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技術(shù)文章

數(shù)據(jù)加密在嵌入式系統(tǒng)升級(jí)中的應(yīng)用
DQZHAN技術(shù)訊：數(shù)據(jù)加密在嵌入式系統(tǒng)升級(jí)中的應(yīng)用
1、MCU的ISP和IAP功能

現(xiàn)在MCU已經(jīng)普遍采用Flash型的EEPROM作為程序存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器寫入時(shí)可以按字節(jié)操作把1寫成0，擦除時(shí)都是按扇區(qū)操作，把0寫成1。它的流行與普及為ISP/IAP功能的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

ISP，In System Programming，它的意思是“在系統(tǒng)編程”，即MCU不需要從電路板上取下就可以編程寫人*終用戶代碼，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程，從而改變了單片機(jī)系統(tǒng)的固化程序升級(jí)需拔插單片機(jī)芯片、使用專用編程器進(jìn)行燒錄的麻煩方式，輕松實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)系統(tǒng)電路板上對(duì)單片機(jī)芯片內(nèi)固化的程序進(jìn)行升級(jí)。

IAP，In Application Programming，它的意思是“在應(yīng)用編程”，即MCU在運(yùn)行時(shí)程序存儲(chǔ)器可由程序自身進(jìn)行擦寫。也就是說程序自己可以往程序存儲(chǔ)器里寫數(shù)據(jù)或修改程序。這種方式的典型應(yīng)用就是程序運(yùn)行中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。ISP/IAP的區(qū)別是：ISP通常是在手工操作下整片擦除、編程，需要簡(jiǎn)單的硬件資源;而IAP卻是在某段程序的控制下對(duì)另外一段程序Flash進(jìn)行讀寫，可以控制對(duì)特定地址的讀寫操作。實(shí)際上單片機(jī)的ISP功能就是通過IAP技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，即芯片在出廠前就已經(jīng)有一段芯片制造商的boot程序在芯片里面，片子上電后，開始運(yùn)行這段程序，當(dāng)檢測(cè)到上位機(jī)有下載要求時(shí)，便和上位機(jī)通信，然后下載數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)區(qū)。其實(shí)在系統(tǒng)編程是通過廠商的boot程序?qū)ζ瑑?nèi)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的方法，而在應(yīng)用編程是用戶的應(yīng)用代碼對(duì)片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的方法。正是因?yàn)橛辛薎AP，從而使得MCU可以將數(shù)據(jù)寫入到程序存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)如同燒入的程序一樣，掉電不丟失。IAP技術(shù)的普及對(duì)于**儀器儀表的智能化意義重大，使得儀器的程序可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變和調(diào)整。

2、數(shù)據(jù)加密

加密就是把明文變成別人看不懂的密文，然后發(fā)送給自己想要的人，接收方用配套的解密算法又把密文解開成明文，這樣就不怕在傳送的路上被別人截獲而泄密，以此來防止非授權(quán)用戶使用該數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)加密中的明文是指原始的或未加密的數(shù)據(jù)，需要通過加密算法對(duì)其進(jìn)行加密，加密算法的輸入信息為明文和密鑰;密文，即明文加密后的格式，是加密算法的輸出信息。加密算法是公開的，而密鑰則是不公開的。密文，不應(yīng)為無密鑰的用戶理解，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及傳輸。傳統(tǒng)的加密方法有兩種，替換和置換。替換是使用密鑰將明文中的每一個(gè)字符轉(zhuǎn)換為密文中的一個(gè)字符。而置換僅將明文的字符按不同的順序重新排列。單獨(dú)使用這兩種方法的任意一種都是不夠**的，但是將這兩種方法結(jié)合起來就能提供比較高的**程度。

加密方式分為對(duì)稱加密和不對(duì)稱加密。對(duì)稱，就是采用這種加密方法的雙方使用同樣的密鑰進(jìn)行加密和解密。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)送方將明文和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。接收方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用與加密相同的密鑰及相同算法的逆運(yùn)算對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。這就要求加密密鑰能夠從解密密鑰中推算出來，同時(shí)解密密鑰也可以從加密密鑰中推算出來。而在大多數(shù)的對(duì)稱算法中，加密密鑰和解密密鑰是相同的，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求發(fā)送方和接收方在**通信之前，商定一個(gè)密鑰。對(duì)稱算法的**性依賴于密鑰，泄漏密鑰就意味著任何人都可以對(duì)他們發(fā)送或接收的消息解密，所以密鑰的保密性對(duì)通信**至關(guān)重要。由于其計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高，對(duì)稱性加密通常在消息發(fā)送方需要加密大量數(shù)據(jù)時(shí)使用。如果用戶每次使用對(duì)稱加密算法時(shí)，都使用其他人不知道的惟一密鑰，**性是可以得到保證的。

不對(duì)稱加密算法的基本原理是，如果發(fā)信方想發(fā)送只有收信方才能解讀的加密信息，發(fā)送方必須首先知道接收方的公鑰，然后利用接收方的公鑰來加密原文;接收方收到加密密文后，使用自己的私鑰才能解密密文。顯然，采用不對(duì)稱加密算法，收發(fā)雙方在通信之前，接收方必須將自己早已隨機(jī)生成的公鑰送給發(fā)送方，而自己保留私鑰。由于不對(duì)稱算法擁有兩個(gè)密鑰，因而特別適用于分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加密。非對(duì)稱加密算法的保密性比較好，它消除了*終用戶交換密鑰的需要，但加密和解密花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、速度慢，它不適合于對(duì)文件加密而只適用于對(duì)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。廣泛應(yīng)用的不對(duì)稱加密算法有RSA算法和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局提出的DSA。以不對(duì)稱加密算法為基礎(chǔ)的加密技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。

3、常用加密算法

由于受限于MCU的運(yùn)算能力，并非所有的加密算法都適用于嵌入式系統(tǒng)。TEA(Tiny Encryption Algorithm)是一種小型的對(duì)稱加密解密算法，由劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的David Wheeler和Roger Needham于1994年發(fā)明。它以加密解密速度快、效率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單著稱。該算法的可靠性是通過加密輪數(shù)而不是算法的復(fù)雜度來保證的，TEA算法主要運(yùn)用了移位和異或運(yùn)算，密鑰在加密過程中始終不變。它是一種分組密碼算法，其明文密文塊為64比特，密鑰長(zhǎng)度為128比特。TEA算法利用不斷增加的Delta(黃金分割率)值作為變化，使得每輪的加密不相同，有很強(qiáng)的抗差分分析能力。

DES算法又被稱為美國(guó)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是上世紀(jì)七十年代美國(guó)IBM公司研制的對(duì)稱密碼體制加密算法，并在1977年成為美國(guó)官方加密標(biāo)準(zhǔn)。DES的工作原理為：明文按64位進(jìn)行分組，每個(gè)塊用64位密鑰進(jìn)行加密，密鑰事實(shí)上是56位參與DES運(yùn)算(第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位，使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1)，分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組。每塊先用初始置換方法進(jìn)行加密，再連續(xù)進(jìn)行16次復(fù)雜的替換，*后再對(duì)其使用初始置換的逆。第i步的替換并不是直接利用原始的密鑰K，而是由K與i計(jì)算出的密鑰Ki。其入口參數(shù)有三個(gè)：key、data、mode。key為加密解密使用的密鑰，data為加密解密的數(shù)據(jù)，mode為其工作模式。當(dāng)模式為加密模式時(shí)，明文按照64位進(jìn)行分組，形成明文組，key用于對(duì)數(shù)據(jù)加密，當(dāng)模式為解密模式時(shí)，key用于對(duì)數(shù)據(jù)解密。攻擊DES的主要形式被稱為蠻力或徹底密鑰搜索，即重復(fù)嘗試各種密鑰直到有一個(gè)符合為止。如果DES使用56位的密鑰，則可能的密鑰數(shù)量是2的56次方個(gè)。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的不斷發(fā)展，DES的**性比它剛出現(xiàn)時(shí)會(huì)弱得多，然而從非關(guān)鍵性質(zhì)的實(shí)際出發(fā)，仍可以認(rèn)為它是足夠的。不過在實(shí)際使用中更多地選擇新的加密標(biāo)準(zhǔn)一**加密標(biāo)準(zhǔn)。

密碼學(xué)中的**加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)，是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。經(jīng)過五年的甄選流程，**加密標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標(biāo)準(zhǔn)。2006年，**加密標(biāo)準(zhǔn)已然成為對(duì)稱密鑰加密中*流行的算法之一。AES的區(qū)塊長(zhǎng)度固定為128比特，密鑰長(zhǎng)度則可以是128，192或256比特，分別稱為AES—128，AES—192，AES—256，如果數(shù)據(jù)塊及密鑰長(zhǎng)度不足時(shí)，則補(bǔ)齊之。AES算法是基于置換和代替的，置換是數(shù)據(jù)的重新排列，而代替是用一個(gè)單元數(shù)據(jù)替換另一個(gè)。AES算法使用了多重循環(huán)實(shí)現(xiàn)置換和替換，在規(guī)范中被稱為Bytes Sub(字節(jié)替換)——對(duì)數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)應(yīng)用非線性變換;Shift Rows(行位移變換)——對(duì)每一行字節(jié)循環(huán)重新排序;Mix Columns(列混合變換)——對(duì)矩陣的列應(yīng)用線性變換;Add Round Key——對(duì)狀態(tài)和每輪的子密鑰進(jìn)行異或操作。該算法對(duì)內(nèi)存的需求非常低，使得它很適應(yīng)于資源受限制的環(huán)境。
4、加解密在升級(jí)中的應(yīng)用

“在線升級(jí)”實(shí)際上是Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一個(gè)特例。完成這樣的功能首先要求芯片提供的EEPROM的地址與程序空間是連續(xù)的，一致的，在用戶應(yīng)用程序中可以對(duì)另外一部分程序區(qū)進(jìn)行擦除寫入操作;再者芯片內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器容量必須足夠大，使之可以分為幾個(gè)區(qū)域相互獨(dú)立。**部分是用戶的boot程序，完成上電初始化和解密，并將接收的數(shù)據(jù)寫入指定地址。**部分是程序標(biāo)識(shí)區(qū)，標(biāo)記當(dāng)前用戶程序的運(yùn)行地址。第三部分是應(yīng)用程序區(qū)1和應(yīng)用程序區(qū)2，當(dāng)程序運(yùn)行在程序區(qū)1時(shí)可以對(duì)程序區(qū)2進(jìn)行升級(jí)，反之亦然。這兩個(gè)區(qū)域的大小必須不小于用戶的目標(biāo)代碼。

在用戶程序區(qū)可以存放幾組密鑰信息，與PC下傳的隨機(jī)數(shù)按照一定的規(guī)則生成解密所需的密鑰以保證每次加解密的密鑰信息有差異，只要保證每次密鑰是**的，數(shù)據(jù)的**性是可以保證的。需要升級(jí)芯片中的程序時(shí)，PC機(jī)按照通信協(xié)議的格式下傳指令，用戶boot程序接收到指令后初始化各個(gè)變量和寄存器，關(guān)閉不需要的中斷，下傳的數(shù)據(jù)包交叉使用兩種加密算法，包號(hào)是奇數(shù)時(shí)用TEA算法加密并同時(shí)下傳兩組隨機(jī)數(shù)共16個(gè)字節(jié)，一組是本次解密所用，另一組是下一包解密所用，下傳的數(shù)據(jù)包號(hào)是偶數(shù)時(shí)用AES算法加密。為提高運(yùn)算速度，對(duì)AES算法的字節(jié)替換過程采用查表的方法。只要保證每次下傳的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同，足以達(dá)到欺騙性，即使所有數(shù)據(jù)被截獲，由于芯片內(nèi)部的密鑰無法讀出，截獲者也無法得到正確的明文。同時(shí)考慮到程序中數(shù)據(jù)容易處理，每次下傳的有效字節(jié)數(shù)選擇16的整數(shù)倍。boot程序?qū)?shù)據(jù)正確寫入存儲(chǔ)器后應(yīng)向上位機(jī)返回正確狀態(tài)，否則應(yīng)返回出錯(cuò)信息以便處理。程序升級(jí)完成后上位機(jī)發(fā)出結(jié)束命令并下傳校驗(yàn)字符，boot程序核對(duì)正確后擦除程序標(biāo)志區(qū)并重新寫入標(biāo)識(shí)。



圖1 流程圖

用戶程序升級(jí)成功之后，可以通過函數(shù)指針的方式調(diào)用該程序。函數(shù)在編譯時(shí)都會(huì)被分配一個(gè)入口地址，該地址就是函數(shù)的指針。只要用一個(gè)指針變量指向這個(gè)函數(shù)的入口地址，就可以通過指針變量調(diào)用這個(gè)函數(shù)。函數(shù)指針的本質(zhì)是指針變量，只不過該指針變量指向函數(shù)，讀出程序標(biāo)志區(qū)的運(yùn)行地址就可以通過指針變量調(diào)用新寫入的程序。

5、結(jié)束語

為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)**，有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，本文提出了固件升級(jí)的數(shù)據(jù)加密方案，對(duì)于具有IAP功能的芯片具有普遍意義，不僅適用于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程升級(jí)，同樣適用于本地升級(jí)。至于加密算法可以根據(jù)MCU的能力進(jìn)行靈活選擇。

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