利用SOPC的USB密碼模塊硬件與固件設計

SOPC是一種靈活、高效的軟硬件解決方案。本文在研究SOPC密碼模塊設計技術的基礎上，提出了基于SOPC的USB密碼模塊“雙核+雙總線”硬件架構；針對此架構，設計實現(xiàn)了MCU、雙核協(xié)調控制、內(nèi)部總線橋，完成了其固件功能的編程，并通過實驗驗證了該密碼模塊的正確性。

關鍵詞? 密碼模塊? 片上可編程系統(tǒng)（SOPC）? IP核? 信息安全? 架構設計

引言

　　密碼模塊是指被容納在加密邊界范圍中，執(zhí)行認可安全功能（包括加密算法與密鑰產(chǎn)生）的硬件、軟件和固件的組合[1]。集加密存儲、安全認證等功能于一體的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用于保護信息系統(tǒng)和秘密信息的主要工具，具有十分良好的市場應用背景。

　　SOPC(System On a Programmable Chip)技術是一種靈活、高效的軟硬件綜合解決方案。硬件上可裁剪、可擴充、可升級，有豐富的IP核可供集成，使得設計變得十分靈活[23]。

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

1? 基于SOPC的USB密碼模塊總體設計

1.1? 設計思想

　　本設計是基于模塊的設計思想，充分利用SOPC現(xiàn)有資源開發(fā)特殊功能的應用子系統(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構成密碼模塊硬件基礎。以FPGA為控制中心，實現(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、驅動層、應用層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；驅動層包括器件驅動程序；應用層包括基于操作系統(tǒng)的各類應用軟件API。其總體架構如圖1所示。

圖1? USB密碼模塊總體架構

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證、口令設置修改、模塊有效期管理、安全參數(shù)保護管理、數(shù)據(jù)有效期管理、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)銷毀等。

　　口令認證：通過硬件實現(xiàn)用戶對模塊訪問操作的口令認證。

　　口令設置修改：系統(tǒng)設計有多種級別的口令權限，負責不同的操作。

　　模塊有效期管理： 若判斷到達或超過使用期限，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：當達到數(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)寫入加密；讀出時解密，以保證存儲在其內(nèi)的始終是密文。

2? 硬件設計

2.1? 硬件架構模型

　　本文在研究了應用需求的基礎上，提出了圖2所示的硬件架構模型。

圖2? USB密碼模塊系統(tǒng)硬件架構模型

　　它主要包括如下5部分：

　　① 嵌入式微控制器：主要負責模塊的整體協(xié)調以及與外部通信接口的處理，實現(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，加快密碼運算處理速度，專門設計一個專用的微控制器來進行調度密碼運算處理。
　　③ 密碼運算IP核：面向信息安全領域的安全應用，集成對稱、非對稱、雜湊等密碼運算單元，通過內(nèi)部安全控制引擎控制。
　　④ 總線橋：為讓外部接口與內(nèi)部運算模塊更為高效地通信，通過總線橋使兩條總線連接起來，較好地實現(xiàn)時序匹配和數(shù)據(jù)傳輸。
　　⑤ 數(shù)據(jù)存儲模塊：為了讓密碼運算處理模塊與外部接口之間的通信同步，需設計一個數(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)部硬件電路關鍵部件設計

2.2.1? 內(nèi)部安全控制引擎MCU的設計

　　根據(jù)密碼處理的特殊性，MCU一方面要實現(xiàn)兩個設備之間的數(shù)據(jù)直接交換；另一方面要及時對運算完成標志作出快速響應，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：

　　① 直接數(shù)據(jù)傳輸指令： 實現(xiàn)外部存儲器與密碼模塊之間的直接數(shù)據(jù)傳輸。不同于通用微處理器的DMA功能，它通過專用指令實現(xiàn)兩個外部緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換。
　　② 輸入判斷分支指令： 按位對外部輸入信號進行判斷，無須微處理器執(zhí)行算術運算或邏輯運算，即可直接判斷外部引腳電平，決定程序分支。

　　MCU設計：

◆ 采用哈佛結構模型來實現(xiàn)；
◆ MCU為了與嵌入式控制器NiosII更好地協(xié)調工作，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、運算器和程序存儲器的處理效率較高；?
◆ 主要進行數(shù)據(jù)傳輸指令和跳轉指令設計。

　　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，實現(xiàn)各項功能。其電路整體框架如圖3所示。

圖3? MCU電路整體框架

2.2.2? 嵌入式控制器NiosII與內(nèi)部安全控制引擎MCU的協(xié)調控制設計

　　由于本密碼模塊系統(tǒng)較為復雜，內(nèi)嵌的NiosII需要完成數(shù)據(jù)的傳輸、控制、通信、調度等任務。若采用傳統(tǒng)的單CPU結構進行控制，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，在本設計中采用雙CPU設計方案。其相互的協(xié)調控制模型如圖4所示。

圖4? NiosII與MCU相互協(xié)調控制模型

　　對于NiosII而言：

　　外部如有數(shù)據(jù)要進行加/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，返回一個確認信號給NiosII；NiosII接收到確認信號后，則轉入到寫數(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，轉入判斷IP運算核是否有效；若未完成，則繼續(xù)在該狀態(tài)進行等待。當IP運算完后，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，對命令進行解析后，向NiosII發(fā)出確認收到命令信號，并判斷輸入FIFO里有沒有數(shù)據(jù)。若有數(shù)據(jù)，則轉入從輸入FIFO取數(shù)據(jù)狀態(tài)，分組送入密碼運算IP核進行處理，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。當所有數(shù)據(jù)全部處理完成后，做出完成標志。

2.2.3? 總線橋的設計

　　本密碼模塊包括Avalon總線和自行設計的總線，兩條總線通過一個橋模塊進行連接，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進行通信，自行設計的總線主要負責密碼專用控制器MCU與密碼運算IP核之間的通信。為使這兩條總線實現(xiàn)時序匹配，能夠較好地數(shù)據(jù)傳輸，設計了總線橋。

　　總線橋的總體結構如圖5所示。它包括地址譯碼和外設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)機模塊。

圖5? 總線橋總體結構

　　狀態(tài)機模塊主要協(xié)調兩側總線的協(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IP相關的特征信息，產(chǎn)生用于NiosII的控制信號。地址譯碼和外設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IP，并獲取該IP的特征信息。

3? 固件設計

3.1? 固件工作原理

　　USB密碼模塊初始化完成后，首先需要對用戶進行身份認證。驗證通過，即啟動生命期管理模塊，并根據(jù)口令的權限級別，實現(xiàn)對密碼模塊系統(tǒng)的安全訪問。再繼續(xù)接收主機命令，并進行相關操作。

　　若口令驗證不正確，則啟動口令計數(shù)器計數(shù)，繼續(xù)進行口令驗證。當計數(shù)達到預定值時，則鎖定安全專用模塊并清空其所有數(shù)據(jù)，使用戶不能進行任何操作。等待管理員重新進行復位設備操作，銷毀密鑰與數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)的加密存儲以頁為單位進行，調用AES分組加密算法加密。由128位的模塊保護密鑰對每頁（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)啟動后首先進行系統(tǒng)自檢，若自檢不正常就退出模塊；若自檢正常，則調用總控程序，接收用戶命令并進行口令認證。若認證成功，則命令有效，啟動安全期管理，繼續(xù)分析命令，完成相應的控制操作（如口令設置、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。若認證不成功，則進入審計過程，開啟計數(shù)器功能，并繼續(xù)進行口令認證；當計數(shù)達到預定值時，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行重新配置。

圖6? 基于SOPC的USB密碼模塊工作流程

4? 驗證與測試

4.1? 橋的基本讀操作仿真時序

　　從圖7中可以看出，Avalon總線一側信號在ready信號有效時，S_bus總線已經(jīng)將運算IP核處理好的數(shù)據(jù)寫入到橋接器。這時，橋的狀態(tài)檢測模塊進入初始狀態(tài)S0，根據(jù)Avalon總線一端輸入的外設地址及外設接口信號，解析出需要具體寫入的外設接口模塊。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)寫入外設接口模塊了，至此完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。

圖7? 橋基本讀操作

4.2? 橋的基本寫操作仿真時序

　　從圖8中可以看出，S_bus一側在wr_vail信號有效時，Avalon總線已經(jīng)將外設接口核的數(shù)據(jù)寫入到橋接器中。這時，狀態(tài)機從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總線寫入到運算IP核中。

圖8? 橋基本寫操作

4.3? 數(shù)據(jù)加解密模塊驗證

　　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完成運算后，便可讀出密/明文。如此循環(huán)，直至整個過程結束，停止計時。

輸入明文向量：00112233445566778899AABBCCDDEEFF
輸入初始密鑰：000102030405060708090A0B0C0D0E0F
輸出密文結果：69C4E0D86A7B0430D8CDB78070B4C55A

　　AES模塊仿真結果與加密功能測試結果如圖9和圖10所示。

圖9? AES模塊仿真結果

圖10? 加密功能測試結果

　　將得到的運算結果與AES仿真結果相比，以驗證整個加密過程的正確性。結果表明，整個數(shù)據(jù)加密功能正確實現(xiàn)。