摘要：隨著信息量的急劇增長(zhǎng)，信息安全日益受到人們重視。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)應(yīng)該 具備安全可靠的密碼認(rèn)證機(jī)制和加解密算法。本文基于MEMS 強(qiáng)鏈、USB 控制器和FPGA 設(shè) 計(jì)了一種USB 接口的高效數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)，采用AES 加密算法。普通IDE 硬盤(pán)掛接該系統(tǒng)后 成為安全性極高的加密USB 移動(dòng)硬盤(pán)，其平均數(shù)據(jù)吞吐率接近普通U 盤(pán)，達(dá)到10MB/s.
　1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

　　該系統(tǒng)由Cypress CY7C68013 USB2.0 控制器、Altera EP2C35 FPGA 和MEMS 強(qiáng)鏈構(gòu)成， 圖1 描述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件布局。

　　MEMS 強(qiáng)鏈負(fù)責(zé)對(duì)用戶(hù)輸入的密碼進(jìn)行驗(yàn)證。CY7C68013 USB 控制器內(nèi)含增強(qiáng)型51 核，它不 但能高效處理USB 協(xié)議事務(wù)，而且是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。EP2C35 FPGA 一端連接USB 控制 芯片的GPIF 接口，一端連接IDE 硬盤(pán)，它負(fù)責(zé)從IDE 總線(xiàn)中區(qū)分出控制信號(hào)、讀寫(xiě)硬盤(pán)寄存器的數(shù)據(jù)信號(hào)和讀寫(xiě)硬盤(pán)扇區(qū)的數(shù)據(jù)信號(hào)，然后僅對(duì)寫(xiě)入硬盤(pán)扇區(qū)的數(shù)據(jù)作加密處理，對(duì)讀出 硬盤(pán)扇區(qū)的數(shù)據(jù)作解密處理。

　　2. MEMS 強(qiáng)鏈

　　MEMS 強(qiáng)鏈的棘爪能卡住棘輪，從而能精確定位到固定的位置，棘爪裝有電磁驅(qū)動(dòng)型電機(jī)， 使其具有誤碼鑒別與自復(fù)位功能，因而可用于信息安全，實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能。鑒碼機(jī)構(gòu)由兩組 電磁型微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)反干涉齒輪集A 和B，反干涉碼輪集中機(jī)械固化了密碼。反干涉齒輪集 在正確解碼時(shí)，碼齒之間互相沒(méi)有接觸；當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)，碼齒相互干涉，反干涉齒輪集卡死。 使用光電耦合機(jī)構(gòu)，在正確接收到24 位密碼時(shí)光電能量耦合，系統(tǒng)開(kāi)啟。圖2 是MSMS 強(qiáng)鏈 結(jié)構(gòu)圖。

　　3. 物理密鑰與密碼認(rèn)證

　　物理密鑰是相對(duì)于邏輯密鑰而言的，邏輯密鑰通常以二進(jìn)制形式存在于芯片內(nèi)部ROM 區(qū)， 容易被破解。而物理密鑰固化在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部。本設(shè)計(jì)采用的反向嚙合齒輪集鑒碼機(jī)構(gòu)所蘊(yùn)含 的密鑰就屬于物理密鑰。它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)隱含，不是專(zhuān)業(yè)人士即使知道了鑒碼機(jī)構(gòu)，也很難推出 其密碼。

　　密碼認(rèn)證開(kāi)始時(shí)，USB 控制器把接收到的來(lái)自PC 的24 位待驗(yàn)證二進(jìn)制密碼以脈沖的形 式傳遞給強(qiáng)鏈。強(qiáng)鏈的電機(jī)會(huì)根據(jù)脈沖驅(qū)動(dòng)碼輪。若密碼正確，反干涉齒輪*無(wú)摩擦的走通 一周回到原位；只要有一位密碼錯(cuò)誤，反干涉齒輪*在該位卡死。USB 控制器根據(jù)強(qiáng)鏈的反 饋信號(hào)作出判斷，如果驗(yàn)證通過(guò)，則將該系統(tǒng)枚舉成一個(gè)可移動(dòng)磁盤(pán)，并把該正確密碼傳遞給 FPGA，作為AES 加密算法的密鑰；否則向PC 機(jī)返回驗(yàn)證失敗的信息。

　　4. ATA 協(xié)議控制器的實(shí)現(xiàn)

　　從密碼認(rèn)證通過(guò)，枚舉開(kāi)始的那一刻起，USB 控制器得到了對(duì)硬盤(pán)的訪問(wèn)權(quán)。 根據(jù) ATA 協(xié)議，對(duì)支持Ultra DMA 傳輸方式的IDE 硬盤(pán)而言，操作歸結(jié)為兩種，對(duì)硬盤(pán)接 口寄存器讀寫(xiě)以及對(duì)硬盤(pán)扇區(qū)進(jìn)行Ultra DMA 批量扇區(qū)。為了對(duì)硬盤(pán)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密，我們把 FPGA 插入連接GPIF 接口和硬盤(pán)接口的IDE 總線(xiàn)，這樣所有控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)都要通過(guò) FPGA，受到FPGA 的監(jiān)視和控制。

　　FPGA 必須實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行協(xié)議解析，區(qū) 分出那些需要加解密的扇區(qū)數(shù)據(jù)，也就是在Ultra DMA 傳輸過(guò)程中出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)。 在PIO 狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA 讓所有信號(hào)保持直通，因而讀寫(xiě)硬盤(pán)接口寄存器的操作不受任何影響，但狀態(tài)機(jī)監(jiān)測(cè)對(duì)硬盤(pán)接口寄存器的寫(xiě)入操作。一旦發(fā)現(xiàn)寫(xiě)入命令寄存器的命令代碼為DMA 讀 （0xC8 或0x25）或DMA 寫(xiě)（0xCA 或0x35）命令，則有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)入DMA 狀態(tài)。

　　因?yàn)榭紤]到數(shù)據(jù)經(jīng)加解密模塊會(huì)有200ns 左右的延時(shí)，如果控制信號(hào)仍然直通一定不能滿(mǎn) 足DMA 傳輸協(xié)議的時(shí)序要求，所以理想的辦法是把控制信號(hào)也延時(shí)相應(yīng)的時(shí)間。

　　延時(shí)多少的確定很困難，況且也沒(méi)有必要，我們采取的方法是設(shè)計(jì)了三個(gè)主要模塊：數(shù)據(jù) 接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，連成一條處理流水線(xiàn)，這樣既能對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行完全 時(shí)序化的控制，又能維持較高的數(shù)據(jù)吞吐。如圖3 所示。數(shù)據(jù)接收模塊的任務(wù)是把硬盤(pán)發(fā)送過(guò)來(lái)的讀扇區(qū)數(shù)據(jù)或者USB 控制器發(fā)送來(lái)的寫(xiě)扇區(qū)數(shù) 據(jù)正確的接收和緩存；數(shù)據(jù)處理模塊的任務(wù)是對(duì)扇區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密處理；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 的任務(wù)是把處理完的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　由于數(shù)據(jù)流是雙向的，所以?xún)蓚€(gè)方向上各有一條數(shù)據(jù) 收發(fā)流水線(xiàn)。在一次DMA 傳輸中，只有一條流水線(xiàn)是工作的，且它們暫時(shí)獲得IDE 總線(xiàn)的控 制權(quán)。

　　不失一般性，我們討論下執(zhí)行DMA 讀命令的全過(guò)程。首先，在PIO 狀態(tài)下將DMA 讀命 令的代碼0xC8（或0x25）寫(xiě)入硬盤(pán)的命令寄存器。此后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入DMA 讀狀態(tài)，總線(xiàn)切換給 DMA 讀數(shù)據(jù)接收模塊和DMA 讀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。DMA 讀數(shù)據(jù)接收模塊與硬盤(pán)進(jìn)行握手確認(rèn)， 啟動(dòng)UDMA 讀傳輸，此后每當(dāng)硬盤(pán)DMA strobe 信號(hào)（DMA 同步信號(hào)）發(fā)生跳變，就對(duì)16 位 硬盤(pán)數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行采樣，并更新CRC 接收校驗(yàn)；每采樣8 次則整合成一個(gè)128 位并行數(shù)據(jù)，提 供給AES 解密模塊，該模塊取走這128 位數(shù)據(jù)開(kāi)始新一輪AES 解密迭代運(yùn)算，同時(shí)輸出前一 輪處理完的128 位解密數(shù)據(jù)，并拆分為8 個(gè)16 位并行數(shù)據(jù)，陸續(xù)存入一個(gè)16 位寬的FIFO。與 此同時(shí)，DMA 讀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊查詢(xún)到FIFO 中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)，就開(kāi)始不斷的從中讀取，并放在16 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)上提供給USB 控制器，每放一次數(shù)據(jù)，便翻轉(zhuǎn)一次DMA strobe 電平使得USB 控制 器的GPIF 接口能夠同步接收數(shù)據(jù)，同時(shí)更新CRC 發(fā)送校驗(yàn)。

　　當(dāng)硬盤(pán)把所有指定數(shù)量的加密數(shù)據(jù)都發(fā)送給FPGA 后會(huì)收到FPGA 的CRC 接收校驗(yàn)反饋， 若與硬盤(pán)內(nèi)部的CRC 校驗(yàn)一致，則硬盤(pán)認(rèn)為這次DMA 讀命令被正確執(zhí)行。

　　當(dāng) FPGA 把所有處理完的解密數(shù)據(jù)都發(fā)送給USB 控制器后也會(huì)收到USB 控制器的CRC 校 驗(yàn)反饋，若與FPGA 內(nèi)部的CRC 發(fā)送校驗(yàn)一致，則可以認(rèn)為一次完整的含解密的DMA 讀命令 被正確執(zhí)行。

    圖 3 中的全局控制狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)，它實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)PIO 寫(xiě)入命令，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)把IDE 總線(xiàn)控制權(quán)切換給加密流水線(xiàn)或解密流水線(xiàn)。當(dāng)加解密流水線(xiàn)執(zhí)行完一次 DMA 傳輸命令后，總線(xiàn)控制權(quán)會(huì)重新交還給全局控制狀態(tài)機(jī)。

　　5. AES 加密模塊的實(shí)現(xiàn)

　　AES 的設(shè)計(jì)原理可參考文獻(xiàn)[1]，下面只簡(jiǎn)單介紹算法過(guò)程。AES 是一個(gè)迭代的分組密碼， 每一輪迭代稱(chēng)為一個(gè)輪變換，包括一個(gè)混合和三個(gè)代換：

　　（1）字節(jié)代換（SubBytes）：利用S 盒對(duì)狀態(tài)的每一個(gè)字節(jié)進(jìn)行非線(xiàn)性變換。

　?。?）行移位（ShiftRow）：對(duì)狀態(tài)的每一行，按不同的位移量進(jìn)行行移位。

　?。?）列混合（MixColumn）：對(duì)狀態(tài)中的每一列并行應(yīng)用列混合，在最后一輪省略該步。

　?。?）擴(kuò)展密鑰加（AddRoundKey）：與擴(kuò)展密鑰異或。 加密算法的流程如圖4 所示。

　　相應(yīng)的，解密算法使用逆序的擴(kuò)展密鑰，輪變換分別為InvSubByte，InvShiftRow， InvMixColumn，數(shù)據(jù)流程稍有不同。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的AES 加密運(yùn)算模塊以128 位為一個(gè)分組，完成一個(gè)分組的運(yùn)算需要11 個(gè)時(shí)鐘 周期。第1 個(gè)時(shí)鐘周期，密鑰擴(kuò)展模塊輸出第1 個(gè)擴(kuò)展密碼，也就是初始密碼本身；同時(shí)初始 變換模塊用這個(gè)擴(kuò)展密碼對(duì)128 位明文作AddRoundKey 操作。

　　第2 個(gè)到第11 個(gè)時(shí)鐘周期，密 鑰擴(kuò)展模塊依次生成10 個(gè)擴(kuò)展密碼，同時(shí)，輪變換模塊利用這些擴(kuò)展密碼對(duì)輸入密文作10 個(gè) 輪次的輪變換，其中最后一輪缺少列混合操作，然后輸出最終的密文，結(jié)束一個(gè)分組的運(yùn)算。

　　6. 數(shù)據(jù)吞吐率分析

　　Ultra DMA 在模式2 下的數(shù)據(jù)傳輸率為33.33MB/s。由于FPGA 全局時(shí)鐘頻率為100MHz， 所以加解密一個(gè)128 位分組需要110ns。加上數(shù)據(jù)的輸入和輸出階段各占用一個(gè)時(shí)鐘周期，總共 需要130ns。所以加解密模塊的數(shù)據(jù)處理速率約為61.54MB/s，完全能夠達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。

　　7. 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種安全高效的USB 移動(dòng)硬盤(pán)數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)。其中，MEMS 強(qiáng)鏈的應(yīng)用開(kāi)辟 了系統(tǒng)物理認(rèn)證的新方向；Ultra DMA 協(xié)議接口的FPGA 實(shí)現(xiàn)大大提高了硬盤(pán)讀寫(xiě)的吞吐率，同時(shí)AES 加解模塊的處理速率又能完全滿(mǎn)足Ultra DMA 傳輸帶寬，兩者的有機(jī)協(xié)作使得一種高 效的硬件加解密流水線(xiàn)得以實(shí)現(xiàn)。