數(shù)據(jù)加密技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：在裝備的試用狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護等方面，數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。針對嵌入式系統(tǒng)的特點和數(shù)據(jù)加密需求，給出了一種可應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法。該方法在隨機數(shù)序列的基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，并綜合應(yīng)用了數(shù)據(jù)二次尋址、置換表、數(shù)據(jù)字節(jié)運算、改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗等技術(shù)，相同明文每次加密后形成的密文數(shù)據(jù)各不相同，具有加密強度高、算法容易實現(xiàn)、密文數(shù)據(jù)防篡改等特點。該技術(shù)已成功應(yīng)用于C8051F020和MSP430F135單片機系統(tǒng)，分別實現(xiàn)了某兩型裝備的試用期狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)加密；數(shù)據(jù)尋址；密鑰

0 引言
    當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在武器裝備和民用產(chǎn)品的各個領(lǐng)域，在其越來越智能化的同時，與之運行有關(guān)的各種工作參數(shù)等設(shè)置數(shù)據(jù)也越來越成為需要保護的對象。
    某些系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作狀態(tài)設(shè)置參數(shù)、測量結(jié)果等敏感數(shù)據(jù)必須經(jīng)過授權(quán)才能被設(shè)置或查看。在沒有授權(quán)的情況下，即使得到敏感數(shù)據(jù)，也無法破解數(shù)據(jù)的真正含義。在具有“試用風(fēng)險管理”功能的民用產(chǎn)品中，產(chǎn)品交付用戶的日期、試用期限及試用狀態(tài)(類似于軟件產(chǎn)品的“試用版本”)、試用狀態(tài)到交付狀態(tài)的設(shè)置、產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品工作狀態(tài)設(shè)置口令等數(shù)據(jù)直接關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的經(jīng)濟利益。產(chǎn)品試用期結(jié)束后，產(chǎn)品工作狀態(tài)升級等設(shè)置數(shù)據(jù)需要通過用戶傳遞給設(shè)備，因此，在客觀上就需要一種強有力的安全措施來保護這些敏感數(shù)據(jù)不被篡改或非法應(yīng)用到其他同型產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)加密的應(yīng)用實例
    數(shù)據(jù)加密在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實例如圖1所示。在該應(yīng)用中，包括“遠(yuǎn)程控制端”和“用戶端”兩個子系統(tǒng)，其中“遠(yuǎn)程控制端”可以是上級機關(guān)，也可以是民用產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售單位。在“遠(yuǎn)程控制端”，根據(jù)密鑰文件，敏感數(shù)據(jù)被加密處理后形成密文數(shù)據(jù)，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)或非涉密人員進(jìn)行傳遞。密文數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備的使用單位后，再由非涉密的使用人員(或民用產(chǎn)品用戶)把這些數(shù)據(jù)輸入嵌入式設(shè)備。設(shè)備根據(jù)其存儲的密鑰數(shù)據(jù)把密文還原成內(nèi)部可識別的敏感數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)操作，從而最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端對設(shè)備的控制；把嵌入式設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端的過程與之相反，首先敏感數(shù)據(jù)由嵌入式設(shè)備進(jìn)行加密處理，再通過互聯(lián)網(wǎng)或其他非涉密渠道傳送到遠(yuǎn)程控制端，密文數(shù)據(jù)解密后即可還原成原始數(shù)據(jù)。

    在設(shè)備試用狀態(tài)管理的應(yīng)用實例中，“遠(yuǎn)程控制端”密文數(shù)據(jù)的產(chǎn)生由“遠(yuǎn)程控制端”密文數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序?qū)崿F(xiàn)，密文數(shù)據(jù)的具體功能由數(shù)據(jù)“任務(wù)類型”定義，包括升級到交裝狀態(tài)、延長試用期限、交裝狀態(tài)和試用狀態(tài)出廠參數(shù)設(shè)置等4種任務(wù)，用戶界面如圖2所示。只要操作人員在用戶界面上輸入設(shè)備序列號、用戶密碼、任務(wù)類型等數(shù)據(jù)，再點擊“創(chuàng)建文件”，密文數(shù)據(jù)即可生成，然后即可把該密文數(shù)據(jù)文件通過互聯(lián)網(wǎng)等傳遞給用戶。當(dāng)用戶把該密文數(shù)據(jù)注入設(shè)備時，設(shè)備按規(guī)定的算法把數(shù)據(jù)解密后，再判斷設(shè)備序列號和用戶密碼是否與設(shè)備定義一致，如果一致則執(zhí)行密文數(shù)據(jù)定義的任務(wù)。通過這樣的方法，設(shè)備生產(chǎn)廠商即可實現(xiàn)對設(shè)備試用狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。
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2 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密技術(shù)的特點
    所謂數(shù)據(jù)加密技術(shù)是指將信息(或稱明文)經(jīng)過加密鑰匙及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無意義的密文，而接收方將此密文經(jīng)過解密函數(shù)、解密鑰匙還原成明文的技術(shù)。
    數(shù)據(jù)加密技術(shù)要求只有在指定的用戶或網(wǎng)絡(luò)下，才能解除密碼而獲得原來的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方都需要一些特殊的信息用于加解密，這就是所謂的密鑰(或加密算法)。密鑰分為專用密鑰和公開密鑰兩種。嵌入式系統(tǒng)中用戶端的密鑰存儲在硬件設(shè)備中，因數(shù)據(jù)存儲芯片在硬件上設(shè)置有加密機制，無法被讀取或破譯，因此采用專用密鑰這種簡單的形式即可滿足要求。
    在嵌入式系統(tǒng)中，“遠(yuǎn)程控制端”的密鑰由遠(yuǎn)程控制人員掌握，“用戶端”的密鑰存儲在嵌入式系統(tǒng)中，用戶無法得到密鑰數(shù)據(jù)，就無法破解密文數(shù)據(jù)，從而無法擅自設(shè)置嵌入式設(shè)備中需要保護的工作參數(shù)和工作狀態(tài)。
    根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點及加密技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)加密具有以下幾個特點：
    (1)加密算法要簡單且容易在MCU上實現(xiàn)，占用的字節(jié)數(shù)要盡可能少；
    (2)應(yīng)具有較高的加密強度。如果用戶有多臺設(shè)備，就有機會獲得多套密文數(shù)據(jù)。由于設(shè)備和密文數(shù)據(jù)都處于用戶掌控之下，如果加密強度不夠，密文數(shù)據(jù)將很容易被破解，并被非法應(yīng)用到其他設(shè)備；
    (3)加密技術(shù)應(yīng)能識別密文數(shù)據(jù)是否被非法篡改，以防止用戶更改數(shù)據(jù)后再在設(shè)備上試驗，進(jìn)而逐步掌握密文數(shù)據(jù)的加密規(guī)則；
    (4)密文數(shù)據(jù)中應(yīng)包含設(shè)備序列號信息，以防止數(shù)據(jù)被非法應(yīng)用到其他設(shè)備。

3 數(shù)據(jù)加密的實現(xiàn)方法
    下面介紹的數(shù)據(jù)加密方法已成功應(yīng)用薊某嵌入式設(shè)備中。其基本過程是，先把被加密數(shù)據(jù)通過“置換表”法、數(shù)據(jù)字節(jié)運算等加密算法進(jìn)行加密處理，再把加密后的數(shù)據(jù)根據(jù)一定的規(guī)則隨機地插入到一隨機數(shù)序列中，同時把該數(shù)據(jù)在數(shù)列中的存儲地址插入該數(shù)列的某規(guī)定位置。操作完成后再對該數(shù)列采用“置換表”法進(jìn)行數(shù)據(jù)置換，并采用循環(huán)冗余校驗技術(shù)分段計算數(shù)列的校驗和，并把校驗和插入數(shù)列的規(guī)定位置。該方法加密強度高，代碼量少，運算量小，隨機存儲器需求量小，適合應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。
3．1 數(shù)據(jù)加密方法
    在加密數(shù)據(jù)前，首先產(chǎn)生一隨機數(shù)序列X[i]，其中i<N，N為數(shù)組長度(單位為B)，其大小可根據(jù)原始數(shù)據(jù)的數(shù)量、加密強度、嵌入式系統(tǒng)的存儲和處理能力等綜合考慮后確定。
    在加密過程中，原始數(shù)據(jù)通過二次尋址的方式插入隨機數(shù)列，這樣數(shù)據(jù)在數(shù)列中的存儲位置可以是隨機的，被加密數(shù)據(jù)的存儲地址是相對固定的。數(shù)據(jù)二次尋址方式原理示意圖如圖3所示。圖中，每次加密操作時原始數(shù)據(jù)0x7E的存儲位置是隨機的，本次加密操作時其存儲地址0x01C2存儲在0x00D9和0x01D8兩個字節(jié)中。

    假設(shè)某數(shù)據(jù)d在隨機數(shù)列中的存儲位置為md(雙字節(jié))，地址md為小于N的隨機數(shù)，md在隨機數(shù)列中的存儲位置為nd‘(高字節(jié))和kd‘(低字節(jié))，則原始數(shù)據(jù)d可表述為：
    
    為提高加密強度，數(shù)據(jù)d的存儲地址的存儲地址nd‘和kd‘是偽隨機的，每次加密操作時，其值將分別在地址空間Jnd±F，Jkd±F的范圍內(nèi)變化，其中，Jnd，Jkd分別為數(shù)據(jù)d存儲地址的高、低字節(jié)的存儲基地址，F(xiàn)為存儲地址最大偏移量。這3個量都是事先定義好的。為簡化算法的復(fù)雜程度，降低算法對隨機存儲器的需求，所有原始數(shù)據(jù)基地址的最大偏移量可以設(shè)置成相等。
    加密操作時基地址偏移量的具體值，f隨機，由隨機數(shù)列中某些元素通過規(guī)定的算法運算得到：
    f隨機=F1(X[xa]，…，X[xb])            (2)
    式中：xa，…，xb分別為小于N的固定值；F1表示運算規(guī)則。運算規(guī)則可以采用求和再取低幾位、取反求和等各種規(guī)則，但要保證運算結(jié)果f隨機<F。為簡化加密過程，可以在隨機數(shù)列中規(guī)定某段數(shù)據(jù)專門用于產(chǎn)生基地址偏移量。
    考慮到f隨機，則式(1)變?yōu)椋?br />     
    式中：Jnd，Jkd分別是數(shù)據(jù)nd‘和kd‘在隨機數(shù)列X[i]中的基地址；f隨機是本次加密操作的地址偏移量。[!--empirenews.page--]
    另外在把數(shù)據(jù)寫入隨機數(shù)序列X[i]時被寫數(shù)據(jù)也經(jīng)過了變換，變換規(guī)則可以采用高4位與低4位交換、取非、字／字節(jié)循環(huán)移位、XOR等各種方法，只要變換后不破壞數(shù)據(jù)的惟一性即可。設(shè)把數(shù)據(jù)寫入隨機數(shù)序列時的變換規(guī)則為F2，對應(yīng)的反變換表示為，則式(3)變?yōu)椋?br />     
    由于f隨機具有隨機特性，則每次加密數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)d寫入隨機數(shù)列的位置md具有隨機性、存儲md尋址地址的字節(jié)位置也具有隨機性；這樣就保證了系統(tǒng)每次在加密數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)地址及數(shù)據(jù)地址的存儲地址都是不相同的，大大增加了破譯難度。
    綜上所述，把數(shù)據(jù)d插入隨機數(shù)列的過程是：第1步，產(chǎn)生一隨機數(shù)序列X[i]，其中i<N，N為數(shù)組長度；第2步，根據(jù)規(guī)則F1得到基地址偏移量f隨機；第3步，產(chǎn)生一隨機數(shù)md，其中md<N，并且沒有被使用過；第4步，把數(shù)據(jù)d經(jīng)過F2規(guī)則變換后賦值給X[md]；第5步，假設(shè)nd‘為數(shù)據(jù)md的高8位，則把nd‘經(jīng)過F2規(guī)則變換后賦值給X[Jmd+f隨機]，其中Jnd是加密算法中數(shù)據(jù)d存儲地址的高字節(jié)的存儲基地址。第6步，假設(shè)kd‘為數(shù)據(jù)md的低8位，則把kd‘經(jīng)過F2規(guī)則變換后賦值給X[Jkd+f隨機]，其中Jkd是加密算法中數(shù)據(jù)d存儲地址的低字節(jié)的存儲基地址。至此，即完成了一個數(shù)據(jù)插入隨機數(shù)列的過程。
    根據(jù)隨機數(shù)列得到數(shù)據(jù)d的過程是：第1步，根據(jù)規(guī)則F1得到基地址偏移量f隨機，第2步，把X[Jnd+f隨機]經(jīng)規(guī)則變換后賦值給nd‘；第3步，把X[Jkd+f隨機]經(jīng)規(guī)則變換后賦值給kd‘；第4步，X[nd‘<<8+kd‘]經(jīng)規(guī)則變換后即得到原始數(shù)據(jù)d。
3．2 密文數(shù)據(jù)防篡改的方法
    為防止密文數(shù)據(jù)被非法更改，采用了經(jīng)過改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗技術(shù)。即數(shù)列X[i]的字節(jié)x[M]存儲[0，M-1]地址段中所有數(shù)據(jù)的校驗和，x[2M]字節(jié)存儲[M，2M-1]地址段中所有數(shù)據(jù)的校驗和，…，在解密時首先檢查各地址段數(shù)據(jù)的校驗和與“校驗和存儲字節(jié)”的存儲值是否相等，即可判斷數(shù)據(jù)是否被非法更改。假設(shè)M是被計算的數(shù)據(jù)段長度，則：
    
    式中：F2代表數(shù)據(jù)寫入隨機數(shù)列時的變換規(guī)則；k=1，2，…，N／M。
    通過這種方法，密文數(shù)據(jù)中的任何字節(jié)被非法更改，都可以被檢測到。另外被求和的字段長度也可以設(shè)置成不相等，數(shù)據(jù)就更難被破解。
3．3 數(shù)列置換
    為進(jìn)一步提高加密強度，埋入數(shù)據(jù)后的隨機數(shù)列X[i]還可經(jīng)過“置換表”技術(shù)進(jìn)行加密。在該方法中，置換表Z[i]是關(guān)鍵，它是數(shù)列[0，1，…，255]中的元素再經(jīng)過隨機排列而得到的。設(shè)Z[i]中的數(shù)據(jù)為x[i]，則z[i]具有如下特征：
    
    使用兩個或更多的“置換表”，在置換操作時按偽隨機的方式使用每個襲，可以進(jìn)一步提高加密強度。但每增加一個置換襲，嵌入式系統(tǒng)程序中就需要增加一個長度為255 B的數(shù)組，因此置換表的數(shù)量還要根據(jù)加密強度需求、嵌入式系統(tǒng)的存儲和數(shù)據(jù)處理能力等因素確定。

4 結(jié)語
    接本文所述方法加密后的數(shù)據(jù)是一組沒有任何規(guī)律的偽隨機數(shù)，且完全相同的密文數(shù)據(jù)每次加密后都不相同，具有很高的加密強度和防破解能力。另外該加密方法還具有微處理器資源需求小，算法容易實現(xiàn)，加、解密運行時間短等優(yōu)點。該加密方法還可應(yīng)用于軟件用戶口令存儲加密、數(shù)字簽名等方面。該技術(shù)現(xiàn)已成功應(yīng)用在某型工業(yè)控制設(shè)備試用狀態(tài)管理和某型機載電子設(shè)備自動測試系統(tǒng)使用權(quán)限管理等數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域，取得了很好的應(yīng)用效果。在工業(yè)設(shè)備的試用狀態(tài)管理應(yīng)用中，當(dāng)需要對已經(jīng)交付用戶試用的設(shè)備進(jìn)行工作狀態(tài)設(shè)置時(如試用狀態(tài)升級到正式交付狀態(tài)等)，生產(chǎn)廠商只需把密文文件通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給用戶，用戶把數(shù)據(jù)拷貝到U盤后再插入設(shè)備的USB口，重新啟動設(shè)備即
可完成，使用起來十分方便。