數(shù)據(jù)加密技術在嵌入式系統(tǒng)中的應用

摘 要：在裝備的試用狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護等方面，數(shù)據(jù)加密技術的應用越來越廣泛。針對嵌入式系統(tǒng)的特點和數(shù)據(jù)加密需求，給出了一種可應用到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法。該方法在隨機數(shù)序列的基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，并綜合應用了數(shù)據(jù)二次尋址、置換表、數(shù)據(jù)字節(jié)運算、改進的循環(huán)冗余校驗等技術，相同明文每次加密后形成的密文數(shù)據(jù)各不相同，具有加密強度高、算法容易實現(xiàn)、密文數(shù)據(jù)防篡改等特點。該技術已成功應用于C8051F020和MSP430F135單片機系統(tǒng)，分別實現(xiàn)了某兩型裝備的試用期狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)加密； 數(shù)據(jù)尋址； 密鑰

中圖分類號：TN91934； TP309.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22000703

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)品的各個領域［12］，在其越來越智能化的同時，與之運行有關的各種工作參數(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)、測量結果等敏感數(shù)據(jù)必須經(jīng)過授權才能被設置或查看。在沒有授權的情況下，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)直接關系到產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的經(jīng)濟利益。產(chǎn)品試用期結束后，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，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。

圖2 密文數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序用戶界面2 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密技術的特點

所謂數(shù)據(jù)加密技術是指將信息（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［3］。

數(shù)據(jù)加密技術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）［45］。密鑰分為專用密鑰和公開密鑰兩種［3］。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［6］，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） 加密技術應能識別密文數(shù)據(jù)是否被非法篡改［7］，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到某嵌入式設備中。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

在加密過程中，原始數(shù)據(jù)通過二次尋址的方式插入隨機數(shù)列［5］，這樣數(shù)據(jù)在數(shù)列中的存儲位置可以是隨機的，被加密數(shù)據(jù)的存儲地址是相對固定的。數(shù)據(jù)二次尋址方式原理示意圖如圖3所示。圖中，每次加密操作時原始數(shù)據(jù)0x7E的存儲位置是隨機的，本次加密操作時其存儲地址0x01C2存儲在0x00D9和0x01D8兩個字節(jié)中。

圖3 數(shù)據(jù)二次尋址方式原理示意圖假設某數(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k d′（低字節(jié)），則原始數(shù)據(jù)d可表述為：d=X［md］=X［X［nd′］< <8+X［kd′］］

（1） 為提高加密強度，數(shù)據(jù)d的存儲地址的存儲地址nd′和k d′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，但要保證運算結果f隨機

考慮到f隨機，則式（1）變?yōu)椋篸=X［md］=X［X［nd′］< <8+X［k d′］］

=X［X［Jnd+f隨機］< <8+X［Jkd+f隨機］］

（3）式中：Jnd，Jkd分別是數(shù)據(jù)nd′和k d′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［5］。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F2，則式（3）變?yōu)椋篸=F2（X［md］）=F2（X［F2（X［Jnd+f隨機］）< <

8+F2（X［Jkd+f隨機］））

（4） 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

根據(jù)隨機數(shù)列得到數(shù)據(jù)d的過程是：第1步，根據(jù)規(guī)則F1得到基地址偏移量f隨機；第2步，把X［Jnd+f隨機］經(jīng)F2規(guī)則變換后賦值給nd′；第3步，把X［Jkd+f隨機］經(jīng)F2規(guī)則變換后賦值給kd′；第4步，X［nd′< <8+kd′］經(jīng)F2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［3］。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：X［kM］=F2［（∑i=（k－1）MkM－1X［i］）0xFF］

（5）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［8］。

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［9］進行加密。在該方法中，置換表Z［i］是關鍵，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z［i］，則z［i］具有如下特征：

0≤z［i］≤255，0≤i≤255

z［m］≠z［n］，0≤m≤255，0≤n≤255且m≠n假設X［i］中的數(shù)據(jù)為x［i］，置換后的數(shù)據(jù)為y［i］，則x［i］到y(tǒng)［i］的數(shù)據(jù)變換操作為：u＼[i＼]=g|if z＼[g＼]=x＼[i＼]

（6） 解密過程與上式相反，具體為：x［i］=Z［y［i］］

（7） 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表，可以進一步提高加密強度［10］。但每增加一個置換表，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 語

按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.