基于ARM平臺的嵌入式軟件保護方案
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(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（HASH3DES）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。總線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]。本文引用地址：http://www.104case.com/article/152163.htm
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。可以對密文讀取方式進行優化，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。
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