL16 通讯的Linux 驱动和Android Java 应用层代码。在Linux 驱动里，主要完成向I2C 总线驱动上注册驱动，注册字符设备和在/dev 目录创建设备文件authenticator，以使应用层对设备文件authenticator 的读写操作时进而对ACL16 进行发送命令和接收命令响应。Android 应用层代码包括JNI 的so 库和Java 应用，其中so 库主要完成对authenticator 设备的打开、读写操作，为Java 层提供操作接口。Android Java 应用则主要通过调用so 库的接口，实现手机主机对电池的认证操作流程和电池对主机的认证操作流程。对于JAVA 上的SM2 签名、验签操作，其相关接口采用的是Bouncy Castle 加密库bcprovjdk15to18-168.jar 中的SM2 接口。Bouncy Castle 加
密库是澳大利亚非营利组织Bouncy Castle 编写的轻量级加密API[4]，非常适合在手机上使用，最新版本为Version 1.68，包含了对最新CVE 漏洞的修复，以及对TLS 1.3 版本的支持。我们在手机演示界面上添加三个按钮，分别执行主机认证设备、设备认证主机和清除显示日志操作。其中点击完“主机认证设备”按钮后的界面如图5 所示，点击完“设备认证主机”按钮后的界面如图6 所示。
图5 点击主机认证设备按钮后的界面
图6 点击设备认证主机按钮后的界面
4 结语
具有国内自主知识产权的国密算法已经在金融领域开展使用，并逐步替代国际安全算法。本文提出了基于国密算法用于设备的安全认证系统，可取代现有的国际算法安全认证，并可在更广泛的物联网领域进行实际推广应用。
参考文献：
[1] D’ONOFRI M.通过设备认证杜绝造假[J].电子技术及信息科学,2015(01):32-34.
[2] 国家密码管理局.SM2椭圆曲线公钥密码算法[R/OL].[ 2010-12-17].https://www.oscca.gov.cn/sca/xxgk/2010-12/17/content_1002386.shtml.
[3] ACL16_Datasheet_V2.0.pdf[Z].
[4] Bouncy Castle Cryptography Library[R/OL].https://www.bouncycastle.org/java.html.
