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