隨著信息社會的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已深入到各個行業(yè)。于是,，軟硬件知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù),、系統(tǒng)的安全運行等也就成為人們關(guān)注的問題。目前,，利用PCB抄板技術(shù)直接讀取存儲在ROM或Flash中的程序代碼來進(jìn)行產(chǎn)品仿制的盜版行為越來越多,。因此，只有更好地發(fā)展加密技術(shù)" title="加密技術(shù)">加密技術(shù),，才能更有效地保護(hù)知識產(chǎn)權(quán),。本文對KEELOQ技術(shù)的良好加密性能進(jìn)行深入研究，并把它應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)加密保護(hù)中,。
1 現(xiàn)有的軟硬件加密技術(shù)
　　嵌入式系統(tǒng)由處理器,、存儲器、傳感器,、數(shù)據(jù)接口和嵌入式軟件等部分組成,。其中程序存儲器" title="程序存儲器">程序存儲器,、數(shù)據(jù)存儲器和嵌入式軟件的加密是硬件知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的關(guān)鍵所在,。很多嵌入式系統(tǒng)都采用外部擴(kuò)展程序存儲器，只要有相應(yīng)的控制信號出現(xiàn),，程序存儲器便對CPU是透明的,。因此，建立一個同樣的硬件電路,，拷貝一片新的程序存儲器即能完成仿制,。因而系統(tǒng)設(shè)計人員十分關(guān)注微機(jī)系統(tǒng)的程序保密性及提高保密性的方法。目前主要有以下幾種保密方法^[1]：
　　(1)無關(guān)值插入法
　　在源程序中的某些地方插入一些與源程序無關(guān)的值,，可使反匯編出來的源程序面目全非,。
　　(2)總線置亂法
　　在單片微機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域(如采用擴(kuò)展程序的存儲器)中，為了防止從程序存儲器中直接得到正確的源程序,，可以采取地址,、數(shù)據(jù)總線置亂的方法。若該微機(jī)系統(tǒng)的地址總線為n根,，則將它置亂的方式有n!種,。
　　(3)求反、異或加密
　　將程序存儲器里的代碼按有效程序代碼逐字節(jié)求反后存放,，或者按同鑰匙碼異或后的二進(jìn)制碼存放,。這樣，解密者直接反匯編將得不到正確的原代碼,。
　　以上三種方法雖然有一定作用,，但有經(jīng)驗的設(shè)計人員經(jīng)過分析后，仍有很大的破解可能，安全性不夠,。
　　(4)外部隨機(jī)存儲器" title="隨機(jī)存儲器">隨機(jī)存儲器驗證法
　　在一外部隨機(jī)存儲器中預(yù)先寫入一些數(shù)據(jù),，系統(tǒng)運行時，CPU首先從該存儲器讀取數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)可以是CPU執(zhí)行程序的條件判別依據(jù),，也可以是CPU將執(zhí)行的程序。如果數(shù)據(jù)正確,，則整個系統(tǒng)能正常運行,；否則系統(tǒng)不能運行。隨機(jī)存儲器由電池供電,，能在掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù),。若對硬件電路沒有剖析清楚，拔下了隨機(jī)存儲器或取下電池,，則隨機(jī)存儲器中的數(shù)據(jù)消失,。在無正確源程序的情況下，根本無法恢復(fù)原來的數(shù)據(jù),。
　　該方法的缺陷在于,，只要分析清楚電路，隨機(jī)存儲器中的數(shù)據(jù)很容易被讀取,。另外若不小心斷電,，則會導(dǎo)致系統(tǒng)不能運行，不夠穩(wěn)定,。
　　(5)訂制IC,、FPGA、PLD
　　該方法不易被破解復(fù)制,，但成本過高,，且不易實現(xiàn)。
　　以下將要介紹的基于KEELOQ的硬件加密方法是一種新型的加密方法,具有不易破解復(fù)制,、可靠,、低成本、易于實現(xiàn)等特點,，彌補(bǔ)了以上方法的缺陷,，又綜合了各種優(yōu)點。
2 KEELOQ跳碼加密技術(shù)分析
　　KEELOQ技術(shù)是一種非線性跳碼加解密技術(shù)^[2],。其原理如圖1所示,。根據(jù)密碼學(xué)的原理，要保證加密系統(tǒng)的安全性,，必須不斷地更新密碼內(nèi)容,，它包含著密鑰,、被加密數(shù)據(jù)、算法等,。KEELOQ技術(shù)完全符合這一特點,。它著重于非線性和跳碼，二者結(jié)合使得每次發(fā)送的碼均以無規(guī)律方式變化,，而且不重復(fù),，因此滿足高性能加密的需求。采用硬件電路產(chǎn)生加密碼,，使編碼和加密變換過程都被封裝在芯片里,，內(nèi)部進(jìn)行密鑰與編碼算法運算，每次發(fā)送不同密碼,，即使被截獲,，也不易被破譯。設(shè)置同步碼,，阻止了通過截獲重發(fā)的破解方式,。

　　KEELOQ技術(shù)的核心思想^[3，4]是：由64位廠商密碼,、32位產(chǎn)品序列號和32位種子碼經(jīng)過特定的生成算法生成64位的加密密鑰,。用64位的加密密鑰去加密32位的數(shù)據(jù)CSR(包括4位功能碼，12位校驗碼,，16位同步碼)得到32位的密文,。
　　加密機(jī)制為：首先定義一個非線性表,，這個非線性表有5位輸入,，一位輸出。它在CSR中間隔均勻地取固定5位,，通過非線性產(chǎn)生一個輸出碼,；這一位輸出碼再與加密密鑰中的15位、CSR中的2位進(jìn)行異或運算后輸出第一位輸出碼CRYP[0],；每輸出一位后,，加密密鑰、CSR分別進(jìn)行移位,，加密密鑰作循環(huán)移位,，CRYP[0]作為CSR移位的輸入；重復(fù)上述步驟直到輸出32位密文,。依此方法,，即使32位CSR中只有一位發(fā)生變化，用KEELOQ加密算法得到的CRYP密文也會有50%以上的數(shù)據(jù)位(16位)發(fā)生變化,。解密過程類似,。
　　Microchip公司的HCS301是一款較典型的以KEELOQ技術(shù)為基礎(chǔ)的跳碼專用芯片,。它是一塊8引腳的編碼IC芯片，里面集成了KEELOQ算法和其他一些功能,，帶有四個按鍵接口,，實現(xiàn)15位的功能/命令碼。內(nèi)置192bit(12×16bit)E2PROM,用來存放EN_KEY(加密密鑰),、SN(序列號),、SYNC(同步碼)、SEED(種子碼)等,。每次發(fā)送數(shù)據(jù)時,，同步計數(shù)器的值都被更新，所以每次發(fā)送的密文都不相同,，有效防止了空中截獲法和數(shù)據(jù)重傳帶來的安全隱患,。
3 KEELOQ技術(shù)用于硬件加密的改進(jìn)算法
　　為了將KEELOQ技術(shù)用于程序加密，需要對算法進(jìn)行一些改進(jìn)^[5]：
　　(1)原算法發(fā)送的數(shù)據(jù)中,，其有用信息(如序列號,、功能碼)全部在固定碼中，加密碼只作為一種加密用的附加數(shù)據(jù),，這樣不但降低了安全性,而且傳輸效率不高,。以HCS300為例，發(fā)送的66位數(shù)據(jù)中只有32位為有用信息,，傳輸效率比較低,。改進(jìn)后把同步碼映射到各組待加密的數(shù)據(jù)中，提高了傳輸效率,。
　　(2)原算法無法用于數(shù)據(jù)加密,。由于原算法是由硬件芯片實現(xiàn)的，它所能加密的數(shù)據(jù)只限于序列號,、同步碼等預(yù)先存在HCS301的E2PROM中的數(shù)據(jù),。它沒有數(shù)據(jù)入口，無法對數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密,。因此,，需要增加數(shù)據(jù)入口，改變對加密數(shù)據(jù)的長度要求,，使其適合批量的數(shù)據(jù)加密,。
　　(3)原算法對功能碼的檢錯和糾錯的功能較弱。由于加密的都是關(guān)鍵數(shù)據(jù),，若在傳輸中出現(xiàn)誤碼,，后果非常嚴(yán)重。因此需要增加對數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯的功能,。
4 KEELOQ硬件加密算法在硬件防盜版中的應(yīng)用
　　KEELOQ硬件防盜版技術(shù)由硬件驗證和程序加密兩部分組成,，其框圖見圖2,。

4.1 硬件驗證
　　硬件驗證法類似于前面所述的外部隨機(jī)存儲器驗證法，只是外部隨機(jī)存儲器被替換為HCS301,，這樣系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠,。
　　CPU在第一次運行時會對HCS301進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲取序列號以及種子碼,，并據(jù)此算出解密密鑰,。每次開機(jī)上電或復(fù)位后，由CPU產(chǎn)生4位隨機(jī)數(shù),，送至HCS301的S0-S3,。經(jīng)過HCS301的硬件加密后，密文由PWM輸出至CPU,。
　　CPU收到密文后就用解密密鑰進(jìn)行軟件解密,，解密得到的4位隨機(jī)數(shù)、序列號及計數(shù)器的值若都與發(fā)送的內(nèi)容相符,，則通過驗證,，主程序開始執(zhí)行，否則主程序不會執(zhí)行,。驗證流程如圖3所示,。

　　這一驗證方式保證了CPU內(nèi)部程序的保密性，將CPU換到其他電路將不能運行,，除非知道HCS301的廠商密碼,、同步碼等信息。而這些信息一般都是很難獲取的,。
4.2 程序加密
　　對于存放在外部存儲器中的程序或數(shù)據(jù),，可以用改進(jìn)的KEELOQ算法進(jìn)行加密，然后儲存起來,。一般只須對程序及數(shù)據(jù)中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,。
　　關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密的過程如下：
　　(1)擴(kuò)充非線性表,。原算法是用64位密鑰去加密32位的明碼數(shù)據(jù),，現(xiàn)在把它擴(kuò)展為64位密鑰去加密64位的明碼數(shù)據(jù)，密文長度也為64位,?？砂丛?guī)律擴(kuò)展非線性表。
　　(2)數(shù)據(jù)分組,。盡管關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸量較小,，但還是必須對所要加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。在使用分組時,，對明文尾部不滿一個整組的碎片采用填充隨機(jī)數(shù)的辦法將其擴(kuò)充為一個整組,，然后進(jìn)行正常加密,。即數(shù)據(jù)分組長度、密鑰長度和輸出密文長度均為64位,。
　　(3)將同步碼映射到各組數(shù)據(jù)中,。同步碼每次發(fā)送時均會改變，它是保證系統(tǒng)每次發(fā)送的密文都不一樣的根本,。只需進(jìn)行分配,、疊代、移位,、異或等簡單的變換即可完成映射任務(wù),。
　　(4)封裝算法。算法經(jīng)封裝后可方便地被各種程序調(diào)用,。算法的入口參數(shù)有三個：EN_KEY,、Data、Mode,。其中EN_KEY為64位的加密密鑰,；Data為64位被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode為工作方式,，有加密或解密兩種,。
　　(5)檢錯糾錯。在發(fā)送數(shù)據(jù)時還要加入檢錯和糾錯功能,。檢錯視系統(tǒng)的要求可選奇偶校驗,、CRC校驗等。糾錯可以用漢明碼,。
　　改進(jìn)后的KEELQQ算法可用于數(shù)據(jù)加密的數(shù)據(jù)格式如圖4所示,。