CN111865574A - 支持数据安全传输的cpu芯片仿真器及数据安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器及数据安全传输方法，属于芯片仿真领域。所述芯片仿真器包括仿真器软件和仿真器硬件，仿真器软件与仿真器硬件之间通过调试通道进行数据交互，还包括：传输管理模块和传输控制模块；所述传输管理模块配置于仿真器软件中，用于对所述仿真器软件向所述仿真器硬件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密；所述传输控制模块配置于仿真器硬件中，用于对所述仿真器硬件向所述仿真器软件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密。本发明通过传输管理模块和传输控制模块对仿真器软件与仿真器硬件之间交互的数据进行安全传输，实现仿真器软件到仿真器硬件的调试通道上的数据保护。

Description

支持数据安全传输的CPU芯片仿真器及数据安全传输方法

技术领域

本发明涉及芯片仿真领域，具体地涉及一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器以及一种数据安全传输方法。

背景技术

基于CPU芯片执行的软件程序，其开发、调试一般使用仿真器。仿真器是通过对CPU芯片功能的仿真实现软件程序调试、运行的一套装置，此处CPU芯片为包含CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)并且可以执行嵌入式程序的芯片。仿真器主要包括仿真器硬件和仿真器软件两部分。硬件部分主要包括采用FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)实现的仿真芯片；软件部分主要包括可以进行程序编译、调试的嵌入式软件集成开发环境。使用仿真器进行软件程序调试、开发，一般先要使用嵌入式软件集成开发环境将软件程序编译后，通过调试通道执行下载操作将编译后的软件程序下载到仿真器硬件，然后通过调试命令执行程序的调试操作。

CPU芯片作为安全芯片广泛应用在电力、金融、通信等领域，为降低系统开发厂家的开发门槛，CPU芯片厂家一般会提供安全算法软件库和仿真器。安全算法软件库主要包括用于安全认证、数据保护等算法模块，并由系统软件进行调用。从知识产权保护方面考虑，一般不会直接将安全算法软件库的源程序及编译后的库文件提供给系统开发厂家。在芯片生产阶段，通过将安全算法软件库的二进制数据掩膜到芯片的安全区中可以有效防止泄露；但在系统软件开发阶段，使用仿真器进行调试时，由于仿真器具有程序下载和代码查看功能，如何在仿真器上有效的保护安全算法软件库，成为CPU芯片厂家在仿真器设计时需要重点考虑的问题。目前的仿真器，通常是由CPU芯片厂家将安全算法软件库的源程序编译为库文件，然后对库文件进行加密，以密文库形式存在。使用仿真器执行程序下载时，首先通过仿真器软件将密文库进行解密，获取明文的程序数据及地址信息，将程序数据下载到仿真器硬件对应的地址，然后通过寄存器配置将该区域的访问权限配置为不可读。这样在下载阶段用户无法直接接触明文程序数据，在调试阶段无法读取程序数据，完成对安全算法软件库的保护。

现有仿真器设计中，虽然考虑到程序下载阶段和调试阶段对程序的保护，但忽略了由仿真器软件到仿真器硬件的调试通道上的数据保护，而是直接利用调试通道上的传输协议，导致存在安全问题。常用的调试通道主要基于USB接口的传输机制，而借助USB协议分析工具可以轻易的捕获传输的数据，通过对数据进行一定的解析，可以获取到程序下载和寄存器配置操作等明文数据，甚至可以通过对寄存器配置的数据进行分析后，伪造寄存器配置数据，导致仿真器硬件被攻击。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，以实现仿真器软件到仿真器硬件的调试通道上的数据保护。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，包括仿真器软件和仿真器硬件，所述仿真器软件与所述仿真器硬件之间通过调试通道进行数据交互，还包括：传输管理模块和传输控制模块；

所述传输管理模块配置于所述仿真器软件中，用于对所述仿真器软件向所述仿真器硬件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密；

所述传输控制模块配置于所述仿真器硬件中，用于对所述仿真器硬件向所述仿真器软件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密。

进一步地，所述仿真器硬件包括芯片仿真模块，所述芯片仿真模块包括随机数生成单元；所述芯片仿真模块用于将所述随机数生成单元生成的随机数发送至所述传输控制模块。

进一步地，所述仿真器硬件还包括密钥存储模块，所述密钥存储模块用于存储所述传输控制模块进行数据加密或解密操作所需的密钥数据。

进一步地，所述传输控制模块中存储预置密钥，所述预置密钥参与所述传输控制模块中数据的加密或解密操作。

进一步地，所述仿真器软件包括数据生成模块，所述数据生成模块用于将需调试的数据解析并转换为可通过所述调试通道进行传输的数据包，以及将所述数据包传送至所述传输管理模块。

本发明另一方面提供一种数据安全传输方法，基于上述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，所述方法包括：

在启动调试时，仿真器软件通过传输管理模块向仿真器硬件的传输控制模块发送获取随机数请求；

所述仿真器硬件根据接收到的所述获取随机数请求生成随机数，通过所述传输控制模块将所述随机数返回至所述传输管理模块；

所述传输管理模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥对需发送至所述传输控制模块的数据进行加密，将加密后的数据发送至所述传输控制模块；

所述传输控制模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥解密所述传输管理模块发送的加密数据。

进一步地，所述方法还包括：

所述传输控制模块利用所述传输密钥对需返回至所述传输管理模块的数据进行加密；

所述传输管理模块利用所述传输密钥解密所述传输控制模块返回的加密数据。

进一步地，所述仿真器软件通过传输管理模块向仿真器硬件的传输控制模块发送获取随机数请求，包括：

在发送所述获取随机数请求时，所述传输管理模块利用预置密钥对所述获取随机数请求的数据包进行加密。

进一步地，所述仿真器硬件根据接收到的所述获取随机数请求生成随机数，通过所述传输控制模块将所述随机数返回至所述传输管理模块，包括：

所述仿真器硬件通过芯片仿真模块中的随机数生成单元生成随机数，将所述随机数传送至所述传输控制模块；

所述传输控制模块存储所述随机数，并采用预置密钥对所述随机数进行加密后返回至所述传输管理模块。

进一步地，所述方法还包括：

再次启动调试时，所述传输管理模块向所述传输控制模块重新发送获取随机数请求；

所述传输管理模块根据所述传输控制模块返回的随机数重新生成传输密钥。

本发明提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，通过传输管理模块和传输控制模块对仿真器软件与仿真器硬件之间交互的数据进行安全传输保护，采用双向加密方式进行传输，数据传输更安全，实现了仿真器软件到仿真器硬件的调试通道上的数据保护。

本发明提供的数据安全传输方法可以对调试通道上的所有数据进行保护，不仅限于安全算法软件库的下载，寄存器配置等调试操作都可以进行保护。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器的结构框图；

图2是本发明另一种实施方式提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器的结构框图；

图3是本发明一种实施方式提供的数据安全传输方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种实施方式提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器的结构框图。如图1所示，本发明实施方式提供一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，包括仿真器软件和仿真器硬件，所述仿真器软件通过调试通道与所述仿真器硬件连接，所述仿真器软件与所述仿真器硬件之间通过调试通道进行数据交互。所述仿真器还包括传输管理模块和传输控制模块。所述传输管理模块配置于所述仿真器软件中，用于对所述仿真器软件向所述仿真器硬件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密。所述传输控制模块配置于所述仿真器硬件中，用于对所述仿真器硬件向所述仿真器软件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密。本发明实施方式通过传输管理模块和传输控制模块对仿真器软件和仿真器硬件之间交互的数据进行加密处理，实现数据安全传输的功能。

所述仿真器硬件包括芯片仿真模块，所述芯片仿真模块包括随机数生成单元，随机数生成单元用于生成加密/解密操作所需的随机数。所述芯片仿真模块用于将所述随机数生成单元生成的随机数发送至所述传输控制模块。所述仿真器硬件还包括密钥存储模块，所述密钥存储模块用于存储所述传输控制模块进行数据加密或解密操作所需的密钥数据，例如预置密钥。传输控制模块采用对称加密算法，利用密钥存储模块中的预置密钥对随机数进行加密生成传输密钥，利用传输密钥加密需发送至传输管理模块的数据或解密传输管理模块发送的加密数据。本实施方式中，设置密钥存储模块单独存储密钥数据，将密钥数据与程序数据分开存储，传输控制模块通过专用访问接口读取密钥存储模块中的密钥数据，降低密钥数据被非预期的读取或修改的风险。

所述仿真器软件包括数据生成模块，所述数据生成模块用于将需调试的数据(例如，下载的程序、寄存器操作数据等)解析并转换为可通过所述调试通道进行传输的数据包，以及将所述数据包传送至所述传输管理模块。调试数据例如下载的程序，可以是普通的用户程序或密文格式的安全算法软件库。针对密文格式的安全算法软件库，数据生成模块首先要进行密文解析，然后再转换成可用于传输的数据包。在启动调试时，传输管理模块向传输控制模块发送获取随机数请求，传输控制模块返回随机数生成单元生成的随机数。传输管理模块中存储预置密钥，利用预置密钥对获取随机数请求的数据包进行加密；在获取到随机数后，采用对称加密算法利用预置密钥对随机数进行加密生成传输密钥。传输管理模块利用传输密钥加密需发送至传输控制模块的数据(例如，程序下载、寄存器配置等调试操作的数据包)或解密传输控制模块发送的加密数据。

传输管理模块中的预置密钥与密钥存储模块中的预置密钥相同，传输管理模块生成的传输密钥与传输控制模块生成的传输密钥相同。传输管理模块和传输控制模块采用对称加密算法通过传输密钥加密两者之间交互的数据。每次启动调试时，传输管理模块和传输控制模块都将重新获取随机数、重新生成传输密钥，利用随机数的特性保证每次启动调试时生成的传输密钥不同，增加对传输数据破解的难度。

图2是本发明另一种实施方式提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器的结构框图。在另一种实施方式中，所述传输控制模块中存储预置密钥，所述预置密钥参与所述传输控制模块中数据的加密或解密操作。传输管理模块中的预置密钥与传输控制模块中的预置密钥相同。如图2所示，传输控制模块中设置密钥存储单元，在密钥存储单元中存储预置密钥，传输控制模块的程序数据和密钥数据位于同一个存储区，方便传输控制模块直接调用预置密钥参与加密和解密操作，硬件实现和访问操作更简单。

本发明实施方式提供的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，具有以下优点：

1、仿真器软件与仿真器硬件之间调试通道上的数据采用加密方式进行传输，数据传输更安全。

2、参与生成传输密钥的随机数，其生成操作位于芯片仿真模块，可直接利用芯片仿真模块自带的随机数生成逻辑，更容易实现。

3、每次启动调试时，将重新生成传输密钥，增加了对传输数据破解的难度。

4、获取随机数的操作由仿真器软件发起，随机数的传输采用加密传输，增加随机数的安全性。

5、仿真器软件和仿真器硬件中都具有传输数据的加密、解密功能，实现双向数据传输保护。

图3是本发明一种实施方式提供的数据安全传输方法的流程图。如图3所示，本发明实施方式提供一种数据安全传输方法，基于上述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，所述方法包括：

S1)在启动调试时，仿真器软件通过传输管理模块向仿真器硬件的传输控制模块发送获取随机数请求。

其中，在发送所述获取随机数请求时，所述传输管理模块利用预置密钥对所述获取随机数请求的数据包进行加密。

S2)所述仿真器硬件根据接收到的所述获取随机数请求生成随机数，通过所述传输控制模块将所述随机数返回至所述传输管理模块。

具体为，所述仿真器硬件通过芯片仿真模块中的随机数生成单元生成随机数，将所述随机数传送至所述传输控制模块；所述传输控制模块存储所述随机数，并采用预置密钥对所述随机数进行加密后返回至所述传输管理模块。

S3)所述传输管理模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥对需发送至所述传输控制模块的数据进行加密，将加密后的数据发送至所述传输控制模块。

具体为，采用对称加密算法，利用所述预置密钥对所述随机数进行加密生成所述传输密钥。利用传输密钥加密需发送至传输控制模块的数据，例如程序下载、寄存器配置等调试操作的数据包。

S4)所述传输控制模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥解密所述传输管理模块发送的加密数据。

具体为，采用对称加密算法，利用预置密钥对随机数进行加密生成传输密钥。利用传输密钥解密传输管理模块发送的加密数据。

本实施方式中，所述方法还包括：

所述传输控制模块利用所述传输密钥对需返回至所述传输管理模块的数据进行加密。所述传输管理模块利用所述传输密钥解密所述传输控制模块返回的加密数据。

再次启动调试时，所述传输管理模块向所述传输控制模块重新发送获取随机数请求；所述传输管理模块根据所述传输控制模块返回的随机数重新生成传输密钥。每次启动调试时，都将重新获取随机数、重新生成传输密钥，利用随机数的特性保证每次启动调试时生成的传输密钥不同，增加对传输数据破解的难度。

本发明实施方式提供的数据安全传输方法，仿真器软件和仿真器硬件之间交互的数据采用双向加密方式进行传输，数据传输更安全。本数据安全传输方案可以对调试通道上的所有数据进行保护，不仅限于安全算法软件库的下载，寄存器配置等调试操作都可以进行保护。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，包括仿真器软件和仿真器硬件，所述仿真器软件与所述仿真器硬件之间通过调试通道进行数据交互，其特征在于，还包括：传输管理模块和传输控制模块；

所述传输管理模块配置于所述仿真器软件中，用于对所述仿真器软件向所述仿真器硬件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密；

所述传输控制模块配置于所述仿真器硬件中，用于对所述仿真器硬件向所述仿真器软件传送的数据进行加密或对接收到的数据进行解密。

2.根据权利要求1所述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，其特征在于，所述仿真器硬件包括芯片仿真模块，所述芯片仿真模块包括随机数生成单元；

所述芯片仿真模块用于将所述随机数生成单元生成的随机数发送至所述传输控制模块。

3.根据权利要求1所述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，其特征在于，所述仿真器硬件还包括密钥存储模块，所述密钥存储模块用于存储所述传输控制模块进行数据加密或解密操作所需的密钥数据。

4.根据权利要求1所述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，其特征在于，所述传输控制模块中存储预置密钥，所述预置密钥参与所述传输控制模块中数据的加密或解密操作。

5.根据权利要求1所述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，其特征在于，所述仿真器软件包括数据生成模块，所述数据生成模块用于将需调试的数据解析并转换为可通过所述调试通道进行传输的数据包，以及将所述数据包传送至所述传输管理模块。

6.一种数据安全传输方法，基于权利要求1所述的支持数据安全传输的CPU芯片仿真器，其特征在于，所述方法包括：

在启动调试时，仿真器软件通过传输管理模块向仿真器硬件的传输控制模块发送获取随机数请求；

所述仿真器硬件根据接收到的所述获取随机数请求生成随机数，通过所述传输控制模块将所述随机数返回至所述传输管理模块；

所述传输管理模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥对需发送至所述传输控制模块的数据进行加密，将加密后的数据发送至所述传输控制模块；

所述传输控制模块采用预置密钥对所述随机数进行加密生成传输密钥，利用所述传输密钥解密所述传输管理模块发送的加密数据。

7.根据权利要求6所述的数据安全传输方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述传输控制模块利用所述传输密钥对需返回至所述传输管理模块的数据进行加密；

所述传输管理模块利用所述传输密钥解密所述传输控制模块返回的加密数据。

8.根据权利要求6所述的数据安全传输方法，其特征在于，所述仿真器软件通过传输管理模块向仿真器硬件的传输控制模块发送获取随机数请求，包括：

在发送所述获取随机数请求时，所述传输管理模块利用预置密钥对所述获取随机数请求的数据包进行加密。

9.根据权利要求6所述的数据安全传输方法，其特征在于，所述仿真器硬件根据接收到的所述获取随机数请求生成随机数，通过所述传输控制模块将所述随机数返回至所述传输管理模块，包括：

所述仿真器硬件通过芯片仿真模块中的随机数生成单元生成随机数，将所述随机数传送至所述传输控制模块；

所述传输控制模块存储所述随机数，并采用预置密钥对所述随机数进行加密后返回至所述传输管理模块。

10.根据权利要求6所述的数据安全传输方法，其特征在于，所述方法还包括：

再次启动调试时，所述传输管理模块向所述传输控制模块重新发送获取随机数请求；

所述传输管理模块根据所述传输控制模块返回的随机数重新生成传输密钥。

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