嵌入式系統授權密匙的實驗與設計

文福江，鄧琳

（齊齊哈爾大學 建筑與土木工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

嵌入式系統產品的授權時間問題（即試用期時限），是嵌入式系統產品開發者面對的一個普遍問題．從理論的角度講，嵌入式系統的授權時間，可分為工廠模式授權和應用現場授權2種．工廠模式授權，在工廠批量生產時授權很容易實現，但應用現場授權往往受很多因素的制約和影響．概括起來，有幾種實現方式：（1）利用撥碼開關在出廠時或者現場進行設置；（2）重新下載 MCU程序，直接寫入授權時間；（3）利用嵌入式系統終端的鍵盤現場修改授權時間；（4）采用聯網方式批量進行授權的修改．前3種可以看作是單機修改授權時間模式，最后1種是聯網修改授權時間模式．在單機授權模式中，方式1采用的是地址編碼方法，由于是機械開關編碼，編碼方式固定，對一臺機器授權時間的修改操作尚可，對多個機器采用相同的操作，分別進行修改授權時間時，密匙編碼容易被識破．方式2由于直接寫入MCU授權時間，后期重新改變授權時間，只能繼續采用這種方式，靈活性與便捷性都很差[1-2]．基于此，以STC單片機為例，重點討論方式3的設計與實現．

1 授權密匙原理

1.1 系統結構

嵌入式系統結構見圖1．從圖1可以看出，整個系統由主機（上位機）和若干終端（下位機）構成．授權密匙的修改，實質就是現場修改使用授權的狀態，或關閉使用授權，或開放使用授權．根據圖1，授權密匙的修改可以采用 2種方式：（1）上位機根據終端地址 ID批量修改；（2）在單個終端上進行修改．2種方式的授權密匙從使用便利性的角度講，各有優勢和缺點．從成本構成權衡，如果終端傳感器數量較少，或者數據處理與控制較簡單，可以選擇單片機方式[3-4]．

圖1 嵌入式系統結構

1.2 授權密匙結構

授權密匙修改狀態進入是指嵌入式系統終端在時鐘設置狀態，進入授權密匙修改的狀態．假定進入授權密匙修改狀態的前提是時鐘設置狀態，則與授權密匙有關的組數據變量格式為：YY-MM-DD（年-月-日），hh-mm-ss（時-分-秒）．

1.2.1 正常顯示狀態 即設備運行時的狀態，包括時間與傳感器采集的即時數據．傳感器數據的顯示這里暫不討論，只討論與授權時間有關的內容．正常狀態下，終端顯示的日期、時間格式見圖2．

1.2.2 日期時間修改狀態 在正常顯示狀態，按設置鍵進入日期時間修改狀態，相應的日期或時間調整位會閃動，如調整年時的狀態見圖3．

1.2.3 授權時間修改狀態 在時間修改狀態下，可進入授權時間修改狀態．為防止設置時間時錯誤地進入授權時間修改狀態，系統進入該狀態必須滿足2個條件：（1）日期與時間的數據必須滿足密匙算法；（2）滿足條件后，光標必須移動到秒位置時，才能進入授權時間修改狀態（見圖4）．

圖2 終端顯示的日期、時間格式

圖3 調整年時的狀態

圖4 授權時間修改狀態

授權時間的長度是與設置時的當前時間為基準計算的．授權時間的時間單位為 T，可以為月、周、日中的一種，討論以周為單位．授權時間的長度Lt=n×t，通常Lt是一個數組，例如：Lt={00，02，04，12，27，54，99}，n為時間單位的倍數，即數組中的某一個元素的值．設置時通過鍵盤選擇數組元素．數值00代表無授權，99代表開放授權，其它值Lt等于數值n與T（周）的乘積．

1.3 密匙狀態進入

調整過程流程見圖5．

圖5 授權時間修改流程

2 密匙生成及存儲

密匙生成的方法繁多，這里采用實用性好的對稱密匙生成方法[5-7]．

2.1 逐位運算法

設正常顯示的時間格式見表1．

逐位運算法就是將日期與時間數據，以一一對應的關系逐位進行算術或邏輯運算，獲得的結果作為密匙．假設密匙為345678，則將日期格式的（年-月-日）Y1Y0-M1M0-D1D0與時間格式的（時-分-秒）h1h0-m1m0-s1s0對應位求和，和值為S5S4S3S2S1S0=345678，光標位于秒位置就進入授權時間設置狀態．密匙生成方法見表2．

表1 日期時間格式

表2 逐位運算法生成密匙

2.2 求和法

正常顯示的時間格式見表3，其中年數據取最低2位．設密匙為MhMl=5678．

在設置時，只要將日期（年（低 2位）+月+日）數據的算術和設置等于56，時間數據（時+分+秒）的算術和設置等于78，光標停留在秒位置上，就進入授權時間設置圖4的狀態．

逐位運算法與求和法，在實際應用中效果都不錯．比較而言，求和法操作的靈活性更強，更具有隱蔽性，現場修改授權時間密匙不容易被識破[8-11]．

表3 求和法生成密匙

2.3 密匙數據處理

2.3.1 密匙數據保存 密匙數據的存儲一般有2種，一種是保存在獨立的EEPROM芯片中，另一種是保存在MCU片內的EEPROM中．保存在獨立EEPROM芯片中有很多不足之處，該研究保存在片內EEPROM中．以STC15W408AS單片機為例，片內有5 K容量的EEPROM，以扇區為單位存儲數據，每個扇區512 B[12-13]．以求和法生成的5678密匙為例，保存在EEPROM的最后一個扇區的最后2個字節．片內EEPROM的數據與獨立芯片的EEPROM一樣，可以讀出．如果密匙數據不加密直接保存，數據讀出就直接破解，也無法稱作密匙了，破譯的危險性比較高．因此，保存在EEPROM中的數據要進行加密處理．

2.3.2 密匙數據加密解密過程 設密匙為0x5678，加密采用移位倍加方式．加密過程見圖6，解密過程見圖7．

圖6 密匙加密過程

圖7 密匙解密過程

3 結語

現場修改授權時間是嵌入式系統設計經常面對的問題．限于對已量化產品的保護，沒有把實物的2款產品圖片貼出．盡管實現的方式方法千差萬別，但對于單機而言，本文討論的方法具有很強的靈活性和保密性，具有一定的推廣價值．