嵌入式系统授权密匙的实验与设计

文福江，邓琳

（齐齐哈尔大学 建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

嵌入式系统产品的授权时间问题（即试用期时限），是嵌入式系统产品开发者面对的一个普遍问题．从理论的角度讲，嵌入式系统的授权时间，可分为工厂模式授权和应用现场授权2种．工厂模式授权，在工厂批量生产时授权很容易实现，但应用现场授权往往受很多因素的制约和影响．概括起来，有几种实现方式：（1）利用拨码开关在出厂时或者现场进行设置；（2）重新下载 MCU程序，直接写入授权时间；（3）利用嵌入式系统终端的键盘现场修改授权时间；（4）采用联网方式批量进行授权的修改．前3种可以看作是单机修改授权时间模式，最后1种是联网修改授权时间模式．在单机授权模式中，方式1采用的是地址编码方法，由于是机械开关编码，编码方式固定，对一台机器授权时间的修改操作尚可，对多个机器采用相同的操作，分别进行修改授权时间时，密匙编码容易被识破．方式2由于直接写入MCU授权时间，后期重新改变授权时间，只能继续采用这种方式，灵活性与便捷性都很差[1-2]．基于此，以STC单片机为例，重点讨论方式3的设计与实现．

1 授权密匙原理

1.1 系统结构

嵌入式系统结构见图1．从图1可以看出，整个系统由主机（上位机）和若干终端（下位机）构成．授权密匙的修改，实质就是现场修改使用授权的状态，或关闭使用授权，或开放使用授权．根据图1，授权密匙的修改可以采用 2种方式：（1）上位机根据终端地址 ID批量修改；（2）在单个终端上进行修改．2种方式的授权密匙从使用便利性的角度讲，各有优势和缺点．从成本构成权衡，如果终端传感器数量较少，或者数据处理与控制较简单，可以选择单片机方式[3-4]．

图1 嵌入式系统结构

1.2 授权密匙结构

授权密匙修改状态进入是指嵌入式系统终端在时钟设置状态，进入授权密匙修改的状态．假定进入授权密匙修改状态的前提是时钟设置状态，则与授权密匙有关的组数据变量格式为：YY-MM-DD（年-月-日），hh-mm-ss（时-分-秒）．

1.2.1 正常显示状态 即设备运行时的状态，包括时间与传感器采集的即时数据．传感器数据的显示这里暂不讨论，只讨论与授权时间有关的内容．正常状态下，终端显示的日期、时间格式见图2．

1.2.2 日期时间修改状态 在正常显示状态，按设置键进入日期时间修改状态，相应的日期或时间调整位会闪动，如调整年时的状态见图3．

1.2.3 授权时间修改状态 在时间修改状态下，可进入授权时间修改状态．为防止设置时间时错误地进入授权时间修改状态，系统进入该状态必须满足2个条件：（1）日期与时间的数据必须满足密匙算法；（2）满足条件后，光标必须移动到秒位置时，才能进入授权时间修改状态（见图4）．

图2 终端显示的日期、时间格式

图3 调整年时的状态

图4 授权时间修改状态

授权时间的长度是与设置时的当前时间为基准计算的．授权时间的时间单位为 T，可以为月、周、日中的一种，讨论以周为单位．授权时间的长度Lt=n×t，通常Lt是一个数组，例如：Lt={00，02，04，12，27，54，99}，n为时间单位的倍数，即数组中的某一个元素的值．设置时通过键盘选择数组元素．数值00代表无授权，99代表开放授权，其它值Lt等于数值n与T（周）的乘积．

1.3 密匙状态进入

调整过程流程见图5．

图5 授权时间修改流程

2 密匙生成及存储

密匙生成的方法繁多，这里采用实用性好的对称密匙生成方法[5-7]．

2.1 逐位运算法

设正常显示的时间格式见表1．

逐位运算法就是将日期与时间数据，以一一对应的关系逐位进行算术或逻辑运算，获得的结果作为密匙．假设密匙为345678，则将日期格式的（年-月-日）Y1Y0-M1M0-D1D0与时间格式的（时-分-秒）h1h0-m1m0-s1s0对应位求和，和值为S5S4S3S2S1S0=345678，光标位于秒位置就进入授权时间设置状态．密匙生成方法见表2．

表1 日期时间格式

表2 逐位运算法生成密匙

2.2 求和法

正常显示的时间格式见表3，其中年数据取最低2位．设密匙为MhMl=5678．

在设置时，只要将日期（年（低 2位）+月+日）数据的算术和设置等于56，时间数据（时+分+秒）的算术和设置等于78，光标停留在秒位置上，就进入授权时间设置图4的状态．

逐位运算法与求和法，在实际应用中效果都不错．比较而言，求和法操作的灵活性更强，更具有隐蔽性，现场修改授权时间密匙不容易被识破[8-11]．

表3 求和法生成密匙

2.3 密匙数据处理

2.3.1 密匙数据保存 密匙数据的存储一般有2种，一种是保存在独立的EEPROM芯片中，另一种是保存在MCU片内的EEPROM中．保存在独立EEPROM芯片中有很多不足之处，该研究保存在片内EEPROM中．以STC15W408AS单片机为例，片内有5 K容量的EEPROM，以扇区为单位存储数据，每个扇区512 B[12-13]．以求和法生成的5678密匙为例，保存在EEPROM的最后一个扇区的最后2个字节．片内EEPROM的数据与独立芯片的EEPROM一样，可以读出．如果密匙数据不加密直接保存，数据读出就直接破解，也无法称作密匙了，破译的危险性比较高．因此，保存在EEPROM中的数据要进行加密处理．

2.3.2 密匙数据加密解密过程 设密匙为0x5678，加密采用移位倍加方式．加密过程见图6，解密过程见图7．

图6 密匙加密过程

图7 密匙解密过程

3 结语

现场修改授权时间是嵌入式系统设计经常面对的问题．限于对已量化产品的保护，没有把实物的2款产品图片贴出．尽管实现的方式方法千差万别，但对于单机而言，本文讨论的方法具有很强的灵活性和保密性，具有一定的推广价值．