嵌入式安全保密模块的设计及应用

　摘要：
　　随着科学技术日新月异，计算机应用的普及，带来了软件开发领域的蓬勃发展，软件开发的艰辛与软件盗用的轻而易举，让许多不法盗版商享受到了世间难有的免费午餐，而软件开发者和版权所有者看着自己艰苦奋斗得到的劳动成果却只能感叹万分。所以，如何保护开发软件的版权，变得越来越重要了，我们不可能把版权的保护仅仅寄托在有关的法律上，而且实施版权的自我保护也成为必要的手段。
　　随着嵌入式系统逐渐走进我们的日常生活，它也渐渐地和Windows一样为人熟知，作为应用软件，嵌入式软件虽然面对的不是最终的消费者，而是硬件生产厂商，尽管不会轻易发生盗版软件的现象，但如何量化软件的使用量，如何保护软件厂商的利益，这也是我们作为软件开发者和版权所有者值得重视的问题。
　　本项目设计方案是基于FPGA的嵌入式安全保密模块ESMF （Embedded Security Module based on FPGA），并通过高密计算返回安全认证码，通过安全认证码与密匙校验，为用户解决高密数据存储、身份认证等很多安全问题，这将为软件版权的保护提供有效的途径。
　　1、项目背景
　　1．1 研究背景
　　如今计算机应用的飞速发展，使得软件的应用也突飞猛进，促进了软件开发领域高速的发展，使得人们的学习、工作、生活更为便捷、简单、高效！可当我们感受软件给我们带来利益的同时，又有谁会去怜悯那些辛勤为软件开发做出牺牲的开发者和版权所者的劳动成果呢？因此，软件开发者和版权所者就如何解决保护软件的版权问题，就显得尤为急迫。
　　本设计项目通过ESMF设计，有效地解决了保护软件版权的问题，实现一套软件对应一个密匙的模式，从而达到对软件版权实施强有力的保护。
　　1．2 本项目的优点
　　本项目采用硬件描述语言Verilog HDL进行编程设计，主要完成基于FPGA的嵌入式安全保密模块ESMF的设计，通过安全保密保密模块ESMF成功的身份认证，应用软件才会继续运行，否则，软件终止执行，从而起到软件版权的保护作用。
　　本设计项目具有如下优点：
　　（1）具有高性价比、高安全性、高可靠性。
　　（2）嵌入式安全保密模块ESMF具有唯一的序列号S/N。
　　（3）电路设计简单，易编程，高效率。
　　1．3应用拓展
　　本设计项目可应用其他保密领域，譬如保险柜行业，保险密匙，安全保险门等。
　　2、项目方案
　　2．1 实现功能
　　采用硬件描述语言Verilog HDL进行设计，内部实现Chaos加密算法，过串行接口与外部芯片进行数据交换。最终封装为IP核，方便在FPGA器件中调用与实现。具有高性价比、高安全性、高可靠性的特点，应用于各种嵌入式终端实现数据的安全存储，实现终端的身份识别与认证等功能。
　　2．2 方案设计原理
　　本项目是基于FPGA的嵌入式安全保密模块ESMF，完成软件运行前需要身份认证，以下为本设计项目实施方案的硬件系统框架图：
　　
　　图1 基于FPGA的嵌入式安全保密模块ESMF
　　2．3 认证流程
　　外接处理器主要分为数据发送、数据接收和数据处理部分。
　　身份认证过程如下：
　　ESMF复位，从S/N存储器中调出序列号S/N，向处理器发送序列号S/N。
　　处理器提取预设的编码MK，经过Chaos加密算法CSK=Chaos（MK，S/N），计算得出密钥CSK。
　　处理器发送CSK，把CSK保存到CSK存储器中。
　　处理器随机产生一个随机数RND，经过Chaos加密算法Y=Chaos（CSK，RND），计算得出Y值。
　　处理器把随机数RND发送给ESMF。
　　ESMF接收到RND后，调用密钥SCK，通过Chaos加密算法X=Chaos（CSK，RND），计算得出X值。
　　将X值返回到处理器，将X与Y进行校验，判断是否相等。若X与Y相等，那么身份认证成功，软件继续运行，否则，软件终止执行。
　　以下是系统运行的流程图：
　　
　　图２　　身份认证流程图