摘 要： 基于ARM平臺提出了一種軟硬件結合的嵌入式系統軟件保護方案。利用加密算法AES和FS8826安全芯片，以嵌入式實時操作系統VxWorks為例,在啟動過程中加入認證、密鑰讀取和解密操作以保證系統的安全啟動，并進行周期性定時認證。
關鍵詞： ARM平臺； AES； FS8826安全芯片； Vxworks
近年來，從軟件到軟硬件聯合攻擊給嵌入式系統造成嚴峻的安全威脅。安全性已成為嵌入式系統設計中必不可少的一部分，同時這又是一個折衷的過程，不能單靠軟件來保證，而全硬件的解決方式很昂貴且不具有彈性[1]。很多產品開始從設計之初就從系統架構上考慮了安全性，如ARM公司的Trust Zone技術開辟了一片可信代碼區,通過一個S比特來區分系統的安全狀態，IBM的PowerPC中使用了多核單元寬帶引擎(BE)進行安全引導和物理隔離。
需要注意的是目前使用的很多嵌入式系統都是基于沒有特別設計安全機制的硬件平臺。本文以原ARM處理器平臺為例，通過增加1塊安全協處理器，就可以實現低成本、有實效的安全保護，并且能夠抵御兩類比較寬泛的攻擊：一類是在系統的啟動過程中的攻擊，如果系統啟動過程中沒有安全保護措施，很可能被非法用戶使用非授權的軟件。另一類是外部存儲器及總線攻擊，當程序代碼保存在外部非易失存儲器上時，可以輕易被黑客拷貝。另外，片外存儲器與片上系統(SoC)之間的總線傳輸也容易受到攻擊。
1 硬件結構
本方案的硬件結構如圖1所示。處理器平臺采用三星公司的S3C2442，內核為ARM920T，外置1塊2 MB的NorFlash用以存放密文數據，ARM通過總線方式對NorFlash進行訪問，該硬件結構中最重要的部分是添加了1塊安全協處理器：福華公司的嵌入式系統軟件保護芯片FS8826。該芯片可通過I2C或SPI總線與SOC連接，這里使用I2C方式。PC機能夠對硬件平臺中的每個芯片進行編程控制：通過JTAG端口、串口及網口與ARM進行通信，通過專門的燒錄器對FS8826的硬件密鑰和安全存儲區進行寫入。
2 軟件實現
軟件設計從兩個主要方面考慮,一是代碼加密,二是版權認證。前者主要通過AES(Advanced Encryptiong Standard)加解密算法實現，其算法密鑰的管理以及版權認證將依靠FS8826來實現,最終達到安全啟動嵌入式操作系統以及保護運行時的版權目的。安全啟動方案基于Bootloader+Image的加載機制，也是ARM處理器通用的引導機制。首先采用AES加解密算法在PC機端將編譯完成Image加密，利用FS8826安全存儲區存放AES算法密鑰，密文存儲在片外存儲器中，ARM啟動時將密文加載入內存。然后在Bootloader啟動過程時加入與FS8826的認證操作，認證通過則在該過程中使用AES解密算法解密Image，并用明文將原內存中的密文覆蓋，系統正常運行中加入與FS8826的實時通信監測，確保在授權目標機上運行程序。軟件實現流程如圖2所示，相應的方案實現框圖如圖3所示。
2.1 AES算法
AES是美國國家標準和技術研究所(NIST)選定的高級加密標準，是目前對稱加密領域內的主流算法。其數據分組固定為128 bit,密鑰分組可支持128 bit/192 bit/256 bit。核心過程為數據塊矩陣的Nr（10/12/14）次輪操作。每一次輪操作都由S盒代換(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)和輪密鑰加(AddRoundKey)4個函數組成，第Nr次輪操作不包含MixColumns 函數。密鑰擴展為每一輪變換提供輪密鑰[2]。本方案中加密在PC機端離線完成，沒有時間和運行效率的特別要求，但是解密在ARM9處理器中完成，其運行時間將作為系統啟動的一部分，所以下面針對解密部分的算法程序結合其實現平臺進行優化設計。
直接的解密算法是將加密過程的每一步求逆并倒置次序得到,然而這樣并不利于優化。算法的創始人提出了一種等價解密過程，在解密的輪變換中交換逆行移位和逆S盒代換，輪密鑰加和逆列混淆的順序，只需要調整密鑰的編排方案即可。在實現中等價解密過程可以將解密輪變換中的前3個步驟綜合生成1張4 KB的T表用于查詢，即可快速準確地完成解密[2]。具體流程如圖4所示。
加解密過程使用電碼本模式（ECB）運行，即將消息段逐個分別加解密。實現采用移植性較好的標準C編程。針對ARM處理器的特點，C語言具有以下優化的實現方式[3]:
(1) 數據類型設置：ARM處理器內部是32 bit寄存器，如果變量長度與ARM內部寄存器長度不一致，將會使得變量的存取都需要附加其他指令[3]。AES算法中密鑰及數據都是以字節為單位運算，優化時調整為32 bit，僅在輸入輸出時進行位數變換，可以帶來很大的速度改進。
(2) 循環展開：ARM處理器中每一次循環最少有4個周期的循環開銷[3]。解密輪變換涉及4個子函數調用，循環執行Nr-1次。在等價解密算法融合了3個子函數形成T表查詢，于是可以把輪變換展開，在不增加太多代碼量的基礎上，每一個數據分組解密減少4(Nr-1)個周期。當密鑰位長、密文數據量大時節省的循環開銷就比較可觀。
(3) 控制變量數：為了高效執行1個函數，應盡量限制函數內部循環所用局部變量的數目,最多不超過12個，確保最重要的和經常用到的變量都被分配在寄存器里[3]。
(4) 宏定義函數實現：有些簡單函數可以通過宏定義的方式實現，如域內乘法等。此種方式可以減少函數調用開銷。
2.2 FS8826功能實現
FS8826芯片自帶24 B硬件密鑰，具有不可回讀、不可在總線上傳輸的特點，主要用于芯片內部的認證模塊運算（HASH&3DES）和安全數據傳輸。芯片內部開辟了1塊安全存儲區(96 B EEPROM)，讀寫都受硬件密鑰的保護，且具有CRC校驗功能。在本方案中該芯片主要實現兩方面功能： SoC版權確認和AES密鑰管理。前者通過認證實現，具體流程如圖5 所示?？偩€上發送的數據為硬件密鑰與用戶設置的認證區數據通過HASH運算得出的數組，并加入了8 B隨機數，能夠有效地防止重放攻擊(reply attack)。該項功能能夠提供代碼完整性驗證[4]，在一定程度上抵抗反匯編攻擊。后者通過將AES密鑰燒入FS8826的安全存儲區，由其硬件密鑰進行保護實現，認證通過后發送加密的讀取命令，算法密鑰以密文形式在總線上傳遞[4]。
2.3 Vxworks啟動、運行
以上所述的加解密和認證過程將運行在嵌入式實時操作系統的啟動和監測上，實現上以Vxworks為例，該系統為風河系統公司(Wind River System)在業界最早推出的一款嵌入式實時多任務操作系統,開發環境為Tornado。
VxWorks操作系統的映像包括兩大類：VxWorks類型和Boorom類型[5]。本文對RAM中運行的VxWorks映像在PC機端進行AES加密。選擇執行格式的未壓縮Bootrom映像——bootrom_uncmp作為啟動映像，并在其調用的初始化文件(bootConfig.c)中加入與FS8826的安全認證、密鑰傳輸以及解密運算。bootrom_uncmp由仿真器燒入到目標板的norflash中，上電后，bootrom_uncmp把自身拷貝到RAM_HIGH_ADRS地址上運行引導程序。之后，把VxWorks映像裝入到起始地址為RAM_LOW_ ADRS的RAM 中，接著跳轉到VxWorks映像裝入點運行[5]。如果認證通過，引導程序將從FS8826的安全存儲區獲取AES算法密鑰，進行解密，否則在RAM_LOW_ADRS處的VxWorks映像將仍然為密文，無法正常啟動。如圖6所示。
在系統安全啟動后，加載的明文映像開始運行，同時,隱藏在映像中認證程序也將開始運行,并定時與FS8826通信，確保持有正確硬件密鑰的芯片運行正常，以防黑客移植代碼非法使用。
3 實現結果及分析
按照ARM平臺下的優化原則,AES解密算法通過直接解密和等價解密2種形式進行實現，并通過ADS的Debugger Internals工具從速度和內存占用量兩方面衡量實現效率[2]。如表1所示為在ARM9處理器中2種算法所耗的匯編指令數和指令周期數。表 2為兩者占用的內存資源對比。
從表中結果可以看出，采用查表運算的等價解密過程具有速度上的優勢，且隨著密鑰位的增加其改進越明顯。然而，速度與內存占用是相互矛盾的兩方面，運行速度越快的算法必然會以占用一部分資源占用為代價。等價解密算法中使用了T表,且將循環展開造成了代碼量的增加。所以在實際使用時，對內存資源的要求高于速度要求時建議采用直接解密算法，反之則可采用等價解密算法。這里所用的ARM9有足夠的內存空間，所以采用128 bit密鑰的等價解密算法，以1 MB的Vxworks密文映像為對象進行啟動測試。
正常啟動中先由NorFlash建立文件系統，然后通過NandFlash加載文件。實際測試中對1 MB密文的讀取耗時1.4 s?？梢詫γ芪淖x取方式進行優化，將密文燒入片外NorFlash中，系統上電后，內存從NorFlash中獲取密文的讀取方式，時間為0.03 s。這種差別的原因主要有2點：(1)文件系統訪問方式下用fopen和fread函數打開密文，解密后的數據還需寫回到文件中重新讀取，且會受時鐘頻率及總線速度的限制。而后者屬于內存直接讀取，解密后直接從內存啟動；(2)NorFlash的讀取速度本身就比NandFlash要快。
啟動過程各部分時間如表3所示。
需要注意的是，在啟動過程中只開啟了指令cache，且沒有MMU的支持，所以解密的執行速度較之系統啟動后要慢很多。經測試，在系統加載起來后1 MB的密文解密操作只需1.7 s。對啟動速度有特殊要求的應用可以對MMU和cache的使用進行進一步的調整設計。
系統啟動后進行的定時認證,可以監測與FS8826的正常通信，保證主映像運行在授權目標機上。認證過程中的運算都在FS8826芯片內進行，不會對主映像的運行速度造成影響，經過測試每次認證耗時0.16 s，如果安全級別要求不是很高，也可以選擇采用復位芯片的方式進行監測，每次僅耗時0.01 s。
本文的主要創新點是基于ARM9處理器平臺，針對其軟件安全提出了一套可行的解決方案。本方案可以抵御兩類攻擊：(1)本文構建的安全啟動過程，如果脫離了FS8826的支持，將無法獲取密鑰，無法通過認證。并且可以設置不止一次的認證操作隱藏在啟動過程中，將其中的一部分用作FS8826的驗證區數據，即使黑客通過反匯編的手段，找到認證代碼并予以忽略，也會因為篡改使其他部分的認證無法通過,從而達到防止軟件盜版的目的;(2)關鍵的代碼一開始就是以加密狀態存放在NorFlash中，密鑰則存儲在FS8826的安全存儲區內，合法用戶運行時將獲取密鑰，把密文解密到內存中，掉電數據丟失。同時，FS8826與SOC之間的總線通信已經過加密，能夠防止黑客從總線竊取。該方案成本低，效果好，其成果具有一定的推廣性。
參考文獻
[1] ALTSCHULER F，ZOPPIS B.嵌入式系統安全性(下)對攻擊狀況和防衛策略的概述和分析.電子產品世界[J]，2008(7):102-105.
[2] DAEMEN J，RIJMEN V.高級加密標準(AES)算法——Rijndael的設計[M].谷大武，徐勝波譯.北京：清華大學出版社，2003.
[3] ANDREW N S, SYMES D, WRIGHT C. ARM嵌入式系統開發——軟件設計與優化[M]. 沈建華譯. 北京：
北京航空航天大學出版社,2005.
[4] FS8806&FASP-8806 Introduction，Version 2.14. www.FameG.com.2006-10-18.
[5] 陳智育，溫彥軍，陳琪.Vxworks程序開發實踐[M].北京：人民郵電出版社, 2004.