指紋信息安全保護(hù)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于赫，楊宇

（長春大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長春，130022）

0 引言

目前市場上在售的電子鎖為了壓縮成本而選擇一些仿制芯片和傳感器進(jìn)行生產(chǎn)[1-2]，且很多指紋鎖不對(duì)采集到的用戶生物信息進(jìn)行加密，只是簡單的存儲(chǔ)在產(chǎn)品的芯片中，一旦用戶數(shù)據(jù)被竊取，會(huì)對(duì)用戶的信息安全造成極大的威脅[3]。本文設(shè)計(jì)的指紋密碼鎖通過指紋和密碼識(shí)別方式進(jìn)行雙重保護(hù)，方便使用的同時(shí)又提高了安全性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

通過分析和對(duì)比各個(gè)模塊，綜合多方位的考慮，本設(shè)計(jì)選擇STC89C52 作為主控芯片；結(jié)合LCD12864 液晶顯示實(shí)時(shí)操作內(nèi)容與提示；同時(shí)加入了指紋識(shí)別采集功能，能夠通過管理密碼進(jìn)入進(jìn)行添加和刪除指紋信息，密碼鎖的密碼等信息采用AT24C02 進(jìn)行存儲(chǔ)；解鎖、修改密碼等操作采用矩陣鍵盤輸入。總體系統(tǒng)方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

人體生物指紋信息采集模塊選用AS608，其具有高速DSP 處理能力，能采集與識(shí)別指紋。該模塊提取的指紋特征文件為256KB，模板文件為512KB。指紋圖像錄入用時(shí)不到0.5s，可在-20 ～40℃的環(huán)境下正常工作。存儲(chǔ)容量120/375/880枚，可控制指紋的采集、識(shí)別、刪除、添加等操作。RAM 內(nèi)設(shè)置有圖像緩沖區(qū)與兩個(gè)個(gè)人生物指紋信息特征文件的緩沖區(qū)，通過指令可以讀寫緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)中的資料斷電后不保存，當(dāng)模塊重新上電復(fù)位后，模塊將會(huì)先自檢設(shè)備的握手口令有沒有被惡意修改，如果沒有，模塊就認(rèn)為沒有必要驗(yàn)證口令的需求，并進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)，驗(yàn)證口令在斷電后依然保存在FLASH 中。

2 系統(tǒng)的安全保障

本設(shè)計(jì)在指紋模塊采集完用戶的指紋信息數(shù)據(jù)后，會(huì)通過AES128 加密算法對(duì)用戶的個(gè)人生物信息進(jìn)行加密，再將加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，從根源上保護(hù)用戶的個(gè)人信息安全與隱私。

2.1 AES128 加密算法簡介

AES 加密算法在加密的過程需要經(jīng)過十輪的重復(fù)和變換。加密大致步驟如下：①密鑰擴(kuò)展；②初始輪；③重復(fù)輪，每一重復(fù)輪之中又包含著字節(jié)間的減法運(yùn)算、行移位、列混合、輪密鑰加法運(yùn)算等操作；④最終輪。最終輪與前九輪相比，沒有列混合這項(xiàng)操作。由于該算法是對(duì)稱的分組密碼體制，所以它解秘的過程就是上述操作步驟的逆運(yùn)算。因?yàn)檫@些操作都可逆，所以按照倒推的方法進(jìn)行運(yùn)算就可計(jì)算得到初始的明文。加密和解密的過程中，每輪的秘鑰均由初始密鑰通過擴(kuò)展運(yùn)算得到。

2.2 AES 的基本結(jié)構(gòu)

AES 加密算法的本質(zhì)是一種分組密碼，它加密前將需要加密的明文等分成長度相等的組，每次只對(duì)其中的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，重復(fù)這個(gè)過程直至所有組加密完成。每個(gè)分組的只能是128 位，通過計(jì)算可以得知每個(gè)分組等于16 個(gè)字節(jié)，平均每個(gè)字節(jié)為8 位。與明文分組不同的是，密鑰的長度可以有三種選擇，分別為128、192、256 位。不同長度的秘鑰所要完成的加密輪數(shù)不同，128 位密鑰需要10 輪加密，192 位密鑰需要12 輪加密，256 位密鑰需要14 輪加密，見表1。本設(shè)計(jì)使用的是AES-128，即密鑰長度為128 位，加密輪數(shù)為10 輪。

表1 AES 加密算法密鑰長度對(duì)應(yīng)加密輪數(shù)

2.3 AES 加密過程

AES128 加密算法的加密過程要經(jīng)過10 輪的字節(jié)替換、行位移、輪秘鑰加，外加9 輪的列混淆才能完成整個(gè)加密。前9 輪按照字節(jié)替換、行位移、列混淆、輪秘鑰加的順序?qū)斎氲拿魑倪M(jìn)行加密，第10 輪僅包含字節(jié)替換、行位移、輪秘鑰加三種變換。通過這大量的字節(jié)變換，僅能加密16 個(gè)字節(jié)的明文，若要加密全部128 位明文，則需要8 次這樣的加密計(jì)算。由于該算法是對(duì)稱的分組密碼體制，所以解密的過程就是上述操作步驟的逆運(yùn)算。加密和解密的過程中，每輪的秘鑰均由初始密鑰通過擴(kuò)展運(yùn)算得到。

（1）輪密鑰加：在加密算法加密的過程中，每一輪的輸入與輪密鑰進(jìn)行一次異或（當(dāng)前分組和擴(kuò)展密鑰的一部分按位進(jìn)行異或運(yùn)算）。

（2）字節(jié)替換：每一輪都需要進(jìn)行一次字節(jié)的替換，通過預(yù)先設(shè)置好的S 盒完成一個(gè)字節(jié)到另外一個(gè)字節(jié)的映射（S盒與逆S 盒是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系）。例如：字節(jié)24 替換后的值為S{x,y}=S{2,4}=36，再通過逆S 盒即可得到替換前的值，S-1{x,y}=S{3,6}=24。

（3）行移位：它的功能則是置換一個(gè)4x4 矩陣。操作方法：保持首行不變，第二行循環(huán)向左位移一個(gè)字節(jié)，第三行循環(huán)向左位移兩個(gè)字節(jié)，第四行循環(huán)向左位移三個(gè)字節(jié)。

（4）列混淆：列混淆是利用GF(28)域上算術(shù)特性的一個(gè)代替，作用是提供算法的擴(kuò)散性。

3 系統(tǒng)主程序流程

3.1 主函數(shù)

主函數(shù)是程序的入口函數(shù)，是完整程序中必不可少的一部分。在該函數(shù)的開頭一般會(huì)先對(duì)所使用的單片機(jī)以及一些外圍器件進(jìn)行初始化和重新賦值一些變量，在主程序的設(shè)計(jì)中通常我們不會(huì)存放過多的代碼。具體需要使用到的代碼一般都是寫一個(gè)函數(shù)進(jìn)行封裝，封裝后的函數(shù)可以在主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，這樣的寫法既方便閱讀又方便后續(xù)修改。具體流程圖見圖2。

圖2 主函數(shù)流程圖

3.2 AS608 指紋搜索子函數(shù)

AS608 采用串口通訊協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通訊，用戶可以通過發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包控制指紋模塊完成對(duì)應(yīng)的功能。在控制AS608 指紋模塊搜索指紋的時(shí)候先發(fā)送采集指紋信息，然后等待采集完成后再發(fā)送指紋匹配指令，如果指紋匹配成功則返回成功，否則返回失敗。指紋搜索子函數(shù)流程圖見圖3。

圖3 搜索指紋子函數(shù)流程圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52作為密碼鎖監(jiān)控裝置的檢測和控制核心，采用矩陣鍵盤輸入的電子密碼和指紋密碼解鎖兩種解鎖方式。系統(tǒng)采用LCD12864 液晶顯示屏實(shí)時(shí)更新顯示信息，并設(shè)有修改密碼功能，在解鎖或修改密碼未確定時(shí)可以進(jìn)行退格或重輸?shù)牟僮鳌Ｔ谥讣y信息傳回存儲(chǔ)芯片前，采用AES128 加密算法對(duì)采集到的指紋信息進(jìn)行加密，從而確保個(gè)人生物信息的安全性。