摘 要：在裝備的試用狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護(hù)等方面，數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)加密需求，給出了一種可應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法。該方法在隨機(jī)數(shù)序列的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，并綜合應(yīng)用了數(shù)據(jù)二次尋址、置換表、數(shù)據(jù)字節(jié)運(yùn)算、改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)等技術(shù)，相同明文每次加密后形成的密文數(shù)據(jù)各不相同，具有加密強(qiáng)度高、算法容易實(shí)現(xiàn)、密文數(shù)據(jù)防篡改等特點(diǎn)。該技術(shù)已成功應(yīng)用于C8051F020和MSP430F135單片機(jī)系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)了某兩型裝備的試用期狀態(tài)管理和敏感數(shù)據(jù)保護(hù)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)加密； 數(shù)據(jù)尋址； 密鑰

中圖分類號(hào)：TN91934； TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22000703

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在武器裝備和民用產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域［12］，在其越來(lái)越智能化的同時(shí)，與之運(yùn)行有關(guān)的各種工作參數(shù)等設(shè)置數(shù)據(jù)也越來(lái)越成為需要保護(hù)的對(duì)象。

某些系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作狀態(tài)設(shè)置參數(shù)、測(cè)量結(jié)果等敏感數(shù)據(jù)必須經(jīng)過授權(quán)才能被設(shè)置或查看。在沒有授權(quán)的情況下，即使得到敏感數(shù)據(jù)，也無(wú)法破解數(shù)據(jù)的真正含義。在具有“試用風(fēng)險(xiǎn)管理”功能的民用產(chǎn)品中，產(chǎn)品交付用戶的日期、試用期限及試用狀態(tài)（類似于軟件產(chǎn)品的“試用版本”）、試用狀態(tài)到交付狀態(tài)的設(shè)置、產(chǎn)品序列號(hào)、產(chǎn)品工作狀態(tài)設(shè)置口令等數(shù)據(jù)直接關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的經(jīng)濟(jì)利益。產(chǎn)品試用期結(jié)束后，產(chǎn)品工作狀態(tài)升級(jí)等設(shè)置數(shù)據(jù)需要通過用戶傳遞給設(shè)備，因此，在客觀上就需要一種強(qiáng)有力的安全措施來(lái)保護(hù)這些敏感數(shù)據(jù)不被篡改或非法應(yīng)用到其他同型產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)加密的應(yīng)用實(shí)例

數(shù)據(jù)加密在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例如圖1所示。在該應(yīng)用中，包括“遠(yuǎn)程控制端”和“用戶端”兩個(gè)子系統(tǒng)，其中“遠(yuǎn)程控制端”可以是上級(jí)機(jī)關(guān)，也可以是民用產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售單位。在“遠(yuǎn)程控制端”，根據(jù)密鑰文件，敏感數(shù)據(jù)被加密處理后形成密文數(shù)據(jù)，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)或非涉密人員進(jìn)行傳遞。密文數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備的使用單位后，再由非涉密的使用人員（或民用產(chǎn)品用戶）把這些數(shù)據(jù)輸入嵌入式設(shè)備。設(shè)備根據(jù)其存儲(chǔ)的密鑰數(shù)據(jù)把密文還原成內(nèi)部可識(shí)別的敏感數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)操作，從而最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端對(duì)設(shè)備的控制；把嵌入式設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端的過程與之相反，首先敏感數(shù)據(jù)由嵌入式設(shè)備進(jìn)行加密處理，再通過互聯(lián)網(wǎng)或其他非涉密渠道傳送到遠(yuǎn)程控制端，密文數(shù)據(jù)解密后即可還原成原始數(shù)據(jù)。

在設(shè)備試用狀態(tài)管理的應(yīng)用實(shí)例中，“遠(yuǎn)程控制端”密文數(shù)據(jù)的產(chǎn)生由“遠(yuǎn)程控制端”密文數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序?qū)崿F(xiàn)，密文數(shù)據(jù)的具體功能由數(shù)據(jù)“任務(wù)類型”定義，包括升級(jí)到交裝狀態(tài)、延長(zhǎng)試用期限、交裝狀態(tài)和試用狀態(tài)出廠參數(shù)設(shè)置等4種任務(wù)，用戶界面如圖2所示。只要操作人員在用戶界面上輸入設(shè)備序列號(hào)、用戶密碼、任務(wù)類型等數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊“創(chuàng)建文件”，密文數(shù)據(jù)即可生成，然后即可把該密文數(shù)據(jù)文件通過互聯(lián)網(wǎng)等傳遞給用戶。當(dāng)用戶把該密文數(shù)據(jù)注入設(shè)備時(shí)，設(shè)備按規(guī)定的算法把數(shù)據(jù)解密后，再判斷設(shè)備序列號(hào)和用戶密碼是否與設(shè)備定義一致，如果一致則執(zhí)行密文數(shù)據(jù)定義的任務(wù)。通過這樣的方法，設(shè)備生產(chǎn)廠商即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備試用狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。

圖2 密文數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序用戶界面2 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密技術(shù)的特點(diǎn)

所謂數(shù)據(jù)加密技術(shù)是指將信息（或稱明文）經(jīng)過加密鑰匙及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無(wú)意義的密文，而接收方將此密文經(jīng)過解密函數(shù)、解密鑰匙還原成明文的技術(shù)［3］。

數(shù)據(jù)加密技術(shù)要求只有在指定的用戶或網(wǎng)絡(luò)下，才能解除密碼而獲得原來(lái)的數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方都需要一些特殊的信息用于加解密，這就是所謂的密鑰（或加密算法）［45］。密鑰分為專用密鑰和公開密鑰兩種［3］。嵌入式系統(tǒng)中用戶端的密鑰存儲(chǔ)在硬件設(shè)備中，因數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片在硬件上設(shè)置有加密機(jī)制［6］，無(wú)法被讀取或破譯，因此采用專用密鑰這種簡(jiǎn)單的形式即可滿足要求。

在嵌入式系統(tǒng)中，“遠(yuǎn)程控制端”的密鑰由遠(yuǎn)程控制人員掌握，“用戶端”的密鑰存儲(chǔ)在嵌入式系統(tǒng)中，用戶無(wú)法得到密鑰數(shù)據(jù)，就無(wú)法破解密文數(shù)據(jù)，從而無(wú)法擅自設(shè)置嵌入式設(shè)備中需要保護(hù)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)。

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及加密技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)加密具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1） 加密算法要簡(jiǎn)單且容易在MCU上實(shí)現(xiàn)，占用的字節(jié)數(shù)要盡可能少；

（2） 應(yīng)具有較高的加密強(qiáng)度。如果用戶有多臺(tái)設(shè)備，就有機(jī)會(huì)獲得多套密文數(shù)據(jù)。由于設(shè)備和密文數(shù)據(jù)都處于用戶掌控之下，如果加密強(qiáng)度不夠，密文數(shù)據(jù)將很容易被破解，并被非法應(yīng)用到其他設(shè)備；

（3） 加密技術(shù)應(yīng)能識(shí)別密文數(shù)據(jù)是否被非法篡改［7］，以防止用戶更改數(shù)據(jù)后再在設(shè)備上試驗(yàn)，進(jìn)而逐步掌握密文數(shù)據(jù)的加密規(guī)則；

（4） 密文數(shù)據(jù)中應(yīng)包含設(shè)備序列號(hào)信息，以防止數(shù)據(jù)被非法應(yīng)用到其他設(shè)備。

3 數(shù)據(jù)加密的實(shí)現(xiàn)方法

下面介紹的數(shù)據(jù)加密方法已成功應(yīng)用到某嵌入式設(shè)備中。其基本過程是，先把被加密數(shù)據(jù)通過“置換表”法、數(shù)據(jù)字節(jié)運(yùn)算等加密算法進(jìn)行加密處理，再把加密后的數(shù)據(jù)根據(jù)一定的規(guī)則隨機(jī)地插入到一隨機(jī)數(shù)序列中，同時(shí)把該數(shù)據(jù)在數(shù)列中的存儲(chǔ)地址插入該數(shù)列的某規(guī)定位置。操作完成后再對(duì)該數(shù)列采用“置換表”法進(jìn)行數(shù)據(jù)置換，并采用循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)分段計(jì)算數(shù)列的校驗(yàn)和，并把校驗(yàn)和插入數(shù)列的規(guī)定位置。該方法加密強(qiáng)度高，代碼量少，運(yùn)算量小，隨機(jī)存儲(chǔ)器需求量小，適合應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。

3.1 數(shù)據(jù)加密方法

在加密數(shù)據(jù)前，首先產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)序列X［i］，其中i

在加密過程中，原始數(shù)據(jù)通過二次尋址的方式插入隨機(jī)數(shù)列［5］，這樣數(shù)據(jù)在數(shù)列中的存儲(chǔ)位置可以是隨機(jī)的，被加密數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址是相對(duì)固定的。數(shù)據(jù)二次尋址方式原理示意圖如圖3所示。圖中，每次加密操作時(shí)原始數(shù)據(jù)0x7E的存儲(chǔ)位置是隨機(jī)的，本次加密操作時(shí)其存儲(chǔ)地址0x01C2存儲(chǔ)在0x00D9和0x01D8兩個(gè)字節(jié)中。

圖3 數(shù)據(jù)二次尋址方式原理示意圖假設(shè)某數(shù)據(jù)d在隨機(jī)數(shù)列中的存儲(chǔ)位置為md（雙字節(jié)），地址md為小于N的隨機(jī)數(shù)，md在隨機(jī)數(shù)列中的存儲(chǔ)位置為nd′（高字節(jié)）和k d′（低字節(jié)），則原始數(shù)據(jù)d可表述為：d=X［md］=X［X［nd′］< <8+X［kd′］］

（1） 為提高加密強(qiáng)度，數(shù)據(jù)d的存儲(chǔ)地址的存儲(chǔ)地址nd′和k d′是偽隨機(jī)的，每次加密操作時(shí)，其值將分別在地址空間Jnd±F，Jkd±F的范圍內(nèi)變化，其中Jnd，Jkd分別為數(shù)據(jù)d存儲(chǔ)地址的高、低字節(jié)的存儲(chǔ)基地址，F(xiàn)為存儲(chǔ)地址最大偏移量。這3個(gè)量都是事先定義好的。為簡(jiǎn)化算法的復(fù)雜程度，降低算法對(duì)隨機(jī)存儲(chǔ)器的需求，所有原始數(shù)據(jù)基地址的最大偏移量可以設(shè)置成相等。

加密操作時(shí)基地址偏移量的具體值f隨機(jī)，由隨機(jī)數(shù)列中某些元素通過規(guī)定的算法運(yùn)算得到：f隨機(jī)=F1（X［xa］，…，X［xb］）

（2）式中：xa，…，xb分別為小于N的固定值；F1表示運(yùn)算規(guī)則。運(yùn)算規(guī)則可以采用求和再取低幾位、取反求和等各種規(guī)則，但要保證運(yùn)算結(jié)果f隨機(jī)

考慮到f隨機(jī)，則式（1）變?yōu)椋篸=X［md］=X［X［nd′］< <8+X［k d′］］

=X［X［Jnd+f隨機(jī)］< <8+X［Jkd+f隨機(jī)］］

（3）式中：Jnd，Jkd分別是數(shù)據(jù)nd′和k d′在隨機(jī)數(shù)列X［i］中的基地址；f隨機(jī)是本次加密操作的地址偏移量。

另外在把數(shù)據(jù)寫入隨機(jī)數(shù)序列X［i］時(shí)被寫數(shù)據(jù)也經(jīng)過了變換，變換規(guī)則可以采用高4位與低4位交換、取非、字/字節(jié)循環(huán)移位、XOR等各種方法，只要變換后不破壞數(shù)據(jù)的惟一性即可［5］。設(shè)把數(shù)據(jù)寫入隨機(jī)數(shù)序列時(shí)的變換規(guī)則為F2，對(duì)應(yīng)的反變換表示為F2，則式（3）變?yōu)椋篸=F2（X［md］）=F2（X［F2（X［Jnd+f隨機(jī)］）< <

8+F2（X［Jkd+f隨機(jī)］））

（4） 由于f隨機(jī)具有隨機(jī)特性，則每次加密數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)d寫入隨機(jī)數(shù)列的位置md具有隨機(jī)性、存儲(chǔ)md尋址地址的字節(jié)位置也具有隨機(jī)性，這樣就保證了系統(tǒng)每次在加密數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)地址及數(shù)據(jù)地址的存儲(chǔ)地址都是不相同的，大大增加了破譯難度。

綜上所述，把數(shù)據(jù)d插入隨機(jī)數(shù)列的過程是：第1步，產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)序列X［i］，其中i

根據(jù)隨機(jī)數(shù)列得到數(shù)據(jù)d的過程是：第1步，根據(jù)規(guī)則F1得到基地址偏移量f隨機(jī)；第2步，把X［Jnd+f隨機(jī)］經(jīng)F2規(guī)則變換后賦值給nd′；第3步，把X［Jkd+f隨機(jī)］經(jīng)F2規(guī)則變換后賦值給kd′；第4步，X［nd′< <8+kd′］經(jīng)F2規(guī)則變換后即得到原始數(shù)據(jù)d。

3.2 密文數(shù)據(jù)防篡改的方法

為防止密文數(shù)據(jù)被非法更改，采用了經(jīng)過改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)［3］。即數(shù)列X［i］的字節(jié)x［M］存儲(chǔ)［0，M-1］地址段中所有數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，x［2M］字節(jié)存儲(chǔ)［M，2M-1］地址段中所有數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，…，在解密時(shí)首先檢查各地址段數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和與“校驗(yàn)和存儲(chǔ)字節(jié)”的存儲(chǔ)值是否相等，即可判斷數(shù)據(jù)是否被非法更改。假設(shè)M是被計(jì)算的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度，則：X［kM］=F2［（∑i=（k－1）MkM－1X［i］）0xFF］

（5）式中：F2代表數(shù)據(jù)寫入隨機(jī)數(shù)列時(shí)的變換規(guī)則；k=1，2，…，N/M。

通過這種方法，密文數(shù)據(jù)中的任何字節(jié)被非法更改，都可以被檢測(cè)到。另外被求和的字段長(zhǎng)度也可以設(shè)置成不相等，數(shù)據(jù)就更難被破解［8］。

3.3 數(shù)列置換

為進(jìn)一步提高加密強(qiáng)度，埋入數(shù)據(jù)后的隨機(jī)數(shù)列X［i］還可經(jīng)過“置換表”技術(shù)［9］進(jìn)行加密。在該方法中，置換表Z［i］是關(guān)鍵，它是數(shù)列［0，1，…，255］中的元素再經(jīng)過隨機(jī)排列而得到的。設(shè)Z［i］中的數(shù)據(jù)為z［i］，則z［i］具有如下特征：

0≤z［i］≤255，0≤i≤255

z［m］≠z［n］，0≤m≤255，0≤n≤255且m≠n假設(shè)X［i］中的數(shù)據(jù)為x［i］，置換后的數(shù)據(jù)為y［i］，則x［i］到y(tǒng)［i］的數(shù)據(jù)變換操作為：u＼[i＼]=g|if z＼[g＼]=x＼[i＼]

（6） 解密過程與上式相反，具體為：x［i］=Z［y［i］］

（7） 使用兩個(gè)或更多的“置換表”，在置換操作時(shí)按偽隨機(jī)的方式使用每個(gè)表，可以進(jìn)一步提高加密強(qiáng)度［10］。但每增加一個(gè)置換表，嵌入式系統(tǒng)程序中就需要增加一個(gè)長(zhǎng)度為255 B的數(shù)組，因此置換表的數(shù)量還要根據(jù)加密強(qiáng)度需求、嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力等因素確定。

4 結(jié) 語(yǔ)

按本文所述方法加密后的數(shù)據(jù)是一組沒有任何規(guī)律的偽隨機(jī)數(shù)，且完全相同的密文數(shù)據(jù)每次加密后都不.