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目前，U盤(pán)等USB移動(dòng)存儲載體由于其容量大、價(jià)格低、攜帶方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應用，在生活、工作中隨處可見(jiàn)。然而，USB移動(dòng)存儲載體的便利性及其自身安全脆弱性的矛盾十分突出。 本文針對U盤(pán)的安全隱患，分析目前較為常見(jiàn)的解決方法，利用SoPC技術(shù)，設計實(shí)現了一款基于NiosⅡ處理器的U盤(pán)安全控制器。該控制器位于PC機和U盤(pán)之間，通過(guò)對U盤(pán)進(jìn)行扇區級的加解密操作，將普通U盤(pán)升級為安全U盤(pán)，保證U盤(pán)中數據的安全性�？刂破髯裱璘SB MassStorage類(lèi)協(xié)議，無(wú)需專(zhuān)用驅動(dòng)，即插即用，具有靈活方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。 1 安全控制器的整體設計 1.1 安全U盤(pán)解決方案分析 U盤(pán)最為突出的安全問(wèn)題是其內部所存儲的數據都以明文形式存儲，任何人得到該存儲載體，即可對其中的數據進(jìn)行任意的操作。因此，普通U盤(pán)一旦丟失，其存儲的數據則毫無(wú)安全性可言。針對這一問(wèn)題，目前已經(jīng)有多種解決方法，其中較為常見(jiàn)、安全性較高的是采用專(zhuān)用安全U盤(pán)的方法。 專(zhuān)用安全U盤(pán)的硬件架構如圖1所示，主要由微處理器、存儲芯片(NandFlash)、USB模塊及加解密模塊等組成[2]。當U盤(pán)和PC機進(jìn)行數據傳輸時(shí)，加解密模塊在微處理器的控制下對數據流進(jìn)行加解密操作，使得U盤(pán)存儲芯片中的數據都以密文形式存在。當PC機對數據進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，首先需要進(jìn)行身份認證，若認證不通過(guò)，則讀寫(xiě)操作不能進(jìn)行，即使攻擊者將安全U盤(pán)物理分解，直接讀取存儲芯片，而由于存儲芯片中的數據是以密文形式存在的，攻擊者也只能獲得數據的密文。安全U盤(pán)通過(guò)加解密和認證相結合的方法，保證其存儲數據的安全性。 專(zhuān)用安全U盤(pán)由于保密性高的優(yōu)勢，在一些特殊場(chǎng)合得到了廣泛的應用。然而安全U盤(pán)也有自身的不足，主要表現在： (1)成本高。與普通U盤(pán)相比，安全U盤(pán)硬件構造復雜，成本通常為普通U盤(pán)的數倍乃至數十倍。 (2)開(kāi)發(fā)難度大。安全U盤(pán)開(kāi)發(fā)涉及USB協(xié)議、加解密算法、密鑰保護方案、NandFlash讀寫(xiě)等，其涉及面廣、開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、工作量大。 (3)密鑰、算法、數據保存在同一載體中。若安全U盤(pán)丟失，則直接導致密鑰、算法和數據一起丟失，不但增大了數據被破解的可能性，而且有可能導致密碼算法的丟失。 1.2 U盤(pán)安全控制器的系統設計 本文借鑒安全U盤(pán)的優(yōu)缺點(diǎn)，按照方便快捷、安全性高的原則，利用SoPC技術(shù)，設計實(shí)現了U盤(pán)安全控制器。片上可編程系統SoPC技術(shù)是基于可編程編輯器件PLD解決方案的片上系統(SoC)。SoPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結果，是一種軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。SoPC可以方便地將硬件系統(包括處理器、存儲器、外設和自定義邏輯電路等)和固件集成到一個(gè)PLD器件上，構建成一個(gè)可編程的片上系統，具有設計靈活、可裁剪、易升級、可編程等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有豐富的IP核資源可供使用[3]。 本文所設計的安全控制器系統架構如圖2所示，安全控制器位于PC機和U盤(pán)之間，主要由USB Device模塊、USB Host模塊、微處理器、緩沖區、加解密模塊等組成�？刂破鲗τ赑C機表現為一個(gè)USB大容量存儲(MassStorage)類(lèi)設備，而對于U盤(pán)，則表現為一個(gè)USB Host。USB Device模塊負責接收PC機的命令和數據，USB Host模塊負責向U盤(pán)等USB發(fā)送命令和數據，加解密模塊則完成數據的加解密，整個(gè)系統在微處理器的控制下工作。 2 安全控制器硬件架構的設計實(shí)現 本設計采用USB接口芯片+FPGA的方案來(lái)實(shí)現安全控制器的硬件架構，通過(guò)微處理器器對USB接口芯片的控制即可實(shí)現USB通信。采用USB接口芯片有助于降低開(kāi)發(fā)費用，縮短系統的開(kāi)發(fā)周期。 2.1 USB接口芯片選型 本設計中，安全控制器既要實(shí)現USB Host的功能，又要實(shí)現USB Device的功能。因此，若能采用一片USB接口芯片實(shí)現兩者的功能，則有助于降低硬件系統的復雜性。綜合USB芯片的功能需求、價(jià)格、硬件復雜性等因素，本設計選用NXP公司的ISP1761作為USB接口芯片。 ISP1761是一個(gè)單芯片的高速USB OTG 控制器，在其單芯片上集成了一個(gè)OTG控制器、一個(gè)主機控制器和一個(gè)外設控制器，主機和外設控制器兼容USB2.0協(xié)議，并支持480 Mb/s的高速傳輸。ISP1761有3個(gè)USB接口，接口1可以被配置為Host接口、Device接口或者OTG接口，接口2、3只能被配置為Host接口。在OTG模式下，ISP1761的接口1可通過(guò)跳線(xiàn)靈活配置成Host接口或Device接口。ISP1761可以直接與目前市場(chǎng)上的大多數帶尋址功能的微處理器直接連接，微處理器通過(guò)讀寫(xiě)ISP1761內部的寄存器或存儲器即可實(shí)現USB通信功能。ISP1761支持DMA傳輸，可以提高數據的吞吐率[4]。 2.2 控制器整體硬件架構 安全控制器整體硬件架構如圖3所示，由SoPC模塊和ISP1761芯片及按鍵組成。SoPC模塊使用Altera公司提供的開(kāi)發(fā)工具SoPC Builder生成，主要由NiosⅡ控制器、內存、加解密模塊、JTAG、ISP1761控制器、鎖相環(huán)、PIO控制器和DMA控制器組成。 NiosⅡ控制器作為整個(gè)系統的核心，完成對各個(gè)模塊的調度和控制;鎖相環(huán)為系統各個(gè)模塊提供所需要的時(shí)鐘;加解密模塊完成數據流的加解密功能;ISP1761控制器則用來(lái)連接NiosⅡ控制器和ISP1761芯片，通過(guò)該控制器，NiosⅡ處理器可以訪(fǎng)問(wèn)ISP1761芯片內部的寄存器和存儲器;DMA控制器負責PC機到控制器、控制器到U盤(pán)的數據傳輸，提高數據傳輸速率。ISP1761芯片分別連接主機和U盤(pán)，在NiosⅡ的控制下實(shí)現USB Host接口和USB Device接口的功能。 3 安全控制器固件的設計實(shí)現 3.1 固件模塊及層次的劃分 安全控制器固件實(shí)際上是運行于NiosⅡ處理器上的COS(Chip Operating System)，主要負責監控USB Host接口及USB Device接口的狀態(tài)，解析PC機發(fā)出的命令，對系統各個(gè)模塊進(jìn)行調度，實(shí)現PC機到U盤(pán)間的數據通信，完成數據流的加解密。 安全控制器固件主要包括初始化模塊、USB Host模塊、USB Device模塊、DMA模塊、密碼模塊等。各模塊的功能如下： (1)初始化模塊：安全控制器系統的啟動(dòng);ISP1761芯片接口的配置，將接口1配置成USB Host接口，接口2配置成USB Device接口。 (2)USB Host模塊[5]：檢測USB接口芯片Host接口的狀態(tài)，檢測U盤(pán)的插入和移除等;向插入的USB設備發(fā)出標準的USB標準命令，獲取設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符等;向插入的USB設備發(fā)出USB MassStorage類(lèi)命令，獲取設備的容量等基本信息及對設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 (3)USB Device模塊：向PC機報告USB設備的插入;響應PC機發(fā)出的標準的USB命令，返回相應的數據，如各種描述符等。此時(shí)返回的描述符應為安全控制器的描述符;響應PC機發(fā)出的USB MassStorage命令，返回設備的基本信息，此時(shí)返回的基本信息應為U盤(pán)的信息。 (4)加解密模塊[6]：身份認證方案的實(shí)現，如用戶(hù)口令的保存、更改等;加解密算法的高速實(shí)現及密鑰的保護等。 (5)DMA模塊：DMA控制器的配置、啟動(dòng)等。 安全控制器固件層次劃分如圖4所示，主要包括硬件抽象層、USB協(xié)議層和批量傳輸層。硬件抽象層主要實(shí)現NiosⅡ處理器對外設的讀寫(xiě)以及對ISP1761芯片內部寄存器和存儲器的訪(fǎng)問(wèn);USB協(xié)議層通過(guò)對ISP1761芯片的控制實(shí)現USB協(xié)議;批量傳輸層則實(shí)現MassStorage類(lèi)的操作，通過(guò)Bulk-In和Bulk-Out端點(diǎn)，完成CBW、數據、CSW的傳輸。安全控制器在批量傳輸層對數據進(jìn)行扇區級的加解密操作，不進(jìn)行文件系統級的解析。 3.2 整體工作流程 以一次PC機向U盤(pán)寫(xiě)數據的過(guò)程為例，U盤(pán)安全控制器的工作流程如圖5所示。 (1)U盤(pán)安全控制器初始化; (2)循環(huán)檢測ISP1761芯片Host接口的狀態(tài)，判斷是否有USB設備插入; (3)若檢測到USB設備，判斷設備是否是USB MassStorage類(lèi)設備; (4)若是USB MassStorage類(lèi)設備，則向PC機報告設備的插入，否則返回步驟(2); (5)安全控制器響應PC機發(fā)出的命令，包括USB標準命令和Mass Storage類(lèi)命令，返回描述符及所插入設備的基本信息; (6)PC機發(fā)出寫(xiě)(Write10)命令及數據，安全控制器將數據加密，然后向U盤(pán)轉發(fā)寫(xiě)命令及加密后的數據; (7)一次傳輸過(guò)程結束。 本文針對USB存儲設備的安全問(wèn)題，利用SoPC技術(shù)，設計實(shí)現了U盤(pán)安全控制器，并在terasic公司的DE3開(kāi)發(fā)板上得到驗證。結果表明，該控制器將普通U盤(pán)升級為安全U盤(pán)，保證U盤(pán)中的數據都以密文形式存在，方便快捷、安全性高，具有廣泛的應用前景。下一步重點(diǎn)是研究密碼方案，如身份認證方案的設計、密鑰的保護及加解密算法的高速實(shí)現等。 |
