??? 摘? 要: 設(shè)計(jì)了一種高安全性的便攜式USB存儲(chǔ)加密系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式USB主機(jī)CH375設(shè)計(jì)，采用智能卡實(shí)現(xiàn)人機(jī)安全認(rèn)證和密鑰的安全存儲(chǔ)，采用反熔絲型FPGA 芯片AX250高速實(shí)現(xiàn)3DES算法，能夠在完全脫離PC機(jī)的情況下對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備中的文件進(jìn)行加解密，具有很高的安全性和整體性，并可滿足野外或移動(dòng)應(yīng)用的需求。?
??? 關(guān)鍵詞: USB存儲(chǔ)加密； 嵌入式USB主機(jī)； 智能卡； 安全認(rèn)證； 反熔絲型FPGA
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??? 日益增加的信息安全要求，需對(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中的個(gè)人隱私或敏感信息進(jìn)行加解密。傳統(tǒng)的USB存儲(chǔ)加密系統(tǒng)基于PC機(jī)。PC機(jī)是USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主機(jī)（Host），加解密時(shí)明文和密文必須經(jīng)過PC機(jī)，PC機(jī)的軟硬件安全性給文件的加解密留下了很大的安全隱患。因此，傳統(tǒng)的USB存儲(chǔ)加密系統(tǒng)安全性較低，且不能滿足野外或移動(dòng)應(yīng)用的需求?；谇度胧皆O(shè)計(jì)的本系統(tǒng)，可以完全脫離PC機(jī)工作，并且采用智能卡、反熔絲型FPGA實(shí)現(xiàn)USB文件安全、高速的加解密，提高了系統(tǒng)的安全性和整體性能，提供了便攜使用性，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。?
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)?
??? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由智能卡和加密機(jī)兩大部分構(gòu)成，智能卡通過ISO 7816接口與加密機(jī)相連。加密機(jī)主要由51單片機(jī)、嵌入式USB主機(jī)、FPGA、智能卡接口電路、電源電路和按鍵、LED等人機(jī)交互接口電路構(gòu)成。嵌入式USB主機(jī)作為USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主機(jī)（Host），完成USB存儲(chǔ)設(shè)備的訪問管理和USB文件的讀寫。USB文件的加解密由FPGA高速實(shí)現(xiàn)3DES算法來完成。智能卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全管理。智能卡接口電路實(shí)現(xiàn)ISO 7816接口到并行接口的轉(zhuǎn)換。51單片機(jī)通過并行總線與嵌入式USB主機(jī)、FPGA和智能卡接口電路相連，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制。?
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2 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)?
??? 安全性是加密系統(tǒng)一項(xiàng)至關(guān)重要的性能指標(biāo)。本系統(tǒng)從以下幾方面進(jìn)行了嚴(yán)密的安全性設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的高安全性。?
2.1 工作模式?
??? 基于嵌入式USB主機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可完全脫離PC機(jī)運(yùn)行的嵌入式工作模式，從而消除了PC機(jī)軟硬件安全隱患，提高了系統(tǒng)的安全性。?
2.2 安全認(rèn)證?
??? 安全認(rèn)證包括加密機(jī)與智能卡之間的設(shè)備認(rèn)證和智能卡與操作者之間的身份認(rèn)證。?
??? 設(shè)備認(rèn)證通過對(duì)比加密機(jī)和智能卡中存放的設(shè)備認(rèn)證碼來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)加密機(jī)與唯一一個(gè)智能卡配對(duì)使用，均存放著相同的設(shè)備認(rèn)證碼，且不同的加密機(jī)和智能卡有不同的設(shè)備認(rèn)證碼，通過對(duì)比各自存放的設(shè)備認(rèn)證碼可對(duì)智能卡的合法性進(jìn)行認(rèn)證。?
??? 身份認(rèn)證通過智能卡的口令驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，只有輸入正確的智能卡口令才能通過口令驗(yàn)證，從而對(duì)操作者的合法性進(jìn)行認(rèn)證。?
??? 在安全認(rèn)證過程中，任何一個(gè)認(rèn)證若不通過加密機(jī)，則結(jié)束操作。因此只有當(dāng)密碼機(jī)、唯一與之配對(duì)的智能卡和正確的智能卡口令三個(gè)要素同時(shí)具備時(shí)，才能通過認(rèn)證。缺乏其中任何一個(gè)要素，認(rèn)證都將失敗，加密機(jī)結(jié)束操作，從而使系統(tǒng)的安全性大大提高。?
2.3 加解密算法的安全性?
??? 加解密算法的安全性包括算法自身的安全性以及算法存放和調(diào)用的安全性。?
??? 本系統(tǒng)的加解密算法選用3DES算法。3DES算法的密鑰長(zhǎng)度為168位，用窮舉搜索結(jié)果攻擊密文需要測(cè)試2 168次，可以有效克服窮舉攻擊，并且增強(qiáng)了抗差分分析和線性分析能力，具有極其強(qiáng)大的安全性[1]。?
??? 算法存放和調(diào)用的安全性依賴于器件自身具有的安全防護(hù)能力。本系統(tǒng)選用ACTEL公司反熔絲型FPGA芯片AX250存放和調(diào)用算法。反熔絲型FPGA不需要專門的編程芯片，且具有編程內(nèi)容不可讀、運(yùn)行時(shí)不能改的性能，可有效地保護(hù)算法，從而提高系統(tǒng)的安全性。?
2.4 密鑰的安全性?
??? 本系統(tǒng)選用智能卡實(shí)現(xiàn)密鑰的安全存放和調(diào)用。智能卡中集成了微處理器、存儲(chǔ)單元以及芯片操作系統(tǒng)COS(Chip Operating System)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)還具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能，因此安全性大大增強(qiáng)。本系統(tǒng)選用智能卡作為密鑰存放的介質(zhì)，密鑰的調(diào)用受卡內(nèi)COS操作系統(tǒng)的安全保護(hù)，利用智能卡自身的物理安全機(jī)制和COS操作系統(tǒng)的安全體系為密鑰的存放和調(diào)用提供雙重的安全保證。?
2.5 其他安全防范措施?
??? (1)設(shè)備認(rèn)證碼的存放和調(diào)用受AX250和智能卡的保護(hù)，避免外部訪問。?
??? (2) 加密機(jī)與智能卡可分離存放，減少失密的可能。?
??? (3)在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)對(duì)算法和密鑰聯(lián)合運(yùn)行的正確性進(jìn)行自檢，防止加解密錯(cuò)誤。?
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)?
3.1 51單片機(jī)電路設(shè)計(jì)?
??? 51單片機(jī)選用CYGNAL公司的C8051F023。C8051F023是完全集成的系統(tǒng)級(jí)SoC芯片，具有25 MIPS的CIP-51內(nèi)核，內(nèi)部資源豐富、功耗低、可提高系統(tǒng)的可靠性和便攜性。?
??? 單片機(jī)電路原理如圖2所示。C8051F023外接25 MHz晶振，程序執(zhí)行速度可高達(dá)25 MIPS。為提高數(shù)據(jù)通信速率，單片機(jī)通過8位非復(fù)用并行總線與嵌入式USB主機(jī)、FPGA和智能卡接口電路通信。因外部所需地址空間較少，單片機(jī)采用線選的方式進(jìn)行片選，A15片選USB主機(jī)，端口地址范圍為6000H～7FFFH；A14片選FPGA，端口地址范圍為A000H～BFFFH；A13片選智能卡接口電路，端口地址范圍為C000H～DFFFH。?
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3.2 嵌入式USB主機(jī)電路設(shè)計(jì)?
??? 嵌入式USB主機(jī)選用CH375。CH375是一款USB通用接口芯片，支持Host主機(jī)方式和Slave設(shè)備方式，主機(jī)端點(diǎn)輸入和輸出緩沖區(qū)各為64 B。在Host主機(jī)方式下支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部處理器可以方便地通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信[2]。?
??? 嵌入式USB主機(jī)電路原理如圖3所示。TXD管腳接地，CH375通過并行接口與C8051F023通信。地址輸入線A0連接至單片機(jī)的地址線A0，當(dāng)A0為高電平時(shí)選擇命令端口，可以寫入命令；當(dāng)A0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)，因此CH375命令端口的訪問地址為6XX1H或7XX1H，數(shù)據(jù)端口的訪問地址為6XX0H或7XX0H。中斷請(qǐng)求INT連接到單片機(jī)的中斷輸入/INT0。V3管腳接3.3 V，選擇工作電壓為3.3 V，從而與接口的C8051F023保持電平兼容。接插件J201為通用USB插座，外接待加解密的USB存儲(chǔ)設(shè)備。
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3.3? FPGA電路設(shè)計(jì)?
??? FPGA選用反熔絲型FPGA芯片AX250。該芯片除具有較高的安全性，還具有資源豐富、速度快、功耗低、抗輻射能力強(qiáng)和耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高系統(tǒng)的整體性能[3]。?
??? FPGA電路原理如圖4所示。AX250通過8位并行接口與單片機(jī)C8051F023通信。內(nèi)部工作電壓VCC PL接1.5 V，保證芯片低功耗運(yùn)行。外部IO電壓VCC IB接3.3 V，保持與C8051F023電平兼容。AX250的時(shí)鐘由晶振CRY301輸入，時(shí)鐘頻率根據(jù)FPGA內(nèi)部程序邏輯綜合后的時(shí)鐘頻率而定，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的頻率為33 MHz。因單片機(jī)只有兩個(gè)外部中斷，F(xiàn)PGA與智能卡接口電路共用同一個(gè)中斷
為智能卡接口電路的中斷請(qǐng)求。系統(tǒng)在FPGA中設(shè)置一中斷標(biāo)志寄存器，當(dāng)FPGA或智能卡接口電路請(qǐng)求中斷時(shí)會(huì)分別置對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位為1，單片機(jī)通過查詢中斷標(biāo)志寄存器即可確定
的中斷源。?
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3.4智能卡接口電路設(shè)計(jì)?
??? 智能卡接口電路選用Philips公司的TDA8007。TDA8007能夠提供兩個(gè)滿足ISO7816 標(biāo)準(zhǔn)的智能卡接口，并通過并行總線與微處理器通信，可實(shí)現(xiàn)ISO7816接口到8位并行接口的轉(zhuǎn)換。TDA8007 內(nèi)部集成的電源管理功能允許TDA8007的供電范圍可達(dá)2.7～6.0 V，并且通過電源管理可以給智能卡提供5.0 V、3.0 V及1.8 V電源，以適合不同工作電壓的智能卡應(yīng)用[4]。?
??? 智能卡接口電路原理如圖5所示。工作電壓選擇3.3 V，保持與接口的C8051F023電平兼容。并行總線接口為非復(fù)用方式，ALE信號(hào)接高電平，AD0～AD3與單片機(jī)A0～A3相連。中斷請(qǐng)求
連至FPGA，與FPGA共用單片機(jī)的同一中斷。接插件J401為智能卡ISO7816接口插座。?
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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?
4.1 單片機(jī)C8051F023軟件設(shè)計(jì)?
??? C8051F023是本系統(tǒng)的控制核心,負(fù)責(zé)管理及協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他各部分的工作，程序流程圖如圖6所示。其中與USB有關(guān)的操作由單片機(jī)控制CH375完成，自檢、安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)加解密等操作由單片機(jī)控制智能卡和FPGA完成。?
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4.2 3DES算法的實(shí)現(xiàn)?
??? 3DES算法用硬件描述語言VHDL編程實(shí)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖7所示。加解密密鑰K1、K2、K3存儲(chǔ)在密鑰存儲(chǔ)RAM中，經(jīng)子密鑰產(chǎn)生模塊產(chǎn)生三組子密鑰SUBK1、SUBK2、SUBK3，分別提供給3個(gè)DES模塊。待加解密數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸入FIFO中，在控制模塊的控制下每次讀取64位送到DES模塊1，經(jīng)DES模塊1、DES模塊2和DES模塊3處理完后，把加解密的結(jié)果送到輸出FIFO中，從而完成一組數(shù)據(jù)的3DES加解密。
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??? 此設(shè)計(jì)采用循環(huán)全部打開和流水線結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)單個(gè)的DES模塊。循環(huán)打開后，實(shí)現(xiàn)DES模塊的全部16輪圈函數(shù)便級(jí)聯(lián)在一起，上一圈函數(shù)的輸出作為下一圈函數(shù)的輸入，然后在每輪的中間加上寄存器來實(shí)現(xiàn)流水線，從而最多可有16個(gè)數(shù)據(jù)分組被同時(shí)執(zhí)行圈函數(shù)運(yùn)算，流水線的各個(gè)圈函數(shù)以重疊并行的方式工作[5]。這樣，在理想的流水線操作情況下，完成一個(gè)數(shù)據(jù)分組的DES運(yùn)算相當(dāng)于只需1個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)DES模塊的加解密速度提高近16倍。同理，3個(gè)DES模塊之間的級(jí)聯(lián)也采用流水線結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。通過采用三級(jí)流水,可以使3個(gè)DES模塊同時(shí)并行工作，從而進(jìn)一步提高3DES算法的加解密速度。?
5 結(jié)果測(cè)試?
5.1 安全認(rèn)證測(cè)試?
??? 在以下幾種情況下使用本系統(tǒng)對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行加解密：?
??? （1）不插入智能卡，只使用加密機(jī)。?
??? （2）使用不配對(duì)的加密機(jī)、智能卡。?
??? （3）使用配對(duì)的加密機(jī)、智能卡，但不輸入或輸入錯(cuò)誤的智能卡口令。?
??? 測(cè)試結(jié)果顯示，以上3種情況下系統(tǒng)均不能通過安全認(rèn)證，加密機(jī)停止操作，無法完成USB存儲(chǔ)設(shè)備的加解密。?
5.2 保密數(shù)據(jù)的安全性測(cè)試?
??? 通過多種訪問途徑或接口方式，嘗試從系統(tǒng)外部訪問智能卡和FPGA中存放的密鑰、算法和設(shè)備認(rèn)證碼等保密數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示均失敗，保密數(shù)據(jù)無法被外部訪問。?
5.3 加解密性能測(cè)試?
??? 加解密性能測(cè)試包括準(zhǔn)確性測(cè)試和速度測(cè)試。使用本系統(tǒng)對(duì)U盤中100個(gè)不同大小的文件進(jìn)行加密操作，將得到的密文與正確的密文進(jìn)行對(duì)比；再將得到的密文進(jìn)行解密操作，將得到的明文與原有文件進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示全部正確，系統(tǒng)具有很高的加解密準(zhǔn)確性。記錄下各文件加解密的時(shí)間，測(cè)得系統(tǒng)的平均加解密速度為355 kb/s，系統(tǒng)具有較快的加解密速度。?
??? 本文采用嵌入式USB主機(jī)CH375、智能卡和反熔絲型FPGA芯片AX250設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高安全性的便攜式USB存儲(chǔ)加密系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完全脫離PC機(jī)工作，安全性高、便攜性好、加解密速度快、整體性能良好。?
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