單片機系統(tǒng)加密中的動態(tài)反跟蹤措施

眾所周知, 有一些公司或個人專門做單片機的解密服務(wù)，另外，單片機的指令不論怎樣加密最終它還要在明文的方式下才能運行, 而且解密者可以使用單片機開發(fā)系統(tǒng)單步調(diào)試ROM中的程序。 當(dāng)解密者了解了指令的運行過程之后, 也就獲得了加密的程序, 如某些智能計價器的運算方法等，通過修改程序并仿制新的ROM芯片, 就可以達(dá)到解密的目的。因此,對單片機的加密還要在程序的運行上進(jìn)行加密處理, 也就是程序的動態(tài)加密措施。

1 程序的動態(tài)解碼

動態(tài)解碼是對加密程序的指令或數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行動態(tài)恢復(fù)。在程序運行時, 有一段指令是專門對某一區(qū)域的指令或數(shù)據(jù)代碼解密, 而且當(dāng)解密后的代碼使用完畢, 還要將其重新加密, 使存儲器中不存在完整的程序代碼。 這種方法對防程序的靜態(tài)分析很有效, 因為從加密程序的清單上很難看出程序的真實面目。然而,在程序的反跟蹤方面, 動態(tài)解碼又有其獨到之處, 在阻止帶斷點調(diào)試跟蹤方面, 由于程序在執(zhí)行之前是以密文方式出現(xiàn)的, 解密者很難確定斷點設(shè)置的位置, 稍有不慎就會因解密失敗造成系統(tǒng)的破壞(電擦除EPROM中的數(shù)據(jù))。下面是程序動態(tài)解碼的具體例子:

……
SUB1: ADD A,#94H ；虛設(shè)的程序段
XRL 54H,#13H
……
MOV R0,#20H
MOV R1,#5
MOV R2,#55H
MOV DPTR,#SUB1
MOV A,#00H
LOOP1: PUSH A
MOVC A,@A+DPTR
XRL A,R2 ；異或運算
MOV @R0,A ；存入實際數(shù)據(jù)
POP A
INC A
INC R0
DJNZ R1,LOOP1
……

該程序是將RAM地址為20H開始的數(shù)據(jù)組（設(shè)有5個）進(jìn)行動態(tài)變換, 因為初始的數(shù)據(jù)組是密碼形式的, 它需要在程序運行中改變，在程序的其他段中要使用改變后的數(shù)據(jù)。這里是用SUB1程序段中的指令代碼（代碼為：24H，94H，63H，54H，13H）與55H進(jìn)行動態(tài)解碼，數(shù)據(jù)55H是加密數(shù)據(jù)，它異或指令代碼后得到正確的數(shù)據(jù)存入20H開始的單元中（結(jié)果為：71H，C1H，36H，01H，46H）。為了說明動態(tài)數(shù)據(jù)解碼過程, 這個例子比較簡單, 實際在轉(zhuǎn)入該程序段時, 可以由某些運算生成數(shù)據(jù)單元地址, 以增強程序的抗分析能力。

2 程序段防修改

在加密程序中, 所設(shè)置的障礙不會只有一處。為了使加密措施完善, 在一些關(guān)鍵地方程序的前后呼應(yīng)是反破譯的有效方法。 解密者為了一些目的, 必然要修改某段程序指令；而程序段防修改就是針對這種解密方法所采用的技術(shù)手段。為了達(dá)到加密程序的完整性, 可以在程序的關(guān)鍵處取指令或數(shù)據(jù)代碼參加某種運算, 其結(jié)果作為判斷程序是否被變動的依據(jù)。 下面是程序防修改的程序段:

……
SUB2: ADD A,#35H
SUBB A,#05H
……
MOV DPTR,#SUB2
MOV R0,#30H
MOV A,#1
MOV R1,#3
MOV @R0,#24H ；SUB2段第一個指令代碼為24H
LOOP2: PUSH A
MOVC A,@A+DPTR
XRL 30H,A ；異或運算
POP A
INC A
DJNZ R1,LOOP2
MOV A，30H
……
CJNE A,#80H,ERR ；結(jié)果與80H比較
……
ERR: MOV A，#0 ；錯誤出口
……

在SUB2程序段, 是通過指令計算某些數(shù)據(jù)的，如收費的算法等。解密者總要修改部分指令, 達(dá)到某種目的。然而, 反解密的工作是在后面的LOOP2程序段中，是用到了SUB2程序段中的指令字節(jié)（這里是用了4個字節(jié)）進(jìn)行運算（這里是用異或運算），它的結(jié)果將直接影響下面程序的正確執(zhí)行（正確的運算結(jié)果為80H）。如果改變該SUB2程序段，則在LOOP2程序段中將程序引入歧途, 會不知不覺地走入迷途。如果在硬件設(shè)計上有電擦除EEPROM，可以進(jìn)一步將程序中的數(shù)據(jù)修改（或刪除），使跟蹤者造成設(shè)備的損壞，無法重新分析程序。

上面介紹的單片機加密方法，是阻止解密者非法獲得ROM中的程序或者使ROM中的程序無法在復(fù)制的單片機系統(tǒng)中運行。在實際應(yīng)用中，判斷程序正常運行與被跟蹤運行是有很多方法的。例如，可以根據(jù)時鐘計時斷定某個程序段運行的時間, 以便作出不同的反應(yīng), 因為單步與連續(xù)運行在時間上是有很大差別的。另外, 對單片機的加密不能僅限于上述的一種方法，而且反跟蹤的方法也不能單一, 要幾種方法配合使用才能達(dá)到好的效果。如軟件加密與硬件加密相結(jié)合，動態(tài)解碼可與程序防修改相結(jié)合等，充分利用新技術(shù)、新方法（如可編程邏輯器件等）使單片機的加密保護(hù)更有效。