偽隨機序列及PLD實現(xiàn)在程序和系統(tǒng)加密中的應用

可編程邏輯器件(PLD)經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD 和FPGA幾個發(fā)展階段。使用PLD具有設計靈活、調(diào)試方便、系統(tǒng)可靠性高等眾多優(yōu)點，并有利于硬件設計的保護，防止他人對電路的分析、仿照，使其成為科研實驗、樣機試制和小批量產(chǎn)品的首選方案。

隨著計算機、單片機技術的發(fā)展和廣泛應用，軟件加密成為知識產(chǎn)權保護的重要手段。目前微機軟件加密的方法可分為兩大類：軟加密和硬加密。軟加密主要有密碼方式、軟件自校驗方式、鑰匙盤方式等多種。隨著軟加密的發(fā)展，解密軟件也大量出現(xiàn)。硬加密由于具有加密強度大、可靠性高等特點，已廣泛用于微機軟件保護。硬加密將硬件和軟件相結合來實現(xiàn)軟件的加密，軟件在運行時需與硬件正確交換數(shù)據(jù)，否則程序不運行，或不能執(zhí)行主要功能，典型的產(chǎn)品有：插在計算機總線上的加密卡，接在計算機并口或USB口的軟件狗(加密鎖)、微狗等。軟件狗大多用E2PROM存儲密碼數(shù)據(jù)，電路簡單，成本低，但用SOFT-ICE等軟件進行軟件狗的解密和復制并不很困難。在這種情況下，軟件狗內(nèi)部增加了一個單片機稱為微狗，通過對數(shù)據(jù)的處理來提高軟件的加密強度;少數(shù)專業(yè)的硬加密生產(chǎn)商則采用獨自的ASIC芯片。加密卡的原理與軟件狗和微狗的相似，不同的是通過總線操作，使得設計更靈活、功能更強，只是安裝不方便。

隨著某一加密產(chǎn)品加密操作方式的公開，其解密也就為期不遠。新出現(xiàn)的解密軟件能模擬絕大部分軟件與加密狗間的數(shù)據(jù)交換過程，從而達到解密;國產(chǎn)的加密卡和微狗，大多外用E2ROM存儲配置數(shù)據(jù)和用戶密碼，獲取這些數(shù)據(jù)就可能解密、甚至復制微狗，因此加密方法的獨特性、手法的反常規(guī)性在加密應用中非常重要。單片機/DSP系統(tǒng)的控制及外圍電路都相對簡單，對軟件的跟蹤比較容易分析硬件的設計思想和實現(xiàn)功能，而目前對其軟件的保護并不受重視，并且單片機/DSP系統(tǒng)沒有現(xiàn)成的加密產(chǎn)品，設計者應結合系統(tǒng)軟、硬件的要求靈活決定。我們利用PLD器件本身的加密保護特性，由其產(chǎn)生的偽隨機序列實現(xiàn)單片機/DSP系統(tǒng)和計算機應用程序的加密，具有簡單方便，解密難度大的特點，同樣可用PLD器件實現(xiàn)更復雜的加密方法如 EDS。

1 硬件加密的PLD實現(xiàn)原理

硬件加密必須綜合考慮加密方法的可行性、有效性、硬件復雜度等因素，由邏輯電路產(chǎn)生大量密碼的一種簡單有效的方法是使用線性反饋移位寄存器，其產(chǎn)生的偽隨機數(shù)據(jù)已廣泛用于數(shù)據(jù)通信中的加擾、擴頻、跳頻和數(shù)據(jù)加密。圖1所示是具有防跟蹤、產(chǎn)生2N-1個N 位偽隨機數(shù)據(jù)的加密電路原理框圖，密碼生成所用觸發(fā)器和門電路少，并且密碼是加電后動態(tài)產(chǎn)生的，不同的預置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不同，因此密碼的強度、隱蔽性優(yōu)于加密狗和微狗(卡)。

N位移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機碼作為讀取的密碼或輸入數(shù)據(jù)解密的密鑰，在移位時鐘的作用下，可輸出2N-1個N位的有效密碼或密鑰。對某一具體電路，移位寄存器初值不同時，這2N-1個隨機數(shù)有2N-1 種排序，可預置偽隨機數(shù)產(chǎn)生器的原理電路如圖2所示。要使移位寄存器產(chǎn)生一確定的值，首先置其初值，然后置移位計數(shù)器初值并允許時鐘電路產(chǎn)生移位時鐘;當移位計數(shù)器計滿時，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)準備好狀態(tài)可供軟件讀取，該狀態(tài)同時阻斷時鐘電路，停止移位操作，并且啟動防跟蹤記數(shù)器的時鐘產(chǎn)生電路;若在規(guī)定的時間內(nèi)讀取密碼字或者寫入待解密數(shù)將清零防跟蹤記數(shù)器，否則超時使防跟蹤記數(shù)器滿導致觸發(fā)器翻轉，打開三態(tài)門，擾亂輸出數(shù)據(jù)，雖然這時讀/寫數(shù)據(jù)能清零防跟蹤記數(shù)器，阻斷其時鐘，但必須重加電或系統(tǒng)復位才能斷開三態(tài)門。

對加密電路的正確操作步驟是：在主程序中預置移位計數(shù)器和移位寄存器初值，在子程序的一處判斷移位是否完成，另一處讀密碼或寫待解密數(shù)，在另一子程序判斷或取解密數(shù)據(jù)，以防止跟蹤。

為在使用較少觸發(fā)器情況下保證程序正常運行并能有效地防止解密跟蹤，應恰當?shù)剡x擇防跟蹤計數(shù)器的時鐘，若用移位寄存器時鐘源，則需要較高的分頻才能滿足高速的數(shù)據(jù)產(chǎn)生、適當?shù)难訒r時間;因此在實際使用中，應根據(jù)需要，選擇系統(tǒng)可能提供的低頻持續(xù)脈沖信號作為防跟蹤計數(shù)器的時鐘。在微機系統(tǒng)中，尤其在 WINDOWS操作系統(tǒng)的分時事件驅動運行模式下，由于系統(tǒng)固有的存儲器刷新、時鐘中斷，以及運行中硬件中斷、DMA操作、任務切換，必須有較長的防跟蹤延時才能保證合法程序正常運行，要注意在軟硬盤操作時對密碼數(shù)據(jù)操作的影響。

2 應用舉例

2.1 并行口加密電路

在PC機系統(tǒng)中，一般打印機并行接口包括單向輸出的8條數(shù)據(jù)線D0～D7和四條控制線、5條狀態(tài)輸入線，因此每次讀操作只讀取4bits密碼，其加密電路原理框圖如圖3所示。由于并行口不提供電源，將聯(lián)機控制信號SLCT置高提供的電流很小，因此直接掛在并行口上的電路必須選用規(guī)模不大的低功耗器件。

經(jīng)并行口控制移位寄存器產(chǎn)生密碼的基本操作步驟是：(1)SLCT置高加電;(2)STROBE觸發(fā)經(jīng)D0～D8寫入16位控制字，選通加密電路，否則打印口正常;(3)初始化信號INIT置低，STROBE選擇預置移位寄存器和移位計數(shù)器;(4)INIT置高選通移位時鐘;(5)檢測數(shù)據(jù)是否準備好;(6)換行控制AUTO LF置高，在STROBE脈沖作用下數(shù)據(jù)按4bits輸出供CPU讀取;(7)SLCT置低斷電。

防跟蹤記數(shù)器由移位計數(shù)器滿狀態(tài)啟動，其溢出脈沖使觸發(fā)器翻轉選通三態(tài)門，擾亂輸出數(shù)據(jù)。防跟蹤記數(shù)器和移位寄存器時鐘可由門電路構成的RC振蕩器產(chǎn)生。

2.2 ISA總線加密電路

與并行口方式相比，通過總線方式對加密電路的移位寄存器和移位記數(shù)器的預置、輸入數(shù)據(jù)的異或解密等操作更靈活、方便，并可與其它電路結合，其原理框圖與圖1相似?？偩€接口電路對端口地址和控制信號譯碼，產(chǎn)生移位寄存器和移位記數(shù)器輸入寫、移位寄存器及異或解密輸出讀信號，讀信號清零防跟蹤記數(shù)器并阻斷其時鐘。在ISA總線接口中，移位寄存器時鐘用OSC或總線時鐘BCLK，而防跟蹤記數(shù)器時鐘可采用移位時鐘或狀態(tài)持續(xù)變化的總線控制信號及狀態(tài)信號，如：地址鎖存信號BALE、刷新指示信號REFRESH、DMA操作允許信號AEN(因用于I/O地址譯碼，隱蔽性好)等，用REFRESH信號時計數(shù)器規(guī)模小、運行可靠，但是切斷該信號防跟蹤功能不起作用，密碼數(shù)據(jù)仍正常產(chǎn)生。

2.3 單片機/ DSP系統(tǒng)程序加密電路

早期的單片機系統(tǒng)大都用擴展EPROM作為程序存儲器，這種方式目前在高速單片機/DSP中仍然很常用。對于程序量小，不需外部程序尋址的簡單系統(tǒng)(如微狗)，采用內(nèi)置EPROM/FLASH RAM、帶加密控制字的MCU(如GMS97C2051)本身就能可靠地保護程序;因此我們的討論只限于用擴展程序存儲器的系統(tǒng)。

對擴展程序存儲器的加密保護可通過對其數(shù)據(jù)和地址線的異或/取反擾亂來實現(xiàn)，其目的都是不能直接獲取程序存儲器內(nèi)部保存的數(shù)據(jù)。由于X=X+K+K，X=X，因此在系統(tǒng)工作時由硬件實現(xiàn)代碼和密鑰的異或/取反操作可得到正確的程序(文獻[2]中用二級異或提高加密強度的觀點不正確，因為Y=X+K1+K2=X+K)，其原理如圖4所示。通常單片機加密的方式是密鑰固定不變，或CPU讀取程序代碼的同時，從另一片EPROM讀取密碼，使每一代碼對應一密鑰。這兩種方式的解密只需用簡單的組合邏輯電路，對前一種方式，用邏輯分析法很容易求解邏輯關系而解密，后一種方法進行邏輯分析的工作量雖然大大提高，但密鑰本身容易被直接獲取。因此我們用m序列產(chǎn)生器動態(tài)產(chǎn)生密鑰，將解密的組合邏輯電路與時序邏輯相結合，而較復雜時序邏輯的分析是很困難的。

對8031、MC6085兼容系列的單片機系統(tǒng)，編程使開始的一段初始化程序順序執(zhí)行，系統(tǒng)復位時自動對移位寄存器設初值，復位后程序存儲器的讀信號同時作為移位時鐘，使每條指令的密鑰不斷變化;在第一次執(zhí)行循環(huán)、跳轉指令前，程序發(fā)控制字阻斷移位時鐘，使以后的程序密鑰相同。在高速DSP系統(tǒng)中，一般上電后將低速EPROM中的程序加載到高速SRAM中運行，可使EPROM的讀控制信號一直作為移位時鐘，使密鑰不斷變化;如果用串行口方式加載，程序解密操作與數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)解擾相同，數(shù)據(jù)輸出時鐘直接作為移位時鐘。單片機/DSP作為微機系統(tǒng)的協(xié)處理器時，單片機/DSP的代碼一般經(jīng)總線裝載，可將加密代碼與移位寄存器輸出的密鑰異或解密，輸出到單片機/DSP的程序RAM。

系統(tǒng)運行時，用于MCU/DSP程序保護的防跟蹤計數(shù)器時鐘一直有效，這樣可以防止仿真器的跟蹤。防跟蹤計數(shù)器要用程序讀或其相關信號清零，有的DSP從內(nèi)部RAM運行程序時，程序讀無相應輸出信號，這時可用定時器中斷或程序中及時插入的代碼來清零。

上述介紹應用移位寄存器產(chǎn)生偽隨機數(shù)據(jù)對程序進行加密的一些方法，曾在我們設計的系統(tǒng)中得到驗證，整個電路的設計不復雜，占用PLD 器件的資源不多，完全可結合在系統(tǒng)的硬件邏輯設計中。使用8/16位的移位寄存器時，密鑰量有限，制約了加密的復雜度，使用者應根據(jù)設計要求和自己的經(jīng)驗，引入各種非常規(guī)的操作方式，這樣就可以用簡單的硬件電路，很好地實現(xiàn)軟件和系統(tǒng)的保護。