目前，U盤等USB移動存儲載體由于其容量大,、價格低,、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U盤進(jìn)行扇區(qū)級的加解密操作,，將普通U盤升級為安全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,，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
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)部所存儲的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行任意的操作,。因此，普通U盤一旦丟失,，其存儲的數(shù)據(jù)則毫無安全性可言,。針對這一問題，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,，加解密模塊在微處理器的控制下對數(shù)據(jù)流進(jìn)行加解密操作，使得U盤存儲芯片中的數(shù)據(jù)都以密文形式存在,。當(dāng)PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫時,，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，直接讀取存儲芯片,，而由于存儲芯片中的數(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,，保證其存儲數(shù)據(jù)的安全性,。

    專用安全U盤由于保密性高的優(yōu)勢，在一些特殊場合得到了廣泛的應(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
    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)計技術(shù),。SoPC可以方便地將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲器,、外設(shè)和自定義邏輯電路等）和固件集成到一個PLD器件上,，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)，具有設(shè)計靈活,、可裁剪,、易升級、可編程等優(yōu)點(diǎn),，同時還有豐富的IP核資源可供使用[3],。
    本文所設(shè)計的安全控制器系統(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,。控制器對于PC機(jī)表現(xiàn)為一個USB大容量存儲（MassStorage）類設(shè)備,，而對于U盤,，則表現(xiàn)為一個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)計實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計采用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,、價格,、硬件復(fù)雜性等因素，本設(shè)計選用NXP公司的ISP1761作為USB接口芯片,。
    ISP1761是一個單芯片的高速USB OTG 控制器,，在其單芯片上集成了一個OTG控制器、一個主機(jī)控制器和一個外設(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控制器作為整個系統(tǒng)的核心，完成對各個模塊的調(diào)度和控制,；鎖相環(huán)為系統(tǒng)各個模塊提供所需要的時鐘,；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,，對系統(tǒng)各個模塊進(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,；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設(shè)備進(jìn)行讀寫操作,。
    (3)USB Device模塊：向PC機(jī)報告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處理器對外設(shè)的讀寫以及對ISP1761芯片內(nèi)部寄存器和存儲器的訪問,；USB協(xié)議層通過對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數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)級的加解密操作，不進(jìn)行文件系統(tǒng)級的解析,。

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USB存儲設(shè)備的安全問題，利用SoPC技術(shù),，設(shè)計實(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,、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)
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[2] 李亞強(qiáng).基于Z8HM2芯片的加密U盤的設(shè)計[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．