1 引 言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計(jì)算機(jī)軟件作為特殊商品在信息時(shí)代越來越重要。但是由于計(jì)算機(jī)軟件的易拷貝性, 各種軟件盜版、侵權(quán)現(xiàn)象不斷發(fā)生, 軟件加密技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它分為軟加密和硬加密兩類, 所謂軟加密就是用純軟件的方式, 在程序中使用一些獨(dú)特的軟件算法或其它手段來驗(yàn)證使用者的合法性, 其特點(diǎn)是成本低, 但加密強(qiáng)度不高, 易被破解;硬加密則是采用軟件與硬件配合, 通過硬件來控制軟件運(yùn)行的加密方法, 如密鑰盤、加密卡、軟件狗等方法, 其加密性能好, 不象軟件那樣有易復(fù)制性, 所以從理論上講, 它比軟加密要可靠一些。而綜合分析硬加密的技術(shù)指標(biāo)如可靠性、讀寫速度、破譯程度、占用主機(jī)資源等, 軟件狗是一種較好的加密方法。因此, 目前在市場上獲得了廣泛應(yīng)用。
2 軟件狗的發(fā)展及原理
軟件狗技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代。第一代是存儲(chǔ)器型的加密狗, 工作時(shí)插在微機(jī)的并行口上, 通過對(duì)并行口讀取數(shù)據(jù)來判別軟件狗存在與否、密碼正確與否, 從而決定軟件是否運(yùn)行。這種軟件狗因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)過于簡單, 很容易被人檢測破譯。
第二代軟件狗采用低功耗邏輯集成電路, 在電路設(shè)計(jì)上做了一些加密工作, 例如對(duì)數(shù)據(jù)位的反相、移位、交叉等, 破譯時(shí)比前一種困難, 起到一定的加密功能。第三代軟件狗采用可編程器件, 由于這類器件本身就含有加密保護(hù)單元, 很難讀出, 增加了破譯難度[ 3] 。
但是隨著黑客攻擊手段的提高, 前三代已經(jīng)不能滿足保密要求, 第四代以單片機(jī)為核心的軟件狗產(chǎn)生了。它不像以往軟件狗只能輸出固定的密鑰,而是按一定的算法對(duì)寫入和讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,也可以將被保護(hù)軟件的重要模塊移植到軟件狗中,使得軟件狗成為被保護(hù)軟件不可缺少的一部分。這樣軟件與軟件狗實(shí)現(xiàn)了真正的無縫連接, 極大提高了解密的難度, 有效防止了軟件跟蹤和邏輯分析儀的分析以及對(duì)程序的破壞性解密, 從而有效保護(hù)了軟件不被侵權(quán)。
USB 是在1994 年底由Compaq、IBM、M icrosoft等多家公司聯(lián)合提出的一種新型通用串行接口技術(shù), 它具有真正的即插即用和熱插拔功能, USB 2. 0的高速設(shè)備可達(dá)480Mb /S的速度, 以其獨(dú)有的優(yōu)勢, 如安裝拆卸方便、總線資源豐富、打包方法簡單、設(shè)備獨(dú)立等逐漸取代了其它單片機(jī)加密狗, 基于此,設(shè)計(jì)了一種基于USB2. 0控制器的軟件狗。
3 U SB2. 0軟件狗總體體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
3. 1 USB2. 0軟件狗的工作原理
傳統(tǒng)意義上的加密就是防止信息泄露, 其基本過程為將消息(明文)經(jīng)過某種算法進(jìn)行加密, 形成密文, 再經(jīng)過解密將密文轉(zhuǎn)變?yōu)槊魑模?以達(dá)到信息不被竊取的目的, 而軟件狗則是加密技術(shù)在信息領(lǐng)域中呈現(xiàn)出的一個(gè)全新概念。它的作用并不是防止信息泄露, 而是為軟件開發(fā)者提供用戶使用權(quán)限認(rèn)證或運(yùn)行許可, 與傳統(tǒng)的信息加密概念有著明顯的區(qū)別。因此, 設(shè)計(jì)過程中加密算法的實(shí)現(xiàn)不是研究的主要內(nèi)容, 需要把工作重點(diǎn)放在如何防止調(diào)試工具對(duì)軟件狗數(shù)據(jù)傳輸?shù)母櫍?以達(dá)到難以破解或者不能破解的目的。
一般的軟件狗工作原理如圖1所示。
圖1 USB 軟件狗加密保護(hù)流程圖
圖1中列出了6個(gè)步驟, 描述了從插入U(xiǎn)SB軟件狗到完成一次軟件合法性檢驗(yàn)的全過程。軟件狗對(duì)隨機(jī)數(shù)的加密在硬件中進(jìn)行, 其結(jié)果返回PC 機(jī)并經(jīng)PC 機(jī)中軟件的解密算法解密。通過檢驗(yàn)解密后的數(shù)據(jù)是否和原隨機(jī)數(shù)保持一致來鑒別是否插入合法的軟件狗硬件, 從而達(dá)到軟件保護(hù)的目的。
不難看出, 步驟3 和4中傳送的隨機(jī)數(shù)容易被多次跟蹤分析, 解密者可以根據(jù)得到的這一系列數(shù)據(jù)對(duì), 設(shè)計(jì)出相關(guān)的模擬軟件, 那么就需要在這個(gè)隨機(jī)數(shù)上進(jìn)行改進(jìn)。
本設(shè)計(jì)中采用的是將USB 軟件狗的PIN 碼保護(hù)和動(dòng)態(tài)口令相結(jié)合的方法。PIN 碼在PC 上輸入,在用戶不取走USB軟件狗時(shí)易被解密者捕獲, 從而獲得虛假認(rèn)證, 可是如果使用了動(dòng)態(tài)口令, 每次的口令不同, 解密者很難進(jìn)行破解。動(dòng)態(tài)口令是一種讓用戶密碼按照時(shí)間或者使用次數(shù)不斷變化、每個(gè)密碼只能使用一次的技術(shù), 即使解密者獲取了幾個(gè)動(dòng)態(tài)口令, 那么他也無法預(yù)知或者推算下一次或者下下次的動(dòng)態(tài)口令, 無法在使用時(shí)間或者使用次數(shù)上形成連續(xù)性。本設(shè)計(jì)的USB2. 0 軟件狗加密保護(hù)流程如圖2所示。
圖2 USB2. 0軟件狗加密保護(hù)流程圖。
3. 2 硬件實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)中采用Cypress 公司推出的CY7C68013A芯片, 該芯片屬于EZ- USB FX2系列芯片, 是世界上第一個(gè)集成USB2. 0 協(xié)議的微處理器, 它支持12Mb / s的全速傳輸和480Mb / s高速傳輸。
CY7C68013A芯片結(jié)構(gòu)包括增強(qiáng)型8051 處理器、串行接口引擎( SIE )、USB2. 0收發(fā)器、16KB 的RAM、4KB的FIFO 存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)總線、地址總線以及通用可編程接口( GPIF)等, 如圖3所示。
圖3 CY7C68013A 芯片結(jié)構(gòu)圖。
USB 加密狗一般由USB 控制器、單片機(jī)、外接存儲(chǔ)器構(gòu)成, 而CY7C68013A 將三者集成為一個(gè)芯片, 使硬件實(shí)現(xiàn)變得非常簡單, 只需配置好外圍電容、電阻即可。芯片提供了0、1、2、4、6、8 幾個(gè)端點(diǎn), 端點(diǎn)0和端點(diǎn)1僅由固件訪問, 由于其余端點(diǎn)都是單向訪問的, 在此使用端點(diǎn)2和端點(diǎn)6, 用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
該芯片集成的增強(qiáng)型8051比標(biāo)準(zhǔn)8051有更快的執(zhí)行速度以及更大的存儲(chǔ)器空間, 因此, 它可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成比較復(fù)雜的算法, 而且不需另外擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。芯片內(nèi)部還有一個(gè)串行接口引擎S IE, 由它來完成大部分USB2. 0協(xié)議的處理工作,這樣大大減輕了固件程序的工作量。
3. 3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分: 芯片固件程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、PC應(yīng)用程序。
Cypress公司的EZ- U SB FX2開發(fā)套件提供了完整的CY7C68013A 驅(qū)動(dòng)程序源代碼、固件的框架、控制面板程序, 方便用戶開發(fā), 縮短了開發(fā)周期。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)程序就是對(duì)FX2開發(fā)套件中所帶的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行修改而得到的。利用提供的固件框架完成設(shè)備的初始化, 使用端點(diǎn)2和端點(diǎn)6的實(shí)時(shí)傳輸方式, 實(shí)時(shí)得到動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的PIN 碼。
在本設(shè)計(jì)中, PC 應(yīng)用程序是指與加密狗的接口程序, 選用VC6. 0 為開發(fā)平臺(tái)來開發(fā)應(yīng)用程序, 利用C reateF ile得到USB 句柄, 使用D ev iceIoControl函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送, 并編制U SB 軟件狗的主機(jī)接口函數(shù), 將接口函數(shù)封裝于usbdog. d ll文件中, 供被保護(hù)軟件調(diào)用。
使用開發(fā)套件中提供的控制面板程序可以調(diào)試程序, 驗(yàn)證應(yīng)用程序傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
4 結(jié)束語
USB2. 0軟件狗和其他軟件狗相比有其獨(dú)有的優(yōu)越性。首先, USB 憑借其即插即用極大地方便了用戶使用, 免除了開機(jī)箱和重啟動(dòng)的麻煩, 能夠?yàn)閭€(gè)人筆記本電腦提供一個(gè)具有快速通信能力的數(shù)據(jù)加密設(shè)備。第二, USB2. 0的高速數(shù)據(jù)傳輸能力保證了運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)加密, 其特有的打包方法和編碼格式, 增加了加密數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲及解密的難度。第三, 采用USB 軟件狗的PIN 碼保護(hù)和動(dòng)態(tài)口令相結(jié)合的方法, 避免了解密者獲取和推算動(dòng)態(tài)口令。第四, 本設(shè)計(jì)中采用Cypress 公司的CY7C68013A 芯片作為主芯片, 使得硬件電路設(shè)計(jì)簡單, 占用空間小, Cypress公司提供的套件開發(fā)固件程序和驅(qū)動(dòng)程序, 用VC6. 0 開發(fā)加密的軟件平臺(tái), 極大地縮短了開發(fā)周期。
作為USB2. 0 技術(shù)和軟件狗技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物, USB 軟件狗無疑會(huì)具有十分強(qiáng)大的生命力。