專利名稱：一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，將該方法應(yīng)用于嵌入式軟件安全防護(hù)過(guò)程中，可以增加嵌入式軟件的安全性。
背景技術(shù)：
目前市場(chǎng)針對(duì)ARM，DSP、單片機(jī)通常的安全防護(hù)手段很少，重要的程序直接暴露在透明的Flash、EEPR0M中。面對(duì)不斷發(fā)展的攻擊技術(shù)以及黑客之間的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品的破解時(shí)間和成本越來(lái)越低，相對(duì)于產(chǎn)品仿制者獲得的巨大利益，有時(shí)其破解成本甚至可以忽略不計(jì)。因此，如何保護(hù)自身的利益，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問(wèn)題。單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)一般都有內(nèi)部R0M/EEPR0M/FLASH供用戶存放程序，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中；CPU將存儲(chǔ)器中的程序加載到內(nèi)存或者SDRAM中，進(jìn)行執(zhí)行。為了防止未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)或拷貝單片機(jī)的機(jī)內(nèi)程序，大部分單片機(jī)都帶有加密鎖定位或者加密字節(jié)，以保護(hù)片內(nèi)程序。如果在編程時(shí)加密鎖定位被使能(鎖定)，就無(wú)法用普通編程器直接讀取單片機(jī)內(nèi)的程序，這就是所謂拷貝保護(hù)或者說(shuō)鎖定功能。事實(shí)上，這樣的保護(hù)措施很脆弱，很容易被破解。單片機(jī)攻擊者借助專用設(shè)備或者自制設(shè)備，利用單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)上的漏洞或軟件缺陷，通過(guò)多種技術(shù)手段，就可以從芯片中提取關(guān)鍵信息，從而獲取FLASH或者EPROM內(nèi)程序或者直接從SDRAM或者內(nèi)存中或者程序運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種對(duì)設(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)的嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的—種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，在嵌入式設(shè)備上設(shè)有安全防護(hù)模塊，所述安全防護(hù)模塊包括物理防撬裝置及防撬蓋板、硬件加解密模塊電路，所述加解密模塊電路用于CPU對(duì)EPROM數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接管并配合物理防撬裝置及防撬蓋板實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)防護(hù)。如上所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其中所述加解密模塊電路包括相連的FPGA和安全芯片，F(xiàn)PGA輸出CPU信號(hào)和NVM信號(hào)；所述FPGA用于邏輯控制信號(hào)的生成，并負(fù)責(zé)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的接管；安全芯片用于對(duì)數(shù)據(jù)的加解密、密鑰管理。如上所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其中所述物理防撬裝置及防撬蓋板I包括安全狀態(tài)總線及安全總線狀態(tài)檢測(cè)電路；所述安全狀態(tài)總線的引出端排線采用亂序方式分布；所述安全狀態(tài)總線的引出端通過(guò)固定裝置固定于防撬蓋板。如上所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其中所述安全芯片執(zhí)行安全檢測(cè)程序在通信過(guò)程中，安全檢測(cè)程序定時(shí)將安全芯片生成隨機(jī)數(shù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA利用散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并回傳給安全芯片；安全檢測(cè)程序利用同樣的散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果同F(xiàn)PGA回傳的結(jié)果相比較；如果結(jié)果一致，說(shuō)明安全狀態(tài)總線正確連接，系統(tǒng)安全狀態(tài)正常；否則，視為系統(tǒng)安全狀態(tài)異常；若系統(tǒng)安全狀態(tài)異常，安全檢測(cè)程序立即向CPU發(fā)出自毀命令，清除SRAM中數(shù)據(jù)和安全芯片中的密鑰，使CPU掛起，停止工作。如上所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其中所述加解密模塊電路在每次加密時(shí)采用的密鑰不同；數(shù)據(jù)加密前，安全芯片生成新的隨機(jī)數(shù)，存儲(chǔ)于安全芯片的flash中，讀取硬件序列號(hào)，利用隨機(jī)數(shù)和硬件序列號(hào)組合生成密鑰種子，通過(guò)安全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)加密密鑰，用于數(shù)據(jù)加密處理；數(shù)據(jù)解密前，首先對(duì)安全芯片進(jìn)行配置，讀取硬件序列號(hào)，再利用安全芯片序列號(hào)和存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)組合生成密鑰種子，最后通過(guò)安全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)解密密鑰，用于CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)解密處理；加解密密鑰存儲(chǔ)在安全芯片的內(nèi)存中，所述密鑰在嵌入式設(shè)備掉電后消失，再次 上電時(shí)重新合成密鑰種子，生成加解密密鑰。如上所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其中所述加解密模塊電路通過(guò)PC端加密處理實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式軟件的加密加密芯片先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù),之后將隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)到加密芯片中，完成安全防護(hù)模塊初始化過(guò)程，隨機(jī)數(shù)結(jié)合芯片序列號(hào)通過(guò)SHAl雜湊算法生成密鑰，再通過(guò)SMl分組算法進(jìn)行嵌入式軟件加密；解密時(shí)，加密芯片通過(guò)已經(jīng)存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)、加密芯片序列號(hào)，同樣的雜湊算法和解密算法進(jìn)行解密處理即可。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)增加安全防護(hù)模塊，能夠?qū)υO(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的安全防護(hù)。通過(guò)在安全芯片內(nèi)部運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)程序，能夠定時(shí)檢查物理防撬裝置的有效性。采用物理防撬裝置及防撬蓋板防，具有防破壞能力，防止攻擊者使用探針探測(cè)等方式獲取敏感信息；并且防撬蓋板可以屏蔽電磁輻射，防止攻擊者利用電磁輻射泄露攻擊安全系統(tǒng)。通過(guò)采用“一次一密”原則，進(jìn)一步保證密鑰和硬件模塊的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。


圖I是本發(fā)明提供的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是本發(fā)明提供的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)圖；圖2是解密電路工作流程；圖3是安全狀態(tài)監(jiān)控流程；圖5是PC端加密處理流程圖；圖中1.物理防撬裝置及防撬蓋板，2.加解密模塊電路，3.嵌入式設(shè)備主板，4.螺絲。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)做進(jìn)一步介紹如圖1、2所示，一種嵌入式軟件安全系統(tǒng)，在嵌入式設(shè)備上增加安全防護(hù)模塊，該安全防護(hù)模塊包括物理防撬裝置及防撬蓋板I、硬件加解密模塊電路2 ;加解密模塊電路2實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)EPROM數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接管，并配合物理防撬裝置及防撬蓋板I實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)防護(hù)。其中，
(I)加解密模塊電路包括FPGA、安全芯片、排針(含CPU信號(hào)和NVM信號(hào));FPGA與安全芯片相連，F(xiàn)PGA輸出CPU信號(hào)和NVM信號(hào)。FPGA實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制信號(hào)的生成，并負(fù)責(zé)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的接管；安全芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加解密、密鑰管理以及作為安全檢測(cè)程序的運(yùn)行載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM中數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)保護(hù)，防止非法分析和破解。如圖3所示，加解密模塊電路工作原理如下嵌入式設(shè)備每次上電時(shí)，F(xiàn)PGA控制邏輯信號(hào)，掛起CPU，使能安全芯片，運(yùn)行安全檢測(cè)程序，使FPGA和安全芯片握手通信，借以判定安全監(jiān)控狀態(tài)；如果狀態(tài)正常，則FPGA讀取EPROM中的程序到安全芯片中，利用SHAl算法生成解密密鑰，進(jìn)行解密處理，處理完成后再使能CPU，加載程序到內(nèi)存中執(zhí)行。安全芯片內(nèi)部運(yùn)行有安全監(jiān)測(cè)程序，它在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中常駐安全芯片內(nèi)存，主要工作就是定時(shí)檢查物理防撬裝置的有效性，保證安全芯片和FPGA進(jìn)行通信。如圖3所示，在通信過(guò)程中，安全檢測(cè)程序定時(shí)將安全芯片生成隨機(jī)數(shù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA利用散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并回傳給安全芯片，安全檢測(cè)程序也利用同樣的散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果同F(xiàn)PGA回傳的結(jié)果相比較。如果結(jié)果一致，說(shuō)明安全狀態(tài)總線正確連接，系統(tǒng)安全狀態(tài)正常；否則，視為系統(tǒng)安全狀態(tài)異常。如果攻擊者想竊取內(nèi)存或EPROM中的數(shù)據(jù)，首先要移掉防撬蓋板，而一旦防撬蓋板被移除以后，安全狀態(tài)總線被破壞，安全檢測(cè)程序不能及時(shí)同F(xiàn)PGA進(jìn)行握手通信，從而探測(cè)到該攻擊行為，安全檢測(cè)程序立即向CPU發(fā)出自毀命令，清除SRAM中數(shù)據(jù)和安全芯片中的密鑰，使CPU掛起，停止工作。(2)物理防撬裝置及防撬蓋板I還包括安全狀態(tài)總線(細(xì)軟排線引出端)及安全總線狀態(tài)檢測(cè)電路等。安全狀態(tài)總線的引出端優(yōu)選采用細(xì)軟排線，該排線采用亂序方式分布，一旦拉斷，不可恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)；安全狀態(tài)總線的引出端通過(guò)固定裝置固定于防撬蓋板，一旦防撬蓋板被打開即被拉斷，安全檢測(cè)程序探測(cè)到該行為即清空密鑰、SRAM并通知CPU復(fù)位。防撬蓋板采用硬質(zhì)金屬材質(zhì)制成，具有防破壞能力，并通過(guò)螺絲4固定于嵌入式設(shè)備主板3，從而將安全防護(hù)模塊和總控機(jī)CPU、SRAM及EPROM罩入其內(nèi)部，防止攻擊者使用探針探測(cè)等方式獲取敏感信息。防撬蓋板采用金屬材質(zhì)制成，具有良好的導(dǎo)熱性能，通過(guò)跟CPU導(dǎo)熱片的接觸，可以輔助散熱。此外，防撬蓋板可以屏蔽電磁輻射，防止攻擊者利用電磁福射泄露攻擊安全系統(tǒng)。如圖4所示，安全總線狀態(tài)檢測(cè)電路其工作原理為，安全芯片定時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，并通過(guò)安全狀態(tài)總線發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA利用內(nèi)嵌的散列算法對(duì)該隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并將結(jié)果通過(guò)安全總線回傳到安全芯片，安全芯片驗(yàn)證運(yùn)算結(jié)果；如果結(jié)果不正確，說(shuō)明安全總線狀態(tài)存在異常，從而執(zhí)行相關(guān)的安全保護(hù)動(dòng)作。為了進(jìn)一步保證密鑰和硬件模塊的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，本發(fā)明采用“一次一密”原則，即每次加密時(shí)采用的密鑰不同，從而從根本上保證軟件加密的安全性。數(shù)據(jù)加密前，安全芯片生成新的隨機(jī)數(shù)，存儲(chǔ)于安全芯片的flash中，讀取硬件序列號(hào)，利用隨機(jī)數(shù)和硬件序列號(hào)組合生成密鑰種子，通過(guò)安全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)加密密鑰，用于數(shù)據(jù)加密處理。數(shù)據(jù)解密前，首先對(duì)安全芯片進(jìn)行配置，讀取硬件序列號(hào)，再利用安全芯片序列號(hào)和存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)組合生成密鑰種子，最后通過(guò)安全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)解密密鑰，用于CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)解密處理。加解密密鑰存儲(chǔ)在安全芯片的內(nèi)存中，為保證安全起見，該密鑰不做永久存儲(chǔ)，嵌入式設(shè)備掉電后消失，再次上電時(shí)重新合成密鑰種子，生成加解密密鑰。PC端加密程序負(fù)責(zé)對(duì)嵌入式設(shè)備軟件加密，同時(shí)對(duì)加解密電路進(jìn)行隨機(jī)數(shù)初始化，進(jìn)行“一次一密”配置。PC端加密程序運(yùn)行于Windows環(huán)境，通過(guò)串口與安全防護(hù)模塊通訊,且通過(guò)硬件加解密電路實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式軟件加密。PC端加密處理如圖5所示，加密芯片先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，之后將隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)到加密芯片中，完成符合“一次一密”的安全防護(hù)模塊初始化過(guò)程，隨機(jī)數(shù)結(jié)合芯片序列號(hào)通過(guò)SHAl雜湊算法生成密鑰，再通過(guò)SMl分組算法進(jìn)行嵌入式軟件加密。在正常運(yùn)行過(guò)程中，加密芯片通過(guò)已經(jīng)存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)、加密芯片序列 號(hào)，通過(guò)同樣的雜湊算法和解密算法進(jìn)行解密處理，就可以正確進(jìn)行解密。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于在嵌入式設(shè)備上設(shè)有安全防護(hù)模塊，所述安全防護(hù)模塊包括物理防撬裝置及防撬蓋板(I)、硬件加解密模塊電路(2)，所述加解密模塊電路(2)用于CPU對(duì)EPROM數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接管并配合物理防撬裝置及防撬蓋板(I)實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)防護(hù)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述加解密模塊電路包括相連的FPGA和安全芯片，F(xiàn)PGA輸出CPU信號(hào)和NVM信號(hào)；所述FPGA用于邏輯控制信號(hào)的生成，并負(fù)責(zé)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的接管；安全芯片用于對(duì)數(shù)據(jù)的加解密、密鑰管理。
3.如權(quán)利要求2所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述物理防撬裝置及防撬蓋板I包括安全狀態(tài)總線及安全總線狀態(tài)檢測(cè)電路；所述安全狀態(tài)總線的引出端排線采用亂序方式分布；所述安全狀態(tài)總線的引出端通過(guò)固定裝置固定于防撬蓋板。
4.如權(quán)利要求3所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述安全芯片執(zhí)行安全檢測(cè)程序在通信過(guò)程中，安全檢測(cè)程序定時(shí)將安全芯片生成隨機(jī)數(shù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA利用散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算并回傳給安全芯片；安全檢測(cè)程序利用同樣的散列算法對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果同F(xiàn)PGA回傳的結(jié)果相比較；如果結(jié)果一致，說(shuō)明安全狀態(tài)總線正確連接，系統(tǒng)安全狀態(tài)正常；否則，視為系統(tǒng)安全狀態(tài)異常；若系統(tǒng)安全狀態(tài)異常，安全檢測(cè)程序立即向CPU發(fā)出自毀命令，清除SRAM中數(shù)據(jù)和安全芯片中的密鑰，使CPU掛起，停止工作。
5.如權(quán)利要求4所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述加解密模塊電路(2)在每次加密時(shí)采用的密鑰不同；數(shù)據(jù)加密前，安全芯片生成新的隨機(jī)數(shù)，存儲(chǔ)于安全芯片的flash中，讀取硬件序列號(hào)，利用隨機(jī)數(shù)和硬件序列號(hào)組合生成密鑰種子，通過(guò)安 全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)加密密鑰，用于數(shù)據(jù)加密處理； 數(shù)據(jù)解密前，首先對(duì)安全芯片進(jìn)行配置，讀取硬件序列號(hào)，再利用安全芯片序列號(hào)和存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)組合生成密鑰種子，最后通過(guò)安全芯片自身的SHAl雜湊算法對(duì)密鑰種子進(jìn)行運(yùn)算，從而生成數(shù)據(jù)解密密鑰，用于CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)解密處理； 加解密密鑰存儲(chǔ)在安全芯片的內(nèi)存中，所述密鑰在嵌入式設(shè)備掉電后消失，再次上電時(shí)重新合成密鑰種子，生成加解密密鑰。
6.如權(quán)利要求5所述的一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述加解密模塊電路⑵通過(guò)PC端加密處理實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式軟件的加密加密芯片先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，之后將隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)到加密芯片中，完成安全防護(hù)模塊初始化過(guò)程，隨機(jī)數(shù)結(jié)合芯片序列號(hào)通過(guò)SHAl雜湊算法生成密鑰，再通過(guò)SMl分組算法進(jìn)行嵌入式軟件加密；解密時(shí)，加密芯片通過(guò)已經(jīng)存儲(chǔ)的隨機(jī)數(shù)、加密芯片序列號(hào)，同樣的雜湊算法和解密算法進(jìn)行解密處理即可。
全文摘要
本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式軟件安全保護(hù)系統(tǒng)，目的是增加嵌入式軟件的安全性。該系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備上設(shè)有安全防護(hù)模塊，所述安全防護(hù)模塊包括物理防撬裝置及防撬蓋板、硬件加解密模塊電路，加解密模塊電路用于CPU對(duì)EPROM數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接管并配合物理防撬裝置及防撬蓋板實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)防護(hù)。采用物理防撬裝置及防撬蓋板防，具有防破壞能力，防止攻擊者使用探針探測(cè)等方式獲取敏感信息；并且防撬蓋板可以屏蔽電磁輻射，防止攻擊者利用電磁輻射泄露攻擊安全系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G06F21/00GK102799819SQ201210228800
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者蘇均生, 李寧 申請(qǐng)人:北京京航計(jì)算通訊研究所