CN101281505A - 基于mems强链的pci接口硬盘加密系统 - Google Patents

Abstract

一种信息安全技术领域的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统。本发明中，IDE硬盘通过PCI接口硬盘加密卡转换为PCI接口与主机通信；基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统的驱动及认证模块驱动PCI接口硬盘加密卡，通过写PCI接口芯片把指令传送到FPGA内部驱动MEMS强链解码。MEMS强链正确解码产生的密钥信号作为硬盘数据加密解密模块的密钥。身份认证通过后，计算机即通过PCI接口对加密硬盘进行读写。本发明达到通过物理方法产生密钥加密硬盘的目的，安全性高，并将IDE接口硬盘转换为PCI接口硬盘，节省了计算机的物理空间。

Description

基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统

技术领域

本发明涉及的是一种计算机信息安全技术领域的系统，具体的说，涉及的是一种基于MEMS(微机电系统)强链的PCI接口硬盘加密系统。

背景技术

计算机信息安全对于企业、政府、国防等部门有着重要的意义。一般现有的硬盘加密方法都通过存储介质保存密钥，使用比较器比对输入密钥正确与否，此方法保密性差，易于破解。并且大多硬盘加密系统不具有认证功能，能够进入系统的非法用户还是可以读取硬盘信息，系统的安全保密作用大大降低。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“计算机硬盘数据加密卡”，公开号CN200990081，公开日2007年12月12日，该系统由连接主机和待加解密硬盘之间的桥接电路设备和提供身份认证、ID认证的电子钥匙组成。此专利通过对电子钥匙中的密钥和电路内部的密钥进行比对来启动硬盘，这也是一种通过存储器保存密钥的方法，易于被非法用户破解，保密性差。检索中还发现，中国专利“基于MEMS强链的硬盘加密系统”，公开号CN1838289，公开日期2006年9月27日，采用MEMS强链加密卡驱动及认证模块与PCI强链加密专用板，利用MEMS强链运行所反馈的信号产生用于硬盘加解密的密钥，达到通过物理方法加密硬盘的目的，安全性高。该专利中硬盘通过IDE接口连接计算机，而硬盘加密卡通过PCI接口连接计算机，在主机中占用了很多空间。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，使计算机通过PCI接口对硬盘数据进行加解密操作，使普通IDE接口硬盘转换为PCI接口硬盘，还可以使其达到通过物理方法产生密钥加密硬盘的目的。本发明取消了IDE接口，计算机直接通过PCI接口与硬盘进行数据传输，并对PCI强链硬盘加密卡进行改进，将MEMS强链控制模块、密钥处理模块以及数据加密解密模块集中在同一块FPGA专用芯片上，结合MEMS强链、PCI接口芯片以及硬盘加密系统，其中MEMS强链中机械固化了32位密码，以此作为FPGA硬盘数据加密解密模块的密钥，只容许合法用户开启和读写加密硬盘，保证计算机的非系统盘(从盘)的数据安全。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡、基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块、MEMS强链。其中：

所述基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡包括：PCI芯片、EEPROM PCI配置芯片、FPGA专用芯片、MEMS强链驱动电路；

所述FPGA专用芯片中包括：MEMS强链控制模块、密钥处理模块、数据加密解密模块；

其中：PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块以PCI协议通讯方式与PCI接口硬盘加密卡通讯，EEPROM PCI配置芯片配置PCI芯片，执行身份认证后，认证模块通过PCI芯片把指令传输给MEMS强链控制模块，MEMS强链控制模块将指令转换为控制字，输出到MEMS强链驱动电路，驱动MEMS强链进行解码，解码的同时MEMS强链产生密钥信号，密钥处理模块读取MEMS强链发来的密钥信号，判断正确码或是错误码的来临，若取得32位正确码，发送密钥到数据加密解密模块，硬盘信息即正确读写，若判断错误码来临，由密钥处理模块发送复位相位到MEMS强链控制模块执行MEMS强链复位动作，然后等待下一次身份认证；

当身份认证通过后，主机识别出该硬盘，通过PCI接口对该硬盘进行读写操作，数据加密解密模块对从主机写入加密硬盘的数据进行加密处理，对从加密硬盘中读出的数据进行解密处理，主机和数据加密解密模块之间通过PCI芯片建立数据通道以进行数据传输，所需要进行数据加解密处理的硬盘为计算机的非系统盘。

所述的FPGA专用芯片与PCI芯片相连，通过PCI接口与计算机通信，FPGA专用芯片由计算机通过PCI接口供电，并通过PCI芯片接收主机信号。PCI芯片可以将计算机发出的指令直接传输给FPGA专用芯片，也可以将FPGA专用芯片中的数据传输给计算机。计算机通过PCI接口读写加密硬盘的数据都需要通过PCI芯片进行传输。

所述的EEPROM PCI配置芯片用于配置PCI芯片，使其正常工作。

所述的MEMS强链控制模块为固化在FPGA内的一个数据处理模块，其输入端为PCI芯片的局部数据总线，输出端连接MEMS强链驱动电路；MEMS强链控制模块接收PCI总线通过PCI芯片传输过来的强链控制命令，将其转换为控制信号通过MEMS强链驱动电路驱动MEMS强链，所述的MEMS强链驱动电路是由4块L6234电机驱动芯片组成，每块L6234驱动一个微电机。

所述的密钥处理模块为FPGA专用芯片内部的一个数据处理模块，输入连接MEMS强链密钥输出线，用来接收其密钥信号；输出连接数据加密解密模块和PCI局部数据总线。在MEMS强链运行过程中，密钥处理模块接收MEMS强链的密钥信号，密钥接收完后，将该密钥与密钥处理模块中存储的32位密钥进行比对，如果接收的密钥正确，则将该密钥传给数据加密解密模块，同时通过PCI总线传送认证成功信号给身份认证模块；如果接收的密钥错误，则通过PCI总线传送认证错误信号给身份认证模块。

所述的数据加密解密模块连接PCI局部总线和IDE硬盘，同时连接密钥处理模块用来接收密钥。数据加密解密模块采用经典的AES-128加密算法，对主机在读写硬盘数据传输时的数据信号流，进行加密解密处理；对于主机在读写硬盘数据传输时的控制信号流，不对其进行加密解密处理。

所述的MEMS强链是一种物理加密装置，它以反干涉齿轮集固化32位二元密码。两个鉴码电机的轴上都装有耦合机构。其耦合盘上设计了与硬盘加密系统密钥对应的缺口。在其解码过程中，耦合机构产生一串信号，以这种物理的方式产生的信号作为硬盘加密系统的密钥。

所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统驱动及身份认证模块，其中驱动部分用于在操作系统环境下驱动PCI接口硬盘加密卡，使计算机可以对PCI芯片进行读写操作，并在身份认证通过后，可以读取硬盘信息。身份认证部分是装载在非加密硬盘操作系统环境下的一个身份认证程序，提供基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统的身份认证功能，若身份认证模块接收到成功信号，则读取硬盘信息，进而可以对硬盘进行读写操作；若身份认证模块接收到解密错误信号，则输出复位信号以复位MEMS强链到初始位置，等待下一次身份认证。

本发明使用MEMS强链特有的机械结构产生密钥，用此密钥参与硬盘加密系统。计算机中装有两块硬盘，一块硬盘为主盘直接与主板相连，其中装有操作系统，数据不做加密处理，可以直接读取。另一块硬盘为从盘，通过PCI接口硬盘加密卡与主板的PCI接口相连。此硬盘需通过MEMS强链身份认证，如果身份认证通过，被主机识别，同时MEMS强链通过其机械结构产生一串合法密钥，利用此密钥参与加解密系统，此时计算机就可以对挂载在主机上的从盘内的加密数据进行任意地读写操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：把MEMS强链与硬盘加密系统结合在一起极大加强了安全强度，同时本发明中计算机通过PCI插槽与加密硬盘进行数据通信，简化了加密装置，节省了空间。其中MEMS强链采用特殊的物理密码，破解的概率只有二千万分之一；硬盘加密使用了AES-128加密算法对所有扇区数据进行介质加密方法，即使把硬盘偷走，在其他机器上也只能被系统认为是一块未格式化的硬盘，无法读出其中的正确信息。

附图说明

图1为本发明结构框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡、基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块、MEMS强链。

所述基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡包括：PCI芯片、EEPROM PCI配置芯片、FPGA专用芯片、MEMS强链驱动电路。

所述FPGA专用芯片内部固化有MEMS强链控制模块、密钥处理模块、数据加密解密模块。

FPGA专用芯片可由PCI接口供电，基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块以PCI协议通讯方式与PCI接口硬盘加密卡通讯。EEPROM PCI配置芯片配置PCI芯片，执行身份认证后，主机PCI芯片把指令传输给FPGA专用芯片内的MEMS强链控制模块，转换为控制字后输出到MEMS强链驱动电路，驱动MEMS强链进行解码；解码的同时MEMS强链产生密钥信号，密钥处理模块读取MEMS强链发来的密钥信号，判断正确码或是错误码的来临，若取得32位正确码，发送密钥到数据加密解密模块，硬盘信息即正确读写；若判断错误码来临，由密钥处理模块发送复位相位到MEMS强链控制模块执行MEMS强链复位动作，然后等待下一次身份认证。当身份认证通过后，主机识别出该硬盘信息，可以通过PCI接口对该硬盘进行读写操作；

主机向加密硬盘写数据时，主机首先通过PCI芯片将数据传送到数据加密解密模块，数据加密解密模块收到足够数据后暂停与主机之间的数据传输，同时将接收到的数据进行加密处理，然后发送给硬盘，将加密后的数据发送完后，数据加密解密模块再继续和主机之间的数据传输；

主机读取硬盘数据时，数据加密解密模块在接收到主机的读数据信号后，和加密硬盘建立数据通道，读取硬盘中的加密数据；从硬盘中读取的加密数据经过解密处理后，主机和数据加密解密模块通过PCI芯片建立数据传输通道，然后将解密后的数据传送给主机；

主机与硬盘的所有通信都经过PCI芯片和数据加密解密模块，所需要进行数据加解密处理的硬盘为计算机的从盘。

计算机对硬盘的读写操作都通过PCI接口，这相当于将IDE接口硬盘转换为PCI接口硬盘，从而可以节省主机机箱的空间，也使得整个硬盘加密系统的安装更加简洁。

所述的PCI芯片用来连接PCI总线与FPGA专用芯片，一端与PCI总线连接，另一端连接FPGA专用芯片，可以将主机发出的指令直接传输给FPGA专用芯片。主机还可以通过PCI接口给FPGA专用芯片供电。PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块以PCI协议通讯方式通过PCI芯片与FPGA专用芯片通讯，EEPROM PCI配置芯片需正确配置PCI芯片，PCI芯片将认证模块发出的控制信号传输给FPGA专用芯片中的MEMS强链控制模块，然后MEMS强链控制模块输出控制字到MEMS强链驱动电路驱动MEMS强链解码。在身份认证通过后，计算机通过PCI芯片读取硬盘的信息。计算机在对硬盘的写数据时，计算机设置PCI芯片为DMA传输方式，将数据经过PCI芯片传到FPGA的数据加密解密模块，进行加密后传给硬盘；计算机读硬盘时，PCI芯片通过DMA方式将经数据加密解密模块解密的硬盘数据传给计算机。

所述的EEPROM PCI配置芯片用于配置PCI芯片，使计算机可以控制PCI芯片的工作方式。

所述的MEMS强链驱动电路连接MEMS强链和FPGA强链控制模块，由4块L6234电机驱动芯片组成，每块L6234驱动一个微电机。

所述的MEMS强链控制模块固化在FPGA专用芯片内，连接PCI芯片与MEMS强链驱动电路，接收PCI总线通过PCI芯片传输过来的强链控制命令，将其转换为控制信号，通过MEMS强链驱动电路驱动MEMS强链。

所述的密钥处理模块为FPGA内部的一个数据处理模块，输入连接MEMS强链密钥输出线，用来接收其密钥信号；输出连接数据加密解密模块和PCI局部数据总线。在MEMS强链运行过程中，密钥处理模块接收MEMS强链的密钥信号，密钥接收完后，将该密钥与密钥处理模块中存储的32位密钥进行比对，如果接收的密钥正确，则将该密钥传给数据加解密模块，同时通过PCI总线传送认证成功信号给身份认证模块；如果接收的密钥不正确，则通过PCI总线传送认证错误信号给身份认证模块。

所述的数据加密解密模块固化在FPGA专用芯片内，连接PCI局部总线和IDE硬盘，同时连接密钥处理模块用来接收密钥。数据加解密模块采用经典的AES-128加密算法，对主机在读写硬盘数据传输时的数据信号流，进行加密解密处理；对于主机在读写硬盘数据传输时的控制信号流，不对其进行加密解密处理。主机写硬盘时，数据通过数据加密解密模块进行AES加密，加密后将数据传输给硬盘；主机读硬盘时，硬盘数据通过数据加密解密模块进行AES解密，解密后传输给计算机。

所述的MEMS强链是一种物理加密装置，它以反干涉齿轮集固化32位二元密码。两个鉴码电机的轴上都装有耦合机构。其耦合盘上设计了与硬盘加密系统密钥对应的缺口。MEMS强链由MEMS强链驱动电路驱动解码，在其解码过程中，耦合机构产生一串密钥信号，并将密钥信号传给FPGA内的密钥处理模块，以这种物理的方式产生的密钥信号作为硬盘加密系统的密钥。

所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统驱动及身份认证模块，其中驱动部分用于在操作系统环境下驱动PCI接口硬盘加密卡，使计算机可以对PCI芯片进行读写操作，并在身份认证通过后，可以读取硬盘信息。身份认证部分是装载在非加密硬盘操作系统环境下的一个身份认证程序，提供基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统的身份认证功能。此程序利用C++语言，在VC环境下编写，适用于所有Windows平台的操作系统。认证模块通过对PCI芯片进行直接读写操作，将所输入的指令由PCI芯片传输给MEMS强链控制模块，然后等待MEMS强链控制模块传回来的反馈信号，通过鉴别反馈信号来判断认证是否通过。运行身份认证模块后，如果身份认证通过，则数据加密解密模块以强链密钥信号对数据进行加密、解密操作，主机识别出此加密硬盘，可以读取存储在此硬盘上的加密信息。如果身份认证失败，主机无法识别出此硬盘，同时复位MEMS强链到初始位置，继续下一次身份认证。

上述系统工作时，编写基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块，在非加密硬盘操作系统环境下加载，在进行MEMS强链认证前，加密盘盘符不可见。需通过认证程序认证，才能在资源管理器中看到加密硬盘盘符，并读取其中资料。

认证程序首先弹出窗口要求输入密码。输入密码确认后，MEMS强链加密卡驱动及认证模块以PCI协议通讯方式与PCI强链加密专用板通讯，EEPROM PCI配置芯片配置PCI芯片，使得PCI总线指令可以通过PCI芯片传送到MEMS强链控制模块，用以通过MEMS强链驱动电路驱动MEMS强链锁执行鉴码动作。

在鉴码的同时，由MEMS强链机械结构产生密钥信号传输至密钥处理模块。密钥处理模块在接收到一个密钥信号时，把此密钥保存，并且计数器从零开始计数，到下一个密钥信号来临后清零，并与前几个密钥一起保存起来，重新开始计数，这些保存的密钥与MEMS强链的走码位一致，当计数器超时的时候说明遇到错位码。在密钥处理模块接收到32位密钥后，与密钥处理模块内存储的32位密钥进行对比，如果比较无误，则说明得到的密钥是正确的，由密钥处理模块把此密钥传输至数据加密解密模块，数据加密解密模块根据此密钥解密硬盘信息，由此可以正确读取资料，并正确写入数据；如果接收到的32位密钥与所存储的密钥有差别，则表明解码有问题，于是密钥处理模块发送解码异常信号给认证模块，等待认证模块进行下一次身份认证。如果计数器计数超出设定的最大值还没接收到下一个密钥信号来临，说明MEMS强链遇到错位锁死。这时MEMS强链需要复位，密钥处理模块根据所记录的密码位，输出解码错误信号和解码信息到MEMS强链控制模块，MEMS强链控制模块将此解码错误信号反馈给认证模块，认证模块在得到解码错误信号后发送复位信号给MEMS强链控制模块，控制MEMS强链反向走码复位到初始相位。认证失败后，需要再次输入密码，重新进行认证。

身份认证通过后，计算机读取硬盘信息，设备管理器里面出现硬盘盘符，然后就可以对该硬盘进行读写操作，所有写入该硬盘的数据都会进行加密，从硬盘读出的数据都已经过解密。在加密硬盘首次使用时，认证通过后还需在操作系统环境下分区并格式化硬盘，使其分区表也作加密处理，然后才能读写信息。

Claims (7)

1、一种基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，包括：基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡、PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块、MEMS强链，其特征在于：

所述基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡包括：PCI芯片、EEPROM PCI配置芯片、FPGA专用芯片、MEMS强链驱动电路；

所述FPGA专用芯片中包括：MEMS强链控制模块、密钥处理模块、数据加密解密模块；

其中：基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块以PCI协议通讯方式与PCI接口硬盘加密卡通讯，EEPROM PCI配置芯片配置PCI芯片，执行身份认证后，身份认证模块通过PCI芯片把指令传输给MEMS强链控制模块，MEMS强链控制模块将指令转换为控制字，输出到MEMS强链驱动电路，驱动MEMS强链进行解码，解码的同时MEMS强链产生密钥信号，密钥处理模块读取MEMS强链发来的密钥信号，判断正确码或是错误码的来临，若取得32位正确码，发送密钥到数据加密解密模块，硬盘信息即正确读写，若判断错误码来临，由密钥处理模块发送复位相位到MEMS强链控制模块执行MEMS强链复位动作，然后等待下一次身份认证；

当身份认证通过后，主机识别出该硬盘，通过PCI接口对该硬盘进行读写操作，数据加密解密模块对从主机写入加密硬盘的数据进行加密处理，对从加密硬盘中读出的数据进行解密处理，主机和硬盘数据加密解密模块之间通过PCI芯片建立数据通道以进行数据传输，所需要进行数据加解密处理的硬盘为计算机的非系统盘。

2、根据权利要求1所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，其特征是，所述的FPGA专用芯片与PCI芯片相连，通过PCI接口与计算机通信，FPGA专用芯片由计算机通过PCI接口供电，并通过PCI芯片接收主机信号。

3、根据权利要求1所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，其特征是，所述的MEMS强链控制模块接收PCI总线通过PCI芯片传输过来的强链控制命令，将其转换为控制信号通过MEMS强链驱动电路驱动MEMS强链，MEMS强链驱动电路是由4块L6234电机驱动芯片组成，每块L6234驱动一个微电机。

4、根据权利要求1所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，其特征是，所述的密钥处理模块输入连接MEMS强链密钥输出线，用来接收其密钥信号，输出连接数据加密解密模块和PCI局部数据总线，在MEMS强链运行过程中，密钥处理模块接收MEMS强链的密钥信号，密钥接收完后，将该密钥与密钥处理模块中存储的32位密钥进行比对，如果接收的密钥正确，则将该密钥传给数据加解密模块，同时通过PCI总线传送认证成功信号给身份认证模块，如果接收的密钥错误，则通过PCI总线传送认证错误信号给身份认证模块。

5、根据权利要求1或4所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统，其特征是，所述的数据加密解密模块连接PCI局部总线和IDE硬盘，同时连接密钥处理模块用来接收密钥，数据加解密模块采用经典的AES-128加密算法，对主机在读写硬盘数据传输时的数据信号流，进行加密解密处理；对于主机在读写硬盘数据传输时的控制信号流，不对其进行加密解密处理。

6、根据权利要求1所述的基于MEMS强链和PCI接口的硬盘加密系统，其特征是，所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密卡驱动及身份认证模块，其中驱动部分用于在操作系统环境下驱动PCI接口硬盘加密卡，使计算机可以对PCI芯片进行读写操作，并在身份认证通过后，可以读取硬盘信息，身份认证部分是装载在非加密硬盘操作系统环境下的一个身份认证程序，提供基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统的身份认证功能，若身份认证模块接收到成功信号，则读取硬盘信息，进而对硬盘进行读写操作，若身份认证模块接收到解密错误信号，则输出复位信号以复位MEMS强链到初始位置，等待下一次身份认证。

7、根据权利要求1或6所述的基于MEMS强链和PCI接口的硬盘加密系统，其特征是，所述的基于MEMS强链的PCI接口硬盘加密系统驱动及认证模块通过对PCI芯片进行直接读写操作，将所输入的指令由PCI芯片传输给MEMS强链控制模块，然后等待密钥处理模块传回来的反馈信号，通过鉴别反馈信号来判断认证是否通过，若认证通过，则通过PCI接口读取此硬盘信息，实现对硬盘加密数据的读写；若认证错误失败，发送复位信号给MEMS强链控制模块，使MEMS强链复位到初始位置，继续下一次认证。

Images