基于NiosⅡ的U盘安全控制器设计

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目前，U盘等USB移动存储载体由于其容量大、价格低、携带方便、可靠性高等优点，得到了越来越广泛的应用，在生活、工作中随处可见。然而，USB移动存储载体的便利性及其自身安全脆弱性的矛盾十分突出。
本文针对U盘的安全隐患，分析目前较为常见的解决方法，利用SoPC技术，设计实现了一款基于NiosⅡ处理器的U盘安全控制器。该控制器位于PC机和U盘之间，通过对U盘进行扇区级的加解密操作，将普通U盘升级为安全U盘，保证U盘中数据的安全性。控制器遵循USB MassStorage类协议，无需专用驱动，即插即用，具有灵活方便、安全性高等优点[1]。

1 安全控制器的整体设计

1.1 安全U盘解决方案分析

U盘最为突出的安全问题是其内部所存储的数据都以明文形式存储，任何人得到该存储载体，即可对其中的数据进行任意的操作。因此，普通U盘一旦丢失，其存储的数据则毫无安全性可言。针对这一问题，目前已经有多种解决方法，其中较为常见、安全性较高的是采用专用安全U盘的方法。

专用安全U盘的硬件架构如图1所示，主要由微处理器、存储芯片(NandFlash)、USB模块及加解密模块等组成[2]。当U盘和PC机进行数据传输时，加解密模块在微处理器的控制下对数据流进行加解密操作，使得U盘存储芯片中的数据都以密文形式存在。当PC机对数据进行读写时，首先需要进行身份认证，若认证不通过，则读写操作不能进行，即使攻击者将安全U盘物理分解，直接读取存储芯片，而由于存储芯片中的数据是以密文形式存在的，攻击者也只能获得数据的密文。安全U盘通过加解密和认证相结合的方法，保证其存储数据的安全性。

专用安全U盘由于保密性高的优势，在一些特殊场合得到了广泛的应用。然而安全U盘也有自身的不足，主要表现在：
(1)成本高。与普通U盘相比，安全U盘硬件构造复杂，成本通常为普通U盘的数倍乃至数十倍。

(2)开发难度大。安全U盘开发涉及USB协议、加解密算法、密钥保护方案、NandFlash读写等，其涉及面广、开发周期长、工作量大。

(3)密钥、算法、数据保存在同一载体中。若安全U盘丢失，则直接导致密钥、算法和数据一起丢失，不但增大了数据被破解的可能性，而且有可能导致密码算法的丢失。

1.2 U盘安全控制器的系统设计

本文借鉴安全U盘的优缺点，按照方便快捷、安全性高的原则，利用SoPC技术，设计实现了U盘安全控制器。片上可编程系统SoPC技术是基于可编程编辑器件PLD解决方案的片上系统(SoC)。SoPC是PLD和ASIC技术融合的结果，是一种软硬件协同设计技术。SoPC可以方便地将硬件系统（包括处理器、存储器、外设和自定义逻辑电路等）和固件集成到一个PLD器件上，构建成一个可编程的片上系统，具有设计灵活、可裁剪、易升级、可编程等优点，同时还有丰富的IP核资源可供使用[3]。

本文所设计的安全控制器系统架构如图2所示，安全控制器位于PC机和U盘之间，主要由USB Device模块、USB Host模块、微处理器、缓冲区、加解密模块等组成。控制器对于PC机表现为一个USB大容量存储（MassStorage）类设备，而对于U盘，则表现为一个USB Host。USB Device模块负责接收PC机的命令和数据，USB Host模块负责向U盘等USB发送命令和数据，加解密模块则完成数据的加解密，整个系统在微处理器的控制下工作。


2 安全控制器硬件架构的设计实现

本设计采用USB接口芯片+FPGA的方案来实现安全控制器的硬件架构，通过微处理器器对USB接口芯片的控制即可实现USB通信。采用USB接口芯片有助于降低开发费用，缩短系统的开发周期。

2.1 USB接口芯片选型

本设计中，安全控制器既要实现USB Host的功能，又要实现USB Device的功能。因此，若能采用一片USB接口芯片实现两者的功能，则有助于降低硬件系统的复杂性。综合USB芯片的功能需求、价格、硬件复杂性等因素，本设计选用NXP公司的ISP1761作为USB接口芯片。

ISP1761是一个单芯片的高速USB OTG 控制器，在其单芯片上集成了一个OTG控制器、一个主机控制器和一个外设控制器，主机和外设控制器兼容USB2.0协议，并支持480 Mb/s的高速传输。ISP1761有3个USB接口，接口1可以被配置为Host接口、Device接口或者OTG接口，接口2、3只能被配置为Host接口。在OTG模式下，ISP1761的接口1可通过跳线灵活配置成Host接口或Device接口。ISP1761可以直接与目前市场上的大多数带寻址功能的微处理器直接连接，微处理器通过读写ISP1761内部的寄存器或存储器即可实现USB通信功能。ISP1761支持DMA传输，可以提高数据的吞吐率[4]。

2.2 控制器整体硬件架构

安全控制器整体硬件架构如图3所示，由SoPC模块和ISP1761芯片及按键组成。SoPC模块使用Altera公司提供的开发工具SoPC Builder生成，主要由NiosⅡ控制器、内存、加解密模块、JTAG、ISP1761控制器、锁相环、PIO控制器和DMA控制器组成。

NiosⅡ控制器作为整个系统的核心，完成对各个模块的调度和控制；锁相环为系统各个模块提供所需要的时钟；加解密模块完成数据流的加解密功能；ISP1761控制器则用来连接NiosⅡ控制器和ISP1761芯片，通过该控制器，NiosⅡ处理器可以访问ISP1761芯片内部的寄存器和存储器；DMA控制器负责PC机到控制器、控制器到U盘的数据传输，提高数据传输速率。ISP1761芯片分别连接主机和U盘，在NiosⅡ的控制下实现USB Host接口和USB Device接口的功能。

3 安全控制器固件的设计实现

3.1 固件模块及层次的划分

安全控制器固件实际上是运行于NiosⅡ处理器上的COS（Chip Operating System），主要负责监控USB Host接口及USB Device接口的状态，解析PC机发出的命令，对系统各个模块进行调度，实现PC机到U盘间的数据通信，完成数据流的加解密。

安全控制器固件主要包括初始化模块、USB Host模块、USB Device模块、DMA模块、密码模块等。各模块的功能如下：

(1)初始化模块：安全控制器系统的启动；ISP1761芯片接口的配置，将接口1配置成USB Host接口，接口2配置成USB Device接口。

(2)USB Host模块[5]：检测USB接口芯片Host接口的状态，检测U盘的插入和移除等；向插入的USB设备发出标准的USB标准命令，获取设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等；向插入的USB设备发出USB MassStorage类命令，获取设备的容量等基本信息及对设备进行读写操作。

(3)USB Device模块：向PC机报告USB设备的插入；响应PC机发出的标准的USB命令，返回相应的数据，如各种描述符等。此时返回的描述符应为安全控制器的描述符；响应PC机发出的USB MassStorage命令，返回设备的基本信息，此时返回的基本信息应为U盘的信息。

(4)加解密模块[6]：身份认证方案的实现，如用户口令的保存、更改等；加解密算法的高速实现及密钥的保护等。

(5)DMA模块：DMA控制器的配置、启动等。

安全控制器固件层次划分如图4所示，主要包括硬件抽象层、USB协议层和批量传输层。硬件抽象层主要实现NiosⅡ处理器对外设的读写以及对ISP1761芯片内部寄存器和存储器的访问；USB协议层通过对ISP1761芯片的控制实现USB协议；批量传输层则实现MassStorage类的操作，通过Bulk-In和Bulk-Out端点，完成CBW、数据、CSW的传输。安全控制器在批量传输层对数据进行扇区级的加解密操作，不进行文件系统级的解析。


3.2 整体工作流程

以一次PC机向U盘写数据的过程为例，U盘安全控制器的工作流程如图5所示。

(1)U盘安全控制器初始化；

(2)循环检测ISP1761芯片Host接口的状态，判断是否有USB设备插入；

(3)若检测到USB设备，判断设备是否是USB MassStorage类设备；

(4)若是USB MassStorage类设备，则向PC机报告设备的插入，否则返回步骤(2)；

(5)安全控制器响应PC机发出的命令，包括USB标准命令和Mass Storage类命令，返回描述符及所插入设备的基本信息；

(6)PC机发出写(Write10)命令及数据，安全控制器将数据加密，然后向U盘转发写命令及加密后的数据；

(7)一次传输过程结束。

本文针对USB存储设备的安全问题，利用SoPC技术，设计实现了U盘安全控制器，并在terasic公司的DE3开发板上得到验证。结果表明，该控制器将普通U盘升级为安全U盘，保证U盘中的数据都以密文形式存在，方便快捷、安全性高，具有广泛的应用前景。下一步重点是研究密码方案，如身份认证方案的设计、密钥的保护及加解密算法的高速实现等。