采用SM2算法PKI技术实现嵌入式系统的安全性设计
引言
随着网络技术，特别是互联网技术在我国的迅速推广和普及，各种网络应用，如电子商务、电子政务、网上银行、网上证券交易等项目，也在我国迅猛发展。但是网络非法入侵、诈骗等事件严重影响了网络信息安全。只有不断发展和提高网络信息安全技术，才能保证网络健康发展。在信息安全技术领域，公开密钥基础没施（pki）很好地为互联网提供了安全服务。如今网络应用中的认证、数据的加解密、完整性验证、不可否认性等功能已经离不开pki技术的支持。随着pki密码技术的发展，sm2算法（国际上称之为ecc算法）应用越来越广，效率较之前的算法更高，破解难度更大、更安全。本系统在嵌入式主板上实现sm2算法pki技术，提供基于sm2算法的签名验证、数字信封和解封、数据加解密来实现身份认证，保证网络信息安全交互。
1 系统总体设计
本设计中嵌入式系统的cpu采用三星公司的s3c2440芯片，操作系统采用嵌入式linux作为平台，内存采用6 4 mb sdram，文件存储采用128 mb nandflash，hs32u2-u芯片提供sm2算法。系统的总体设计结构框图如图1所示。
系统各部分结构功能如下：
◆cpu：系统为提供运行、计算以及和各个模块进行通信；
◆ram：为操作系统提供运行空间；
◆flash：提供boot启动程序、内核映像、文件系统；
◆fthernet：提供网络通信接口；
◆sm2：提供sm2算法接口；
◆uart：提供串口调试功能。
2 系统硬件接口
系统cpu通过spi接口访问hs32u2-u芯片，为系统应用提供sm2算法。sm2芯片接口设计如图2所示。
hs32u2-u芯片支持主模式和从模式，支持4种通信模式，数据通行速率可达16 mbps@80 mhz，支持低功耗模式。
主要的spi接口介绍如下：
◆ss：spi从模式选择；
◆sclk：spi串行时钟；
◆mosi：spi主模式输出，从模式输入；
◆miso：spi主模式输出，从模式输入。
三星cpu提供串行时钟频率，按照规定的格式进行数据交互，根据传入的不同格式所代表的不同的命令码，获取不同的数据。
3 系统软件设计
软件系统设汁的结构框图如图3所示。系统软件设计主要包括sm2算法的应用层api和sm2内核层的驱动。应用层api实现系统应用调用sm2算法，例如sm2公私密钥对的产生、sm2签名功能、sm2验证功能、sm2加密功能、sm2解密功能、sm2密钥交换功能以及sm2杂凑功能等。sm2内核层的驱动是sm2驱动通过spi总线实现三星cpu与hs32u2-u芯片低层数据交互。
3．1 bootloader设计
嵌入式系统中，bootloader是必需的。它是在操作系统内核运行之前的一小段程序，就像bios一样。这段程序可以初始化硬件设备，建立内存空间映射图，从而将软件的软硬件环境设置到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好环境。
3．2 内核编译选项
根据需要配置内核选项，主要包含：
◆启动传递参数
◆dcvfs文件系统支持
◆芯片及系统类型配置
◆芯片及系统类型配置
◆（dma engine support）dma传输引擎支持
除此之外，在编译内核时还要将spi总线和模块加载的功能选项选中。因为系统最终通过加载模块方式调用sm2算法芯片，同时通过spi总线来交互数据。
3．3 sm2设备系统驱动设计
linux的内核由设备管理、进程管理、内存管理和文件系统组成。linux设备驱动可以分为字符类设备、块类没备、网络接口类设备和其他非标准驱动。spi设备被看做是字符型没备。
每个spi外设都由1个总线号、1个设备号和1个功能号来标识，共有3个访问空间，即内存空间、i／o端口和配置奇存器。每个设备功能郜有一个配置空间，用于决定spi的工作方式和映射到系统中的地址。设备驱动通过模块方式加载到内核中。相关函数代码如下：
3．4 sm2 api设计
由于sm2算法主要有签名验签、加解密、获取hash值等，api函数有sm_hseccsign、sm_hseccsignverify、sm_hseccencrypt、sm_hseccdecrypt、sm_sm3init、sm_sm3update、sm_sm3finalize。通过这些api函数可以实现pki中的身份认证、数据加解密，保证信息安全传递。
数据通信协议的结构如下所示：
通过上述spi通信协议，保证在内核层和应用层数据传递的稳定、可靠。
结语
本系统通过嵌入式系统实现了sm2算法接口，为后续应用系统做好了保障，且已经成功应用在vpn系统以及ca中心。sm2算法效率高、破解难度大。随着信息安全的发展，国家密码管理局已经指定sm2算法取代rsa算法，在今后的应用中会有更大的发展空间。
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1 系统总体设计
本设计中嵌入式系统的cpu采用三星公司的s3c2440芯片，操作系统采用嵌入式linux作为平台，内存采用6 4 mb sdram，文件存储采用128 mb nandflash，hs32u2-u芯片提供sm2算法。系统的总体设计结构框图如图1所示。
系统各部分结构功能如下：
◆cpu：系统为提供运行、计算以及和各个模块进行通信；
◆ram：为操作系统提供运行空间；
◆flash：提供boot启动程序、内核映像、文件系统；
◆fthernet：提供网络通信接口；
◆sm2：提供sm2算法接口；
◆uart：提供串口调试功能。
2 系统硬件接口
系统cpu通过spi接口访问hs32u2-u芯片，为系统应用提供sm2算法。sm2芯片接口设计如图2所示。
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主要的spi接口介绍如下：
◆ss：spi从模式选择；
◆sclk：spi串行时钟；
◆mosi：spi主模式输出，从模式输入；
◆miso：spi主模式输出，从模式输入。
三星cpu提供串行时钟频率，按照规定的格式进行数据交互，根据传入的不同格式所代表的不同的命令码，获取不同的数据。
3 系统软件设计
软件系统设汁的结构框图如图3所示。系统软件设计主要包括sm2算法的应用层api和sm2内核层的驱动。应用层api实现系统应用调用sm2算法，例如sm2公私密钥对的产生、sm2签名功能、sm2验证功能、sm2加密功能、sm2解密功能、sm2密钥交换功能以及sm2杂凑功能等。sm2内核层的驱动是sm2驱动通过spi总线实现三星cpu与hs32u2-u芯片低层数据交互。
3．1 bootloader设计
嵌入式系统中，bootloader是必需的。它是在操作系统内核运行之前的一小段程序，就像bios一样。这段程序可以初始化硬件设备，建立内存空间映射图，从而将软件的软硬件环境设置到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好环境。
3．2 内核编译选项
根据需要配置内核选项，主要包含：
◆启动传递参数
◆dcvfs文件系统支持
◆芯片及系统类型配置
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◆（dma engine support）dma传输引擎支持
除此之外，在编译内核时还要将spi总线和模块加载的功能选项选中。因为系统最终通过加载模块方式调用sm2算法芯片，同时通过spi总线来交互数据。
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每个spi外设都由1个总线号、1个设备号和1个功能号来标识，共有3个访问空间，即内存空间、i／o端口和配置奇存器。每个设备功能郜有一个配置空间，用于决定spi的工作方式和映射到系统中的地址。设备驱动通过模块方式加载到内核中。相关函数代码如下：
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数据通信协议的结构如下所示：
通过上述spi通信协议，保证在内核层和应用层数据传递的稳定、可靠。
结语
本系统通过嵌入式系统实现了sm2算法接口，为后续应用系统做好了保障，且已经成功应用在vpn系统以及ca中心。sm2算法效率高、破解难度大。随着信息安全的发展，国家密码管理局已经指定sm2算法取代rsa算法，在今后的应用中会有更大的发展空间。
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