DSP程序构造的加密体制

目前，DSP以其卓越的性能、独有的特点，已经成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。同时，随着对知识产权的重视，在利用DSP进行产品设计时，如何保护自己的成果，防止破译者窃取，也成为设计者工作在一个重要方面[1,2]。如果产品大批量生产，那么可以利用掩膜技术等工艺将操作程序及数据写入芯片，使它们不能被读出，达到保护的效果。对于还没有形成规模的产品，使用这样的方法就会使成本大大增加。因此，本文提出一种方法，利用3DES、Geff发生器和MD5等算法，构造一种加密体制，来保护DSP程序。 　　

1 加密原理及硬件结构
　　
1.1 加密原理
　　
该体制的加密原理可分为2个层次。首先是对程序的初始保护，就是把程序写入DSP芯片之前，对源代码进行加密处理，然后将密文写放入芯片。这样芯片中就不存在明文形式的源代码。当要运行该程序时，就从微狗中取出密钥进行解密，再继续运行。第2个层次就是在DSP程序运行过程中的连续保护。它的处理对象是一些重要参数或变时，通过“加锁”，让它们一直以密文形式存在于程序中。只有需要使用这些数据时，才从微狗内取出密钥进行解密。使用结束后，仍旧“加锁”保护，使之仍然是密文形式。
　　
1.2 硬件结构
　　
在这种加密体制中，需要1片微狗实现密钥管理。如果原来的DSP系统中已经存在带有加密位的EPLD、CPLD或单片机，就可以利用以有资源进行设计，把它们作为微狗，完全不需要额外的硬件支持。否则，不妨用1片单片机完成微狗功能。这是由其良好的性价比决定的。
　　
2 工作过程和密钥管理
　　
根据加密原理，该体制的工作过程同样分为2个层次。首先，是初始程序保护，它以程序整体为处理对象。然后，是基于数据的连续保护。保护对象是一些重要参数事变量。它保证了加密贯穿程序运行的整个过程。在工作过程中，密钥管理非常关键，可以说，该体制的安全与否就体现在密钥管理上。
　　
2.1 初始程序保护
　　
初始程序保护使用的加密算法是3DES算法，加密结束后，销毁密钥，同时将密文写入芯片。这样芯片内就不存在程序的明文形式，可以防止别人通过简单的反汇编得到程序源代码。开始运行DSP程序时，就在DSP监控程序的控制下，从微狗内取出相应的密钥，解密恢复出源代码。
　　
微狗主要实现密钥管理功能。内部密钥的生成机制和主程序完全相同。把主程序以密文形式写入DSP芯片时，通过监控程序告知微狗，微狗内部同时生成对应密钥K0；主程序开始运行时，再在监控程序控制下，从微狗内取出密钥K0，解密，得到明文形式源代码。
　　
可是，由于只有1个密钥，破译者完全可以通过截取DSP和微狗之间的通信数据，很容易地得到密钥。一旦得到密钥，这种保护体制也就形同虚设了。因此，我们又采取了基于数据驱动的连续保护。
　　
2.2 基于数据驱动的连续保护
　　
所谓基于数据驱动的连续保护，即是对程序中重要的参数或变量进行加密处理。由于这些参数或变量在程序运行时需要反复使用。故而通过对它们的保护，就可以使加密贯空程序的整个运行过程。
　　
譬如对滤波器系数ap的保护，将其加密，即“加锁”，同时销毁密钥。在求ap+1时，需要用到ap，就向监控程序发出申请，在它的控制下，从微狗中取出对应密钥，开销，恢复ap，进行运算。运算结束后，再将ap和ap+1“加锁"，保存，继续执行DSP主程序。这样不停地“加锁”、“开锁”，使得在同一时刻DSP主程序中都存在密文。
　　
此时微狗中密钥的生成必须和DSP主程序中的加密处理“同步”，即主程序的加密密钥要和微狗内生成的对应密钥相同。这个可以由DSP监控程序利用DSP内部的中断程序协调实现。使用密钥Ki对某参数或变量加密结束后，通过中断告诉监控程序加密完成，然后锁毁该密钥。继续执行DSP程序时，若需要使用该参数或变量，就向监控程序发出要求，在监控程序的控制下，从微狗中取出对应密钥Ki，解密。其具体过程如图1所示。

　　
其中，a、b为主程序和DSP监控程序之间的数据交换，包括彼此呼叫与应答；c为DSP监控程序对微狗的控制，发出某种命令；d是主程序在DSP监控程序的控制下，从微狗内取出相应的密钥。
　　
微狗将生成的密钥依次排列，然后等待主程序取密钥。不论是初始程序保护还是基于数据的连续保护，都只受监控程序的控制。这样可以保证主程序获得正确密钥。
　　
加入连续保护后，破译者要想得到源代码，必须跟踪程序的整个运行过程。这样，对于破译者而言，所花费的代价等于自己独立写一套程序，显然也失去了破译的必要。
　　
2.3 细节处理
　　
除了上述保护措施，还可以使用一些编程技巧，在细节上小心谨慎，写出让人“眼花缭乱”的程序，否则，破译者很可能不必完全跟踪，就能够获取源程序。因为目的是要迷惑别人，所以就得尽量破坏程序的可读性。譬如打乱程序的正常顺序，使其显得杂乱无章；适时适地插入无用代码，增强干扰；使参数变量的命名晦涩难懂，绝对不能有key、digest等诸如此类可以望文生义的名称。总之，要让破译者对获取的内容不知所云，以增加其还原源程序的难度。

3 相关算法及密钥生成机制
　　
该体制的加密算法是3DES，是个对称算法。其安全性可以说完全体现在密钥上。因此，如何产生一个“安全”的密钥至为关键。在密钥的生成机制中，用到了Geffe发生器和MD5算法。