基于Linux的身份認證系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 順，肖龍遠

(中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽，621900)

1 引言

采用“用戶名+密碼”的原始模式進行身份認證已不再安全，為此提出了很多新的身份認證技術(shù)，如智能卡技術(shù)、生物識別技術(shù)。目前的智能卡已經(jīng)可以采用DES算法及基于RSA的PKI體系進行認證，也可以存儲和操作基于X.509的CA數(shù)字證書，但由于智能卡本身的硬件限制，使得進行RSA運算顯得非常緩慢，雖然有些智能卡附有協(xié)處理器加快了數(shù)學運算，但增加了成本開銷。生物特征識別技術(shù)是利用人體生物特征來進行身份驗證的一種解決方案。指紋識別技術(shù)是眾多生物識別技術(shù)中最為實用和最為成熟的技術(shù)之一，指紋識別技術(shù)同智能卡，密碼等身份識別手段相比，具有不可替代、不可假冒、不易丟失等優(yōu)點［1］。本文將指紋識別技術(shù)應(yīng)用于嵌入式終端用戶身份認證過程，有效解決了智能卡方案中認證速度慢、密碼認證方法安全性低的問題。

2 AT91SAM9261控制芯片

AT91SAM9261是Atmel公司推出的基于ARM9的32位處理器。在工作頻率為180MHz的情況下，其運算速度為200MIPS。其內(nèi)部支持LCD控制器、串行通信口(包括USB從機模塊、UART、SPI以及I2C)和多媒體通信口，還提供一個用于調(diào)試的JTAG接口。功耗方面，AT91SAM9261待機電流僅為2.5μA，工作頻率為 500Hz時，電流消耗為 400μA。而且AT91SAM9261價格便宜，功耗低，又能滿足設(shè)計需要，所以AT91SAM9261非常適合用于嵌入式終端的開發(fā)。

3 指紋模塊

3.1 模塊介紹

采用艾菲爾公司的指紋模塊EFM－250，EFM－250是通用型指紋識別模塊，能完成指紋采集、指紋登記、指紋1:N和1:1比對等與指紋有關(guān)的操作。它由高速信號處理器DSP、射頻原理真皮指紋傳感器(滑動式)、高性能指紋比對算法等軟硬件組成。EFM－250具有體積特別小，比對速度更快，指紋容量更大等特點。

3.2 通信協(xié)議

指紋模塊與開發(fā)板的接口是采用標準串行口進行通信(USART)，開發(fā)板通過串口向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含著指紋模塊應(yīng)執(zhí)行的命令(如提取指紋、搜索指紋等)。主機發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須嚴格按照l表1，表2格式封裝:

表1 指令包格式

表2 應(yīng)答包格式

4 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由AT91SAM9261芯片、指紋傳感器、指紋信息處理器、存儲芯片、電源模塊、顯示模塊以及相應(yīng)的接口電路組成。使用16位的高性能SDRAM加快了數(shù)據(jù)的讀取速度，使用16M nand flash存儲嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

5 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)主要是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)串口的讀寫操作以及根據(jù)通信協(xié)議開發(fā)板與指紋模塊進行通信。由于身份認證系統(tǒng)中若有些操作(如設(shè)置超級用戶密碼)出錯，將會影響以后的通信，這就需要通信過程中盡量避免出現(xiàn)收包出錯的現(xiàn)象。本文采取了良好的出錯處理機制，并利用select函數(shù)防止串口阻塞，提高了代碼的魯棒性和健壯性［2］。

5.1 串口操作

串行口是計算機的一種常用接口，具有連接線少，通訊簡單，得到廣泛使用。Linux中，串口COM1和COM2分別對應(yīng)操作系統(tǒng)的/dev/ttyS0，/dev/ttyS1兩個設(shè)備文件。Linux對設(shè)備的訪問是通過設(shè)備文件的訪問來進行的，對串口的讀寫就相當于對文件的讀寫［5］。

5.1.1 打開串口

fd=open(“/dev/ttyS1”，O_RDWR);//設(shè)置成可讀可寫，默認阻塞模式

5.1.2 設(shè)置串口屬性

串口的屬性定義在結(jié)構(gòu)體struct termios中。為在程序中使用該結(jié)構(gòu)體，需要包含文件＜termios.h＞，該結(jié)構(gòu)體定義如下:

struct termios

{

tcflag_t c_iflag;/*輸入選項標志*/

tcflag_t c_oflag;/*輸出選項標志*/

tcflag_t c_cflag;/*控制選項標志*/

tcflag_t c_lflag;/*本地選項標志*/

cc_t c_line;/*line discipline*/

cc_t c_cc［NCCS］;/* control characters*/

speed_t c_ispeed;/* input speed*/

speed_t c_ospeed;/* output speed*/

};

在這個結(jié)構(gòu)中最為重要的是c_cflag，通過對它的復(fù)制可以設(shè)置波特率、字符大小、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位，流控協(xié)議等。輸入模式c_iflag成員控制端口接收端的字符輸入處理。c_cc包含了超時參數(shù)和控制字符的定義。

設(shè)置串口流程:

(1)保存原先的串口配置:這里可以使用函數(shù)tcgetattr(fd，＆oldtio)，這個函數(shù)得到與fd指向?qū)ο蟮南嚓P(guān)參數(shù)，并將它們保存于oldtio引用的termios結(jié)構(gòu)中;

(2)激活選項CLOCAL和CREAD:CLOCAL和CREAD分別用于本地連接和接收使能，通過位掩碼的方式激活這兩個選項;

(3)設(shè)置波特率:設(shè)置波特率有專門的函數(shù)cfsetispeed和cfsetospeed;

(4)設(shè)置字符大小:首先去除數(shù)據(jù)位中的位掩碼，再重新按要求設(shè)置;

(5)設(shè)置奇偶校驗位:這時需要用到兩個termios中的成員:c_cflag和c_iflag。首先要激活c_cflag中的校驗位使能標志PARENB和是否要進行校驗，同時還要激活c_iflag中的奇偶校驗使能;

(6)設(shè)置停止位:設(shè)置停止位是通過激活c_cflag中的CSTOPB而實現(xiàn)的，若停止位為1，則清除CSTOPB，若停止位為2，則激活CSTOPB;

(7)設(shè)置最少字符和等待時間:分別通過設(shè)置c_cc［VMIN］和 c_cc［VTIME］來完成

(8)處理要寫入的引用對象:由于串口在重新設(shè)置之后，要寫入的引用對象要重新處理，調(diào)用函數(shù)tcflush(fd，TCIOFLUSH);

(9)激活配置:在完成全部串口配置之后，利用函數(shù)tcsetattr激活配置;

5.1.3 串口讀寫

可用標準的文件讀寫函數(shù):

ssize_t read(int fd，const void*buf，size_t count);//如果調(diào)用成功則返回讀出的字節(jié)數(shù)

ssize_t write(int fd，const void*buf，size_t count);//如果調(diào)用成功則返回寫入的字節(jié)數(shù)

在對串口進行讀的時候，如果因為數(shù)據(jù)傳輸出錯導(dǎo)致讀不到數(shù)據(jù)，此時read會阻塞，這時候程序?qū)罊C，解決這個問題的方法是使用select函數(shù)實現(xiàn)串口的非阻塞讀寫:

struct timeval tv;//定義select阻塞的時間

fd_set readfd;//定義文件描述符集合

tv.tv_sec=maxwaittime/1000;//SECOND

tv.tv_usec=maxwaittime%1000*1000;//USECOND

FD_SET(fd，＆readfd);

rc=select(fd+1，＆readfd，NULL，NULL，＆tv);

為了便于與指紋模塊通信，定義了結(jié)構(gòu)package_struct，直接通過package_read和package_send函數(shù)來實現(xiàn)對串口的發(fā)包、收包、解包的工作，兩個函數(shù)定義如下:

int SendPackage(package_struct package_send);

int ReceivePackage(package_struct*package_receive，unsigned short package_len);

5.2 軟件流程

身份認證系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有:

(1)設(shè)置超級用戶口令，用戶需要先驗證超級用戶口令才能進行其他操作，該口令默認為0;

(2)自動登記新指紋，自動搜索指紋庫中的空位，提取指紋特征，進行存儲;

(3)自動識別指紋，提取指紋特征，搜索指紋庫，搜索到返回指紋的ID號及指紋匹配分數(shù);

(4)清空指紋庫，清空指紋庫中所有的指紋特征;

(5)刪除某個或多個指紋，刪除指紋庫中指定ID號開始的N個指紋特征;

(6)手動登記，手動識別，，這兩個功能需要多次發(fā)送指令包和接收解析包。手動登記需要用戶指定指紋特征的存儲位置，操作較繁瑣，圖1中沒有給出兩者的實現(xiàn)流程;

軟件流程圖如圖2所示。

6 結(jié)束語

采用指紋識別技術(shù)對嵌入式終端用戶進行身份認證，詳細介紹了Linux中串口應(yīng)用的開發(fā)，根據(jù)efm250的通信協(xié)議利用串口與指紋模塊進行交互，在基于AT91SAM9261的開發(fā)板上實現(xiàn)了身份認證系統(tǒng)的各種功能。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)認證速度快、可靠性高。

圖2 軟件流程圖

［1］柴曉光，岑寶熾.民用指紋識別技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［2］冉林倉.Red Hat Linux 9編程開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)管理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］Greg Hankins.Linux Serial HOWTO v1.11［DB/OL］.http://www.chinalinuxpub.com/.

［4］馬忠梅.ARM＆Linux嵌入式教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［5］Kurt Wall.GNU/Linux編程指南(第二版)［M］.張輝，譯.北京:清華大學出版社，2006.

［6］Sweet MR.Serial Programming Guide for POSIX Operating Systems［M］.O’Reily＆ Associations，2002.