基于FPGA的身份认证智能卡设计

　　身份认证是保密通信和信息安全的基础。通过身份认证机制可以鉴别网络事务中涉及到的各种身份，防止身份欺诈，保证通信参与各方身份的真实性，从而确保网络活动的正常进行。因此，身份认证一直是网络安全研究领域的前沿技术。

　　目前使用的身份认证技术可以分为三种类型：基于所知、所有以及基于个人生物特征的认证。认证方式包括口令认证、智能卡认证以及指纹、虹膜等生物认证方式。

　　口令认证是最为广泛的一种认证方式，从普通的计算机登录系统到网络邮件系统都采用这种方式。但是，口令认证的安全性比较低，容易被他人盗用。基于指纹、虹膜的生物身份认证方式是生物技术在信息安全领域的应用，具有普遍性和唯一性的特点，但基于生物识别设备成本和识别技术水平的考虑，目前还难以得到大规模普及。基于智能卡的身份认证方式结合了硬件技术和身份认证技术的优点，提供安全可靠的认证手段，是目前迅速发展的一种认证方式。

　　本文提出了一种基于FPGA的身份认证智能卡的设计方案。在FPGA内部实现身份认证相关的数据加密运算，加密算法采用128 bit Rijndael算法。相关的身份信息和加密运算所需要的常量数据均存放在FLASH存储器中，加密后的数据通过PCI总线传给计算机系统。

　　1 身份认证系统概述

　　身份认证是指通信双方可靠地验证对方的身份。参与身份认证的双方根据功能的不同分别被称为认证方和被认证方。被认证方向认证方发起认证请求，同时提交自己的身份信息。认证方响应认证请求，检验被认证方提交的身份信息，并将认证结果返回被认证方。在这个过程中身份信息一般是通过网络传递。由于网络开放性的特点，使得身份信息可能在传递的过程中被泄露。因此一般不直接传递被认证方的身份信息，而将身份信息加密后再传递，这样即使加密信息被攻击者截获，攻击者也无法解密信息获得被认证方的身份信息。这就要求在身份认证中所使用的密码算法具有足够高的安全强度。

　　Rijndael算法是美国国家标准和技术研究所(NIST)推荐的高级数据加密标准(Advanced Encryption Standard)，是一种分组密码算法，可以根据加密等级的不同采用128 bit、192 bit和256 bit三种不同的分组长度，具有易于软硬件实现、安全性能好、效率高和灵活等优点。

　　Rijndael算法中主要运算模块都是规则的逻辑运算，如置换，循环移位，多轮迭代和模2加等，适合在逻辑资源丰富的FPGA中实现。以ByteSub置换为例，该模块是Rijndael算法中唯一的非线性变换部件，是决定算法安全性的关键。利用软件实现要进行大量矩阵运算，而在FPGA中可以用地址线译码直接在FPGA内部的LUT(Look Up Table)逻辑中查表完成。

　　基于智能卡的身份认证系统认证主要流程均在智能卡内部完成。相关的身份信息和中间运算结果均不会出现在计算机系统中。为了防止智能卡被他人盗用，智能卡一般提供使用者个人身份信息验证功能，只有输入正确的身份信息码(PIN)，才能使用智能卡。这样即使智能卡被盗，由于盗用者不知道正确的身份信息码仍将无法使用智能卡。智能卡和口令技术相结合提高了基于智能卡的身份认证系统安全性。

　　基于智能卡的身份认证系统中采用共享密钥的身份认证协议。假设认证方和被认证方共享一个密钥K。身份认证流程如下：

　　(1) 被认证方向认证方发起认证请求，并提供自己的IDi。

　　(2) 认证方首先查找合法用户列表中是否存在IDi，如果不存在则停止下面的操作，返回被认证方一个错误信息。如果存在IDi，则认证方随机产生一个128 bit的随机数N，将N传给被认证方。

　　(3) 被认证方接收到128 bit的随机数N后，将N送入智能卡输入数据寄存器中，发出身份信息加密命令，智能卡利用存储在硬件中的共享密钥K采用Rijndael算法对随机数N进行加密，加密后的结果存放在输出数据寄存器中。

　　(4) 被认证方从智能卡输出数据寄存器中取得加密后的数据，传给认证方。认证方同样通过智能卡完成共享密钥K对随机数N的加密，如果加密结果和被认证方传来的数据一致则认可被认证方的身份，否则不认可被认证方的身份。

　　这个过程实现了认证方对被认证方的单向认证。在某些需要通信双方相互认证的情况下，通信双方互换角色再经过一遍同样操作流程就可完成双向认证。由于每次认证选择的随机数都不相同，因此可以防止攻击者利用截获的加密身份信息进行重放攻击。

　　2 智能卡硬件结构

　　身份认证智能卡主要包括FPGA、PCI 9054接口芯片和FLASH存储器三部分，以及电源管理、时钟和配置芯片等外围设备。基于FPGA的PCI接口身份认证智能卡的硬件结构如图1所示。

 

图1身份认证智能卡硬件结构图

　　FPGA主要实现Rijndael算法中置换、循环移位，多轮迭代和模2加等运算模块，同时提供PCI9054和FLASH存储器的数据接口控制逻辑以及用户身份信息码验证模块。PCI 9054主要实现PCI总线和FPGA之间数据交换。FLASH存储器芯片MX29LV800B用于存放身份认证过程中所使用的加密密钥以及用户身份特征信息如ID值。E2PROM 93CS56为PCI 9054的配置芯片，EPCS4为Altera 公司的Cyclone 系列FPGA EP1C12的配置芯片，分别存放对应芯片的配置信息。FPGA通过PCI 接口实现数据收发以及命令解释执行。