DSP程序构造的加密体制 - 单片机/处理器 - 电子工程师俱乐

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目前，DSP以其卓越的性能、独有的特点，已经成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。同时，随着对知识产权的重视，在利用DSP进行产品设计时，如何保护自己的成果，防止破译者窃取，也成为设计者工作在一个重要方面[1,2]。如果产品大批量生产，那么可以利用掩膜技术等工艺将操作程序及数据写入芯片，使它们不能被读出，达到保护的效果。对于还没有形成规模的产品，使用这样的方法就会使成本大大增加。因此，本文提出一种方法，利用3DES、Geff发生器和MD5等算法，构造一种加密体制，来保护DSP程序。 　　

1 加密原理及硬件结构
　　
1.1 加密原理
　　
该体制的加密原理可分为2个层次。首先是对程序的初始保护，就是把程序写入DSP芯片之前，对源代码进行加密处理，然后将密文写放入芯片。这样芯片中就不存在明文形式的源代码。当要运行该程序时，就从微狗中取出密钥进行解密，再继续运行。第2个层次就是在DSP程序运行过程中的连续保护。它的处理对象是一些重要参数或变时，通过“加锁”，让它们一直以密文形式存在于程序中。只有需要使用这些数据时，才从微狗内取出密钥进行解密。使用结束后，仍旧“加锁”保护，使之仍然是密文形式。
　　
1.2 硬件结构
　　
在这种加密体制中，需要1片微狗实现密钥管理。如果原来的DSP系统中已经存在带有加密位的EPLD、CPLD或单片机，就可以利用以有资源进行设计，把它们作为微狗，完全不需要额外的硬件支持。否则，不妨用1片单片机完成微狗功能。这是由其良好的性价比决定的。
　　
2 工作过程和密钥管理
　　
根据加密原理，该体制的工作过程同样分为2个层次。首先，是初始程序保护，它以程序整体为处理对象。然后，是基于数据的连续保护。保护对象是一些重要参数事变量。它保证了加密贯穿程序运行的整个过程。在工作过程中，密钥管理非常关键，可以说，该体制的安全与否就体现在密钥管理上。
　　
2.1 初始程序保护
　　
初始程序保护使用的加密算法是3DES算法，加密结束后，销毁密钥，同时将密文写入芯片。这样芯片内就不存在程序的明文形式，可以防止别人通过简单的反汇编得到程序源代码。开始运行DSP程序时，就在DSP监控程序的控制下，从微狗内取出相应的密钥，解密恢复出源代码。
　　
微狗主要实现密钥管理功能。内部密钥的生成机制和主程序完全相同。把主程序以密文形式写入DSP芯片时，通过监控程序告知微狗，微狗内部同时生成对应密钥K0；主程序开始运行时，再在监控程序控制下，从微狗内取出密钥K0，解密，得到明文形式源代码。
　　
可是，由于只有1个密钥，破译者完全可以通过截取DSP和微狗之间的通信数据，很容易地得到密钥。一旦得到密钥，这种保护体制也就形同虚设了。因此，我们又采取了基于数据驱动的连续保护。
　　
2.2 基于数据驱动的连续保护
　　
所谓基于数据驱动的连续保护，即是对程序中重要的参数或变量进行加密处理。由于这些参数或变量在程序运行时需要反复使用。故而通过对它们的保护，就可以使加密贯空程序的整个运行过程。
　　
譬如对滤波器系数ap的保护，将其加密，即“加锁”，同时销毁密钥。在求ap+1时，需要用到ap，就向监控程序发出申请，在它的控制下，从微狗中取出对应密钥，开销，恢复ap，进行运算。运算结束后，再将ap和ap+1“加锁"，保存，继续执行DSP主程序。这样不停地“加锁”、“开锁”，使得在同一时刻DSP主程序中都存在密文。
　　
此时微狗中密钥的生成必须和DSP主程序中的加密处理“同步”，即主程序的加密密钥要和微狗内生成的对应密钥相同。这个可以由DSP监控程序利用DSP内部的中断程序协调实现。使用密钥Ki对某参数或变量加密结束后，通过中断告诉监控程序加密完成，然后锁毁该密钥。继续执行DSP程序时，若需要使用该参数或变量，就向监控程序发出要求，在监控程序的控制下，从微狗中取出对应密钥Ki，解密。其具体过程如图1所示。

　　
其中，a、b为主程序和DSP监控程序之间的数据交换，包括彼此呼叫与应答；c为DSP监控程序对微狗的控制，发出某种命令；d是主程序在DSP监控程序的控制下，从微狗内取出相应的密钥。
　　
微狗将生成的密钥依次排列，然后等待主程序取密钥。不论是初始程序保护还是基于数据的连续保护，都只受监控程序的控制。这样可以保证主程序获得正确密钥。
　　
加入连续保护后，破译者要想得到源代码，必须跟踪程序的整个运行过程。这样，对于破译者而言，所花费的代价等于自己独立写一套程序，显然也失去了破译的必要。
　　
2.3 细节处理
　　
除了上述保护措施，还可以使用一些编程技巧，在细节上小心谨慎，写出让人“眼花缭乱”的程序，否则，破译者很可能不必完全跟踪，就能够获取源程序。因为目的是要迷惑别人，所以就得尽量破坏程序的可读性。譬如打乱程序的正常顺序，使其显得杂乱无章；适时适地插入无用代码，增强干扰；使参数变量的命名晦涩难懂，绝对不能有key、digest等诸如此类可以望文生义的名称。总之，要让破译者对获取的内容不知所云，以增加其还原源程序的难度。

3 相关算法及密钥生成机制
　　
该体制的加密算法是3DES，是个对称算法。其安全性可以说完全体现在密钥上。因此，如何产生一个“安全”的密钥至为关键。在密钥的生成机制中，用到了Geffe发生器和MD5算法。
　　
3.1 相关算法[3]
　　
（1）3DES算法
　　
数据加密标准DES（Data Encryption Standard）产生于20世纪70年代。经过20多年的使用，目前仍是一个世界内的加密标准。这说明它的安全性相当高。它是一个分组加密算法，以64位分组对数据加密。密钥K的长度也是64位，可以是任意数。DES算法是对称的，加密与解密使用相同的算法与密钥（除了密钥的编排顺序不同）。因而可以说，DES算法的保密性完全依赖于密钥K。
　　
目前对DES的破译，最有效的是穷举功击。之所以说DES已经不太安全，是因为其密钥短。以现今的运算技术来说，计算量已经不算很大。不过，如果增加密钥的长度，其安全性也可以相应地增强。3DES正是基于这样的原理。加密时，使用2个不同的密钥K1和密钥K2对1个分组进行3次加密。也就是说，先用密钥K1加密，然后用密钥K2解密，最后用密钥K1加密；解密时则先用密钥K1解密，然后用密钥K2加密，最后用密钥K1解密。
　　
计算式如下：
　　
C=E1(D2(E1(P)))  (1)

P=D1(E1(D1(C)))  (2)
　　
其中，P为明文，C为密文。Ei()为加密函数，Di()为解密函数。
　　
（2）Geffe发生器
　　
Geffe发生器是一种密钥序列发生器，利用线性反馈移位寄存器LFSR（Linear Feedback Shift Register）产生序列密码。LFSR的输出就是m序列，是一个伪随机序列。Geffe发生器使用了3个LFSR,以非线生方式组合。其中，2个LFSR作为复合器的输入，第3个LFSR控制复合器的输出。使用相关攻击，Geffe发生器的破译并不难，故而不能直接将它作为3DES算法的密钥，因此这里对其作取摘要处理。
　　
（3）MD5算法
　　
MD5（Message Digest）算法是由MIT的密码专家，RSA算法的发明人之一Ron Rivest设计发明的一种认证算法标准。MD5算法完成于1992年，它可以对任意长的报文输入，得到1个128位的输出。该算法可以保证2条不同的报文产生相同的摘要的可能性很小，并且由给定的摘要反向求其对应的报文极端困难。因此将摘要作为密钥既可以保证随机性，安全性也能提高了不少。
　　
3.2 密钥的生成机制
　　
无论从3DES算法本身，还是从该体制的加密原理来讲，密钥的生成机制都至关重要。因此，必须保证使用的密钥是安全的。其安全性体现为两个方面：一是密钥本身是随机的；一是密钥的管理机制。
　　
密钥的生成过程如下：先由Geffe发生器得到一随机序列，然后通过MD5算法取摘要，得到的128比特数据就是密钥K1和密钥K2组合。由Geffe发生器及MD5算法原理可以看出，这样产生的密钥是随机的。
　　
由该体制的工作过程可以看出，密钥的管理是安全的。这是由于在主程序内，加密结束后，随即将密钥销毁，主程序内不保留密钥；使用密钥时，通过监控程序从微狗内获取。微狗和DSP是物理分开的，保证了密钥存放的安全。
　　
4 结果分析
　　
严格地说，这种方法并不属于加密，只是一种保护手段——利用几个简单的，结合DSP和单片机的特点，构造一种保护体制。甚至其效果究竟如何，可以从2个方面分析。
　　
4.1 安全性分析
　　
既然是一种保护方法，那么安全性是最重要的指标。由这种体制的加密原理及工作过程，可以看出安全性可以保护。3DES算法，无论从理论上还是实践上，都是一种相当好的加密算法。虽然利用穷举攻击，该算法最终可以破译，但需要2 112次穷举，所花费的代价实在太大，可以说得不偿失。因此，只要保证密钥的安全，可以认为这种保护体制是完全的。而从密钥的生成过程和管理机制来讲，密钥是安全的。
　　
4.2 性能分析[4～6]
　　这种保护方法的速度很快，因为3DES算法要是混乱和扩散的组合，只使用了标准的算术和逻辑运算。Geffe发生器和MD5算法用到的也主要是逻辑运算，用DSP或者单片机实现非常方便。譬如对于TMS320VC5402来说，Geffe发生器产生64字的伪随机序列需要296 544个周期，MD5处理64个字长的消息需要用3400个周期，所花费的时间分别为2965ms和0.003ms。
　　
因此，我们只是利用了一些简单的算法，结合DSP和1片微狗，构造出1个DSP程序保护体制，以小代价获得了好的效果，还是很值得的。