嵌入式系統(tǒng)授權(quán)密匙的實驗與設(shè)計

文福江，鄧琳

（齊齊哈爾大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的授權(quán)時間問題（即試用期時限），是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)者面對的一個普遍問題．從理論的角度講，嵌入式系統(tǒng)的授權(quán)時間，可分為工廠模式授權(quán)和應(yīng)用現(xiàn)場授權(quán)2種．工廠模式授權(quán)，在工廠批量生產(chǎn)時授權(quán)很容易實現(xiàn)，但應(yīng)用現(xiàn)場授權(quán)往往受很多因素的制約和影響．概括起來，有幾種實現(xiàn)方式：（1）利用撥碼開關(guān)在出廠時或者現(xiàn)場進行設(shè)置；（2）重新下載 MCU程序，直接寫入授權(quán)時間；（3）利用嵌入式系統(tǒng)終端的鍵盤現(xiàn)場修改授權(quán)時間；（4）采用聯(lián)網(wǎng)方式批量進行授權(quán)的修改．前3種可以看作是單機修改授權(quán)時間模式，最后1種是聯(lián)網(wǎng)修改授權(quán)時間模式．在單機授權(quán)模式中，方式1采用的是地址編碼方法，由于是機械開關(guān)編碼，編碼方式固定，對一臺機器授權(quán)時間的修改操作尚可，對多個機器采用相同的操作，分別進行修改授權(quán)時間時，密匙編碼容易被識破．方式2由于直接寫入MCU授權(quán)時間，后期重新改變授權(quán)時間，只能繼續(xù)采用這種方式，靈活性與便捷性都很差[1-2]．基于此，以STC單片機為例，重點討論方式3的設(shè)計與實現(xiàn)．

1 授權(quán)密匙原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1．從圖1可以看出，整個系統(tǒng)由主機（上位機）和若干終端（下位機）構(gòu)成．授權(quán)密匙的修改，實質(zhì)就是現(xiàn)場修改使用授權(quán)的狀態(tài)，或關(guān)閉使用授權(quán)，或開放使用授權(quán)．根據(jù)圖1，授權(quán)密匙的修改可以采用 2種方式：（1）上位機根據(jù)終端地址 ID批量修改；（2）在單個終端上進行修改．2種方式的授權(quán)密匙從使用便利性的角度講，各有優(yōu)勢和缺點．從成本構(gòu)成權(quán)衡，如果終端傳感器數(shù)量較少，或者數(shù)據(jù)處理與控制較簡單，可以選擇單片機方式[3-4]．

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 授權(quán)密匙結(jié)構(gòu)

授權(quán)密匙修改狀態(tài)進入是指嵌入式系統(tǒng)終端在時鐘設(shè)置狀態(tài)，進入授權(quán)密匙修改的狀態(tài)．假定進入授權(quán)密匙修改狀態(tài)的前提是時鐘設(shè)置狀態(tài)，則與授權(quán)密匙有關(guān)的組數(shù)據(jù)變量格式為：YY-MM-DD（年-月-日），hh-mm-ss（時-分-秒）．

1.2.1 正常顯示狀態(tài) 即設(shè)備運行時的狀態(tài)，包括時間與傳感器采集的即時數(shù)據(jù)．傳感器數(shù)據(jù)的顯示這里暫不討論，只討論與授權(quán)時間有關(guān)的內(nèi)容．正常狀態(tài)下，終端顯示的日期、時間格式見圖2．

1.2.2 日期時間修改狀態(tài) 在正常顯示狀態(tài)，按設(shè)置鍵進入日期時間修改狀態(tài)，相應(yīng)的日期或時間調(diào)整位會閃動，如調(diào)整年時的狀態(tài)見圖3．

1.2.3 授權(quán)時間修改狀態(tài) 在時間修改狀態(tài)下，可進入授權(quán)時間修改狀態(tài)．為防止設(shè)置時間時錯誤地進入授權(quán)時間修改狀態(tài)，系統(tǒng)進入該狀態(tài)必須滿足2個條件：（1）日期與時間的數(shù)據(jù)必須滿足密匙算法；（2）滿足條件后，光標(biāo)必須移動到秒位置時，才能進入授權(quán)時間修改狀態(tài)（見圖4）．

圖2 終端顯示的日期、時間格式

圖3 調(diào)整年時的狀態(tài)

圖4 授權(quán)時間修改狀態(tài)

授權(quán)時間的長度是與設(shè)置時的當(dāng)前時間為基準(zhǔn)計算的．授權(quán)時間的時間單位為 T，可以為月、周、日中的一種，討論以周為單位．授權(quán)時間的長度Lt=n×t，通常Lt是一個數(shù)組，例如：Lt={00，02，04，12，27，54，99}，n為時間單位的倍數(shù)，即數(shù)組中的某一個元素的值．設(shè)置時通過鍵盤選擇數(shù)組元素．?dāng)?shù)值00代表無授權(quán)，99代表開放授權(quán)，其它值Lt等于數(shù)值n與T（周）的乘積．

1.3 密匙狀態(tài)進入

調(diào)整過程流程見圖5．

圖5 授權(quán)時間修改流程

2 密匙生成及存儲

密匙生成的方法繁多，這里采用實用性好的對稱密匙生成方法[5-7]．

2.1 逐位運算法

設(shè)正常顯示的時間格式見表1．

逐位運算法就是將日期與時間數(shù)據(jù)，以一一對應(yīng)的關(guān)系逐位進行算術(shù)或邏輯運算，獲得的結(jié)果作為密匙．假設(shè)密匙為345678，則將日期格式的（年-月-日）Y1Y0-M1M0-D1D0與時間格式的（時-分-秒）h1h0-m1m0-s1s0對應(yīng)位求和，和值為S5S4S3S2S1S0=345678，光標(biāo)位于秒位置就進入授權(quán)時間設(shè)置狀態(tài)．密匙生成方法見表2．

表1 日期時間格式

表2 逐位運算法生成密匙

2.2 求和法

正常顯示的時間格式見表3，其中年數(shù)據(jù)取最低2位．設(shè)密匙為MhMl=5678．

在設(shè)置時，只要將日期（年（低 2位）+月+日）數(shù)據(jù)的算術(shù)和設(shè)置等于56，時間數(shù)據(jù)（時+分+秒）的算術(shù)和設(shè)置等于78，光標(biāo)停留在秒位置上，就進入授權(quán)時間設(shè)置圖4的狀態(tài)．

逐位運算法與求和法，在實際應(yīng)用中效果都不錯．比較而言，求和法操作的靈活性更強，更具有隱蔽性，現(xiàn)場修改授權(quán)時間密匙不容易被識破[8-11]．

表3 求和法生成密匙

2.3 密匙數(shù)據(jù)處理

2.3.1 密匙數(shù)據(jù)保存 密匙數(shù)據(jù)的存儲一般有2種，一種是保存在獨立的EEPROM芯片中，另一種是保存在MCU片內(nèi)的EEPROM中．保存在獨立EEPROM芯片中有很多不足之處，該研究保存在片內(nèi)EEPROM中．以STC15W408AS單片機為例，片內(nèi)有5 K容量的EEPROM，以扇區(qū)為單位存儲數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)512 B[12-13]．以求和法生成的5678密匙為例，保存在EEPROM的最后一個扇區(qū)的最后2個字節(jié)．片內(nèi)EEPROM的數(shù)據(jù)與獨立芯片的EEPROM一樣，可以讀出．如果密匙數(shù)據(jù)不加密直接保存，數(shù)據(jù)讀出就直接破解，也無法稱作密匙了，破譯的危險性比較高．因此，保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)要進行加密處理．

2.3.2 密匙數(shù)據(jù)加密解密過程 設(shè)密匙為0x5678，加密采用移位倍加方式．加密過程見圖6，解密過程見圖7．

圖6 密匙加密過程

圖7 密匙解密過程

3 結(jié)語

現(xiàn)場修改授權(quán)時間是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)常面對的問題．限于對已量化產(chǎn)品的保護，沒有把實物的2款產(chǎn)品圖片貼出．盡管實現(xiàn)的方式方法千差萬別，但對于單機而言，本文討論的方法具有很強的靈活性和保密性，具有一定的推廣價值．