ESPU安全模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式版權(quán)保護(hù)

　　概論

　　在競(jìng)爭(zhēng)激烈的電子及信息技術(shù)產(chǎn)品行業(yè)，新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期已從原來(lái)的5年縮短為1~2年,同時(shí)產(chǎn)品壽命也在縮短,使得上市時(shí)間壓力增大,隨著創(chuàng)新能力的擴(kuò)展,公司間競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大,盜板現(xiàn)象卻越來(lái)越嚴(yán)重,如何保護(hù)自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以提高市場(chǎng)占有率和延長(zhǎng)生命周期，如何在許可生產(chǎn)過(guò)程中有效控制和量化版權(quán)收益，已經(jīng)成為很多公司和產(chǎn)品設(shè)計(jì)者日益關(guān)注的問(wèn)題。　本文介紹的解決方案的核心是在產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)上嵌入專(zhuān)用加密芯片，在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)上通過(guò)隨機(jī)密鑰認(rèn)證的方法控制程序流程，比一般概念上的軟件狗在軟硬件安全特性、指令功能和性能價(jià)格比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　一.專(zhuān)用加密芯片與嵌入式安全操作系統(tǒng)

　　本方案選用的專(zhuān)用加密IC是內(nèi)置TimeCOS/ESPU嵌入式安全操作系統(tǒng)的專(zhuān)用微處理器芯片，又稱(chēng)ESPU嵌入式軟件保護(hù)模塊。ESPU安全模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的DIP8或SOP8封裝，除了具有防檢測(cè)、抗攻擊、自毀等硬件特性外，還具有安全的文件密鑰管理，完善的安全機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)的加解密運(yùn)算功能。ESPU安全模塊主要的應(yīng)用模式是嵌入到其他專(zhuān)用或通用設(shè)備中，除了可作為設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)(每個(gè)模塊具有全球唯一硬件序列號(hào)碼)并提供安全密鑰和重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之外，還可以利用內(nèi)置算法完成數(shù)據(jù)加密解密、雙向身份認(rèn)證、訪問(wèn)權(quán)限控制、通信線路保護(hù)、臨時(shí)過(guò)程密鑰導(dǎo)出等多種功能。下面分別介紹ESPU安全模塊硬件和軟件特性。

　　1.硬件安全特性：

　　•采用智能卡做為硬件平臺(tái)

　　• 唯一序列號(hào)

　　• 芯片硬件安全性獲得EAL4 級(jí)認(rèn)證

　　• 芯片防篡改設(shè)計(jì)，具有防止SEMA/DEMA 、 SPA/DPA、 DFA和時(shí)序攻擊的措施

　　• 數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)，高低壓檢測(cè)，高低頻率檢測(cè)

　　• 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器：利用芯片內(nèi)部的電磁白噪聲產(chǎn)生，不會(huì)重復(fù)

　　• 硬件加密協(xié)處理器：內(nèi)部硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)算法3DES，加解密速度快

　　2. 軟件安全特性：

　　安全芯片采用TimeCOS/ESPU嵌入式安全操作系統(tǒng)

　　COS(芯片操作系統(tǒng))是ESPU安全模塊的核心。該操作系統(tǒng)針對(duì)不同的應(yīng)用具有不同的版本，主要有普通DES、3DES算法的PBOC版本，具有RSA算法的，還可根據(jù)用戶(hù)的需要增加不同的算法和功能，可作為身份的標(biāo)識(shí)進(jìn)行身份認(rèn)證，也可以作為安全的平臺(tái)存儲(chǔ)各種安全密鑰和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，進(jìn)行加解密運(yùn)算等，可以幫助終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)很多安全功能。

　　2.1TimeCOS/ESPU的結(jié)構(gòu)

　　TimeCOS/ESPU由傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋四個(gè)功能模塊組成。

　　2.2典型認(rèn)證過(guò)程

　　在數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域，DES(數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))算法是一種被廣泛使用的公開(kāi)的數(shù)據(jù)加密算法，它采用對(duì)稱(chēng)密鑰機(jī)制，即加密密鑰和解密密鑰是相同的，數(shù)據(jù)的安全性取決于密鑰的安全性。ESPU安全模塊用DES算法計(jì)算認(rèn)證碼，通過(guò)比較認(rèn)證碼的方法進(jìn)行芯片內(nèi)部密鑰與外部認(rèn)證密鑰的對(duì)比，從而達(dá)到判斷與認(rèn)證的目的。ESPU安全模塊通常內(nèi)部預(yù)置相關(guān)的密鑰和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，內(nèi)部具有安全狀態(tài)寄存器，數(shù)據(jù)文件通常具有保密權(quán)限，只有通過(guò)相應(yīng)的密鑰認(rèn)證才可以達(dá)到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)文件的安全權(quán)限，才能對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀寫(xiě)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為外部認(rèn)證。

　　二.　基于ESPU軟件保護(hù)模塊的版權(quán)保護(hù)方案

　　ESPU軟件保護(hù)模塊的目標(biāo)應(yīng)用

　　1.產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)

　　在硬件設(shè)計(jì)仿制比較容易的情況下，采用安裝特定的加密芯ESPU安全模塊的方法，可以防止軟件被拷貝后正常使用。

　　2.生產(chǎn)數(shù)量控制

　　使用ESPU可以控制生產(chǎn)商的生產(chǎn)數(shù)量，按照真實(shí)數(shù)量收取版權(quán)費(fèi)。

　　3.技術(shù)支持和售后服務(wù)的依據(jù)

　　使用ESPU存儲(chǔ)產(chǎn)品的序列號(hào)或版本號(hào)等產(chǎn)品關(guān)鍵信息，可根據(jù)該信息對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行在線服務(wù)或應(yīng)用軟件的在線升級(jí)，也可以作為提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)的依據(jù)。

　　三.　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　ESPU的硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，時(shí)鐘頻率1～5MHz，工作電壓2.7V～5V,其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，良好的兼容性使其同主要硬件設(shè)備的接口容易，編程也非常簡(jiǎn)單.用戶(hù)可以輕松地將處理器芯片集成到應(yīng)用中.

　　四.　軟件應(yīng)用流程介紹

　　1.系統(tǒng)要求：

　　·應(yīng)用軟件需要支持DES算法，支持產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的算法。

　　·應(yīng)用軟件安裝系統(tǒng)主密鑰MK，可以通過(guò)ESPU安全模塊硬件唯一序列號(hào)S/N分散生成認(rèn)證主密鑰。

　　·ESPU安全模塊安裝有主密鑰SK=DES(MK，S/N)。

　　2.軟件安全認(rèn)證過(guò)程

　　·ESPU安全模塊中存儲(chǔ)與自身硬件序列號(hào)相關(guān)的主密鑰，通過(guò)主密鑰和軟件ID號(hào)加密可生成過(guò)程密鑰，過(guò)程密鑰存儲(chǔ)在ESPU安全模塊的RAM區(qū)中，掉電后消失。

　　·應(yīng)用軟件在不同批次ID的情況下，可以更改系統(tǒng)主密鑰。

　　·在應(yīng)用軟件密鑰存儲(chǔ)系統(tǒng)主密鑰，認(rèn)證主密鑰通過(guò)讀取ESPU安全模塊硬件序列號(hào)臨時(shí)分散產(chǎn)生，認(rèn)證密鑰通過(guò)應(yīng)用軟件批次ID號(hào)二次分散臨時(shí)產(chǎn)生。

　　·分散過(guò)的ESPU安全模塊認(rèn)證主密鑰，經(jīng)應(yīng)用軟件批次ID號(hào)分散密鑰產(chǎn)生臨時(shí)認(rèn)證密鑰與應(yīng)用軟件的臨時(shí)認(rèn)證密鑰完成最終的認(rèn)證過(guò)程。

　　五.一種防止程序被反編譯的方法

　　根據(jù)設(shè)備采用的主CPU的特點(diǎn)，還可以采用程序分割的方法將部分系統(tǒng)源程序用密鑰加密后存儲(chǔ)，防止存儲(chǔ)在ROM或EEPROM中的程序被讀出后反編譯。

　　首先將源程序中的部分子程序或重要參數(shù)用ESPU中的密鑰加密后安裝，在調(diào)用該部分程序或參數(shù)時(shí)需先將數(shù)據(jù)送ESPU解密后再放到FLASH或RAM中執(zhí)行，掉電后解密后的數(shù)據(jù)將消失。這樣可以更有效地防止源程序被反編譯后被破解。

　　結(jié)語(yǔ)

　　ESPU軟件保護(hù)模塊的核心實(shí)際上是專(zhuān)用的智能卡芯片，隨著智能卡技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及，國(guó)外大廠商的智能卡芯片制造和銷(xiāo)售成本也在不斷的降低，使得應(yīng)用這種先進(jìn)的微處理器來(lái)進(jìn)行版權(quán)保護(hù)在成本上成為可行。

　　目前已經(jīng)有一些電子設(shè)備廠商運(yùn)用此方案，保護(hù)自己的電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件，同時(shí)還用ESPU安全模塊存儲(chǔ)設(shè)備的各種參數(shù)和信息，作為產(chǎn)品在線更新和售后服務(wù)的唯一安全標(biāo)識(shí)。作為嵌入式版權(quán)保護(hù)的一種解決方案，北京寶興達(dá)信息技術(shù)有限公司希望本方案能夠給眾多設(shè)計(jì)者提供一個(gè)新的思路和借鑒。