基于ARM开发板平台的嵌入式软件保护方案

从软件到软硬件联合攻击给嵌入式系统造成严峻的安全威胁。安全性已成为嵌入式系统设计中必不可少的一部分，同时这又是一个折衷的过程，不能单靠软件来保证，而全硬件的解决方式很昂贵且不具有弹性。很多产品开始从设计之初就从系统架构上考虑了安全性，如ARM公司的TruSTZONe技术开辟了一片可信代码区，近年来。通过一个S比特来区分系统的安全状态，IBMPowerPC中使用了多核单元宽带引擎（BE进行安全引导和物理隔离。

嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。而嵌入式软件就是基于嵌入式系统设计的软件，它也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。嵌入式软件广泛应用于国防、工控、家用、商用、办公、医疗等领域，如我们常见的移动电话、掌上电脑、数码相机、机顶盒、MP3等都是用嵌入式软件技术对传统产品进行智能化改造的结果。

1 硬件结构

ARM通过总线方式对NorFlash进行访问，本方案的硬件处理器平台采用三星公司的S3C2442内核为ARM920T外置1块2MBNorFlash用以存放密文数据。该硬件结构中最重要的部分是添加了1块安全协处理器：福华公司的嵌入式系统软件保护芯片FS8826该芯片可通过I2C或SPI总线与SOC连接，这里使用I2C方式。PC机能够对硬件平台中的每个芯片进行编程控制：通过JTA G端口、串口及网口与ARM进行通信，通过专门的烧录器对FS8826硬件密钥和安全存储区进行写入。

2 软件实现

软件设计从两个主要方面考虑,一是代码加密,二是版权认证。前者主要通过AES(Advanced Encryptiong Standard)加解密算法实现，其算法密钥的管理以及版权认证将依靠FS8826来实现,最终达到安全启动嵌入式操作系统以及保护运行时的版权目的。安全启动方案基于Bootloader+Image的加载机制，也是ARM处理器通用的引导机制。首先采用AES加解密算法在PC机端将编译完成Image加密，利用FS8826安全存储区存放AES算法密钥，密文存储在片外存储器中，ARM启动时将密文加载入内存。然后在Bootloader启动过程时加入与FS8826的认证操作，认证通过则在该过程中使用AES解密算法解密Image，并用明文将原内存中的密文覆盖，系统正常运行中加入与FS8826的实时通信监测，确保在授权目标机上运行程序。软件实现流程如图2所示，相应的方案实现框图如图3所示。

2.1 AES算法

目前对称加密领域内的主流算法。其数据分组固定为128bit, AES美国国家标准和技术研究所（NIST选定的高级加密标准。密钥分组可支持128bit/192bit/256bit核心过程为数据块矩阵的Nr10/12/14次轮操作。每一次轮操作都由S盒代换（SubByt行移位（ShiftRow列混淆（MixColumn和轮密钥加（AddRoundKei4个函数组成，第Nr次轮操作不包含MixColumn函数。密钥扩展为每一轮变换提供轮密钥[2]本方案中加密在PC机端离线完成，没有时间和运行效率的特别要求，但是解密在ARM9处理器中完成，其运行时间将作为系统启动的一部分，所以下面针对解密部分的算法程序结合其实现平台进行优化设计。

解密的轮变换中交换逆行移位和逆S盒代换，轮密钥加和逆列混淆的顺序，只需要调整密钥的编排方案即可。实现中等价解密过程可以将解密轮变换中的前3个步骤综合生成1张4KBT表用于查询，即可快速准确地完成解密。直接的解密算法是将加密过程的每一步求逆并倒置次序得到，然而这样并不利于优化。算法的创始人提出了一种等价解密过程。

如果变量长度与ARM内部寄存器长度不一致，1数据类型设置：ARM处理器内部是32bit寄存器。将会使得变量的存取都需要附加其他指令[3]AES算法中密钥及数据都是以字节为单位运算，优化时调整为32bit仅在输入输出时进行位数变换，可以带来很大的速度改进。

循环执行Nr-1次。等价解密算法融合了3个子函数形成T表查询，循环展开：ARM处理器中每一次循环最少有4个周期的循环开销解密轮变换涉及4个子函数调用。于是可以把轮变换展开，不增加太多代码量的基础上，每一个数据分组解密减少4Nr-1个周期。当密钥位长、密文数据量大时节省的循环开销就比较可观。

应尽量限制函数内部循环所用局部变量的数目， 控制变量数：为了高效执行1个函数。最多不超过12个，确保最重要的和经常用到变量都被分配在寄存器里。

2.2 FS8826功能实现

具有不可回读、不可在总线上传输的特点，FS8826芯片自带24B硬件密钥。主要用于芯片内部的认证模块运算（HA SH3DES和安全数据传输。芯片内部开辟了1块安全存储区(96BEEPROM读写都受硬件密钥的保护，且具有CRC校验功能。本方案中该芯片主要实现两方面功能：SoC版权确认和AES密钥管理。前者通过认证实现，具体流程如图5所示。总线上发送的数据为硬件密钥与用户设置的认证区数据通过HA SH运算得出的数组，并加入了8B随机数，能够有效地防止重放攻击(repliattack该项功能能够提供代码完整性验证[4]一定程度上抵抗反汇编攻击。后者通过将AES密钥烧入FS8826安全存储区，由其硬件密钥进行保护实现，认证通过后发送加密的读取命令，算法密钥以密文形式在总线上传递。

2.3 Vxworks启动、运行

并在其调用的初始化文件（bootConfig.c中加入与FS8826安全认证、密钥传输以及解密运算。bootrom_uncmp由仿真器烧入到目标板的norflash中，VxWork操作系统的映像包括两大类：VxWork类型和Boorom类型[5]本文对RA M中运行的VxWork映像在PC机端进行AES加密。选择执行格式的未压缩Bootrom映像—bootrom_uncmp作为启动映像。上电后，bootrom_uncmp把自身拷贝到RA M_HIGH_A DRS地址上运行引导程序。之后，把VxWork映像装入到起始地址为RA M_LOW_ADRSRA M中，接着跳转到VxWork映像装入点运行[5]如果认证通过，引导程序将从FS8826安全存储区获取AES算法密钥，进行解密，否则在RA M_LOW_A DRS处的VxWork映像将仍然为密文，无法正常启动。

加载的明文映像开始运行，同时， 系统安全启动后。隐藏在映像中认证程序也将开始运行，并定时与FS8826通信，确保持有正确硬件密钥的芯片运行正常，以防黑客移植代码非法使用。

3 实现结果及分析

通过ADSDebuggInternal工具从速度和内存占用量两方面衡量实现效率[2]如表1所示为在ARM9处理器中2种算法所耗的汇编指令数和指令周期数。表 2为两者占用的内存资源对比。 按照ARM平台下的优化原则，A ES解密算法通过直接解密和等价解密2种形式进行实现。

等价解密算法中使用了T表，从表中结果可以看出。且将循环展开造成了代码量的增加。所以在实际使用时，对内存资源的要求高于速度要求时建议采用直接解密算法，反之则可采用等价解密算法。这里所用的ARM9有足够的内存空间，所以采用128bit密钥的等价解密算法，以1MBVxwork密文映像为对象进行启动测试。

然后通过NandFlash加载文件。实际测试中对1MB密文的读取耗时1.4s可以对密文读取方式进行优化，正常启动中先由NorFlash建立文件系统。将密文烧入片外NorFlash中，系统上电后，内存从NorFlash中获取密文的读取方式，时间为0.03s这种差别的原因主要有2点：1文件系统访问方式下用fopen和fread函数打开密文，解密后的数据还需写回到文件中重新读取，且会受时钟频率及总线速度的限制。而后者属于内存直接读取，解密后直接从内存启动；2NorFlash读取速度本身就比NandFlash要快。

保证主映像运行在授权目标机上。认证过程中的运算都在FS8826芯片内进行，不会对主映像的运行速度造成影响，经过测试每次认证耗时0.16s如果安全级别要求不是很高，也可以选择采用复位芯片的方式进行监测，每次仅耗时0.01s 系统启动后进行的定时认证，可以监测与FS8826正常通信。

ARM为客户提供16/32位嵌入式RISC微控制器方案，将其RISC处理器授权给电子公司使用，在便携式通讯，手持计算设备，消费类和数字化多媒体方案中，ARM正有一种成为标准的趋势。ARM7、ARM9是ARM系列中的两个分支系列，ARM9功能更强些，它还有其他分支系列。ARM公司是一个只做设计不生产的公司，它提供各种不同性能的ARM核，如果象Motorola这样的公司就可以用它提供的ARM核，再加上相关的I/O资源、存储器、可编程部件就形成自己的32位RISC嵌入式单片处理器。Motorola最近要在其龙珠处理器中采用ARM，Atmel公司的AT91系列也是采用ARM核的内32位/外16位处理器。用来开发、调试基于ARM的各种应用的工具就是arm开发平台。