利用MAXQ1103微控制器產(chǎn)生RSA密鑰

摘要：Maxim的RSA密鑰生成庫(kù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的接口，利用MAXQ1103微控制器生成RSA密鑰。MAXQ1103設(shè)計(jì)用于金融系統(tǒng)終端，具有包括RSA在內(nèi)的一系列安全功能。RSA庫(kù)利用模算術(shù)加速器(MAA)，可提供長(zhǎng)達(dá)2048位的加密操作。MAA允許用戶進(jìn)行一系列運(yùn)算，這些運(yùn)算對(duì)于密碼操作非常重要。本文闡述了MAXQ1103評(píng)估(EV)板和CrossWorks開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了一個(gè)理想的安全應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

概述

本應(yīng)用筆記介紹了利用MAXQ1103 RISC安全微控制器生成RSA密鑰對(duì)的方法，并討論了如何使用RSA密鑰對(duì)設(shè)置加密和解密普通文本信息。為了對(duì)比RSA計(jì)算時(shí)間，本文提供了DS5250高速安全微控制器的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以清楚地看出MAXQ1103對(duì)性能的提升。

MAXQ1103設(shè)計(jì)用于金融終端，提供包括RSA在內(nèi)的許多安全功能。硬件模算術(shù)加速器(MAA)提供長(zhǎng)達(dá)2048位的加密操作。MAA允許用戶進(jìn)行一系列運(yùn)算，而這些運(yùn)算對(duì)于加密操作非常重要。操作例程包括：模取冪(ae模m)、模乘(a × b模m)、模平方(b2模m)、模平方及模乘法((b2模m) × a模m)、模加、模減。

MAXQ1103評(píng)估(EV)板和CrossWorks開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，用于開(kāi)發(fā)加密系統(tǒng)。評(píng)估套件包括所有開(kāi)發(fā)工具：4MB外部程序存儲(chǔ)器、4MB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)串口、2個(gè)智能卡芯片(一個(gè)用于大卡、一個(gè)用于SIM卡)、1個(gè)USB連接器、1個(gè)LCD顯示屏、1個(gè)16位鍵盤和原型開(kāi)發(fā)區(qū)域。

產(chǎn)生RSA密鑰對(duì)

可以發(fā)送郵件至： mic[email protected] (English only)獲得產(chǎn)生RSA密鑰對(duì)的二進(jìn)制例程代碼(rsa_1103.hex)和應(yīng)用程序。

以下信息將幫助您建立并運(yùn)行RSA密鑰對(duì)的應(yīng)用程序，該程序基于C語(yǔ)言，可以使用MAXQ30的CrossWorks編譯器。

設(shè)置MAXQ1103評(píng)估板

參考應(yīng)用筆記4273：“采用MAXQ1103評(píng)估套件和面向MAXQ30的CrossWorks編譯器進(jìn)行設(shè)計(jì)”，獲得建立MAXQ1103開(kāi)發(fā)環(huán)境的詳細(xì)信息。

MAXQ1103評(píng)估板如圖1所示，生成RSA密鑰對(duì)所需要的硬件包括：

1. MAXQ1103評(píng)估板
2. JTAG板
3. JTAG電纜(用于連接MAXQ1103評(píng)估板和JTAG板)
4. 9針串口電纜(連接PC的COM口和評(píng)估板的串口0)
5. 兩路穩(wěn)壓電源(5V，±5%，300mA，中心位置為正)；一路電源支持MAXQ1103評(píng)估板，另一路用于JTAG板供電。

評(píng)估板跳線設(shè)置如下表所示：

1. 安裝MAXQ30 CrossWorks編譯器，可以從Rowley Associates獲得配套工具，本文使用的版本號(hào)為2.0.0.2008063000.2293。
2. 用串口電纜連接評(píng)估板的端口0和PC的COM口，可以通過(guò)PC觀察系統(tǒng)輸出。
3. 用串口電纜連接JTAG板和PC的COM口，通過(guò)該連接將應(yīng)用程序下載到評(píng)估板。
4. 打開(kāi)項(xiàng)目rsa_1103.hzp。
5. 點(diǎn)擊項(xiàng)目，重新生成rsa_1103.hzx輸出文件。該文件下載到MAXQ1103評(píng)估板，除此之外，也可以修改項(xiàng)目屬性生成rsa_1103.hex文件。選擇項(xiàng)目屬性，然后選擇鏈接，選擇其它輸出格式，從下拉菜單選擇“hex”。
6. 在Targets窗口中利用“Connect to the target”鍵連接目標(biāo)。
7. 將結(jié)果打印到評(píng)估板的串口0。
   
   打開(kāi)超級(jí)終端，配置適當(dāng)?shù)腃OM口連接，波特率為115200、8位數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)、1位停止位、沒(méi)有流控制。
   
   或者
   
   可以使用Maxim的微控制器開(kāi)發(fā)工具(MTK)觀察應(yīng)用結(jié)果，安裝MTK并打開(kāi)終端模式。設(shè)置串口波特率為115200，打開(kāi)串口連接。
8. 點(diǎn)擊Debug，加載并運(yùn)行程序。本應(yīng)用筆記使用MTK觀測(cè)結(jié)果。

例程此時(shí)將提醒您輸入所需要的數(shù)據(jù)“Enter key length bits to be generated:”。

輸入數(shù)值(例如：1024)，然后等待顯示結(jié)果。圖2顯示了程序運(yùn)行狀態(tài)，生成1024位字長(zhǎng)的RSA密鑰對(duì)大概需要5秒鐘，然后加密和解密隨機(jī)信息。每次程序運(yùn)行所需要的時(shí)間不盡相同，表1顯示了生成RSA密鑰對(duì)在不同位長(zhǎng)下的平均時(shí)間。


圖2. 例程運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果

利用RSA密鑰生成庫(kù)開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用

庫(kù)文件提供基于C語(yǔ)言、簡(jiǎn)單易用的接口函數(shù)，生成密鑰對(duì)，并使用私鑰/公鑰加密、解密用戶信息。請(qǐng)參考rsalib_1103.h文件了解這些接口的使用，以下例程說(shuō)明了這些接口函數(shù)的使用：

rsa_generateKeySet(...)
rsa_bignumModExp(...)

這些接口函數(shù)的典型用法如下所示：

{
        unsigned long exp = 0x10001;                    // public exponent
        DIGIT *c,*x;
        BIGNUM *d;
        BIGNUM *e;
        BIGNUM *pq;
        DIGIT *plain_text;

        d = rsa_newNum();
        e = rsa_newNum();
        pq = rsa_newNum();

        // generate the public and private key pair
        // 'maxq1103_rnd' is a call-back function to generate random numbers 
        using 'random number generator' (RNG) module built into the MAXQ1103 

microcontroller.

        err = rsa_generateKeySet(d,e,exp,maxq1103_rnd,pq,keylen);

        if(err != RSA_SUCCESS)
        {       printf("\nFailed to generate RSA Keysets. Error code=%d",err);
                rsa_freeNum(d);
                rsa_freeNum(e);
                rsa_freeNum(pq);
                return;
        }

        // allocate memory for 'plain_text' and 'assign values'
        // allocate memory for 'x' which will contain the encrypted text

rsa_bignumModExp(x,plain_text,e,pq);  // use public key for encryption

// allocate memory for 'c' which will contain the decrypted/original text

        rsa_bignumModExp(c,x,d,pq);    // use private key for decryption

}

不同位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的典型測(cè)試結(jié)果如下所示，每次程序運(yùn)行所需要的時(shí)間不盡相同。

表1. 生成RSA密鑰的平均時(shí)間

結(jié)論

Maxim提供RSA密鑰生成庫(kù)，這些庫(kù)文件允許基于C語(yǔ)言訪問(wèn)MAXQ1103硬件的相關(guān)功能，生成最大2048位的密鑰。使用MAXQ1103的內(nèi)置MAA和RNG模塊計(jì)算RSA密鑰對(duì)。MAA硬件模塊支持IEEE?公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)(P1363)，支持基于DSA、RSA和ECDSA的非對(duì)稱算法。