利用MAXQ1103微控制器產生RSA密鑰

摘要：Maxim的RSA密鑰生成庫提供了一個簡單易用的接口，利用MAXQ1103微控制器生成RSA密鑰。MAXQ1103設計用于金融系統終端，具有包括RSA在內的一系列安全功能。RSA庫利用模算術加速器(MAA)，可提供長達2048位的加密操作。MAA允許用戶進行一系列運算，這些運算對于密碼操作非常重要。本文闡述了MAXQ1103評估(EV)板和CrossWorks開發環境，提供了一個理想的安全應用開發平臺。

概述

本應用筆記介紹了利用MAXQ1103 RISC安全微控制器生成RSA密鑰對的方法，并討論了如何使用RSA密鑰對設置加密和解密普通文本信息。為了對比RSA計算時間，本文提供了DS5250高速安全微控制器的相關數據，可以清楚地看出MAXQ1103對性能的提升。

MAXQ1103設計用于金融終端，提供包括RSA在內的許多安全功能。硬件模算術加速器(MAA)提供長達2048位的加密操作。MAA允許用戶進行一系列運算，而這些運算對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評估(EV)板和CrossWorks開發環境提供了一個理想的平臺，用于開發加密系統。評估套件包括所有開發工具：4MB外部程序存儲器、4MB外部數據存儲器、2個串口、2個智能卡芯片(一個用于大卡、一個用于SIM卡)、1個USB連接器、1個LCD顯示屏、1個16位鍵盤和原型開發區域。

產生RSA密鑰對

可以發送郵件至： micro.support@maxim-ic.com (English only)獲得產生RSA密鑰對的二進制例程代碼(rsa_1103.hex)和應用程序。

以下信息將幫助您建立并運行RSA密鑰對的應用程序，該程序基于C語言，可以使用MAXQ30的CrossWorks編譯器。

設置MAXQ1103評估板

參考應用筆記4273：“采用MAXQ1103評估套件和面向MAXQ30的CrossWorks編譯器進行設計”，獲得建立MAXQ1103開發環境的詳細信息。

MAXQ1103評估板如圖1所示，生成RSA密鑰對所需要的硬件包括：

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

評估板跳線設置如下表所示：

1. 安裝MAXQ30 CrossWorks編譯器，可以從Rowley Associates獲得配套工具，本文使用的版本號為2.0.0.2008063000.2293。
2. 用串口電纜連接評估板的端口0和PC的COM口，可以通過PC觀察系統輸出。
3. 用串口電纜連接JTAG板和PC的COM口，通過該連接將應用程序下載到評估板。
4. 打開項目rsa_1103.hzp。
5. 點擊項目，重新生成rsa_1103.hzx輸出文件。該文件下載到MAXQ1103評估板，除此之外，也可以修改項目屬性生成rsa_1103.hex文件。選擇項目屬性，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。
7. 將結果打印到評估板的串口0。
   
   打開超級終端，配置適當的COM口連接，波特率為115200、8位數據位、無奇偶校驗、1位停止位、沒有流控制。
   
   或者
   
   可以使用Maxim的微控制器開發工具(MTK)觀察應用結果，安裝MTK并打開終端模式。設置串口波特率為115200，打開串口連接。
8. 點擊Debug，加載并運行程序。本應用筆記使用MTK觀測結果。

例程此時將提醒您輸入所需要的數據“Enter key length bits to be generated:”。

輸入數值(例如：1024)，然后等待顯示結果。圖2顯示了程序運行狀態，生成1024位字長的RSA密鑰對大概需要5秒鐘，然后加密和解密隨機信息。每次程序運行所需要的時間不盡相同，表1顯示了生成RSA密鑰對在不同位長下的平均時間。


圖2. 例程運行狀態及結果

利用RSA密鑰生成庫開發一個簡單應用

庫文件提供基于C語言、簡單易用的接口函數，生成密鑰對，并使用私鑰/公鑰加密、解密用戶信息。請參考rsalib_1103.h文件了解這些接口的使用，以下例程說明了這些接口函數的使用：

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

這些接口函數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

}

不同位長度對應的典型測試結果如下所示，每次程序運行所需要的時間不盡相同。

表1. 生成RSA密鑰的平均時間

結論

Maxim提供RSA密鑰生成庫，這些庫文件允許基于C語言訪問MAXQ1103硬件的相關功能，生成最大2048位的密鑰。使用MAXQ1103的內置MAA和RNG模塊計算RSA密鑰對。MAA硬件模塊支持IEEE?公鑰加密標準(P1363)，支持基于DSA、RSA和ECDSA的非對稱算法。