基于ARM平台的嵌入式软件保护方案

行1个函数，应尽量限制函数内部循环所用局部变量的数目,最多不超过12个，确保最重要的和经常用到的变量都被分配在寄存器里[3]。

　　(4) 宏定义函数实现：有些简单函数可以通过宏定义的方式实现，如域内乘法等。此种方式可以减少函数调用开销。

2.2 FS8826功能实现

　　FS8826芯片自带24 B硬件密钥，具有不可回读、不可在总线上传输的特点，主要用于芯片内部的认证模块运算（HASH&3DES）和安全数据传输。芯片内部开辟了1块安全存储区(96 B EEPROM)，读写都受硬件密钥的保护，且具有CRC校验功能。在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HASH运算得出的数组，并加入了8 B随机数，能够有效地防止重放攻击(reply attack)。该项功能能够提供代码完整性验证[4]，在一定程度上抵抗反汇编攻击。后者通过将AES密钥烧入FS8826的安全存储区，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[4]。

2.3 Vxworks启动、运行

　　以上所述的加解密和认证过程将运行在嵌入式实时操作系统的启动和监测上，实现上以Vxworks为例，该系统为风河系统公司(Wind River System)在业界最早推出的一款嵌入式实时多任务操作系统,开发环境为Tornado。

　　VxWorks操作系统的映像包括两大类：VxWorks类型和Boorom类型[5]。本文对RAM中运行的VxWorks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，并在其调用的初始化文件(bootConfig.c)中加入与FS8826的安全认证、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，上电后，bootrom_uncmp把自身拷贝到RAM_HIGH_ADRS地址上运行引导程序。之后，把VxWorks映像装入到起始地址为RAM_LOW_ ADRS的RAM 中，接着跳转到VxWorks映像装入点运行[5]。如果认证通过，引导程序将从FS8826的安全存储区获取AES算法密钥，进行解密，否则在RAM_LOW_ADRS处的VxWorks映像将仍然为密文，无法正常启动。如图6所示。

　　在系统安全启动后，加载的明文映像开始运行，同时,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

　　按照ARM平台下的优化原则,AES解密算法通过直接解密和等价解密2种形式进行实现，并通过ADS的Debugger Internals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。

　　从表中结果可以看出，采用查表运算的等价解密过程具有速度上的优势，且随着密钥位的增加其改进越明显。然而，速度与内存占用是相互矛盾的两方面，运行速度越快的算法必然会以占用一部分资源占用为代价。等价解密算法中使用了T表,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128 bit密钥的等价解密算法，以1 MB的Vxworks密文映像为对象进行启动测试。

　　正常启动中先由NorFlash建立文件系统，然后通过NandFlash加载文件。实际测试中对1 MB密文的读取耗时1.4 s。可以对密文读取方式进行优化，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0.03 s。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；(2)NorFlash的读取速度本身就比NandFlash要快。

启动过程各部分时间如表3所示。

　　需要注意的是，在启动过程中只开启了指令cache，且没有MMU的支持，所以解密的执行速度较之系统启动后要慢很多。经测试，在系统加载起来后1 MB的密文解密操作只需1.7 s。对启动速度有特殊要求的应用可以对MMU和cache的使用进行进一步的调整设计。

　　系统启动后进行的定时认证,可以监测与FS8826的正常通信，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0.16 s，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0.01 s。

　　本文的主要创新点是基于ARM9处理器平台，针对其软件安全提出了一套可行的解决方案。本方案可以抵御两类攻击：(1)本文构建的安全启动过程，如果脱离了FS8826的支持，将无法获取密钥，无法通过认证。并且可以设置不止一次的认证操作隐藏在启动过程中，将其中的一部分用作FS8826的验证区数据，即使黑客通过反汇编的手段，找到认证代码并予以忽略，也会因为篡改使其他部分的认证无法通过,从而达到防止软件盗版的目的;(2)关键的代码一开始就是以加密状态存放在NorFlash中，密钥则存储在FS8826的安全存储区内，合法用户运行时将获取密钥，把密文解密到内存中，掉电数据丢失。同时，FS8826与SOC之间的总线通信已经过加密，能够防止黑客从总线窃取。该方案成本低，效果好，其成果具有一定的推广性。