基于NiosⅡ的U盤(pán)安全控制器設計

　　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。