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(lái)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(lèi)， 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(lái)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(guò)硬件來(lái)控制軟件運(yùn)行的加密方法， 如密鑰盤(pán)、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(xiě)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(chǎng)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(guò)對(duì)并行口讀取數(shù)據(jù)來(lái)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(guò)于簡(jiǎn)單， 很容易被人檢測(cè)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(lèi)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(mǎn)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(xiě)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(wú)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(shì)， 如安裝拆卸方便、總線(xiàn)資源豐富、打包方法簡(jiǎn)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(guò)程為將消息(明文)經(jīng)過(guò)某種算法進(jìn)行加密， 形成密文， 再經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)者提供用戶(hù)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(hù)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(hù)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(wú)法預(yù)知或者推算下一次或者下下次的動(dòng)態(tài)口令， 無(wú)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(xiàn)、地址總線(xiàn)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(jiǎn)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(fǎng)問(wèn)， 由于其余端點(diǎn)都是單向訪(fǎng)問(wèn)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(lái)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(kāi)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(hù)開(kāi)發(fā)， 縮短了開(kāi)發(fā)周期。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)程序就是對(duì)FX2開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)開(kāi)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(lái)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(kāi)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(yǔ)

　　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(hù)使用， 免除了開(kāi)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單， 占用空間小， Cypress公司提供的套件開(kāi)發(fā)固件程序和驅(qū)動(dòng)程序， 用VC6. 0 開(kāi)發(fā)加密的軟件平臺(tái)， 極大地縮短了開(kāi)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(wú)疑會(huì)具有十分強(qiáng)大的生命力。