0 引言
當前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應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)的設置,、產(chǎn)品序列號,、產(chǎn)品工作狀態(tài)設置口令等數(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)升級等設置數(shù)據(jù)需要通過用戶傳遞給設備，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)不被篡改或非法應用到其他同型產(chǎn)品,。
1 數(shù)據(jù)加密的應用實例
數(shù)據(jù)加密在嵌入式系統(tǒng)中的應用實例如圖1所示。在該應用中,，包括“遠程控制端”和“用戶端”兩個子系統(tǒng),，其中“遠程控制端”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)或非涉密人員進行傳遞,。密文數(shù)據(jù)傳送到設備的使用單位后，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)輸入嵌入式設備,。設備根據(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),，再進行相應操作，從而最終實現(xiàn)遠程控制端對設備的控制,；把嵌入式設備中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程控制端的過程與之相反,，首先敏感數(shù)據(jù)由嵌入式設備進行加密處理，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),。
在設備試用狀態(tài)管理的應用實例中，“遠程控制端”密文數(shù)據(jù)的產(chǎn)生由“遠程控制端”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)設置等4種任務,，用戶界面如圖2所示。只要操作人員在用戶界面上輸入設備序列號,、用戶密碼,、任務類型等數(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。當用戶把該密文數(shù)據(jù)注入設備時,，設備按規(guī)定的算法把數(shù)據(jù)解密后,，再判斷設備序列號和用戶密碼是否與設備定義一致，如果一致則執(zhí)行密文數(shù)據(jù)定義的任務,。通過這樣的方法,，設備生產(chǎn)廠商即可實現(xiàn)對設備試用狀態(tài)的遠程控制。
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備中，因數(shù)據(jù)存儲芯片在硬件上設置有加密機制,，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,，“遠程控制端”的密鑰由遠程控制人員掌握,，“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),，從而無法擅自設置嵌入式設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)的應用環(huán)境,，應用到嵌入式系統(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)應具有較高的加密強度,。如果用戶有多臺設備，就有機會獲得多套密文數(shù)據(jù),。由于設備和密文數(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,，并被非法應用到其他設備,；
(3)加密技術(shù)應能識別密文數(shù)據(jù)是否被非法篡改，以防止用戶更改數(shù)據(jù)后再在設備上試驗,，進而逐步掌握密文數(shù)據(jù)的加密規(guī)則,；
(4)密文數(shù)據(jù)中應包含設備序列號信息，以防止數(shù)據(jù)被非法應用到其他設備,。
3 數(shù)據(jù)加密的實現(xiàn)方法
下面介紹的數(shù)據(jù)加密方法已成功應用薊某嵌入式設備中,。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
假設某數(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
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,。
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,。設把數(shù)據(jù)寫入隨機數(shù)序列時的變換規(guī)則為F2，對應的反變換表示為
,，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
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置成不相等,，數(shù)據(jù)就更難被破解。
3．3 數(shù)列置換
為進一步提高加密強度,，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)已成功應用在某型工業(yè)控制設備試用狀態(tài)管理和某型機載電子設備自動測試系統(tǒng)使用權(quán)限管理等數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域,，取得了很好的應用效果。在工業(yè)設備的試用狀態(tài)管理應用中,，當需要對已經(jīng)交付用戶試用的設備進行工作狀態(tài)設置時(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盤后再插入設備的USB口，重新啟動設備即
可完成,，使用起來十分方便,。