基于NiosⅡ的U盤安全控制器設(shè)計(jì)

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。控制器遵循USB 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。