基于NiosⅡ的U盤安全控制器設計

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、可靠性高等優點，得到了越來越廣泛的應用，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，設計實現了一款基于NiosⅡ處理器的U盤安全控制器。該控制器位于PC機和U盤之間，通過對U盤進行扇區級的加解密操作，將普通U盤升級為安全U盤，保證U盤中數據的安全性。控制器遵循USB MassStorage類協議，無需專用驅動，即插即用，具有靈活方便、安全性高等優點[1]。

1 安全控制器的整體設計

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行任意的操作。因此，普通U盤一旦丟失，其存儲的數據則毫無安全性可言。針對這一問題，目前已經有多種解決方法，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盤和PC機進行數據傳輸時，加解密模塊在微處理器的控制下對數據流進行加解密操作，使得U盤存儲芯片中的數據都以密文形式存在。當PC機對數據進行讀寫時，首先需要進行身份認證，若認證不通過，則讀寫操作不能進行，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盤通過加解密和認證相結合的方法，保證其存儲數據的安全性。

專用安全U盤由于保密性高的優勢，在一些特殊場合得到了廣泛的應用。然而安全U盤也有自身的不足，主要表現在：

(1)成本高。與普通U盤相比，安全U盤硬件構造復雜，成本通常為普通U盤的數倍乃至數十倍。

(2)開發難度大。安全U盤開發涉及USB協議、加解密算法、密鑰保護方案、NandFlash讀寫等，其涉及面廣、開發周期長、工作量大。

(3)密鑰、算法、數據保存在同一載體中。若安全U盤丟失，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盤安全控制器的系統設計

本文借鑒安全U盤的優缺點，按照方便快捷、安全性高的原則，利用SoPC技術，設計實現了U盤安全控制器。片上可編程系統SoPC技術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技術融合的結果，是一種軟硬件協同設計技術。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PLD器件上，構建成一個可編程的片上系統，具有設計靈活、可裁剪、易升級、可編程等優點，同時還有豐富的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。控制器對于PC機表現為一個USB大容量存儲(MassStorage)類設備，而對于U盤，則表現為一個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盤等USB發送命令和數據，加解密模塊則完成數據的加解密，整個系統在微處理器的控制下工作。