摘 要： 基于ARM平臺提出了一種軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)軟件保護方案。利用加密算法AES和FS8826安全芯片，以嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks為例,在啟動過程中加入認證、密鑰讀取和解密操作以保證系統(tǒng)的安全啟動，并進行周期性定時認證。
關(guān)鍵詞： ARM平臺； AES； FS8826安全芯片； Vxworks
近年來，從軟件到軟硬件聯(lián)合攻擊給嵌入式系統(tǒng)造成嚴峻的安全威脅。安全性已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的一部分，同時這又是一個折衷的過程，不能單靠軟件來保證，而全硬件的解決方式很昂貴且不具有彈性[1]。很多產(chǎn)品開始從設(shè)計之初就從系統(tǒng)架構(gòu)上考慮了安全性，如ARM公司的Trust Zone技術(shù)開辟了一片可信代碼區(qū),通過一個S比特來區(qū)分系統(tǒng)的安全狀態(tài)，IBM的PowerPC中使用了多核單元寬帶引擎(BE)進行安全引導(dǎo)和物理隔離。
需要注意的是目前使用的很多嵌入式系統(tǒng)都是基于沒有特別設(shè)計安全機制的硬件平臺。本文以原ARM處理器平臺為例，通過增加1塊安全協(xié)處理器，就可以實現(xiàn)低成本、有實效的安全保護，并且能夠抵御兩類比較寬泛的攻擊：一類是在系統(tǒng)的啟動過程中的攻擊，如果系統(tǒng)啟動過程中沒有安全保護措施，很可能被非法用戶使用非授權(quán)的軟件。另一類是外部存儲器及總線攻擊，當程序代碼保存在外部非易失存儲器上時，可以輕易被黑客拷貝。另外，片外存儲器與片上系統(tǒng)(SoC)之間的總線傳輸也容易受到攻擊。
1 硬件結(jié)構(gòu)
本方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。處理器平臺采用三星公司的S3C2442，內(nèi)核為ARM920T，外置1塊2 MB的NorFlash用以存放密文數(shù)據(jù)，ARM通過總線方式對NorFlash進行訪問，該硬件結(jié)構(gòu)中最重要的部分是添加了1塊安全協(xié)處理器：福華公司的嵌入式系統(tǒng)軟件保護芯片F(xiàn)S8826。該芯片可通過I2C或SPI總線與SOC連接，這里使用I2C方式。PC機能夠?qū)τ布脚_中的每個芯片進行編程控制：通過JTAG端口、串口及網(wǎng)口與ARM進行通信，通過專門的燒錄器對FS8826的硬件密鑰和安全存儲區(qū)進行寫入。
2 軟件實現(xiàn)
軟件設(shè)計從兩個主要方面考慮,一是代碼加密,二是版權(quán)認證。前者主要通過AES(Advanced Encryptiong Standard)加解密算法實現(xiàn)，其算法密鑰的管理以及版權(quán)認證將依靠FS8826來實現(xiàn),最終達到安全啟動嵌入式操作系統(tǒng)以及保護運行時的版權(quán)目的。安全啟動方案基于Bootloader+Image的加載機制，也是ARM處理器通用的引導(dǎo)機制。首先采用AES加解密算法在PC機端將編譯完成Image加密，利用FS8826安全存儲區(qū)存放AES算法密鑰，密文存儲在片外存儲器中，ARM啟動時將密文加載入內(nèi)存。然后在Bootloader啟動過程時加入與FS8826的認證操作，認證通過則在該過程中使用AES解密算法解密Image，并用明文將原內(nèi)存中的密文覆蓋，系統(tǒng)正常運行中加入與FS8826的實時通信監(jiān)測，確保在授權(quán)目標機上運行程序。軟件實現(xiàn)流程如圖2所示，相應(yīng)的方案實現(xiàn)框圖如圖3所示。
2.1 AES算法
AES是美國國家標準和技術(shù)研究所(NIST)選定的高級加密標準，是目前對稱加密領(lǐng)域內(nèi)的主流算法。其數(shù)據(jù)分組固定為128 bit,密鑰分組可支持128 bit/192 bit/256 bit。核心過程為數(shù)據(jù)塊矩陣的Nr（10/12/14）次輪操作。每一次輪操作都由S盒代換(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)和輪密鑰加(AddRoundKey)4個函數(shù)組成，第Nr次輪操作不包含MixColumns 函數(shù)。密鑰擴展為每一輪變換提供輪密鑰[2]。本方案中加密在PC機端離線完成，沒有時間和運行效率的特別要求，但是解密在ARM9處理器中完成，其運行時間將作為系統(tǒng)啟動的一部分，所以下面針對解密部分的算法程序結(jié)合其實現(xiàn)平臺進行優(yōu)化設(shè)計。
直接的解密算法是將加密過程的每一步求逆并倒置次序得到,然而這樣并不利于優(yōu)化。算法的創(chuàng)始人提出了一種等價解密過程，在解密的輪變換中交換逆行移位和逆S盒代換，輪密鑰加和逆列混淆的順序，只需要調(diào)整密鑰的編排方案即可。在實現(xiàn)中等價解密過程可以將解密輪變換中的前3個步驟綜合生成1張4 KB的T表用于查詢，即可快速準確地完成解密[2]。具體流程如圖4所示。
加解密過程使用電碼本模式（ECB）運行，即將消息段逐個分別加解密。實現(xiàn)采用移植性較好的標準C編程。針對ARM處理器的特點，C語言具有以下優(yōu)化的實現(xiàn)方式[3]:
(1) 數(shù)據(jù)類型設(shè)置：ARM處理器內(nèi)部是32 bit寄存器，如果變量長度與ARM內(nèi)部寄存器長度不一致，將會使得變量的存取都需要附加其他指令[3]。AES算法中密鑰及數(shù)據(jù)都是以字節(jié)為單位運算，優(yōu)化時調(diào)整為32 bit，僅在輸入輸出時進行位數(shù)變換，可以帶來很大的速度改進。
(2) 循環(huán)展開：ARM處理器中每一次循環(huán)最少有4個周期的循環(huán)開銷[3]。解密輪變換涉及4個子函數(shù)調(diào)用，循環(huán)執(zhí)行Nr-1次。在等價解密算法融合了3個子函數(shù)形成T表查詢，于是可以把輪變換展開，在不增加太多代碼量的基礎(chǔ)上，每一個數(shù)據(jù)分組解密減少4(Nr-1)個周期。當密鑰位長、密文數(shù)據(jù)量大時節(jié)省的循環(huán)開銷就比較可觀。
(3) 控制變量數(shù)：為了高效執(zhí)行1個函數(shù)，應(yīng)盡量限制函數(shù)內(nèi)部循環(huán)所用局部變量的數(shù)目,最多不超過12個，確保最重要的和經(jīng)常用到的變量都被分配在寄存器里[3]。
(4) 宏定義函數(shù)實現(xiàn)：有些簡單函數(shù)可以通過宏定義的方式實現(xiàn)，如域內(nèi)乘法等。此種方式可以減少函數(shù)調(diào)用開銷。
2.2 FS8826功能實現(xiàn)
FS8826芯片自帶24 B硬件密鑰，具有不可回讀、不可在總線上傳輸?shù)奶攸c，主要用于芯片內(nèi)部的認證模塊運算（HASH&3DES）和安全數(shù)據(jù)傳輸。芯片內(nèi)部開辟了1塊安全存儲區(qū)(96 B EEPROM)，讀寫都受硬件密鑰的保護，且具有CRC校驗功能。在本方案中該芯片主要實現(xiàn)兩方面功能： SoC版權(quán)確認和AES密鑰管理。前者通過認證實現(xiàn)，具體流程如圖5 所示?？偩€上發(fā)送的數(shù)據(jù)為硬件密鑰與用戶設(shè)置的認證區(qū)數(shù)據(jù)通過HASH運算得出的數(shù)組，并加入了8 B隨機數(shù)，能夠有效地防止重放攻擊(reply attack)。該項功能能夠提供代碼完整性驗證[4]，在一定程度上抵抗反匯編攻擊。后者通過將AES密鑰燒入FS8826的安全存儲區(qū)，由其硬件密鑰進行保護實現(xiàn)，認證通過后發(fā)送加密的讀取命令，算法密鑰以密文形式在總線上傳遞[4]。
2.3 Vxworks啟動、運行
以上所述的加解密和認證過程將運行在嵌入式實時操作系統(tǒng)的啟動和監(jiān)測上，實現(xiàn)上以Vxworks為例，該系統(tǒng)為風河系統(tǒng)公司(Wind River System)在業(yè)界最早推出的一款嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng),開發(fā)環(huán)境為Tornado。
VxWorks操作系統(tǒng)的映像包括兩大類：VxWorks類型和Boorom類型[5]。本文對RAM中運行的VxWorks映像在PC機端進行AES加密。選擇執(zhí)行格式的未壓縮Bootrom映像——bootrom_uncmp作為啟動映像，并在其調(diào)用的初始化文件(bootConfig.c)中加入與FS8826的安全認證、密鑰傳輸以及解密運算。bootrom_uncmp由仿真器燒入到目標板的norflash中，上電后，bootrom_uncmp把自身拷貝到RAM_HIGH_ADRS地址上運行引導(dǎo)程序。之后，把VxWorks映像裝入到起始地址為RAM_LOW_ ADRS的RAM 中，接著跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像裝入點運行[5]。如果認證通過，引導(dǎo)程序?qū)腇S8826的安全存儲區(qū)獲取AES算法密鑰，進行解密，否則在RAM_LOW_ADRS處的VxWorks映像將仍然為密文，無法正常啟動。如圖6所示。
在系統(tǒng)安全啟動后，加載的明文映像開始運行，同時,隱藏在映像中認證程序也將開始運行,并定時與FS8826通信，確保持有正確硬件密鑰的芯片運行正常，以防黑客移植代碼非法使用。
3 實現(xiàn)結(jié)果及分析
按照ARM平臺下的優(yōu)化原則,AES解密算法通過直接解密和等價解密2種形式進行實現(xiàn)，并通過ADS的Debugger Internals工具從速度和內(nèi)存占用量兩方面衡量實現(xiàn)效率[2]。如表1所示為在ARM9處理器中2種算法所耗的匯編指令數(shù)和指令周期數(shù)。表 2為兩者占用的內(nèi)存資源對比。
從表中結(jié)果可以看出，采用查表運算的等價解密過程具有速度上的優(yōu)勢，且隨著密鑰位的增加其改進越明顯。然而，速度與內(nèi)存占用是相互矛盾的兩方面，運行速度越快的算法必然會以占用一部分資源占用為代價。等價解密算法中使用了T表,且將循環(huán)展開造成了代碼量的增加。所以在實際使用時，對內(nèi)存資源的要求高于速度要求時建議采用直接解密算法，反之則可采用等價解密算法。這里所用的ARM9有足夠的內(nèi)存空間，所以采用128 bit密鑰的等價解密算法，以1 MB的Vxworks密文映像為對象進行啟動測試。
正常啟動中先由NorFlash建立文件系統(tǒng)，然后通過NandFlash加載文件。實際測試中對1 MB密文的讀取耗時1.4 s?？梢詫γ芪淖x取方式進行優(yōu)化，將密文燒入片外NorFlash中，系統(tǒng)上電后，內(nèi)存從NorFlash中獲取密文的讀取方式，時間為0.03 s。這種差別的原因主要有2點：(1)文件系統(tǒng)訪問方式下用fopen和fread函數(shù)打開密文，解密后的數(shù)據(jù)還需寫回到文件中重新讀取，且會受時鐘頻率及總線速度的限制。而后者屬于內(nèi)存直接讀取，解密后直接從內(nèi)存啟動；(2)NorFlash的讀取速度本身就比NandFlash要快。
啟動過程各部分時間如表3所示。
需要注意的是，在啟動過程中只開啟了指令cache，且沒有MMU的支持，所以解密的執(zhí)行速度較之系統(tǒng)啟動后要慢很多。經(jīng)測試，在系統(tǒng)加載起來后1 MB的密文解密操作只需1.7 s。對啟動速度有特殊要求的應(yīng)用可以對MMU和cache的使用進行進一步的調(diào)整設(shè)計。
系統(tǒng)啟動后進行的定時認證,可以監(jiān)測與FS8826的正常通信，保證主映像運行在授權(quán)目標機上。認證過程中的運算都在FS8826芯片內(nèi)進行，不會對主映像的運行速度造成影響，經(jīng)過測試每次認證耗時0.16 s，如果安全級別要求不是很高，也可以選擇采用復(fù)位芯片的方式進行監(jiān)測，每次僅耗時0.01 s。
本文的主要創(chuàng)新點是基于ARM9處理器平臺，針對其軟件安全提出了一套可行的解決方案。本方案可以抵御兩類攻擊：(1)本文構(gòu)建的安全啟動過程，如果脫離了FS8826的支持，將無法獲取密鑰，無法通過認證。并且可以設(shè)置不止一次的認證操作隱藏在啟動過程中，將其中的一部分用作FS8826的驗證區(qū)數(shù)據(jù)，即使黑客通過反匯編的手段，找到認證代碼并予以忽略，也會因為篡改使其他部分的認證無法通過,從而達到防止軟件盜版的目的;(2)關(guān)鍵的代碼一開始就是以加密狀態(tài)存放在NorFlash中，密鑰則存儲在FS8826的安全存儲區(qū)內(nèi)，合法用戶運行時將獲取密鑰，把密文解密到內(nèi)存中，掉電數(shù)據(jù)丟失。同時，F(xiàn)S8826與SOC之間的總線通信已經(jīng)過加密，能夠防止黑客從總線竊取。該方案成本低，效果好，其成果具有一定的推廣性。
參考文獻
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北京航空航天大學出版社,2005.
[4] FS8806&FASP-8806 Introduction，Version 2.14. www.FameG.com.2006-10-18.
[5] 陳智育，溫彥軍，陳琪.Vxworks程序開發(fā)實踐[M].北京：人民郵電出版社, 2004.