單片機系統(tǒng)的動態(tài)加密技術
關鍵詞：單片機系統(tǒng) 動態(tài)加密技術 FPGA
1 概述
隨著單片機技術的發(fā)展和廣泛應用，許多使用單片機的高新技術產(chǎn)品諸如智能化儀器、儀表、小型工業(yè)控制系統(tǒng)等都面臨著一個令人頭痛的問題，那就是新產(chǎn)品剛一推出就被仿制和剽竊。這種現(xiàn)象會使產(chǎn)品開發(fā)商蒙受很大損失，同時也極大地挫傷了開發(fā)商的積極性。創(chuàng)新開發(fā)是一個公司競爭力的關鍵，如何保護好自己的勞動成果，除用法律手段外，在產(chǎn)品面市前作好加密是一個必不可少的環(huán)節(jié)。
單片機系統(tǒng)一般都采用MCU+EPROM模式。通常EPROM都是透明的，而采用的MCU一般有Intel公司的MCS51、52系列，Zilog公司的Z80、Z84系列、Motorola公司的MC68HC系列以及Microchip公司的PIC16C系列等。雖然有許多的MCU都帶有加密位，但現(xiàn)在已大多能破解。因此，單靠MCU本身加密位來進行加密已極不可靠的。
2 常用加密技術分析
常用的單片機加密技術無非是硬件加密和軟件加密兩種。軟件加密不能防止別人復制，只能增加別人解剖分析的難度，但對高手而言，這不足為慮。所以，這里討論的加密主要是硬件加密?？偨Y(jié)起來，主要是以下三大類。
2.1 總線亂置法
總線亂置法通常是將MCU和EPROM之間的數(shù)據(jù)線和地址線的順序亂置?？偩€亂置法通常包括下面幾種：
(1)將數(shù)據(jù)或地址總線的某些線位交換或求反；
(2)將數(shù)據(jù)或地址總線中的某些線進行異或。例如，D5'=D5，D6'=D5+6等；
(3)把(1)(2)結(jié)合起來以構(gòu)成較復雜的電路；
(4)采用EPROM時，把地址總線（或數(shù)據(jù)總線）與系統(tǒng)程序的存儲器地址（或數(shù)據(jù)）的對應關系按密鑰交換。例如，用一片2764芯片存儲密鑰，把地址的高8位重新按密鑰編碼，也就是說，把原程序的頁號順序打亂；
(5)采用GAL器件，利用GAL的加密片來對硬件電路進行加密。
2.2 RAM替代法
用電池對RAM進行掉電數(shù)據(jù)保護。即先將一系列數(shù)據(jù)寫入RAM并接上電池，然后將其余的芯片插上。這樣，當單片微機系統(tǒng)運行后，CPU首先從RAM讀出數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以是CPU執(zhí)行程序的條件判別依據(jù)，也可以是CPU將要執(zhí)行的程序。如果數(shù)據(jù)正確，整個系統(tǒng)正常運行。反之，系統(tǒng)不能運行。
2.3 利用MCU本身的加密位進行加密
現(xiàn)在很多的MCU都帶有加密位，其中最成功的加密方法是總線燒毀法，此法在AT89C51中運行用得最成功。即把單片機數(shù)據(jù)總線的特定I/O永久性地破壞，解密者即使擦除了加密位，也無法讀出片內(nèi)程序的正確代碼。此外還有破壞EA引腳的方法。
一般來說，上述的加密方法各有優(yōu)點，但都存在致命的缺點：第一種方法有兩個主要缺點：一是密鑰放在哪里才能不被破譯；二是用仿真器很容易就能把源程序截取出來。第二種方法同樣可以用仿真器把數(shù)據(jù)區(qū)調(diào)出來，另外還可以把RAM接上電池，取下來放在仿真器上讀出來。第三種方法用來加密小程序是成功的，但由于總線已被破壞，因而不能再使用總線來擴展接口芯片和存儲器。同時，片內(nèi)存儲器也不再具有重復編程特性。
3 常用解密方法分析
加密和解密長期以來就是一對矛盾。要做好加密，必須先了解現(xiàn)在的解密水平及手段。目前的解密手段大致可分為下面四種。
3.1 恢復加密位法
該方法能破解常規(guī)用E2COMS工藝的存儲加密位芯片。它包括兩個系列：
第一是MCU系列，例如MCS51系列（包括89C、97C、W78E/77E系列等）、Z84E系列、PIC16C/12C系列、MC68HC系列等。
第二是PLD，如CPLD的GAL，PALCE的16V8、20V8、22V10，Altera的EPM7032、EMP7064、EMP7128，Lattice的LSP1016、LSP1024和Atmel的ATV750/2500等。
3.2 邏輯分析法
該方法主要采用示波器、邏輯分析儀和MDU解密儀等分析工具分配一些邏輯較簡單的可編程器件的邏輯功能。
3.3 仿真器軟件跟蹤分析法
此方法適用于破解一些未帶加密功能的單片機系統(tǒng)（如8031，Z80等系統(tǒng)），而對于有加密功能的單片機系統(tǒng)，則可先破解其單片機的源程序，然后進行仿真分析。
3.4 芯片揭蓋分析法
現(xiàn)在市場上十萬門以下的芯片多功能通過揭蓋來進行逆向分析，但此破解法費用甚高。此法適用于破解專門的ASIC芯片。
綜上所述，一般芯片及常規(guī)加密手段很難實現(xiàn)有效加密。嚴格來說，要做到絕對的加密是不可能的。選好適當?shù)男酒?，采用合適的加密技術，使仿制者面對需付高昂的解密費而卻步，那就意味著加密工作的成功。
4 動態(tài)加密技術原理
動態(tài)加密技術的主要思路是：在程序看到的是虛地址，而虛地址對應的存儲器的實地址由CPU程序運行時通過FPGA賦予。其原理如圖1所示。
舉例說明，若調(diào)用子程序CALL Function時，對應于同一個子程序調(diào)用，第一次調(diào)用的是真正的Function，絕對地址可能在1000H。而在第二次調(diào)用Function時，實地址可能是2000H，功能可能根本與Function不相同，這樣，只要在調(diào)用前把實地址通過軟件置進去就可以了。因此可以通過連續(xù)表面調(diào)用同一個子程序Function，而實際則是分別調(diào)用幾個不同的子程序來實現(xiàn)加密。至于虛地址映射到何處的實地址，可由編程者自己安排，故只需在調(diào)用前輸出實地址的對應關系即可。這種軟件與硬件相結(jié)合、虛地址與實地址相結(jié)合的加密方法使破解者即使獲得源程序也極難分析出對應關系。
但這種動態(tài)加密技術也有漏動，如很難對付仿真器單步跟蹤分析，因此，須做進一步個性。改進的方法之一是在FPGA內(nèi)設計一個計數(shù)器，并由CPU定時清零，否則一旦超過時限，F(xiàn)PGA將停止一切操作而使CPU無法運行，就更不用說仿真了。改進方法之二是在FPGA內(nèi)做一密，并由CPU運行足夠長的時間后去訪問FPGA，以讀取密碼并比較，若出錯則由CPU破壞主內(nèi)存RAM的內(nèi)容，從而導致所有結(jié)果出錯。用這種方法足可以對付邏輯分析儀的跟蹤分析。
對于數(shù)據(jù)加密，可采用與密鑰邏輯異或的方法。對于這種方法密鑰以及動態(tài)加密技術的邏輯函數(shù)都必須放在一個較難破譯的芯片上。鑒于對芯片解密技術的了解，筆者推薦使用Actel公司生產(chǎn)的42MX系列的FPGA來進行一次性編程，該芯片不可讀出碼點文件，市場上無法破解。同時，其資源也極為豐富，設計工具完整，且用VHDL語言極易實現(xiàn)各種功能。
5 結(jié)束語
隨著單片機系統(tǒng)越來越廣泛的，其安全保密問題也越來越受到重視。密碼學為其提供了正確的理論基礎。同時，性能優(yōu)良的硬件是實現(xiàn)其安全保密的物質(zhì)基礎。二者缺一不可。加密解密長期以來就是一對矛盾，解密技術隨著科學技術的發(fā)展不斷創(chuàng)新。因此，只有對解密技術有了深刻的了解，才能做好加密工作，從在則確保產(chǎn)品的安全。
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