利用基于ECC算法的密碼芯片實(shí)現(xiàn)安全高效的加密卡

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：侯鴻飛   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月23日

    通信網(wǎng)絡(luò)特別是互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展使得信息安全這個(gè)問題受到人們的普遍關(guān)注。在信息安全算法中，RSA方法的優(yōu)點(diǎn)主要是原理簡(jiǎn)單、易于使用。但是，隨著分解大整數(shù)方法的完善、計(jì)算機(jī)速度的提高以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，作為RSA加解密安全保障的大整數(shù)要求越來越大。為保證RSA使用的安全性，密鑰的位數(shù)不斷增加，目前一般認(rèn)為RSA需要1024位以上的字長(zhǎng)才具有安全保障。但是，密鑰長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致加解密的速度大大降低，硬件實(shí)現(xiàn)也變得越來越復(fù)雜，這給使用RSA的應(yīng)用帶來了極大的負(fù)擔(dān)(尤其是進(jìn)行大量安全交易的電子商務(wù))，從而使其應(yīng)用范圍日益受到制約。

    ECC算法只需采用較短的密鑰就可以達(dá)到和RSA算法相同的加密強(qiáng)度，它的數(shù)論基礎(chǔ)是有限域上的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題，現(xiàn)在還沒有針對(duì)這個(gè)難題的亞指數(shù)時(shí)間算法，因此，ECC算法具有每比特最高的安全強(qiáng)度。由于智能卡在CPU處理能力和RAM大小上受限，采用一種運(yùn)算量小同時(shí)能提供高加密強(qiáng)度的公鑰密碼機(jī)制對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名應(yīng)用非常關(guān)鍵。ECC在這方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，160位ECC算法的安全性相當(dāng)于1024位的RSA算法，而210位的ECC則相當(dāng)于2048位的RSA。相信ECC技術(shù)在信息安全領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。 

    目前許多智能卡/USB Key芯片廠商都在產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了支持ECC的公鑰密碼硬件協(xié)處理器。例如：恩智浦半導(dǎo)體的智能卡芯片可以在40ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)192位的ECC數(shù)字簽名操作；意法半導(dǎo)體的一些產(chǎn)品通過協(xié)處理器和快速乘法與累加指令為實(shí)現(xiàn)RSA和ECC算法提供了方便；英飛凌的SLE66CxxP通過一個(gè)硬件模數(shù)運(yùn)算單元，可以加速RSA和ECC等公鑰密碼算法的處理；Atmel公司的AT90SC19264RC、AT91SC25672RC等產(chǎn)品也都實(shí)現(xiàn)了針對(duì)公鑰密碼算法的硬件協(xié)處理器。在高性能的認(rèn)證和加密芯片方面：Siemens的PLUTO-IC是一種基于GF(p)域曲線ECC算法的高性能加密芯片，ECC的模長(zhǎng)達(dá)到320位；ELCRODAT-6-2是一種用于ISDN通訊網(wǎng)的加密芯片，它同樣基于GF(p)域曲線的ECC算法，ECC的模長(zhǎng)達(dá)到256位。

    國(guó)內(nèi)也有大批采用ECC技術(shù)的芯片陸續(xù)問世，其中比較有影響的是北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司和深圳市中興集成電路設(shè)計(jì)有限公司的智能卡/USB Key芯片，北京華大信安科技有限公司的高性能ECC芯片系列等，它們均能支持ECC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)算法和多種ECC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法。 

基于ECC密碼芯片組的加密卡的系統(tǒng)框圖

    ISECMM1256BV1安全芯片是北京華大信安科技有限公司為解決當(dāng)前信息安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中存在的問題而推出的ECC算法芯片。該芯片是一款高效通用的公鑰密碼芯片，它從硬件上實(shí)現(xiàn)了ECC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)算法、ECC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法以及RSA算法，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了一些Hash標(biāo)準(zhǔn)算法，包括Hash國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)算法(又稱SM3密碼雜湊算法)、SHA-1和SHA-256。還可以將ECC密鑰對(duì)存儲(chǔ)在芯片中，芯片內(nèi)部設(shè)有Flash存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)和管理最高達(dá)64對(duì)的ECC密鑰對(duì)，該區(qū)域被稱為“密鑰池”。只有經(jīng)過授權(quán)認(rèn)證的用戶才能獲取密鑰池中ECC密鑰對(duì)的操作權(quán)限。為保護(hù)密鑰池中ECC私鑰的安全性，芯片中的SCE實(shí)現(xiàn)方案加入了防側(cè)信道攻擊(Side Channel Attack, SCA)技術(shù)，以加強(qiáng)對(duì)密鑰池中私鑰的保護(hù)。

    在芯片的應(yīng)用上，由于PCI總線的傳輸速率在PC機(jī)的對(duì)外接口中具有很大優(yōu)勢(shì)，因此目前的加密卡都選擇PCI總線與PC機(jī)進(jìn)行通訊。圖1給出了基于華大信安ECC密碼芯片ISECMM1256BV1的PCI加密卡的基本平臺(tái)，PCI總線被總線轉(zhuǎn)換芯片組轉(zhuǎn)換成SRAM總線、準(zhǔn)SRAM總線和SPI總線。PC通過提供給PCI總線不同的基地址來達(dá)到分別訪問每個(gè)芯片的目的，應(yīng)用起來十分方便。ISECMM1256BV1安全芯片內(nèi)部含有一顆CPU，通過嵌入代碼對(duì)ECC的算法引擎進(jìn)行了打包，因此在應(yīng)用過程中無需關(guān)心ECC的算法實(shí)現(xiàn)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)問題。這款加密卡通過總線轉(zhuǎn)換芯片組讓PC機(jī)直接訪問ISECMM1256BV1芯片來滿足ECC及RSA算法應(yīng)用的需求。此外，在板卡上加入了隨機(jī)數(shù)芯片和SCB2芯片，增加了ECB、CBC和OFB等多種運(yùn)算模式，擴(kuò)大了加密卡的應(yīng)用范圍。作為加密卡的基本模式，在該方案的基礎(chǔ)上可以任意擴(kuò)展用戶所需的密碼算法芯片，對(duì)卡的功能進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足用戶的不同需求?；谠摲桨改軌蚝芊奖愕貙?shí)現(xiàn)ECC算法、RSA算法和SCB2算法等應(yīng)用，為信息安全保駕護(hù)航。

    作者：侯鴻飛
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    北京華大信安科技有限公司