单片机程序的动态密码加密措施研究
龙人计算机有限公司是专门做单片机的解密服务，本文结合我司的实际经验，为加密程序员提出了对单片机程序的动态密码措施。大家都知道，单片机的指令不论怎样加密最终它还要在明文的方式下才能运行, 而且解密者可以使用单片机开发系统单步调试ROM中的程序。当解密者了解了指令的运行过程之后, 也就获得了加密的程序, 如某些智能计价器的运算方法等，通过修改程序并仿制新的ROM芯片, 就可以达到解密的目的。因此,对单片机的加密还要在程序的运行上进行加密处理, 也就是程序的动态加密措施。
1 程序的动态解码
动态解码是对加密程序的指令或数据代码进行动态恢复。在程序运行时, 有一段指令是专门对某一区域的指令或数据代码解密, 而且当解密后的代码使用完毕, 还要将其重新加密, 使存储器中不存在完整的程序代码。这种方法对防程序的静态分析很有效, 因为从加密程序的清单上很难看出程序的真实面目。然而,在程序的反跟踪方面, 动态解码又有其独到之处, 在阻止带断点调试跟踪方面, 由于程序在执行之前是以密文方式出现的, 解密者很难确定断点设置的位置, 稍有不慎就会因解密失败造成系统的破坏(电擦除EPROM中的数据)。下面是程序动态解码的具体例子:
……
SUB1: ADD A,#94H ;虚设的程序段
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 ;异或运算
MOV @R0,A ;存入实际数据
POP A
INC A
INC R0
DJNZ R1,LOOP1
……
该程序是将RAM地址为20H开始的数据组(设有5个)进行动态变换, 因为初始的数据组是密码形式的, 它需要在程序运行中改变，在程序的其他段中要使用改变后的数据。这里是用SUB1程序段中的指令代码(代码为：24H，94H，63H，54H，13H)与55H进行动态解码，数据55H是加密数据，它"异或"指令代码后得到正确的数据存入20H开始的单元中(结果为：71H，C1H，36H，01H，46H)。为了说明动态数据解码过程, 这个例子比较简单, 实际在转入该程序段时, 可以由某些运算生成数据单元地址, 以增强程序的抗分析能力。
2 程序段防修改
在加密程序中, 所设置的障碍不会只有一处。为了使加密措施完善, 在一些关键地方程序的前后呼应是反破译的有效方法。解密者为了一些目的, 必然要修改某段程序指令;而程序段防修改就是针对这种解密方法所采用的技术手段。为了达到加密程序的完整性, 可以在程序的关键处取指令或数据代码参加某种运算, 其结果作为判断程序是否被变动的依据。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段第一个指令代码为24H
LOOP2: PUSH A
MOVC A,@A+DPTR
XRL 30H,A ;异或运算
POP A
INC A
DJNZ R1,LOOP2
MOV A，30H
……
CJNE A,#80H,ERR ;结果与80H比较
……
ERR: MOV A，#0 ;错误出口
……
在SUB2程序段, 是通过指令计算某些数据的，如收费的算法等。解密者总要修改部分指令, 达到某种目的。然而, 反解密的工作是在后面的LOOP2程序段中，是用到了SUB2程序段中的指令字节(这里是用了4个字节)进行运算(这里是用"异或"运算)，它的结果将直接影响下面程序的正确执行(正确的运算结果为80H)。如果改变该SUB2程序段，则在LOOP2程序段中将程序引入歧途, 会不知不觉地走入迷途。如果在硬件设计上有电擦除EEPROM，可以进一步将程序中的数据修改(或删除)，使跟踪者造成设备的"损坏"，无法重新分析程序。
上面介绍的单片机加密方法，是阻止解密者非法获得ROM中的程序或者使ROM中的程序无法在复制的单片机系统中运行。在实际应用中，判断程序正常运行与被跟踪运行是有很多方法的。例如，可以根据时钟计时断定某个程序段运行的时间, 以便作出不同的反应, 因为单步与连续运行在时间上是有很大差别的。另外, 对单片机的加密不能仅限于上述的一种方法，而且反跟踪的方法也不能单一, 要几种方法配合使用才能达到好的效果。如软件加密与硬件加密相结合，动态解码可与程序防修改相结合等，充分利用新技术、新方法(如可编程逻辑器件等)使单片机的加密保护更有效。
1 程序的动态解码
动态解码是对加密程序的指令或数据代码进行动态恢复。在程序运行时, 有一段指令是专门对某一区域的指令或数据代码解密, 而且当解密后的代码使用完毕, 还要将其重新加密, 使存储器中不存在完整的程序代码。这种方法对防程序的静态分析很有效, 因为从加密程序的清单上很难看出程序的真实面目。然而,在程序的反跟踪方面, 动态解码又有其独到之处, 在阻止带断点调试跟踪方面, 由于程序在执行之前是以密文方式出现的, 解密者很难确定断点设置的位置, 稍有不慎就会因解密失败造成系统的破坏(电擦除EPROM中的数据)。下面是程序动态解码的具体例子:
……
SUB1: ADD A,#94H ;虚设的程序段
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 ;异或运算
MOV @R0,A ;存入实际数据
POP A
INC A
INC R0
DJNZ R1,LOOP1
……
该程序是将RAM地址为20H开始的数据组(设有5个)进行动态变换, 因为初始的数据组是密码形式的, 它需要在程序运行中改变，在程序的其他段中要使用改变后的数据。这里是用SUB1程序段中的指令代码(代码为：24H，94H，63H，54H，13H)与55H进行动态解码，数据55H是加密数据，它"异或"指令代码后得到正确的数据存入20H开始的单元中(结果为：71H，C1H，36H，01H，46H)。为了说明动态数据解码过程, 这个例子比较简单, 实际在转入该程序段时, 可以由某些运算生成数据单元地址, 以增强程序的抗分析能力。
2 程序段防修改
在加密程序中, 所设置的障碍不会只有一处。为了使加密措施完善, 在一些关键地方程序的前后呼应是反破译的有效方法。解密者为了一些目的, 必然要修改某段程序指令;而程序段防修改就是针对这种解密方法所采用的技术手段。为了达到加密程序的完整性, 可以在程序的关键处取指令或数据代码参加某种运算, 其结果作为判断程序是否被变动的依据。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段第一个指令代码为24H
LOOP2: PUSH A
MOVC A,@A+DPTR
XRL 30H,A ;异或运算
POP A
INC A
DJNZ R1,LOOP2
MOV A，30H
……
CJNE A,#80H,ERR ;结果与80H比较
……
ERR: MOV A，#0 ;错误出口
……
在SUB2程序段, 是通过指令计算某些数据的，如收费的算法等。解密者总要修改部分指令, 达到某种目的。然而, 反解密的工作是在后面的LOOP2程序段中，是用到了SUB2程序段中的指令字节(这里是用了4个字节)进行运算(这里是用"异或"运算)，它的结果将直接影响下面程序的正确执行(正确的运算结果为80H)。如果改变该SUB2程序段，则在LOOP2程序段中将程序引入歧途, 会不知不觉地走入迷途。如果在硬件设计上有电擦除EEPROM，可以进一步将程序中的数据修改(或删除)，使跟踪者造成设备的"损坏"，无法重新分析程序。
上面介绍的单片机加密方法，是阻止解密者非法获得ROM中的程序或者使ROM中的程序无法在复制的单片机系统中运行。在实际应用中，判断程序正常运行与被跟踪运行是有很多方法的。例如，可以根据时钟计时断定某个程序段运行的时间, 以便作出不同的反应, 因为单步与连续运行在时间上是有很大差别的。另外, 对单片机的加密不能仅限于上述的一种方法，而且反跟踪的方法也不能单一, 要几种方法配合使用才能达到好的效果。如软件加密与硬件加密相结合，动态解码可与程序防修改相结合等，充分利用新技术、新方法(如可编程逻辑器件等)使单片机的加密保护更有效。