硬件加密中实现 SHA (SHA-1 / SHA-256)
WIZnet W55MH32 是一款高性能微控制器，内置 ARM Cortex-M3 内核，最高运行频率可达 216 MHz。它集成了硬件加密引擎，支持多种加密算法，包括 SHA-1 和 SHA-256。利用 W55MH32 的硬件 SHA 功能，能够提升嵌入式应用的数据完整性和安全性，特别适用于涉及网络通信的应用场景。
本应用笔记将介绍 SHA 的基本功能、其在 SSL/TLS 协议中的角色，以及 SHA 在 W55MH32 上的实际应用。
SHA 概述
什么是SHA？
安全散列算法（SHA）是一种密码学散列函数，可以将任意长度的输入数据转换成固定长度的摘要（哈希值）。WIZnet W55MH32 通过硬件加密引擎支持 SHA-1（160 位摘要）和 SHA-256（256 位摘要），能够实现加速、低功耗的哈希运算。SHA 是单向函数， 这意味着从哈希值反推出原始数据在计算上是不可行的，同时找到两个不同输入却产生相同哈希值（碰撞）也是极其困难的。
SHA 在微控制器中的处理流程
SHA 硬件引擎或驱动通常提供三阶段函数结构：
- Start： 该阶段用于初始化 SHA 引擎并选择所需的哈希算法（SHA-1 或 SHA-256），设置内部状态变量，清除先前数据，准备接收新的输入数据。
- Update： 该阶段用于向 SHA 引擎输入数据，可以分段输入，以便处理大数据集或流式数据而无需占用大量内存。硬件引擎在每次接收数据块时更新内部状态。
- Finish（或 Final）：该阶段完成哈希运算，自动进行必要的数据填充，完成内部计算，并输出最终哈希值，即所有输入数据的数字指纹。
Start-Update-Finish 的优势
该结构支持大文件、流数据或网络数据包的分段处理，有助于高效利用硬件加速器按数据块运算，降低内存占用，并支持实时与增量哈希处理工作流，非常适合安全通信和数据完整性验证场景。 W55MH32 的硬件 SHA 引擎在 Finish 阶段会自动处理数据填充与对齐，简化开发并提升运算效率。
SHA 在 SSL/TLS 协议中的作用
在 SSL/TLS 协议中，SHA 主要用于以下方面：
- 消息完整性： 通过生成和验证消息摘要，确保消息在传输过程中未被篡改。
- 证书验证： 结合数字签名使用哈希函数验证数字证书。
- 密钥派生： 在伪随机函数（PRF）中协助从共享密钥生成会话密钥。
通过将这些运算任务交由 W55MH32 硬件 SHA 引擎处理，可以显著提升处理速度、降低 CPU 负载，从而提升整体性能与能效。
SHA 在 W55MH32 系统中的其他应用
除了 SSL/TLS，SHA 在 W55MH32 上还可应用于多种场景，包括：
- 安全固件升级： 在固件安装前验证固件镜像的完整性。
- 密码存储： 对密码进行哈希处理，以实现安全存储与身份验证。
- 数字签名： 生成和验证用于安全通信的数字签名。
- 数据完整性检查： 确保存储或传输数据的一致性和完整性。
使用步骤
步骤 1：头文件
在使用 SHA 功能时，需要包含 WIZnet 加密库的 wiz_sha.h 头文件。
#include "wiz_sha.h"
步骤 2：SHA 流程
SHA 包含三种主要函数用于消息哈希处理。
Start 函数用于启动 SHA 功能。
WIZSHA1_Starts(&ctx);
WIZSHA256_Starts(&ctx2);
Update 函数用于持续输入更多数据供 SHA 处理。
// SHA1 更新函数，从 TestSHA 获取数据，数据大小为 100 字节
WIZSHA1_Update(&ctx, TestSHA, 100);
// SHA256更新函数，从buf0中获取数据，数据大小为64字节
WIZSHA256_Update(&ctx2, buf0, 0x40);
Finish 函数完成全部数据处理并生成哈希结果。
// SHA1 完成函数并将其保存在digest变量中
WIZSHA1_Finish(&ctx, digest);
// SHA256 完成函数并将其保存在digest变量中
WIZSHA256_Finish(&ctx2, digest);
步骤 3：主代码
主代码包含 SHA-1 和 SHA-256 的测试方法示例。
void SHA_Update_Test()
{
uint16_t i;
WIZSHA1_Context ctx;
WIZSHA256_Context ctx2;
uint8_t buf0[0x40];
uint8_t buf1[0x40];
uint8_t t0[2] = "12";
unsigned char TestSHA[100] = "01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789";
uint8_t digest[32] = {0};
printf("Test the sha function...\r\n");
printf("SHA 160 Test data is %s\r\n", TestSHA);
WIZSHA1_Starts(&ctx);
WIZSHA1_Update(&ctx, TestSHA, 100);
WIZSHA1_Finish(&ctx, digest);
printf("The sha_160 result is \r\n");
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%02x", digest[i]);
}
printf(" \r\n");
memset(digest, 0, 32);
memset(buf0, 'a', 0x40);
memset(buf1, 'b', 0x40);
memset(digest, 0, 32);
WIZSHA256_Starts(&ctx2);
printf("SHA 256 First set of test data is \r\n");
for (i = 0; i < 64; i++)
{
printf("%c", buf0[i]);
}
printf("\r\n");
WIZSHA256_Update(&ctx2, buf0, 0x40);
printf("SHA 256 Second set of test data is \r\n");
for (i = 0; i < 64; i++)
{
printf("%c", buf1[i]);
}
printf("\r\n");
WIZSHA256_Update(&ctx2, buf1, 0x40);
WIZSHA256_Update(&ctx2, buf1, 0);
WIZSHA256_Finish(&ctx2, digest);
printf("The sha_256 result is \r\n");
for (i = 0; i < 32; i++)
{
printf("%02x", digest[i]);
}
printf(" \r\n");
}
步骤 4：测试结果
当程序下载到 W55MH32 的 EVB 后，可在串口终端查看结果：
SHA-1 : 29b0e7878271645fffb7eec7db4a7473a1c00bc1
SHA256: fa0dafbf43f1f551e536353e9d1a942a8e86e41a0b58dfeaf264ef217f6b862a
SHA1 和 SHA256 的 Python 结果
通过与网上的对比，发现SHA的硬件功能运行正常。
与Python 比对结果一致，表明硬件 SHA 功能正常。
结论
WIZnet W55MH32 微控制器所支持的硬件 SHA-1 和 SHA-256 功能，为嵌入式系统提供了增强安全性的有力工具。将 SHA 功能集成到应用中，开发者能够实现数据完整性验证、通信认证、防止非法篡改，并同时享受硬件加速带来的性能优势。 有关详细实现示例和更多信息，请参考 WIZnet 官方文档及示例工程。
