基于NiosⅡ的U盘安全控制器设计与实现

摘  要： 针对U盘等存储设备的安全隐患及用户的安全需求，分析目前常见的解决方法，遵循灵活方便、高安全性的原则，利用SoPC技术，设计实现了一款基于NiosⅡ的U盘安全控制器。详细论述了安全控制器的系统设计、硬件架构、固件划分和工作流程。采用高强度的密码算法，对普通U盘中的数据进行扇区级的加解密，保证U盘中数据的安全，具有灵活安全、易于升级的特点。
关键词： U盘；USB主机；NiosⅡ；安全控制器
       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。