基于DSP的程序加密保護體制設(shè)計

目前，DSP以其卓越的性能、獨有的特點，已經(jīng)成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。同時，隨著對知識產(chǎn)權(quán)的重視，在利用DSP進行產(chǎn)品設(shè)計時，如何保護自己的成果，防止破譯者竊取，也成為設(shè)計者工作在一個重要方面[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)到保護的效果。對于還沒有形成規(guī)模的產(chǎn)品，使用這樣的方法就會使成本大大增加。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個層次。首先是對程序的初始保護，就是把程序?qū)懭隓SP芯片之前，對源代碼進行加密處理，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)要運行該程序時，就從微狗中取出密鑰進行解密，再繼續(xù)運行。第2個層次就是在DSP程序運行過程中的連續(xù)保護。它的處理對象是一些重要參數(shù)或變時，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，才從微狗內(nèi)取出密鑰進行解密。使用結(jié)束后，仍舊“加鎖”保護，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，就可以利用以有資源進行設(shè)計，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片單片機完成微狗功能。這是由其良好的性價比決定的。

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個層次。首先，是初始程序保護，它以程序整體為處理對象。然后，是基于數(shù)據(jù)的連續(xù)保護。保護對象是一些重要參數(shù)事變量。它保證了加密貫穿程序運行的整個過程。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

初始程序保護使用的加密算法是3DES算法，加密結(jié)束后，銷毀密鑰，同時將密文寫入芯片。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。開始運行DSP程序時，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。

微狗主要實現(xiàn)密鑰管理功能。內(nèi)部密鑰的生成機制和主程序完全相同。把主程序以密文形式寫入DSP芯片時，通過監(jiān)控程序告知微狗，微狗內(nèi)部同時生成對應(yīng)密鑰K0;主程序開始運行時，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)動的連續(xù)保護。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的連續(xù)保護

所謂基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的連續(xù)保護，即是對程序中重要的參數(shù)或變量進行加密處理。由于這些參數(shù)或變量在程序運行時需要反復(fù)使用。故而通過對它們的保護，就可以使加密貫空程序的整個運行過程。

譬如對濾波器系數(shù)ap的保護，將其加密，即“加鎖”，同時銷毀密鑰。在求ap+1時，需要用到ap，就向監(jiān)控程序發(fā)出申請，在它的控制下，從微狗中取出對應(yīng)密鑰，開銷，恢復(fù)ap，進行運算。運算結(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”，使得在同一時刻DSP主程序中都存在密文。

此時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)生成的對應(yīng)密鑰相同。這個可以由DSP監(jiān)控程序利用DSP內(nèi)部的中斷程序協(xié)調(diào)實現(xiàn)。使用密鑰Ki對某參數(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，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?，發(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還是基于數(shù)據(jù)的連續(xù)保護，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)保護后，破譯者要想得到源代碼，必須跟蹤程序的整個運行過程。這樣，對于破譯者而言，所花費的代價等于自己獨立寫一套程序，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。因為目的是要迷惑別人，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;適時適地插入無用代碼，增強干擾;使參數(shù)變量的命名晦澀難懂，絕對不能有key、digest等諸如此類可以望文生義的名稱?？傊屍谱g者對獲取的內(nèi)容不知所云，以增加其還原源程序的難度。

3 相關(guān)算法及密鑰生成機制

該體制的加密算法是3DES，是個對稱算法。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“安全”的密鑰至為關(guān)鍵。在密鑰的生成機制中，用到了Geffe發(fā)生器和MD5算法。