《基于Arm实验箱的国密算法应用》课程设计 结题报告
《基于Arm实验箱的国密算法应用》课程设计 结题报告
- 小组成员姓名：20155206赵飞 20155220吴思其 20155234昝昕明
- 指导教师：娄嘉鹏
设计方案
题目要求：基于Arm实验箱的国密算法应用
三种平台：
Z32
ARM32+Linux
STM32
内容：
SM1, SM2,SM3算法测试
算法应用：混合密码系统
设计方案及可行性分析
运行老师给的范例代码，熟悉开发软件和开发板的使用；收集资料简单了解Z32,ARM的基本概念，然后实现ARM与Ubuntu映射文件。成功编译并运行代码。
详细设计思路
首先设计一个客户端与服务器能够互相接收，发送信息；再设计一个串口程序，可以通过超级终端打开ARM与Z32的串口，使ARM能够调用Z32中的程序进行加解密
设计特色
国密SM2是非对称密码算法，是基于ECC算法的非对称算法。SM2算法就是ECC椭圆曲线密码机制，但在签名、密钥交换方面不同于ECDSA、ECDH等国际标准，而是采取了更为安全的机制。另外，SM2推荐了一条256位的曲线作为标准曲线。
国密SM2算法标准包括4个部分，第1部分为总则，主要介绍了ECC基本的算法描述，包括素数域和二元扩域两种算法描述，第2部分为数字签名算法，这个算法不同于ECDSA算法，其计算量大，也比ECDSA复杂些，也许这样会更安全吧，第3部分为密钥交换协议，与ECDH功能相同，但复杂性高，计算量加大，第4部分为公钥加密算法，使用ECC公钥进行加密和ECC私钥进行加密算法，其实现上是在ECDH上分散出流密钥，之后与明文或者是密文进行异或运算，并没有采用第3部分的密钥交换协议产生的密钥。对于SM2算法的总体感觉，应该是国家发明，其计算上比国际上公布的ECC算法复杂，相对来说算法速度可能慢，但可能是更安全一点。
SM2标准还公布了一条建议的256位的ECC曲线，但没有在国际上被公认。SM2算法是好，但要使用，又有很多障碍，就是统一的国际标识与互认，如算法没有OID标识，曲线也没有公认OID标识，这在通用上就大打折扣了，这一点需要考虑的
SM1, SM2,SM3算法测试：
1.LED闪烁实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验1-LED闪烁”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验1的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验现象：
实验1的内容是对LED灯的操作，我们关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：Z32核心板上L2灯开始闪烁。
2.UART发送与中断接收实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验2-UART发送与中断接收”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验2的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验2使用串口调试助手（sscom）来观察串口通信收发的数据。
我们用9针串口线将Z32模块的串口与电脑USB接口连接。
首先在电脑上打开串口助手，选择对应的串口号，设置波特率为115200，偶校验（Even），选中“发送新行”，然后打开串口。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，可以在串口调试助手看到如下实验现象：显示“A Welcome to Z32HUA! 1234567890 0xAA”，证明PC机串口已经接收到Z32串口发送来的信息。
我们在串口调试助手的字符串输入框输入字符串“abcdefgh”，然后点击发送按钮。
这时，可以看到串口调试助手接收到我们发送输入的字符串“abcdefgh”，并显示在串口助手上。
3.12864液晶屏串行显示实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验3-12864液晶屏串行显示”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验3的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验3的内容是LCD12864液晶屏的显示操作。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：屏幕上依次显示以下字符：
“欢迎使用Z32HUA!
LCD12864液晶测试
1.2.3.4.5.6.7.8.
A.B.C.D.E.F.G.H.”
其中行与行之间显示的间隔时间约为1.8s，四行字符全部显示完成后清屏幕，重新循环显示。
4.GPIO0按键中断实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验4-GPIO0按键中断”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验4的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验4的内容是按键中断，12864显示屏显示字符。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：12864屏幕第一行显示：“请按reboot按键：”
依次按下按键10次后，屏幕第二行显示0~9的数字。
5.矩阵键盘实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验5-矩阵键盘”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验5的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验5的内容是读矩阵键盘键值并显示。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：12864屏幕第一行显示字符串
按下矩阵键盘上“A”键，屏幕第二行显示“A”。
按下“A”键显示图
6.TIMER定时器实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验6-TIMER定时器”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
Z32工程编译图
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验6的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验6的内容是定时器溢出中断，控制LED灯以0.5Hz频率亮灭，并将0~9秒循环计数显示在12864显示屏上。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：Z32核心板上的灯L2以0.5Hz频率闪烁，12864屏幕上显示“定时器测试：”，第二行循环显示从0到9的秒计数值。
每隔1秒灯L2亮或灭一次，当计数值为偶数时，灯L2亮，计数值为奇数时，灯L2灭。
7.SLE4428逻辑加密卡实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验7-SLE4428逻辑加密卡”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验7的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验7的内容是SLE4428逻辑加密卡实验，按照程序提示，插入SLE4428逻辑加密卡，A段程序显示用户代码并进行密码校验，B段程序读取卡片存储的金额信息并修改金额。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：显示屏第一行显示“SLE4428实验！”，第二行显示“请插入IC卡．．．”。
插入SLE4428 IC卡，显示屏第三行显示：“用户代码为：”，第四行显示用户代码“D27600000400”。
若插入了正确的卡片，显示出用户代码，再按下矩阵键盘的“A”键，屏幕第一行显示提示“按-A键校验密码”并在第二行显示两个字节的校验密码“校验0xFF，0xFF”。
按下矩阵键盘的“A”键，屏幕第三行显示“校验成功”，第四行显示校验剩余机会“剩余机会：8次”。
再按下矩阵键盘的“A”键，则屏幕第一行显示卡内金额数“金额：100”，第二行提示“输入金额，A键修改”。
在矩阵键盘上输入三位修改的金额数200，按下矩阵键盘的“A”键确认。
确认后，金额更新，屏幕上显示更改后的卡内金额“金额200”，第四行继续提示“输入金额，A键修改”，可以再次进行更改。
修改完金额后，就可以拔出IC卡。
8.SM1加密实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验8-SM1”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
Z32工程编译图
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验8的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验8的内容是SM1加解密实验，待加密的原始数据以及加密秘钥已经内置到程序中，修改UINT8 jiamiqian[16]数组即可更换待加密数据，修改jiamimiyue[16]数组和cuowumiyue[16]即可修改正确和错误的加密密钥。本实验同样使用SLE4428 IC卡作为加解密介质，按照程序提示，插入SLE4428逻辑加密卡，A段程序显示用户代码并进行密码校验，B段程序进行加密/解密选择，加密程序段进行SM1加密并将加密前后数据通过串口发送至PC机，解密程序段进行SM1解密并将解密前后数据通过串口发送至PC机。
我们用9针串口线将Z32模块的串口与电脑USB接口连接。
首先在电脑上打开串口助手，选择对应的串口号，设置波特率为115200，偶校验（Even），然后打开串口。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：显示屏显示“SLE4428实验！请插入IC卡．．．”。
插入SLE4428 IC卡，显示屏第三行显示：“用户代码为：”，第四行显示用户代码“D27600000400”。
若插入了正确的卡片，显示出用户代码，再按下矩阵键盘的“A”键，屏幕第一行显示提示“按-A键校验密码”并在第二行显示两个字节的校验密码“校验0xFF，0xFF”。
按下矩阵键盘的“A”键，屏幕第三行显示“校验成功”，第四行显示校验剩余机会“剩余机会：8次”。
再按下矩阵键盘的“A”键，则屏幕第一行显示“加密解密实验”，第二、三行分别显示选项“1.加密”，“2.解密”。
首先进行加密实验。按“1”键选择加密，屏幕第一行显示“观看串口调试助手”，第二行显示“A键确认加密”。此时，串口调试助手显示原始数据和加密密钥。
按下“A”键确认加密后，屏幕第三行显示“加密完成”，第四行显示提示“A键存入IC卡”。串口调试助手显示加密后的数据。
按“A”键，将加密数据存入IC卡，此时串口显示“已将数据写入IC卡”。屏幕回到加密解密实验选择菜单。
下面进行解密实验。按“2”键选择解密实验后屏幕显示“观看串口调试助手 A键读取IC卡数据”。
按“A”键后，此时屏幕显示“读取成功 选择密钥解密：1.正确密钥 2.错误密钥”。串口显示“读取的数据：为：0x7E 0xDC 0xA3 0x7B 0xBA 0x53 0x84 0xAC 0x0B 0x75 0x50 0x45 0x2E 0xEC 0x4F 0x4F”。
按“1”键选择正确的密钥后，屏幕提示“A键确认解密”，此时串口显示“将使用以下密钥进行解密：0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F”。
按“A” 键确认解密后，屏幕提示“解密完成 A键返回”，此时串口显示“解密后的数据为：0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F”。
按“A”键返回加/解密选择菜单。
如果使用错误秘钥进行解密，解密后将不能得到原始数据，在加/解密选择菜单中按“2”进行解密实验，用错误的秘钥解密。屏幕提示“观看串口调试助手 A键读取IC卡数据”。
按“A”键后，此时屏幕显示“读取成功 选择密钥解密：1.正确密钥 2.错误密钥”。串口显示“读取的数据：为：0x7E 0xDC 0xA3 0x7B 0xBA 0x53 0x84 0xAC 0x0B 0x75 0x50 0x45 0x2E 0xEC 0x4F 0x4F”。
按“2”键选择错误的密钥后，屏幕提示“A键确认解密”，此时串口显示“将使用以下密钥进行解密：0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00”。
按“A” 键确认解密后，屏幕提示“解密完成 A键返回”，此时串口显示“解密后的数据为：0xB9 0x8C 0xB6 0x40 0xA2 0xD2 0x83 0xD0 0x64 0x6E 0x54 0x26 0x86 0x6D 0x5A 0xF5”。而正确的原始数据为：“0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F”，所以解密失败。
9.SM2加密实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验8-SM2”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验8的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验9的内容是SM2加解密实验。本实验使用Z32内置函数库实现加解密算法。
我们用9针串口线将Z32模块的串口与电脑USB接口连接。
首先在电脑上打开串口助手，选择对应的串口号，设置波特率为115200，偶校验（Even），然后打开串口。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：12864屏幕上显示“SM2实验！请看串口助手”。
在字符串输入框输入数据“abc”，点击发送。
输入字符串“abc”发送，字符串显示在串口调试助手上，如图。
按下矩阵键盘“A”键，串口调试助手显示数据“输入的数据为：abc”，并提示“按A键进行加密”。
按矩阵键盘上“A”键，加密后的数据显示在串口调试助手上，如图。
再按“A”键，进行解密，解密后的数据显示在串口调试助手上。
10.SM3加密实验
实验过程及结果：
1、打开“Z32开发指南\实验10-SM3”目录的工程文件。编译工程，产生后缀名为.bin的可执行代码。
2、下载程序
将实验箱接入电源，用USB公对公线将实验箱的USB接口连接到电脑的USB接口上，在电脑上找到“Z32开发指南\2.软件资料\Z32下载调试工具”目录打开Z32下载调试工具NZDownloadTool.exe。打开Z32的电源开关前，按住Reboot按键不放，两次打开电源开关，Z32即可被电脑识别，进行下载调试。
当左边框出现“1设备已连接”，设备选择中显示芯片型号，此时就可以下载程序了。
点击“下载”，左边状态提示框更新显示“程序下载成功！”实验10的程序就下载进Z32的实验板上了。
实验9的内容是SM3数据加密实验。本实验使用Z32内置函数库实现加密算法。
我们用9针串口线将Z32模块的串口与电脑USB接口连接。
首先在电脑上打开串口助手，选择对应的串口号，设置波特率为115200，偶校验（Even），然后打开串口。
关闭Z32电源开关，再打开，程序自动运行，此时可以看到实验现象：液晶屏上显示“SM2实验！请看串口助手”。
串口助手上提示：“请输入需要杂凑的数据（64字节以内），并按A键确认”。
在字符串输入框输入数据“wsq”，点击发送。
按下“A”键后进行，加密，串口调试助手显示被杂凑加密后的数据。
11.Z32与ARM间通信实验
实验过程及结果：
12.通过超级终端实现串口助手
课设中未能解决的问题
当Z32和ARM同时开启时，会导致Z32中下载好的程序无法成功运行，会影响到Z32接收到的数据从而使加解密的数据成为乱码。
源代码及注释
#include <termios.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/signal.h>
#include <pthread.h>
#define BAUDRATE B115200
#define COM1 "/dev/ttyO1"
#define COM2 "/dev/ttyO1"
#define ENDMINITERM 27 /* ESC to quit miniterm */
#define FALSE 0
#define TRUE 1
volatile int STOP=FALSE; volatile int fd;
void child_handler(int s)
{
printf("stop!!!\n");
STOP=TRUE;
}
/*-------------------------------------------------------- */
void* keyboard(void * data)
{
int c;
for (;;){
c=getchar();
if( c== ENDMINITERM){
STOP=TRUE;
break ;
}
}
return NULL;
}
/*-------------------------------------------------------- */
/* modem input handler */
void* receive(void * data)
{
int c;
printf("read modem\n");
while (STOP==FALSE)
{
read(fd,&c,1); /* com port */
write(1,&c,1); /* stdout */
}
printf("exit from reading modem\n");
return NULL;
}
/*-------------------------------------------------------- */
void* send(void * data)
{
int c='0';
printf("send data\n");
while (STOP==FALSE) /* modem input handler */
{
c++;
c %= 255;
write(fd,&c,1); /* stdout */
usleep(100000);
}
return NULL; }
/*--------------------------------------------------------*/
int main(int argc,char** argv)
{
struct termios oldtio,newtio,oldstdtio,newstdtio; struct sigaction sa;
int ok;
pthread_t th_a, th_b, th_c; void * retval;
if( argc > 1)
fd = open(COM2, O_RDWR ); else
fd = open(COM1, O_RDWR ); //| O_NOCTTY |O_NONBLOCK);
if (fd <0) {
error(COM1);
exit(-1);
}
tcgetattr(0,&oldstdtio);
tcgetattr(fd,&oldtio); /* save current modem settings */
tcgetattr(fd,&newstdtio); /* get working stdtio */
newtio.c_cflag = BAUDRATE | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD; /*ctrol flag*/
newtio.c_iflag = IGNPAR; /*input flag*/
newtio.c_oflag = 0; /*output flag*/
newtio.c_lflag = 0;
newtio.c_cc[VMIN]=1;
newtio.c_cc[VTIME]=0;
/* now clean the modem line and activate the settings for modem */
tcflush(fd, TCIFLUSH);
tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio); /*set attrib*/
sa.sa_handler = child_handler;
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGCHLD,&sa,NULL); /* handle dying child */
pthread_create(&th_a, NULL, keyboard, 0);
pthread_create(&th_b, NULL, receive, 0);
pthread_create(&th_c, NULL, send, 0);
pthread_join(th_a, &retval);
pthread_join(th_b, &retval);
pthread_join(th_c, &retval);
tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio); /* restore old modem setings */
tcsetattr(0,TCSANOW,&oldstdtio); /* restore old tty setings */
close(fd);
exit(0);
}
个人报告
