《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于NiosⅡ的U盤安全控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第2期
楊獻(xiàn)超，蘇錦海，張立朝
解放軍信息工程大學(xué) 電子技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450004
摘要： 針對(duì)U盤等存儲(chǔ)設(shè)備的安全隱患及用戶的安全需求，分析目前常見的解決方法，遵循靈活方便、高安全性的原則，利用SoPC技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于NiosⅡ的U盤安全控制器。詳細(xì)論述了安全控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件架構(gòu)、固件劃分和工作流程。采用高強(qiáng)度的密碼算法，對(duì)普通U盤中的數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)級(jí)的加解密，保證U盤中數(shù)據(jù)的安全，具有靈活安全、易于升級(jí)的特點(diǎn)。
中圖分類號(hào)： TP309.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)02-0028-03
Design and implement of USB disk security controller based on NiosⅡ
Yang Xianchao，Su Jinhai，Zhang Lichao
Institute of Electronic Technology, Information Engineering University of PLA, Zhengzhou 450004，China
Abstract： Aiming at the security risk of usb mass storage device and users’ need, analysis the common method, following the principle of high convenience and security, an usb disk security controller based on NiosⅡ is designed and implemented in this paper, which uses the SoPC technology. The security controller’s system design, hardware architecture, firmware partition and work flow are introduced detailedly. The controller ensures the security of data by decrypting on sector level, which has the characters of high security and easy to upgrade.
Key words : USB disk；USB host；NiosⅡ；security controller

    目前，U盤等USB移動(dòng)存儲(chǔ)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)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在生活、工作中隨處可見。然而，USB移動(dòng)存儲(chǔ)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(duì)U盤的安全隱患，分析目前較為常見的解決方法，利用SoPC技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于NiosⅡ處理器的U盤安全控制器。該控制器位于PC機(jī)和U盤之間，通過對(duì)U盤進(jìn)行扇區(qū)級(jí)的加解密操作，將普通U盤升級(jí)為安全U盤，保證U盤中數(shù)據(jù)的安全性?？刂破髯裱璘SB MassStorage類協(xié)議，無需專用驅(qū)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(shè)計(jì)
1.1 安全U盤解決方案分析
    U盤最為突出的安全問題是其內(nèi)部所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都以明文形式存儲(chǔ)，任何人得到該存儲(chǔ)載體，即可對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意的操作。因此，普通U盤一旦丟失，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)則毫無安全性可言。針對(duì)這一問題，目前已經(jīng)有多種解決方法，其中較為常見、安全性較高的是采用專用安全U盤的方法。
    專用安全U盤的硬件架構(gòu)如圖1所示，主要由微處理器、存儲(chǔ)芯片(NandFlash)、USB模塊及加解密模塊等組成[2]。當(dāng)U盤和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，加解密模塊在微處理器的控制下對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行加解密操作，使得U盤存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)都以密文形式存在。當(dāng)PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫時(shí)，首先需要進(jìn)行身份認(rèn)證，若認(rèn)證不通過，則讀寫操作不能進(jìn)行，即使攻擊者將安全U盤物理分解，直接讀取存儲(chǔ)芯片，而由于存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)是以密文形式存在的，攻擊者也只能獲得數(shù)據(jù)的密文。安全U盤通過加解密和認(rèn)證相結(jié)合的方法，保證其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性。

    專用安全U盤由于保密性高的優(yōu)勢(shì)，在一些特殊場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。然而安全U盤也有自身的不足，主要表現(xiàn)在：
    (1)成本高。與普通U盤相比，安全U盤硬件構(gòu)造復(fù)雜，成本通常為普通U盤的數(shù)倍乃至數(shù)十倍。
    (2)開發(fā)難度大。安全U盤開發(fā)涉及USB協(xié)議、加解密算法、密鑰保護(hù)方案、NandFlash讀寫等，其涉及面廣、開發(fā)周期長、工作量大。
    (3)密鑰、算法、數(shù)據(jù)保存在同一載體中。若安全U盤丟失，則直接導(dǎo)致密鑰、算法和數(shù)據(jù)一起丟失，不但增大了數(shù)據(jù)被破解的可能性，而且有可能導(dǎo)致密碼算法的丟失。
1.2 U盤安全控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本文借鑒安全U盤的優(yōu)缺點(diǎn)，按照方便快捷、安全性高的原則，利用SoPC技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了U盤安全控制器。片上可編程系統(tǒng)SoPC技術(shù)是基于可編程編輯器件PLD解決方案的片上系統(tǒng)(SoC)。SoPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，是一種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。SoPC可以方便地將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)和自定義邏輯電路等）和固件集成到一個(gè)PLD器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)靈活、可裁剪、易升級(jí)、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(shè)計(jì)的安全控制器系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，安全控制器位于PC機(jī)和U盤之間，主要由USB Device模塊、USB Host模塊、微處理器、緩沖區(qū)、加解密模塊等組成?？刂破鲗?duì)于PC機(jī)表現(xiàn)為一個(gè)USB大容量存儲(chǔ)（MassStorage）類設(shè)備，而對(duì)于U盤，則表現(xiàn)為一個(gè)USB Host。USB Device模塊負(fù)責(zé)接收PC機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，USB Host模塊負(fù)責(zé)向U盤等USB發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，加解密模塊則完成數(shù)據(jù)的加解密，整個(gè)系統(tǒng)在微處理器的控制下工作。

 

 

2 安全控制器硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)采用USB接口芯片+FPGA的方案來實(shí)現(xiàn)安全控制器的硬件架構(gòu)，通過微處理器器對(duì)USB接口芯片的控制即可實(shí)現(xiàn)USB通信。采用USB接口芯片有助于降低開發(fā)費(fèi)用，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。
2.1 USB接口芯片選型
    本設(shè)計(jì)中，安全控制器既要實(shí)現(xiàn)USB Host的功能，又要實(shí)現(xiàn)USB Device的功能。因此，若能采用一片USB接口芯片實(shí)現(xiàn)兩者的功能，則有助于降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性。綜合USB芯片的功能需求、價(jià)格、硬件復(fù)雜性等因素，本設(shè)計(jì)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(jī)控制器和一個(gè)外設(shè)控制器，主機(jī)和外設(shè)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可通過跳線靈活配置成Host接口或Device接口。ISP1761可以直接與目前市場(chǎng)上的大多數(shù)帶尋址功能的微處理器直接連接，微處理器通過讀寫ISP1761內(nèi)部的寄存器或存儲(chǔ)器即可實(shí)現(xiàn)USB通信功能。ISP1761支持DMA傳輸，可以提高數(shù)據(jù)的吞吐率[4]。
2.2 控制器整體硬件架構(gòu)
    安全控制器整體硬件架構(gòu)如圖3所示，由SoPC模塊和ISP1761芯片及按鍵組成。SoPC模塊使用Altera公司提供的開發(fā)工具SoPC Builder生成，主要由NiosⅡ控制器、內(nèi)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(tǒng)的核心，完成對(duì)各個(gè)模塊的調(diào)度和控制；鎖相環(huán)為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供所需要的時(shí)鐘；加解密模塊完成數(shù)據(jù)流的加解密功能；ISP1761控制器則用來連接NiosⅡ控制器和ISP1761芯片，通過該控制器，NiosⅡ處理器可以訪問ISP1761芯片內(nèi)部的寄存器和存儲(chǔ)器；DMA控制器負(fù)責(zé)PC機(jī)到控制器、控制器到U盤的數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。ISP1761芯片分別連接主機(jī)和U盤，在NiosⅡ的控制下實(shí)現(xiàn)USB Host接口和USB Device接口的功能。
3 安全控制器固件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
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(yùn)行于NiosⅡ處理器上的COS（Chip Operating System），主要負(fù)責(zé)監(jiān)控USB Host接口及USB Device接口的狀態(tài)，解析PC機(jī)發(fā)出的命令，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)到U盤間的數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)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(tǒng)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(cè)USB接口芯片Host接口的狀態(tài)，檢測(cè)U盤的插入和移除等；向插入的USB設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的USB標(biāo)準(zhǔn)命令，獲取設(shè)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(shè)備發(fā)出USB MassStorage類命令，獲取設(shè)備的容量等基本信息及對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。
    (3)USB Device模塊：向PC機(jī)報(bào)告USB設(shè)備的插入；響應(yīng)PC機(jī)發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)的USB命令，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如各種描述符等。此時(shí)返回的描述符應(yīng)為安全控制器的描述符；響應(yīng)PC機(jī)發(fā)出的USB MassStorage命令，返回設(shè)備的基本信息，此時(shí)返回的基本信息應(yīng)為U盤的信息。
    (4)加解密模塊[6]：身份認(rèn)證方案的實(shí)現(xiàn)，如用戶口令的保存、更改等；加解密算法的高速實(shí)現(xiàn)及密鑰的保護(hù)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(xiàn)NiosⅡ處理器對(duì)外設(shè)的讀寫以及對(duì)ISP1761芯片內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器的訪問；USB協(xié)議層通過對(duì)ISP1761芯片的控制實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議；批量傳輸層則實(shí)現(xiàn)MassStorage類的操作，通過Bulk-In和Bulk-Out端點(diǎn)，完成CBW、數(shù)據(jù)、CSW的傳輸。安全控制器在批量傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)級(jí)的加解密操作，不進(jìn)行文件系統(tǒng)級(jí)的解析。

3.2 整體工作流程
    以一次PC機(jī)向U盤寫數(shù)據(jù)的過程為例，U盤安全控制器的工作流程如圖5所示。

    (1)U盤安全控制器初始化；
    (2)循環(huán)檢測(cè)ISP1761芯片Host接口的狀態(tài)，判斷是否有USB設(shè)備插入；
    (3)若檢測(cè)到USB設(shè)備，判斷設(shè)備是否是USB MassStorage類設(shè)備；
    (4)若是USB MassStorage類設(shè)備，則向PC機(jī)報(bào)告設(shè)備的插入，否則返回步驟(2)；
    (5)安全控制器響應(yīng)PC機(jī)發(fā)出的命令，包括USB標(biāo)準(zhǔn)命令和Mass Storage類命令，返回描述符及所插入設(shè)備的基本信息；
    (6)PC機(jī)發(fā)出寫(Write10)命令及數(shù)據(jù)，安全控制器將數(shù)據(jù)加密，然后向U盤轉(zhuǎn)發(fā)寫命令及加密后的數(shù)據(jù)；
    (7)一次傳輸過程結(jié)束。
    本文針對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備的安全問題，利用SoPC技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了U盤安全控制器，并在terasic公司的DE3開發(fā)板上得到驗(yàn)證。結(jié)果表明，該控制器將普通U盤升級(jí)為安全U盤，保證U盤中的數(shù)據(jù)都以密文形式存在，方便快捷、安全性高，具有廣泛的應(yīng)用前景。下一步重點(diǎn)是研究密碼方案，如身份認(rèn)證方案的設(shè)計(jì)、密鑰的保護(hù)及加解密算法的高速實(shí)現(xiàn)等。
參考文獻(xiàn)
[1] 王威.具有身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)加密U盤的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2010.
[2] 李亞強(qiáng).基于Z8HM2芯片的加密U盤的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.
[3] SoPC Builder Data Sheet[EB/OL].[2011-08-15].http://www.altera.com.cn/literature/lit-index.html.
[4] ISP1761 user manual[EB/OL].[2011-08-10].http://www.doc88.com/p-5420112991.html.
[5] 董揚(yáng)生.USB主機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.
[6] LIBERATORI M，OTERO F B.AES-128 cipher high speed，low cost FPGA implementation[C]．2007 3RD Southern Conference on Programmable Logic，2007(12)：195-198．
 

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