ESPU安全模塊實現嵌入式版權保護
2011-03-11 21:26:35 本站原創 概論
在競爭激烈的電子及信息技術產品行業，新產品的設計周期已從原來的5年縮短為1~2年,同時產品壽命也在縮短,使得上市時間壓力增大,隨著創新能力的擴展,公司間競爭越來越大,盜板現象卻越來越嚴重,如何保護自己的產品設計以提高市場占有率和延長生命周期，如何在許可生產過程中有效控制和量化版權收益，已經成為很多公司和產品設計者日益關注的問題。 本文介紹的解決方案的核心是在產品硬件設計上嵌入專用加密芯片，在應用軟件設計上通過隨機密鑰認證的方法控制程序流程，比一般概念上的軟件狗在軟硬件安全特性、指令功能和性能價格比具有明顯的優勢。
一.專用加密芯片與嵌入式安全操作系統
本方案選用的專用加密IC是內置TimeCOS/ESPU嵌入式安全操作系統的專用微處理器芯片，又稱ESPU嵌入式軟件保護模塊。ESPU安全模塊采用標準的DIP8或SOP8封裝，除了具有防檢測、抗攻擊、自毀等硬件特性外，還具有安全的文件密鑰管理，完善的安全機制、標準的加解密運算功能。ESPU安全模塊主要的應用模式是嵌入到其他專用或通用設備中，除了可作為設備的唯一標識(每個模塊具有全球唯一硬件序列號碼)并提供安全密鑰和重要數據存儲之外，還可以利用內置算法完成數據加密解密、雙向身份認證、訪問權限控制、通信線路保護、臨時過程密鑰導出等多種功能。下面分別介紹ESPU安全模塊硬件和軟件特性。
1.硬件安全特性：
•采用智能卡做為硬件平臺
• 唯一序列號
• 芯片硬件安全性獲得EAL4 級認證
• 芯片防篡改設計，具有防止SEMA/DEMA 、 SPA/DPA、 DFA和時序攻擊的措施
• 數據安全存儲，高低壓檢測，高低頻率檢測
• 真隨機數發生器：利用芯片內部的電磁白噪聲產生，不會重復
• 硬件加密協處理器：內部硬件邏輯電路實現對稱算法3DES，加解密速度快
2. 軟件安全特性：
安全芯片采用TimeCOS/ESPU嵌入式安全操作系統
COS(芯片操作系統)是ESPU安全模塊的核心。該操作系統針對不同的應用具有不同的版本，主要有普通DES、3DES算法的PBOC版本，具有RSA算法的，還可根據用戶的需要增加不同的算法和功能，可作為身份的標識進行身份認證，也可以作為安全的平臺存儲各種安全密鑰和關鍵數據，以及產生隨機數，進行加解密運算等，可以幫助終端設備實現很多安全功能。
2.1TimeCOS/ESPU的結構
TimeCOS/ESPU由傳輸管理、文件管理、安全體系、命令解釋四個功能模塊組成。
2.2典型認證過程
在數據安全領域，DES(數據加密標準)算法是一種被廣泛使用的公開的數據加密算法，它采用對稱密鑰機制，即加密密鑰和解密密鑰是相同的，數據的安全性取決于密鑰的安全性。ESPU安全模塊用DES算法計算認證碼，通過比較認證碼的方法進行芯片內部密鑰與外部認證密鑰的對比，從而達到判斷與認證的目的。ESPU安全模塊通常內部預置相關的密鑰和關鍵數據，內部具有安全狀態寄存器，數據文件通常具有保密權限，只有通過相應的密鑰認證才可以達到對應數據文件的安全權限，才能對數據文件進行讀寫，這個過程稱為外部認證。
二. 基于ESPU軟件保護模塊的版權保護方案
ESPU軟件保護模塊的目標應用
1.產品版權保護
在硬件設計仿制比較容易的情況下，采用安裝特定的加密芯ESPU安全模塊的方法，可以防止軟件被拷貝后正常使用。
2.生產數量控制
使用ESPU可以控制生產商的生產數量，按照真實數量收取版權費。
3.技術支持和售后服務的依據
使用ESPU存儲產品的序列號或版本號等產品關鍵信息，可根據該信息對產品進行在線服務或應用軟件的在線升級，也可以作為提供相關技術服務的依據。
三. 硬件結構設計
ESPU的硬件結構非常簡單，時鐘頻率1～5MHz，工作電壓2.7V～5V,其簡單的結構，良好的兼容性使其同主要硬件設備的接口容易，編程也非常簡單.用戶可以輕松地將處理器芯片集成到應用中.
四. 軟件應用流程介紹
1.系統要求：
·應用軟件需要支持DES算法，支持產生偽隨機數的算法。
·應用軟件安裝系統主密鑰MK，可以通過ESPU安全模塊硬件唯一序列號S/N分散生成認證主密鑰。
·ESPU安全模塊安裝有主密鑰SK=DES(MK，S/N)。
2.軟件安全認證過程
·ESPU安全模塊中存儲與自身硬件序列號相關的主密鑰，通過主密鑰和軟件ID號加密可生成過程密鑰，過程密鑰存儲在ESPU安全模塊的RAM區中，掉電后消失。
·應用軟件在不同批次ID的情況下，可以更改系統主密鑰。
·在應用軟件密鑰存儲系統主密鑰，認證主密鑰通過讀取ESPU安全模塊硬件序列號臨時分散產生，認證密鑰通過應用軟件批次ID號二次分散臨時產生。
·分散過的ESPU安全模塊認證主密鑰，經應用軟件批次ID號分散密鑰產生臨時認證密鑰與應用軟件的臨時認證密鑰完成最終的認證過程。
五.一種防止程序被反編譯的方法
根據設備采用的主CPU的特點，還可以采用程序分割的方法將部分系統源程序用密鑰加密后存儲，防止存儲在ROM或EEPROM中的程序被讀出后反編譯。
首先將源程序中的部分子程序或重要參數用ESPU中的密鑰加密后安裝，在調用該部分程序或參數時需先將數據送ESPU解密后再放到FLASH或RAM中執行，掉電后解密后的數據將消失。這樣可以更有效地防止源程序被反編譯后被破解。
結語
ESPU軟件保護模塊的核心實際上是專用的智能卡芯片，隨著智能卡技術的成熟和應用的普及，國外大廠商的智能卡芯片制造和銷售成本也在不斷的降低，使得應用這種先進的微處理器來進行版權保護在成本上成為可行。
目前已經有一些電子設備廠商運用此方案，保護自己的電路設計及應用軟件，同時還用ESPU安全模塊存儲設備的各種參數和信息，作為產品在線更新和售后服務的唯一安全標識。作為嵌入式版權保護的一種解決方案，北京寶興達信息技術有限公司希望本方案能夠給眾多設計者提供一個新的思路和借鑒。
