单芯片方案的USB加密狗设计

时间：2024-06-19

陈平平谭永明

(东莞理工学院电子工程学院，广东东莞 523808)

加密狗是接在微机端口上的一个软件保护装置，它包括主机检查程序和密钥 (也称加密盒)两部分，是属于软硬件结合的加密技术，具有加密强度大、可靠性高等特点，现已广泛应用于计算机软件保护［1］。加密狗技术已经发展到第4代，它以USB接口、微控制器和EEPROM为核心器件，又称微狗，在智能性、应用灵活性和抗破解能力等方面都得到了很大提高［2］。

USB加密狗的实现有三种方式:一是最简单的，不需加密只返回确认信息，即计算机发送数据给加密狗，加密狗接收到数据后验证是否正确，返回一个确认信息给计算机。二是对数据进行加密，即计算机发送数据给加密狗，加密狗按照某个算法处理接收到的数据，同时加密狗将处理后的数据返回给上位机，由上位机来验证加密后的数据［3－5］。以上两种方式，都只是简单地实现加密狗的功能，虽然也有加密处理，但是数据经过USB接口传输时是明码传输，很容易在计算机上被数据监控软件获取数据后破解。三是多重加密的方式，即数据传输过程再次进行加密［6］。

现在流行的USB加密狗设计方案是单片机+USB接口芯片+EEPROM存储器，此方案不但系统复杂，而且具有体积大、硬件成本高等缺点［7］。选择的设计方案是通过一款内带EEPROM的单片机，通过普通IO口来模拟USB时序，完成USB1.1协议的通信，利用DES算法来实现保密传输与数据加密，最终实现USB加密狗的功能，即通过单芯片就能解决问题。

1 USB加密狗的硬件设计

USB加密狗采用的硬件电路图如图1所示，全部功能由一个芯片完成，既降低了硬件成本同时也提高了系统可靠性。电路中选用的单片机是Atmel公司生产的ATtiny85，它是一款基于AVR RISC低功耗CMOS的8位单片机，工作电压为1.8～5.5 V，内嵌8K字节的Flash程序存储器，512字节的SRAM数据存储器和512字节的EEPROM，其Flash程序存储器支持ISP和debugWIR编程方式。采用SOP8的封装，有6个多功能复用的I/O引脚，都可配置为外部中断，有2个独立可设置预分频的8位定时/计数器。内部还集成了上电复位电路、看门狗、RC振荡器和片内温度传感器等［8］。如图1所示，从USB接口引入的5 V电压，经过两个二极管降压后变为3.6 V电压作为系统电源供给单片机使用。将单片机的第1引脚配置为IO口外接LED用于显示运行状态，第5、6引脚配置为IO口用于联接USB的数据线，第7脚配置为外中断引脚。为了满足低速USB设备的1.5 M速度时序的读写要求，单片机需要达到20MIPS的指令执行速度，故电路中将第2、3脚配置为晶振引脚并连接20 MHz的晶振。

图1 软件狗电路图

根据USB的协议规范，USB主机的下游端口D+与D－上都分别连接一个15 K的下拉电阻到地，当端口悬空 (即没设备插入)时，输入端就被两个下拉电阻拉回到低电平。而USB设备端在D+或者D－上接一个1.5 K的上拉电阻连到电源，1.5 K的上拉电阻是连接D+还是D－由USB设备的速度来决定。对于全速设备和高速设备的上拉电阻连接到D+上，而低速设备的上拉电阻则是连接到D－上的。当设备插入USB主机的下游端口时，接了上拉电阻的那条数据线的电压由1.5 K的上拉电阻和15 K的下拉电阻分压决定，产生高电平信号，USB主控制器就能检测到被拉高的数据线是D+还是D－来判断插入的是什么速度类型的设备。因为本方案所设计的加密狗为低速USB设备，故USB接口的差分数据线D－的上拉电阻R3为1.5 K。同时D－通过330 Ω的限流电阻R2联接到单片机ATtiny85的PB0引脚，PB1引脚通过电阻R1联接到D+和INT0，INT0为单片机的外中断口，当USB总线上有数据时采用中断方式触发。由于D－在总线处于恢复状态和复位信号状态时电平不会发生跳变，故而需用D+数据线连接至单片机的外部中断0(INT0)，当有中断发生时，表示总线上有数据传输，此时再由软件来判断为何种数据传输。

2 USB接口的实现

用单片机IO口来模拟USB接口时序，即可完成USB接口芯片的功能，包括NRZI编解码、同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估与产生等功能［9］。其设计的核心是USB数据传输的NRZI编解码，USB数据包的分析和描述符。

USB发送数据的编码方式采用NRZI编码:当数据为0时，电平翻转;当数据为1时，电平不翻转，为了防止出现长时间电平不变化，所有在数据发送前进行串行化后加入了位填充处理，即当遇到连续6个数据1是时，就强制插入一个数据0，经过位填充后的数据，进行NRZI编码后发送到USB差分数据线上。USB接收数据的过程则是USB发送数据的相反过程:先进行NRZI解码，去掉位填充，最后是串行数据转并行数据。因为USB接受者只能通过USB数据包来获得同步时钟，所以在每个USB数据包的最开始都有个同步域 (SYNC)，这个域固定值为0000 0001，这个域通过NRZI编码之后，就是一串方波，接受者可以通过SYNC域来同步之后的数据信号。由于通信过程对时序要求非常严格，所以本设计的软件部分全部使用汇编语言编写，同时在进行读写操作时选择合适的指令以满足时序的要求。

USB总线上传输的数据是以包为基本单位的。一个包被分成不同的域，根据不同类型的包所包含的域是不一样的。但是不同的包有共同的特点，就是都是要以SYNC开始紧跟着一个包标识符 (PID)，最终以包结束符EOP来结束这个包。单片机在接收到EOP结束符后，就开始对USB数据包进行分析确定包的类型并调用相应的函数来处理。

标准的USB设备有5种USB描述符:设备描述符，配置描述符，字符串描述符，接口描述符和端点描述符［10］。一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符里面决定了该设备有多少种配置，每种配置有相对应的配置描述符;同时在配置描述符中又定义了该配置里面有多少个接口，每个接口有相对应的接口描述符;在接口描述符里面又定义了该接口有多少个端点，每个端点有相对应端点描述符;端点描述符定义了端点的大小和类型等等。在USB的协议规范中，没有USB加密狗这样的类型，所以在设备描述符中的类代码为0XFF，即厂商自定义的设备。考虑到加密狗的实际需求，本设计只提供一个普通的数据端口，数据端口只支持中断传输，支持包的长度为8字节。

用软件模拟USB时序，实现USB接口通信并成功枚举后，给上层加密狗的功能程序提供的接口函数是ReadSoftdogData和WriteSoftdogData，通过函数ReadSoftdogData采用软件中断的方式读出上位机软件发来的64位数，然后通过函数WriteSoftdogData把数据返回给上位机。

3 加密处理方法

设计中考虑到设备的安全性及单片机的性能，采用DES加密算法。目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现其他更有效的办法，因此DES算法具有极高的安全性。DES算法使用64位的密钥，其中只有56位有效，而56位长的密钥的穷举空间为256［11－13］。DES算法的加密流程图如图2所示。DES解密过程与加密过程类似，文中将不做介绍。

图2 DES算法的加密流程图

图3 软件狗加密过程图

本设计的加密狗加密具体过程如图3所示，上位机产生一个随机数D1，并将随机数进行加密处理成D2发送给USB加密狗，即实现传输的加密。加密狗收到数据D2后根据约定的密钥对数据进行解密成D1。接着将数据进行另一套加密变成数据成D3，然后进行传输加密成D4，最后将D4返回给计算机。计算机得到数据D4后，进行两次解密得到数据D1，完成了加密狗的确认功能。这样两级的加密方式，有效地防止了通过数据监控软件获取密码的行为。

4 功能的实现

本加密狗的功能是保护软件版权，当用户从软件供应商处购买软件时，供应商会把加密狗的相关信息写入到加密狗中，如初始密码、所支持的计算机数量、软件可使用的次数等等。这些信息都可通过加密算法存储在单片机片内的EEPROM中。用户在运行软件时，加密狗会根据使用情况更新存储在EEPROM中的信息。具体的功能流程如图4所示:1)插入USB后完成加密狗设备的枚举;2)枚举成功后上位机软件产生一组32位的随机数，并将这组随机通过USB发给加密狗;3)加密狗接收到上位机发过来的32位随机数后根据约定的加密算法，对这个随机数进行运算，并将结果返回上位机软件;4)上位机软件接收到数据后，也运行加密反运行算法，看是否能返回原来的随机数，如果成功反回原来的随机数则此加密狗是合法的，从而达到保护软件版权的目的。

图4 功能流程图

5 安全性能测试

主要使用USB协议分析软件USBlyzer、DES加解密软件IDES_Tool和笔者自行设计的一个应用软件来共同测试。USBlyzer是USB协议分析软件，该软件可实时监测USB接口数据，有抓包、解包和协议分析等功能，也可以来破解明文传输 (不加密)的USB加密狗的，同时通过这个软件可以看到加密狗的类型和设备名称。

图5 测试截图

在使用笔者设计的应用软件测试前必须检测到机器已经加载加密狗，因此进行测试前首先打开USBlyzer软件。打开USBlyzer软件如图5所示，在Davice Tree窗口中看到加密狗的类型和设备名称。假定密钥为0X8899AABBCCDDEEFF，这组数据是16进制数密钥，在设计加密狗时写入加密狗的代码中，检测软件看不到该组数据。笔者设计的应用软件产生的随机数为0X5E87D9837ADF2C77，这组随机数据是在USB接口中传输，一般情况下能被USB分析软件中看到，本设计的加密狗不是将这组报随机数据直接传输，而是加密为0X0000001887BECBB4进行传输，因此未能在检测软件中看到该组数据。加密后的数据为0X0000001887BECBB4，通过USBlyzer软件可以获取到这组数据，如图5中URB Details窗口中能够看到该组数据。如果该数据被他人非法获取时，使用与原密钥 (0X8899AABBCCDDEEFF)只错一位的密钥:0X0899AABBCCDDEEFF，那么非法获取者根据 DES算法解码得到的数据是:0XEDC955911CD1A8CD，可见此数据跟原数据没有任何相关性。即采用传统的拦截USB数据进行破解，或者拦截大量USB数据后进行反推密钥方式，都无法成功，证明了此设计加密狗的安全性能。