一種基于Vxworks的代碼保護(hù)方法研究

肖永全 張國

1西安西瑞保護(hù)控制設(shè)備有限責(zé)任公司 陜西 710000

2長慶油田公司礦區(qū)事業(yè)部 陜西 710000

0 引言

在嵌入式實(shí)際應(yīng)用過程中，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)其獨(dú)特性和實(shí)時(shí)性要求，基本上沒有虛擬內(nèi)存等機(jī)制存在，整個(gè)內(nèi)存空間對用戶程序開放的。所以不恰當(dāng)?shù)牟僮?，往往?huì)修改其代碼段甚至系統(tǒng)內(nèi)核，從而導(dǎo)致缺陷缺陷甚至系統(tǒng)崩潰。而對代碼段只讀區(qū)域進(jìn)行檢測保護(hù)，是保護(hù)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)可靠性的可行的實(shí)現(xiàn)方法。

1 基本技術(shù)

1.1 vxworks簡介

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

1.2 編譯鏈接過程

Vxworks系統(tǒng)使用linux系統(tǒng)的GNU工具鏈，其中包括GCC編譯器和LD鏈接器。其編譯生成的二進(jìn)制文件格式符合ELF格式，其系統(tǒng)加載規(guī)則符合ELF規(guī)定。

1.3 ELF文件簡析

ELF(可執(zhí)行連接格式)是UNIX系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(USL)作為應(yīng)用程序二進(jìn)制接口(Application Binary Interface(ABI))而開發(fā)和發(fā)布的。工具接口標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(TIS)選擇了正在發(fā)展中的ELF標(biāo)準(zhǔn)作為工作在32位INTEL體系上不同操作系統(tǒng)之間可移植的二進(jìn)制文件格式。ELF文件現(xiàn)在已經(jīng)成為Linux系統(tǒng)下最主要最流行的可執(zhí)行文件格式。Gcc的默認(rèn)輸出格式就是elf。而VxWorks下生成的程序映像就是ELF格式，如圖1所示。

圖1 ELF文件格式布局

首先是文件頭和程序頭表，然后依次各個(gè)段排列在后。其中每個(gè)段的描述均在節(jié)頭表(section header table)中。比如要查找代碼段信息，需要查找ELF文件頭中Text段的偏移量和長度。

1.4 CRC校驗(yàn)公式

由于CRC-32的可靠性，把CRC-32用于重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸十分合適，所以在通信、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域運(yùn)用十分廣泛。

對代碼段采用CRC-32校驗(yàn)，其中生成多項(xiàng)式為：

若余式為零則認(rèn)為存儲(chǔ)無差錯(cuò)；若余式不為零則存儲(chǔ)有差錯(cuò)。

2 實(shí)現(xiàn)方法

在宿主機(jī)生成目標(biāo)印象ELF的之后，編制腳本objdump從而解析出其代碼段偏移地址 TextSectionOffset和長度TextSectionSize。在目標(biāo)機(jī)加載運(yùn)行后，啟動(dòng)tCheckTextSection任務(wù)，定期進(jìn)行代碼段校驗(yàn)，如校驗(yàn)值和初始校驗(yàn)值不相符，則應(yīng)該進(jìn)行異常處理(圖2)。

在系統(tǒng)加載后，數(shù)據(jù)段TextSection的值會(huì)發(fā)生變化，而代碼段應(yīng)該穩(wěn)定，如果發(fā)生變化，則可以斷定內(nèi)存越界錯(cuò)誤。而這種錯(cuò)誤在自動(dòng)控制設(shè)備中，往往是致命的錯(cuò)誤，需要及時(shí)處理，否則將造成被控制對象誤操作，從而給工業(yè)生產(chǎn)帶來損失。

圖2 tCheckTextSection流程示意

在系統(tǒng)加載后，數(shù)據(jù)段TextSection的值會(huì)發(fā)生變化，而代碼段應(yīng)該穩(wěn)定，如果發(fā)生變化，則可以斷定內(nèi)存越界錯(cuò)誤。而這種錯(cuò)誤在自動(dòng)控制設(shè)備中，往往是致命的錯(cuò)誤，需要及時(shí)處理，否則將造成被控制對象誤操作，從而給工業(yè)生產(chǎn)帶來損失。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是智能電網(wǎng)電力自動(dòng)化設(shè)備，控制對象是國家電網(wǎng)，如果系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作將會(huì)造成錯(cuò)誤供電或者錯(cuò)誤斷電，影響很大。目前本系統(tǒng)采用的異常處理，即立刻停止所有后續(xù)操作，并且使系統(tǒng)進(jìn)入安全模式。在安全模式中對系統(tǒng)進(jìn)行最小化動(dòng)作處理后系統(tǒng)重新加載代碼段。

3 下一步工作

在實(shí)際工程實(shí)踐中，此方法證明可以穩(wěn)定有效的保證代碼段的完整性，在下一步的工作中，但是沒有對代碼段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其可以繼續(xù)細(xì)分為系統(tǒng)內(nèi)核，核心任務(wù)，應(yīng)用任務(wù)?？梢詫ζ溥M(jìn)行重要性，優(yōu)先級(jí)排序后，當(dāng)次要模塊被修改后，只需要重新加載其代碼而不是整個(gè)系統(tǒng)映像重新加載一遍。

[1]Wind River System.VxWorks_BSP_Reference www.wind_river.com.2004.

[2]基于 PowerPC的嵌入式 Linux.北京航空航天大學(xué)出版社.2004.