引言
    隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，無紙辦公日益成為各單位日常辦公的主要形式。而隨著USB存儲設(shè)備日益廣泛的使用，數(shù)據(jù)泄漏的危害也越來越嚴(yán)重。因此在單位內(nèi)部對USB存儲設(shè)備的操作權(quán)限進(jìn)行控制是很有必要的。
    本設(shè)計(jì)可將不同的USB存儲設(shè)備(包括安全存儲設(shè)備和普通存儲設(shè)備)通過不同的接口接入到主機(jī)上，同時(shí)對主機(jī)和設(shè)備問傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行提取，分析和攔截。其應(yīng)用范圍比較廣泛，為了方便介紹，本文將其作為USB存儲設(shè)備管理系統(tǒng)的一部分，根據(jù)具體的應(yīng)用來介紹控制器的設(shè)計(jì)原理。讀寫控制器可應(yīng)用在對PC機(jī)與安全存儲設(shè)備和普通存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)共享管理上。其中，PC機(jī)的數(shù)據(jù)要求被保護(hù)，安全設(shè)備的使用權(quán)限被嚴(yán)格控制，不會泄漏數(shù)據(jù)；而普通設(shè)備則沒有采取任何安全措施，很有可能向外泄漏數(shù)據(jù)，比如通用的U盤。
    控制器的主要功能是通過不同的接口把兩種USB存儲設(shè)備區(qū)分開來，實(shí)時(shí)監(jiān)測PC機(jī)和普通設(shè)備間的數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到PC機(jī)向普通設(shè)備寫入數(shù)據(jù)包時(shí)，對其強(qiáng)行破壞，防止數(shù)據(jù)泄漏。

1 硬件原理
    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。集線器芯片將上游一路USB總線分為兩路：一路直接通過專用的USB接口與安全存儲設(shè)備連接，另一路通過讀寫控制器和普通存儲設(shè)備連接。讀寫控制器采用CPLD、USB轉(zhuǎn)發(fā)器以及外圍電路實(shí)現(xiàn)集線器和普通存儲設(shè)備的連接。在CPLD中設(shè)計(jì)邏輯電路實(shí)現(xiàn)對USB轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸方向的控制，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和攔截，以破壞從PC機(jī)向普通USB存儲設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，防止泄漏。

    集線器采用的是帶有4個(gè)下游端口的GL850G。其端口傳輸?shù)氖荱SB總線的差分信號，故將其上游端口直接接PC機(jī)，下游端口接安全USB存儲設(shè)備或讀寫控制器。
    讀寫控制器是由1片CPLD和2片USB轉(zhuǎn)發(fā)器及其外圍電路組成。CPLD采用的是Altera公司的EPM3512。它具有10000個(gè)可用的門、512個(gè)宏單元、208個(gè)可用的I／O引腳，調(diào)試和升級簡便，開發(fā)十分靈活。市場上關(guān)于USB轉(zhuǎn)接的芯片很多，本文設(shè)計(jì)的讀寫控制器要求功能簡單、性能穩(wěn)定，因此USB轉(zhuǎn)發(fā)器采用TI公司的TUSB1106，既滿足設(shè)計(jì)的要求，也不存在資源浪費(fèi)。該芯片的詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)。其中VP0、VM0引腳由CPLD驅(qū)動。VP、VM和RCV輸人到CPLD中。TUSB1106和CPLD的接口電路如圖2所示。

2 CPLD中的讀寫控制電路
    CPLD中的讀寫控制電路包括時(shí)鐘提取、包識別、不歸零解碼、狀態(tài)控制、CBW包識別和數(shù)據(jù)流控制等模塊，如圖3所示。時(shí)鐘提取部分見參考文獻(xiàn)，包識別和不歸零解碼部分見參考文獻(xiàn)。下面詳細(xì)介紹狀態(tài)控制、CBW包識別和數(shù)據(jù)流控制3個(gè)模塊。

2．1 狀態(tài)控制模塊
    因?yàn)镮JSB總線是半雙工的，所以CPLD要控制總線數(shù)據(jù)的方向，即通過OE信號來控制TUSB1106是接收總線數(shù)據(jù)還是驅(qū)動總線。總線上所有的傳輸事務(wù)都始于令牌包。令牌包由主機(jī)發(fā)送，指明本次事務(wù)處理過程的含義，包括數(shù)據(jù)的傳輸方向、設(shè)備的地址及端點(diǎn)號等信息。
     在本模塊中，通過對PID的檢測可得到每個(gè)包的種類，控制狀態(tài)機(jī)在初始狀態(tài)、主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)、主機(jī)發(fā)送握手包和設(shè)備發(fā)送握手包等幾個(gè)狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)，從而控制其他模塊的狀態(tài)。下面為狀態(tài)機(jī)的部分代碼：
   
    可以看出，當(dāng)令牌包是OUT包(PID為8'hE1)或SETUP包(PID為8'h2D)時(shí)，數(shù)據(jù)包由主機(jī)發(fā)往設(shè)備，握手包由設(shè)備返回給主機(jī)；如果令牌包是IN包(PID為8'h69)時(shí)，則數(shù)據(jù)包由設(shè)備發(fā)給主機(jī)，握手包由主機(jī)返回給設(shè)備。在全速模式下，只可能有4種令牌包，除了這3種包外就只可能是SOF包，而該包沒有后續(xù)的數(shù)據(jù)包和握手包，因此狀態(tài)機(jī)仍為初始狀態(tài)。如果一次傳輸事務(wù)出錯(cuò)，沒有數(shù)據(jù)包或握手包，則主機(jī)和設(shè)備會通過超時(shí)來判斷是否出錯(cuò)，而不會持續(xù)等待。在CPLD中，超時(shí)信號和系統(tǒng)復(fù)位信號相與之后作為本模塊的復(fù)位信號。
2．2 CBW包識別和數(shù)據(jù)流控制模塊
    USB Mass Storage Device在完成枚舉之后就進(jìn)入到僅批量傳輸模式。在僅批量傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸分為命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)3個(gè)階段。主機(jī)發(fā)送的命令被封裝成CBW(Command Block Wrapper)包在命令階段發(fā)送，以定義要操作的命令以及要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方向和長度。CBW的前4個(gè)字節(jié)是標(biāo)志位，第15個(gè)字節(jié)是操作代碼。
    在本設(shè)計(jì)中，借助序列識別的思想識別出寫命令的CBW，并在接下來的數(shù)據(jù)階段將標(biāo)志位CBW_flag置位為0，使數(shù)據(jù)流控制模塊截?cái)鄰闹鳈C(jī)發(fā)往設(shè)備的數(shù)據(jù)包。下面為狀態(tài)機(jī)的部分代碼：
   
   
    可以看出，只有在檢測到CBW包中的寫命令(操作代碼是8h2A和8hAA)時(shí)才將CBW_flg置0，其余狀態(tài)都為1。
    數(shù)據(jù)流控制模塊完成的工作比較簡單，主要有3個(gè)：
    ①在系統(tǒng)復(fù)位有效或失效時(shí)控制轉(zhuǎn)發(fā)器模擬拔下或插入的過程；
    ②根據(jù)當(dāng)前的傳輸方向提取總線數(shù)據(jù)以供分析；
    ③cbw_flg無效時(shí)，將上游端口的VP和VM直接賦值給下游端口的VP0
和VM0，同樣將下游端口的VP和VM賦給上游端口的VP0和VM0，否則將上游端口的VM強(qiáng)制置0，使傳輸過程失敗以阻止數(shù)據(jù)從主機(jī)向普通存儲設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    控制器完全不干涉主機(jī)和安全USB存儲設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。而將普通USB存儲設(shè)備通過控制器接到PC機(jī)上時(shí)，能正常完成除寫之外的所有操作。當(dāng)向USB存儲設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)(包括新建、粘貼、刪除、寫入和修改文件)時(shí)，系統(tǒng)彈出圖4所示的對話框，操作無法完成。

結(jié)語
    本文針對信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種對USB存儲設(shè)備的讀寫控制器。該控制器包括一個(gè)與主機(jī)連接的上游端口，以及安全存儲設(shè)備專用和普通存儲設(shè)備通用兩種下游端口。
    對安全存儲設(shè)備使用的硬件接口進(jìn)行異化，以防止普通存儲設(shè)備通過該口接入；普通存儲設(shè)備采用普通的USB A型口連接。
    控制器不干預(yù)主機(jī)和安全存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，能夠破壞PC機(jī)寫入普通存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)包，從而防止了PC機(jī)上的數(shù)據(jù)通過普通存儲設(shè)備外泄。