基于SOPC的USB密碼模塊硬件與固件設(shè)計

　　引 言

　　密碼模塊是指被容納在加密邊界范圍中，執(zhí)行認(rèn)可安全功能(包括加密算法與密鑰產(chǎn)生)的硬件、軟件和固件的組合。集加密存儲、安全認(rèn)證等功能于一體的USB密碼模塊，可作為USB安全鑰載體、USB加密卡、USB大容量加密存儲體應(yīng)用于保護(hù)信息系統(tǒng)和秘密信息的主要工具，具有十分良好的市場應(yīng)用背景。

　　SOPC(System On a Programmable Chip)技術(shù)是一種靈活、高效的軟硬件綜合解決方案。硬件上可裁剪、可擴(kuò)充、可升級，有豐富的IP核可供集成，使得設(shè)計變得十分靈活。

　　本文提出了基于SOPC的USB密碼模塊設(shè)計思想，其目標(biāo)是設(shè)計一款集加密存儲、安全認(rèn)證等功能于一體的基于SOPC的USB密碼模塊應(yīng)用系統(tǒng)。

　　1 基于SOPC的USB密碼模塊總體設(shè)計

　　1.1 設(shè)計思想

　　本設(shè)計是基于模塊的設(shè)計思想，充分利用SOPC現(xiàn)有資源開發(fā)特殊功能的應(yīng)用子系統(tǒng)。用USB2.0接口控制芯片、有豐富可編程資源的FPGA芯片、安全存儲專用芯片以及大容量Flash構(gòu)成密碼模塊硬件基礎(chǔ)。以FPGA為控制中心，實(shí)現(xiàn)FPGA對相連部件的操作。

　　1.2功能模塊及組成

　　整個模塊系統(tǒng)包括硬件層、固件層、驅(qū)動層、應(yīng)用層4部分。硬件層包括嵌入式主控制器及其周邊環(huán)境、高性能密碼處理單元、內(nèi)部安全控制引擎、應(yīng)用平臺通信接口等模塊；固件層包括協(xié)議棧、嵌入式軟件等；驅(qū)動層包括器件驅(qū)動程序；應(yīng)用層包括基于操作系統(tǒng)的各類應(yīng)用軟件API。其總體架構(gòu)如圖1所示。

　　1.3 安全策略

　　本系統(tǒng)中安全策略包括模塊安全管理和數(shù)據(jù)安全管理。具體內(nèi)容包括基于口令的認(rèn)證、口令設(shè)置修改、模塊有效期管理、安全參數(shù)保護(hù)管理、數(shù)據(jù)有效期管理、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)銷毀等。

　　口令認(rèn)證：通過硬件實(shí)現(xiàn)用戶對模塊訪問操作的口令認(rèn)證。

　　口令設(shè)置修改：系統(tǒng)設(shè)計有多種級別的口令權(quán)限，負(fù)責(zé)不同的操作。

　　模塊有效期管理：若判斷到達(dá)或超過使用期限，則自動銷毀存儲數(shù)據(jù)和安全參數(shù)，并鎖定密碼模塊。

　　數(shù)據(jù)有效期管理：當(dāng)達(dá)到數(shù)據(jù)使用期限時，可自動銷毀存儲在大容量Flash里的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)銷毀：分為自動銷毀和主動銷毀。當(dāng)非法使用、口令攻擊和數(shù)據(jù)有效期失效時，自動銷毀用戶存儲在大容量Flash中的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)加密：使用分組算法，通過密碼模塊密鑰對用戶存儲在大容量Flash中的數(shù)據(jù)寫人加密；讀出時解密，以保證存儲在其內(nèi)的始終是密文。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1硬件架構(gòu)模型

　　本文在研究了應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，提出了圖2所示的硬件架構(gòu)模型。

　　它主要包括如下5部分：

　?、?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式微控制器：主要負(fù)責(zé)模塊的整體協(xié)調(diào)以及與外部通信接口的處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、安全協(xié)議等功能。

　　②內(nèi)部安全控制引擎：為了減少中心控制模塊的工作，加快密碼運(yùn)算處理速度，專門設(shè)計一個專用的微控制器來進(jìn)行調(diào)度密碼運(yùn)算處理。

　?、勖艽a運(yùn)算IP核：面向信息安全領(lǐng)域的安全應(yīng)用，集成對稱、非對稱、雜湊等密碼運(yùn)算單元，通過內(nèi)部安全控制引擎控制。

　?、芸偩€橋：為讓外部接口與內(nèi)部運(yùn)算模塊更為高效地通信，通過總線橋使兩條總線連接起來，較好地實(shí)現(xiàn)時序匹配和數(shù)據(jù)傳輸。

　?、輸?shù)據(jù)存儲模塊：為了讓密碼運(yùn)算處理模塊與外部接口之間的通信同步，需設(shè)計一個數(shù)據(jù)存儲模塊來存儲外部來的數(shù)據(jù)以及加密后來不及輸出的數(shù)據(jù)。

　　2.2 內(nèi)部硬件電路關(guān)鍵部件設(shè)計

　　2.2.1 內(nèi)部安全控制引擎MCU的設(shè)計

　　根據(jù)密碼處理的特殊性，MCU一方面要實(shí)現(xiàn)兩個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)直接交換；另一方面要及時對運(yùn)算完成標(biāo)志作出快速響應(yīng)，以減少不必要的時間延遲。因此，MCU除具備通用微控制器的數(shù)據(jù)傳輸指令之外，還要增加如下2類指令：

　?、僦苯訑?shù)據(jù)傳輸指令：實(shí)現(xiàn)外部存儲器與密碼模塊之問的直接數(shù)據(jù)傳輸。不同于通用微處理器的DMA功能，它通過專用指令實(shí)現(xiàn)兩個外部緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換。

　?、谳斎肱袛喾种е噶睿喊次粚ν獠枯斎胄盘栠M(jìn)行判斷，無須微處理器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，即可直接判斷外部引腳電平，決定程序分支。

　　MCU設(shè)計：

　　◆采用哈佛結(jié)構(gòu)模型來實(shí)現(xiàn)；

　　◆MCU為了與嵌入式控制器NiosII更好地協(xié)調(diào)工作，采用32位寬指令；

　　◆可以同時讀取指令和數(shù)據(jù)，使流水設(shè)計變得簡單易行；

　　◆指令和數(shù)據(jù)都存放在內(nèi)嵌的存儲器中，使控制器、運(yùn)算器和程序存儲器的處理效率較高；

　　◆主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸指令和跳轉(zhuǎn)指令設(shè)計。

　　微控制器主要由取指電路、譯碼電路、執(zhí)行部件3部分組成，實(shí)現(xiàn)各項功能。其電路整體框架如圖3所示。

　　2.2.2嵌入式控制器NiosII與內(nèi)部安全控制引擎

　　MOU的協(xié)調(diào)控制設(shè)計

　　由于本密碼模塊系統(tǒng)較為復(fù)雜，內(nèi)嵌的NiosII需要完成數(shù)據(jù)的傳輸、控制、通信、調(diào)度等任務(wù)。若采用傳統(tǒng)的單CPU結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，因受到CPU速度和自身資源的影響，系統(tǒng)很可能出現(xiàn)任務(wù)過于繁重的情況。一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將不能正常工作。因此，在本設(shè)計中采用雙CPU設(shè)計方案。其相互的協(xié)調(diào)控制模型如圖4所示。

　　對于NiosII而言：

　　外部如有數(shù)據(jù)要進(jìn)行加／解密處理，NiosII首先寫命令到MCU命令接收寄存器，待MCU明確表示接收到命令后，返回一個確認(rèn)信號給：NiosII；NiosII接收到確認(rèn)信號后，則轉(zhuǎn)入到寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。在寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，NiosII把數(shù)據(jù)按一定長度分組進(jìn)行填充，輸入到橋接器的輸入FIFO。待數(shù)據(jù)輸入完后，發(fā)出輸入FIFO有效信號到MCU，轉(zhuǎn)入判斷IP運(yùn)算核是否有效；若未完成，則繼續(xù)在該狀態(tài)進(jìn)行等待。當(dāng)IP運(yùn)算完后，MCU置讀FIFO信號有效，NiosII判斷這個信號有效后直接從橋接器的輸出FIFO，把數(shù)據(jù)從輸出FIFO送到外部接口部件，完成一次數(shù)據(jù)加／解密過程；否則，繼續(xù)等待，超出規(guī)定時限后，發(fā)出錯誤警告。

　　對于MCU而言：

　　MCU接收到NiosII過來的命令，對命令進(jìn)行解析后，向NiosII發(fā)出確認(rèn)收到命令信號，并判斷輸入FIFO里有沒有數(shù)據(jù)。若有數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入從輸入FIFO取數(shù)據(jù)狀態(tài)，分組送入密碼運(yùn)算IP核進(jìn)行處理，待一組處理完后，送數(shù)據(jù)到輸出FIFO，置讀信號有效，完成一次數(shù)據(jù)加／解密過程；若輸入FIFO為空，則等待。當(dāng)所有數(shù)據(jù)全部處理完成后，做出完成標(biāo)志。

　　2.2.3總線橋的設(shè)計

　　本密碼模塊包括Avalon總線和自行設(shè)計的總線，兩條總線通過一個橋模塊進(jìn)行連接，完成總線與總線的數(shù)據(jù)通信。外部接口模塊通過Avalon總線與NiosII進(jìn)行通信，自行設(shè)計的總線主要負(fù)責(zé)密碼專用控制器MCU與密碼運(yùn)算IP核之間的通信。為使這兩條總線實(shí)現(xiàn)時序匹配，能夠較好地數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了總線橋。

　　總線橋的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。它包括地址譯碼和外設(shè)IP選擇模塊、寫數(shù)據(jù)寄存器模塊、讀數(shù)據(jù)寄存器模塊和狀態(tài)機(jī)模塊。

　　狀態(tài)機(jī)模塊主要協(xié)調(diào)兩側(cè)總線的協(xié)議時序，從而滿足數(shù)據(jù)的正確傳輸要求；同時，還將根據(jù)MCU發(fā)送過來的傳輸命令得到外設(shè)IP相關(guān)的特征信息，產(chǎn)生用于NiosII的控制信號。地址譯碼和外設(shè)IP選擇模塊根據(jù)自定義總線發(fā)出的地址信號，譯碼后選擇待操作的外設(shè)IP，并獲取該IP的特征信息。

　　3 固件設(shè)計

　　3.1 固件工作原理

　　USB密碼模塊初始化完成后，首先需要對用戶進(jìn)行身份認(rèn)證。驗(yàn)證通過，即啟動生命期管理模塊，并根據(jù)口令的權(quán)限級別，實(shí)現(xiàn)對密碼模塊系統(tǒng)的安全訪問。再繼續(xù)接收主機(jī)命令，并進(jìn)行相關(guān)操作。

　　若口令驗(yàn)證不正確，則啟動口令計數(shù)器計數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行口令驗(yàn)證。當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)定值時，則鎖定安全專用模塊并清空其所有數(shù)據(jù)，使用戶不能進(jìn)行任何操作。等待管理員重新進(jìn)行復(fù)位設(shè)備操作，銷毀密鑰與數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)的加密存儲以頁為單位進(jìn)行，調(diào)用AES分組加密算法加密。由128位的模塊保護(hù)密鑰對每頁(2 KB)64個分組的存儲數(shù)據(jù)采用密碼反饋鏈接(CBC)模式進(jìn)行加密。

　　3.2 固件工作流程

　　圖6描述了基于SOPC的USB密碼模塊的基本工作流程。系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若自檢不正常就退出模塊；若自檢正常，則調(diào)用總控程序，接收用戶命令并進(jìn)行口令認(rèn)證。若認(rèn)證成功，則命令有效，啟動安全期管理，繼續(xù)分析命令，完成相應(yīng)的控制操作(如口令設(shè)置、密鑰配置、頁讀或頁寫、數(shù)據(jù)銷毀)，然后繼續(xù)等待接收用戶的命令。若認(rèn)證不成功，則進(jìn)入審計過程，開啟計數(shù)器功能，并繼續(xù)進(jìn)行口令認(rèn)證；當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)定值時，將安全Flash中存儲的數(shù)據(jù)和密鑰銷毀，并鎖定密碼模塊，使非法用戶無法使用。只有管理員可以對模塊進(jìn)行重新配置。

　　4 驗(yàn)證與測試

　　4.1 橋的基本讀操作仿真時序

　　從圖7中可以看出，Avalon總線一側(cè)信號在ready信號有效時，S_bus總線已經(jīng)將運(yùn)算IP核處理好的數(shù)據(jù)寫入到橋接器。這時，橋的狀態(tài)檢測模塊進(jìn)入初始狀態(tài)S0，根據(jù)Avalon總線一端輸入的外設(shè)地址及外設(shè)接口信號，解析出需要具體寫入的外設(shè)接口模塊。待數(shù)據(jù)發(fā)送到總線后，然后置讀有效，表示NiosII可以將數(shù)據(jù)寫入外設(shè)接口模塊了，至此完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。

　　4.2橋的基本寫操作仿真時序

　　從圖8中可以看出，S_bus一側(cè)在wr_vail信號有效時，Avalon總線已經(jīng)將外設(shè)接口核的數(shù)據(jù)寫入到橋接器中。這時，狀態(tài)機(jī)從MCU中解析出需要傳輸?shù)降哪康腎P核的地址，將數(shù)據(jù)送到S_bus總線，由S_bus總線寫入到運(yùn)算IP核中。

　　4.3數(shù)據(jù)加解密模塊驗(yàn)證

　　在USB密碼模塊加電后，密碼模塊首先完成自檢、配置寄存器等一系列操作。然后，便可以向數(shù)據(jù)密碼模塊內(nèi)送入數(shù)據(jù)，按用戶要求進(jìn)行操作；此時開始計時，先后寫入需要加密或解密的數(shù)據(jù)，以及加密、解密命令。以上操作完成后，開始寫入數(shù)據(jù)。算法IP完成運(yùn)算后，便可讀出密／明文。如此循環(huán)，直至整個過程結(jié)束，停止計時。

　　輸入明文向量：

　　00112233445566778899AABBCCDDEEFF

　　輸入初始密鑰：

　　000102030405060708090A0B0C0D0E0F

　　輸出密文結(jié)果：

　　69C4E0D86A780430D8CDB7807084C55A

　　AES模塊仿真結(jié)果與加密功能測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

　　將得到的運(yùn)算結(jié)果與AES仿真結(jié)果相比，以驗(yàn)證整個加密過程的正確性。結(jié)果表明，整個數(shù)據(jù)加密功能正確實(shí)現(xiàn)。