鉆井儀器保密通信研究

吳 成

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井儀器研究所，黑龍江 大慶 163413）

開發(fā)儀器設(shè)備需要大量的資金、時(shí)間和人力等資源。如果開發(fā)的儀器被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手破解甚至復(fù)制，就會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由此，企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)工作，不應(yīng)停留在法律層面上，還應(yīng)該在開發(fā)的儀器本身采取必要的措施，也就是提高儀器的逆向工程的成本。

因?yàn)殂@井儀器需要長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫、高壓、高震動(dòng)環(huán)境中，所以，儀器的處理器性能較常溫設(shè)備會(huì)差一些，儀器通訊設(shè)計(jì)也需要考慮從中斷恢復(fù)的問題。

本文將設(shè)計(jì)一種通訊協(xié)議，其時(shí)序、通訊格式和加密方式與通用的通訊協(xié)議不同。

1 通訊處理器的選擇

本設(shè)計(jì)使用CPLD處理通訊時(shí)序，理由如下：

（1）CPLD 內(nèi)置配置電路的信息不易讀取，而FPGA的外接配置芯片可以直接讀取；

（2）通訊時(shí)序的實(shí)時(shí)性要求較高，單片機(jī)和DSP無法勝任；

（3）處理通訊時(shí)序所需的資源不多，CPLD 處理通訊時(shí)序時(shí)，還可以同時(shí)完成其他任務(wù)。

2 通訊電路的設(shè)計(jì)

主機(jī)和從機(jī)的通訊，是在同一條線上實(shí)現(xiàn)的半雙工通訊，通訊接口外圍電路如圖1所示。需要考慮的實(shí)際問題和解決方法有：

圖1 通訊接口外圍電路

（1）信號(hào)沖突：如果通訊雙方同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)使引腳的電流過大，造成損壞或燒毀芯片。電路設(shè)計(jì)時(shí)，為通訊引腳串入限流電阻。

（2）通訊線破損：鉆井施工的長(zhǎng)時(shí)間高震動(dòng)，會(huì)破壞線纜絕緣保護(hù)層，導(dǎo)致總線接觸到殼體或其他線纜，導(dǎo)致引腳的電流過大。電路設(shè)計(jì)時(shí)，為通訊引腳串入限流電阻。

（3）通訊線靠近其他大功率信號(hào)線：大功率信號(hào)通過容性耦合和感性耦合，在鄰近的其他線纜上產(chǎn)生干擾信號(hào)。電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用一階RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)通訊信號(hào)進(jìn)行平滑濾波。考慮到RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的延遲，需要根據(jù)電路調(diào)試情況選擇電容。

（4）通訊中斷：鉆井施工的長(zhǎng)時(shí)間高震動(dòng)，導(dǎo)致通訊線瞬時(shí)接觸不良，將使正在進(jìn)行的通訊中斷。由于多數(shù)CPU要求芯片引腳不能懸空，所以需要為通訊引腳提供一個(gè)確定的狀態(tài)。電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用上拉電阻，使總線和通訊引腳提供默認(rèn)的高電平。

3 通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)

一些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如邏輯分析儀，可以很方便地分析和破解標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，例如SCI、SPI和CAN等。儀器自定義通訊協(xié)議，迫使競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手投入人力解析，將提高破解成本。

設(shè)計(jì)實(shí)例中，通訊雙方使用CPLD作為接口芯片，CPLD 的時(shí)鐘頻率為12MHz，每50 個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次總線信號(hào)采樣。通訊格式：

（1）幀起始標(biāo)志：所有的通訊均由主機(jī)發(fā)起，幀起始標(biāo)志的時(shí)序?yàn)?00*3個(gè)時(shí)鐘周期高電平-200*3個(gè)時(shí)鐘周期低電平-200*3 個(gè)時(shí)鐘周期高電平-200*3 個(gè)時(shí)鐘周期低電平；

（2）數(shù)據(jù)位格式：邏輯1的時(shí)序，為200個(gè)時(shí)鐘周期高電平-200 個(gè)時(shí)鐘周期低電平；邏輯0 的時(shí)序，為200個(gè)時(shí)鐘周期低電平-200個(gè)時(shí)鐘周期高電平；

（3）應(yīng)答標(biāo)志：僅邏輯1為有效應(yīng)答；

（4）主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的通訊格式（時(shí)序如圖2所示）：

圖2 主機(jī)向從機(jī)傳送命令、數(shù)據(jù)的通訊格式時(shí)序圖

①Q(mào)uab1 主機(jī)向從機(jī)發(fā)送幀起始標(biāo)志，并等待從機(jī)應(yīng)答。若從機(jī)應(yīng)答超時(shí)，則本次通訊失敗。

②從機(jī)檢測(cè)到有效的幀起始標(biāo)志后，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答標(biāo)志。

③主機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到有效的應(yīng)答標(biāo)志后，向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。若主機(jī)應(yīng)答超時(shí)，則本次通訊失敗。

④從機(jī)接收數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)位有效性檢查和生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)。并在數(shù)據(jù)接收完成后，發(fā)送應(yīng)答標(biāo)志。

（5）從機(jī)向主機(jī)發(fā)送校驗(yàn)結(jié)果的通訊格式（時(shí)序如圖3所示）：

圖3 從機(jī)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果的通訊格式時(shí)序圖

①從機(jī)檢測(cè)到有效的幀起始標(biāo)志后，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答標(biāo)志。

②從機(jī)向主機(jī)發(fā)送校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

③主機(jī)接收校驗(yàn)數(shù)據(jù)，并確認(rèn)校驗(yàn)數(shù)據(jù)有效后，發(fā)送應(yīng)答標(biāo)志。若主機(jī)應(yīng)答超時(shí)，則本次通訊失敗。

④從機(jī)在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)檢測(cè)到有效的應(yīng)答標(biāo)志后，將執(zhí)行主機(jī)的命令，本次通訊成功完成。若主機(jī)應(yīng)答超時(shí)，則本次通訊失敗。

（6）若雙方檢測(cè)到通訊失敗，將重新發(fā)起通訊。如果出現(xiàn)連續(xù)多次通訊失敗，就可以判定為儀器通訊穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。在儀器起鉆后，應(yīng)檢查通訊線的可靠性。

4 通訊加密的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)加密，就是將明文通過密鑰轉(zhuǎn)換成無意義的密文，而接收方將密文解密還原成明文。鉆井儀器工作在高溫環(huán)境中，CPU的性能普遍不高。因此，在設(shè)計(jì)通訊協(xié)議時(shí)，不能使用復(fù)雜的加密算法。

設(shè)計(jì)實(shí)例中，通訊加密的步驟如下：

（1）取得預(yù)設(shè)的密鑰：通訊加密預(yù)設(shè)的密鑰是一個(gè)字節(jié)，8個(gè)字位不全為0或全為1，避免降低通訊協(xié)議的破解難度；

（2）加密明文第一個(gè)字節(jié)：將明文的第一個(gè)字節(jié)與密鑰做異或，得到密文的第一個(gè)字節(jié)；

（3）加密明文其他數(shù)據(jù)：將明文的第二個(gè)字節(jié)與密文的第一個(gè)字節(jié)做異或，得到密文的第二個(gè)字節(jié)。與密文的第二個(gè)字節(jié)計(jì)算方法相同，即可得到密文之后的所有數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)實(shí)例中，通訊解密的步驟如下：

（1）取得預(yù)設(shè)的密鑰：通訊解密的密鑰與加密的密鑰相同；

（2）解密密文第一個(gè)字節(jié)：將密文的第一個(gè)字節(jié)與密鑰做異或，得到明文的第一個(gè)字節(jié)；

（3）解密密文其他數(shù)據(jù)：將密文的第二個(gè)字節(jié)與密文的第一個(gè)字節(jié)做異或，得到明文的第二個(gè)字節(jié)。與明文的第二個(gè)字節(jié)計(jì)算方法相同，即可得到明文之后的所有數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)實(shí)例中，校驗(yàn)數(shù)據(jù)密文的生成步驟如下：

（1）取得預(yù)設(shè)的密鑰：校驗(yàn)數(shù)據(jù)使用的密鑰與數(shù)據(jù)加密和解密的密鑰不同。校驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)的密鑰的各數(shù)據(jù)不能是全0或全1，否則將降低通訊協(xié)議的破解難度；

（2）校驗(yàn)數(shù)據(jù)的明文：將明文逐字節(jié)進(jìn)行加和計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果的最低字節(jié)作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)的明文；

（3）校驗(yàn)數(shù)據(jù)的密文：將校驗(yàn)數(shù)據(jù)的明文與密鑰做異或，得到校驗(yàn)數(shù)據(jù)的密文。

設(shè)計(jì)實(shí)例中，校驗(yàn)數(shù)據(jù)明文是將密文與對(duì)應(yīng)的密鑰做異或得到的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

在調(diào)試過程中，內(nèi)部通訊在接線良好時(shí)，通訊穩(wěn)定；在人工模擬通訊干擾時(shí)，能很好地完成通訊任務(wù)；在人工模擬通訊中斷時(shí)，出現(xiàn)了總線沖突，未造成通訊引腳損壞和CPU工作不正常，并且成功地從錯(cuò)誤中恢復(fù)。

參考本文的設(shè)計(jì)思路，也可以設(shè)計(jì)出其他的通訊電路和通訊加密方法，為儀器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)提供一個(gè)可行的保護(hù)方案。