DSP程序的加密保護(hù)體制設(shè)計(jì)

目前，DSP以其卓越的性能、獨(dú)有的特點(diǎn)，已經(jīng)成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。同時(shí)，隨著對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視，在利用DSP進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，如何保護(hù)自己的成果，防止破譯者竊取，也成為設(shè)計(jì)者工作在一個(gè)重要方面[1,2]。如果產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，那么可以利用掩膜技術(shù)等工藝將操作程序及數(shù)據(jù)寫入芯片，使它們不能被讀出，達(dá)到保護(hù)的效果。對(duì)于還沒有形成規(guī)模的產(chǎn)品，使用這樣的方法就會(huì)使成本大大增加。因此，本文提出一種方法，利用3DES、Geff發(fā)生器和MD5等算法，構(gòu)造一種加密體制，來保護(hù)DSP程序。 　　

1 加密原理及硬件結(jié)構(gòu)
　　
1.1 加密原理
　　
該體制的加密原理可分為2個(gè)層次。首先是對(duì)程序的初始保護(hù)，就是把程序?qū)懭隓SP芯片之前，對(duì)源代碼進(jìn)行加密處理，然后將密文寫放入芯片。這樣芯片中就不存在明文形式的源代碼。當(dāng)要運(yùn)行該程序時(shí)，就從微狗中取出密鑰進(jìn)行解密，再繼續(xù)運(yùn)行。第2個(gè)層次就是在DSP程序運(yùn)行過程中的連續(xù)保護(hù)。它的處理對(duì)象是一些重要參數(shù)或變時(shí)，通過“加鎖”，讓它們一直以密文形式存在于程序中。只有需要使用這些數(shù)據(jù)時(shí)，才從微狗內(nèi)取出密鑰進(jìn)行解密。使用結(jié)束后，仍舊“加鎖”保護(hù)，使之仍然是密文形式。
　　
1.2 硬件結(jié)構(gòu)
　　
在這種加密體制中，需要1片微狗實(shí)現(xiàn)密鑰管理。如果原來的DSP系統(tǒng)中已經(jīng)存在帶有加密位的EPLD、CPLD或單片機(jī)，就可以利用以有資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，把它們作為微狗，完全不需要額外的硬件支持。否則，不妨用1片單片機(jī)完成微狗功能。這是由其良好的性價(jià)比決定的。
　　
2 工作過程和密鑰管理
　　
根據(jù)加密原理，該體制的工作過程同樣分為2個(gè)層次。首先，是初始程序保護(hù)，它以程序整體為處理對(duì)象。然后，是基于數(shù)據(jù)的連續(xù)保護(hù)。保護(hù)對(duì)象是一些重要參數(shù)事變量。它保證了加密貫穿程序運(yùn)行的整個(gè)過程。在工作過程中，密鑰管理非常關(guān)鍵，可以說，該體制的安全與否就體現(xiàn)在密鑰管理上。
　　
2.1 初始程序保護(hù)
　　
初始程序保護(hù)使用的加密算法是3DES算法，加密結(jié)束后，銷毀密鑰，同時(shí)將密文寫入芯片。這樣芯片內(nèi)就不存在程序的明文形式，可以防止別人通過簡單的反匯編得到程序源代碼。開始運(yùn)行DSP程序時(shí)，就在DSP監(jiān)控程序的控制下，從微狗內(nèi)取出相應(yīng)的密鑰，解密恢復(fù)出源代碼。
　　
微狗主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理功能。內(nèi)部密鑰的生成機(jī)制和主程序完全相同。把主程序以密文形式寫入DSP芯片時(shí)，通過監(jiān)控程序告知微狗，微狗內(nèi)部同時(shí)生成對(duì)應(yīng)密鑰K0；主程序開始運(yùn)行時(shí)，再在監(jiān)控程序控制下，從微狗內(nèi)取出密鑰K0，解密，得到明文形式源代碼。
　　
可是，由于只有1個(gè)密鑰，破譯者完全可以通過截取DSP和微狗之間的通信數(shù)據(jù)，很容易地得到密鑰。一旦得到密鑰，這種保護(hù)體制也就形同虛設(shè)了。因此，我們又采取了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)保護(hù)。
　　
2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)保護(hù)
　　
所謂基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)保護(hù)，即是對(duì)程序中重要的參數(shù)或變量進(jìn)行加密處理。由于這些參數(shù)或變量在程序運(yùn)行時(shí)需要反復(fù)使用。故而通過對(duì)它們的保護(hù)，就可以使加密貫空程序的整個(gè)運(yùn)行過程。
　　
譬如對(duì)濾波器系數(shù)ap的保護(hù)，將其加密，即“加鎖”，同時(shí)銷毀密鑰。在求ap+1時(shí)，需要用到ap，就向監(jiān)控程序發(fā)出申請(qǐng)，在它的控制下，從微狗中取出對(duì)應(yīng)密鑰，開銷，恢復(fù)ap，進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)束后，再將ap和ap+1“加鎖"，保存，繼續(xù)執(zhí)行DSP主程序。這樣不停地“加鎖”、“開鎖”，使得在同一時(shí)刻DSP主程序中都存在密文。
　　
此時(shí)微狗中密鑰的生成必須和DSP主程序中的加密處理“同步”，即主程序的加密密鑰要和微狗內(nèi)生成的對(duì)應(yīng)密鑰相同。這個(gè)可以由DSP監(jiān)控程序利用DSP內(nèi)部的中斷程序協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。使用密鑰Ki對(duì)某參數(shù)或變量加密結(jié)束后，通過中斷告訴監(jiān)控程序加密完成，然后鎖毀該密鑰。繼續(xù)執(zhí)行DSP程序時(shí)，若需要使用該參數(shù)或變量，就向監(jiān)控程序發(fā)出要求，在監(jiān)控程序的控制下，從微狗中取出對(duì)應(yīng)密鑰Ki，解密。其具體過程如圖1所示。

　　
其中，a、b為主程序和DSP監(jiān)控程序之間的數(shù)據(jù)交換，包括彼此呼叫與應(yīng)答；c為DSP監(jiān)控程序?qū)ξ⒐返目刂疲l(fā)出某種命令；d是主程序在DSP監(jiān)控程序的控制下，從微狗內(nèi)取出相應(yīng)的密鑰。
　　
微狗將生成的密鑰依次排列，然后等待主程序取密鑰。不論是初始程序保護(hù)還是基于數(shù)據(jù)的連續(xù)保護(hù)，都只受監(jiān)控程序的控制。這樣可以保證主程序獲得正確密鑰。
　　
加入連續(xù)保護(hù)后，破譯者要想得到源代碼，必須跟蹤程序的整個(gè)運(yùn)行過程。這樣，對(duì)于破譯者而言，所花費(fèi)的代價(jià)等于自己獨(dú)立寫一套程序，顯然也失去了破譯的必要。
　　
2.3 細(xì)節(jié)處理
　　
除了上述保護(hù)措施，還可以使用一些編程技巧，在細(xì)節(jié)上小心謹(jǐn)慎，寫出讓人“眼花繚亂”的程序，否則，破譯者很可能不必完全跟蹤，就能夠獲取源程序。因?yàn)槟康氖且曰髣e人，所以就得盡量破壞程序的可讀性。譬如打亂程序的正常順序，使其顯得雜亂無章；適時(shí)適地插入無用代碼，增強(qiáng)干擾；使參數(shù)變量的命名晦澀難懂，絕對(duì)不能有key、digest等諸如此類可以望文生義的名稱。總之，要讓破譯者對(duì)獲取的內(nèi)容不知所云，以增加其還原源程序的難度。

3 相關(guān)算法及密鑰生成機(jī)制
　　
該體制的加密算法是3DES，是個(gè)對(duì)稱算法。其安全性可以說完全體現(xiàn)在密鑰上。因此，如何產(chǎn)生一個(gè)“安全”的密鑰至為關(guān)鍵。在密鑰的生成機(jī)制中，用到了Geffe發(fā)生器和MD5算法。
　　
3.1 相關(guān)算法[3]
　　
（1）3DES算法
　　
數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES（Data Encryption Standard）產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過20多年的使用，目前仍是一個(gè)世界內(nèi)的加密標(biāo)準(zhǔn)。這說明它的安全性相當(dāng)高。它是一個(gè)分組加密算法，以64位分組對(duì)數(shù)據(jù)加密。密鑰K的長度也是64位，可以是任意數(shù)。DES算法是對(duì)稱的，加密與解密使用相同的算法與密鑰（除了密鑰的編排順序不同）。因而可以說，DES算法的保密性完全依賴于密鑰K。
　　
目前對(duì)DES的破譯，最有效的是窮舉功擊。之所以說DES已經(jīng)不太安全，是因?yàn)槠涿荑€短。以現(xiàn)今的運(yùn)算技術(shù)來說，計(jì)算量已經(jīng)不算很大。不過，如果增加密鑰的長度，其安全性也可以相應(yīng)地增強(qiáng)。3DES正是基于這樣的原理。加密時(shí)，使用2個(gè)不同的密鑰K1和密鑰K2對(duì)1個(gè)分組進(jìn)行3次加密。也就是說，先用密鑰K1加密，然后用密鑰K2解密，最后用密鑰K1加密；解密時(shí)則先用密鑰K1解密，然后用密鑰K2加密，最后用密鑰K1解密。
　　
計(jì)算式如下：
　　
C=E1(D2(E1(P)))? ? (1)

P=D1(E1(D1(C)))? ? (2)
　　
其中，P為明文，C為密文。Ei()為加密函數(shù)，Di()為解密函數(shù)。
　　
（2）Geffe發(fā)生器
　　
Geffe發(fā)生器是一種密鑰序列發(fā)生器，利用線性反饋移位寄存器LFSR（Linear Feedback Shift Register）產(chǎn)生序列密碼。LFSR的輸出就是m序列，是一個(gè)偽隨機(jī)序列。Geffe發(fā)生器使用了3個(gè)LFSR,以非線生方式組合。其中，2個(gè)LFSR作為復(fù)合器的輸入，第3個(gè)LFSR控制復(fù)合器的輸出。使用相關(guān)攻擊，Geffe發(fā)生器的破譯并不難，故而不能直接將它作為3DES算法的密鑰，因此這里對(duì)其作取摘要處理。
　　
（3）MD5算法
　　
MD5（Message Digest）算法是由MIT的密碼專家，RSA算法的發(fā)明人之一Ron Rivest設(shè)計(jì)發(fā)明的一種認(rèn)證算法標(biāo)準(zhǔn)。MD5算法完成于1992年，它可以對(duì)任意長的報(bào)文輸入，得到1個(gè)128位的輸出。該算法可以保證2條不同的報(bào)文產(chǎn)生相同的摘要的可能性很小，并且由給定的摘要反向求其對(duì)應(yīng)的報(bào)文極端困難。因此將摘要作為密鑰既可以保證隨機(jī)性，安全性也能提高了不少。
　　
3.2 密鑰的生成機(jī)制
　　
無論從3DES算法本身，還是從該體制的加密原理來講，密鑰的生成機(jī)制都至關(guān)重要。因此，必須保證使用的密鑰是安全的。其安全性體現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是密鑰本身是隨機(jī)的；一是密鑰的管理機(jī)制。
　　
密鑰的生成過程如下：先由Geffe發(fā)生器得到一隨機(jī)序列，然后通過MD5算法取摘要，得到的128比特?cái)?shù)據(jù)就是密鑰K1和密鑰K2組合。由Geffe發(fā)生器及MD5算法原理可以看出，這樣產(chǎn)生的密鑰是隨機(jī)的。
　　
由該體制的工作過程可以看出，密鑰的管理是安全的。這是由于在主程序內(nèi)，加密結(jié)束后，隨即將密鑰銷毀，主程序內(nèi)不保留密鑰；使用密鑰時(shí)，通過監(jiān)控程序從微狗內(nèi)獲取。微狗和DSP是物理分開的，保證了密鑰存放的安全。
　　
4 結(jié)果分析
　　
嚴(yán)格地說，這種方法并不屬于加密，只是一種保護(hù)手段——利用幾個(gè)簡單的，結(jié)合DSP和單片機(jī)的特點(diǎn)，構(gòu)造一種保護(hù)體制。甚至其效果究竟如何，可以從2個(gè)方面分析。
　　
4.1 安全性分析
　　
既然是一種保護(hù)方法，那么安全性是最重要的指標(biāo)。由這種體制的加密原理及工作過程，可以看出安全性可以保護(hù)。3DES算法，無論從理論上還是實(shí)踐上，都是一種相當(dāng)好的加密算法。雖然利用窮舉攻擊，該算法最終可以破譯，但需要2 112次窮舉，所花費(fèi)的代價(jià)實(shí)在太大，可以說得不償失。因此，只要保證密鑰的安全，可以認(rèn)為這種保護(hù)體制是完全的。而從密鑰的生成過程和管理機(jī)制來講，密鑰是安全的。
　　
4.2 性能分析[4～6]
　　這種保護(hù)方法的速度很快，因?yàn)?DES算法要是混亂和擴(kuò)散的組合，只使用了標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。Geffe發(fā)生器和MD5算法用到的也主要是邏輯運(yùn)算，用DSP或者單片機(jī)實(shí)現(xiàn)非常方便。譬如對(duì)于TMS320VC5402來說，Geffe發(fā)生器產(chǎn)生64字的偽隨機(jī)序列需要296 544個(gè)周期，MD5處理64個(gè)字長的消息需要用3400個(gè)周期，所花費(fèi)的時(shí)間分別為2965ms和0.003ms。
　　
因此，我們只是利用了一些簡單的算法，結(jié)合DSP和1片微狗，構(gòu)造出1個(gè)DSP程序保護(hù)體制，以小代價(jià)獲得了好的效果，還是很值得的。