CN101315674A

CN101315674A - 保护及访问存储卡发行数据的方法

Info

Publication number: CN101315674A
Application number: CNA2007100746924A
Authority: CN
Inventors: 蔡华波; 李志雄; 钟衍徽
Original assignee: Shenzhen Netcom Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Netcom Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: CN101315674B

Abstract

一种保护及访问存储卡发行数据的方法，用于量产的携带有发行数据的存储卡。所述保护方法包括步骤：设置存储卡固件；写入配置表，包括限定了至少一个私有数据区的IIR表；格式化所述存储卡，建立FAT文件系统；将发行数据写入所述私有数据区；创建接口文件，并提供该接口文件数据区的预定位置逻辑地址为接口地址。从而访问该存储卡时，可以使用普通的文件读写方式来打开接口文件，进行读/写来访问预定的接口地址；执行预定的逻辑读/写操作来产生握手信号；进而访问所述发行数据。使用本发明，保障发行数据安全的同时，避免使用私有命令，有效地简化了驱动程序和应用程序，降低软件的维护成本。

Description

保护及访问存储卡发行数据的方法

技术领域

本发明涉及信息存贮技术，特别涉及静态存贮器存贮技术，尤其涉及加密数据在存储卡上的存贮及访问方法。

背景技术

数字化信息经存贮后更容易被大众访问分享。基于艺术家、电影厂商以及音乐人等内容数据发行商对这些数字化信息日益强烈的保护要求，4C(Intel、IBM、松下和东芝等公司)联盟开发了CPRM(Content Protection for Recordable Media，即可记录媒介的内容保护)技术。该技术建立了播放器设备在保存数字节目时进行加密、读出数据后进行解密播放的一种保护机制。实现该机制的关键是，在记录媒介上载有加密/解密时所需要的密钥(KEY)；这样，支持CPRM的播放器(或用户程序，下同)可以接收并播放原有带密钥媒介上的CPRM数字节目，而被拷贝出去的CPRM数字节目由于新存储媒介不带有相应密钥而无法被使用。

上述技术的缺陷很明显：若有一批存储载体拥有同样的CPRM密钥值，则在这批载体之间进行复制的CPRM数字节目是可互用的。

现有包括SD、MMC、CF、MemoryStick卡等在内的存储卡，都是由CPU主控制器与快闪(Flash)存储器组成的。其中快闪存储器是一种非挥发性存储器，能在无电源环境下保存数据。CPU主控制器负责处理外来指令并管理这些存储器中的数据，具体如：当存储卡上电后，主控制器读取存储器中的IIR表(Internal Informateion Talbe，即内部信息表，可以包括制造厂商名、产品名、生产时间、闪存容量、闪存划分等内容)以获取当前卡的内部信息，再根据该IIR表的内容对卡进行初始化，最后存储卡进入正常工作状态。在所述工作状态主控制器接收来自主机的命令，并根据该命令请求进行相应操作，来实现存储卡与主机之间的数据交换，例如读取卡的基本信息(包括容量、厂商名等内容)，或对存储器进行读/写操作。

存储卡提供并赖于与主机进行交互的一系列命令包括标准控制命令、查询命令、逻辑读/写命令等。主机通过所述查询命令来得到卡的基本信息，如容量、制造厂家等；通过所述基本逻辑读/写命令来访问存储卡数据区。此外，存储卡提供的命令还包括未被标准定义和使用仅由厂家自行定义并使用的私有命令。例如，SD卡和MMC卡的标准命令逻辑读命令为CMD17和CMD18，其中CMD17是读一个扇区，CMD18是连续读多个扇区；逻辑写命令是CMD24和CMD25，其中CMD24是写一个扇区，CMD25是连续写多个扇区。该卡标准命令未定义CMD60以后的命令内容，因此厂家可以(但不限于)自定义CMD60为私有接口写操作、CMD61为私有接口读操作。

主机将依据一种建立在存储卡上的存储和组织文件的结构(我们称之为文件系统)来管理及访问存储卡中的数据。常见的文件系统有FAT和NTFS等，其中为存储卡所常用的是由微软公司建立的FAT文件系统，包括FAT16和FAT32文件系统。

受保护的发行数据，包括密钥或加密数据等由发行商提供的、具有版权并需要加密存储的文件或数据，例如GPS导航设备发行商提供的地图数据、学习机生产商提供的学习数据或手机游戏发行商提供的游戏数据，如果直接以文件形式保存在存储卡中进行发行，则可以被普通用户通过磁盘拷贝等方式进行二次传播。常见的做法是把这些数据存贮到存储卡的一个私有区域内，该区域不能被普通的读写命令所访问，授权的用户程序也只有在完成与存储卡主控制器之间的预定握手之后方可访问该区域内容。所述用户程序指由发行商提供的、运行在嵌入式读卡设备(可以但不限于使用Linux或Wince平台)或个人PC上并可读取发行数据的应用程序，例如GPS软件、学习机软件和JAVA游戏等。所述握手一般通过上述卡生产厂自定义的私有命令来进行，因此具有很强的隐密性。

上述现有技术的不足之处在于：为了让用户程序能访问到所述私有区域内的发行数据，必须自定义特殊的私有命令对之进行访问，并进行复杂的握手通讯过程。

此外，通常存储卡与主机之间的交互要通过读卡器硬件或驱动程序软件来实现，因此在存储卡上实施CPRM技术还需要读卡器的支持。因为CPRM访问接口是建立在标准卡接口协议的扩展协议基础之上的，若读卡器本身不支持该扩展协议，也就不能正常通过该读卡器来访问存储卡上的密钥。以Java用户程序为例，由于Java VM中没有对硬件接口操作的类，需要为Java VM外挂能直接对设备接口进行操作的接口模块。综上所述，大大提高了主机设备驱动程序和应用程序编写的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提出一种保护及访问存储卡加密数据的方法，来简化用户程序与存储卡的交互通讯，降低驱动程序或用户程序的编写复杂性。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，在存储卡划分公共数据区和私有数据区的基础上，因为私有数据区只有在成功握手之后才可被访问，若要排除对私有命令的使用，就得直接使用普通的文件读写方式来进行所述用户程序与存储卡之间的交互，同时还得解决不同存储卡个体之间的发行数据防拷贝；为此，本发明考虑给不同存储卡个体定义一个独有的、不可被复制的握手操作地址，若如此，则可以方便地达到上述目的。事实上，本发明创造性地利用了FAT文件系统数据区中的数据存储特点，完成所述握手操作地址的定义。

作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种保护存储卡发行数据的方法，用于量产的携带有发行数据的存储卡，包括步骤：

A.设置存储卡：设置主控制器的固件；写入配置表，包括IIR表，该IIR表限定了至少一个私有数据区；

B.格式化所述存储卡，建立FAT文件系统；

C.将发行数据写入所述私有数据区；

尤其是，还包括步骤：

D.创建接口文件，提供该接口文件数据区预定位置的逻辑地址为接口地址。

上述方案中，还包括步骤E.创建加密数据文件，据以访问所述私有数据区。

上述方案中，所述接口地址被写入在所述IIR表中。

上述方案中，所述接口地址是在预定的FAT数据区范围内随机定义并写入所述IIR表中的；从而步骤D在创建接口文件时，根据该接口地址来定位所述接口文件的数据区，相应更新文件系统的FDT和FAT表。

上述方案中，所述步骤D在创建接口文件时，根据文件系统的FDT和FAT表，计算该接口文件所述预定位置的逻辑地址，并将该地址写入所述IIR表。

作为实现本发明构思的技术方案又是，提供一种访问存储卡发行数据的方法，用于携带有发行数据的存储卡，该存储卡被格式化为FAT文件系统并存储有接口文件；尤其是，包括步骤：

①打开所述接口文件，读/写该文件来对一选定地址产生逻辑读/写操作；

②对该选定地址执行预定的逻辑读/写操作来产生握手请求，存储卡主控器根据判断作出相应的握手处理；

③握手成功后，访问所述发行数据。

上述方案中，所述步骤③握手成功后，先读取存储卡的状态或信息并进行存储卡的合法性判断；判断合法后才能访问所述发行数据。

上述方案中，所述存储卡的I IR表或约定地址中存储有接口地址，该接口地址指向的逻辑地址位于所述接口文件的数据区中；步骤②中所述主控制器把所述选定地址与该接口地址相比较，来判断所述握手请求是否有效。

上述方案中，所述步骤③握手成功后，通过访问该存储卡上的加密数据文件或进行该存储卡私有数据区的解锁操作来访问所述发行数据。

上述方案中，访问相关文件或接口地址所进行的读/写操作使用的是存储卡所支持的基本读/写命令。

采用上述各技术方案，可以使用普通的文件读写方式，无需特别协议支持，从而避免在用户程序与存储卡交互通迅过程中使用私有命令，有效地简化了主机设备驱动程序和应用程序，降低软件复杂性，从而减小维护成本。

附图说明

图1是现有FAT文件系统FAT分区的引导扇区示例

图2是现有FAT文件系统FAT分区的FAT表示例

图3是现有FAT文件系统FAT分区的目录区示例

图4是本发明存储卡FAT分区数据区的公共数据区划分示意图

图5是本发明存储卡FAT分区结构中接口地址的定位示意图

图6是本发明存储卡握手前(6a)后(6b)的数据映射关系示意图

图7是本发明写数据时主控制器工作流程图

具体实施方式

下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

为了更好地阐述，先对FAT文件系统数据区中的数据存储特点作一简单回顾。FAT文件系统通常由主引导记录和若干FAT分区组成。存储卡上通常只有一个FAT分区。该FAT分区由引导扇区(BPB)，FAT1表，FAT2表、目录区(FDT)以及数据区(DATA)组成。

引导扇区是所述FAT分区的第一个扇区，即逻辑扇区0。如图1的示例所示，该扇区主要记录了一些分区的物理参数，包括0011-0012地址所指示的每扇区字节数为0x200，0013地址所指示的每簇扇区数为0x10，0032-0033地址所指示的总扇区数为0x0F1C00，0022-0023地址所指示的每分区扇区数为0x00F2，0014-0015地址所指示的保留扇区数为0x4，等等。

FAT表记录了文件在文件系统中的组织关系，尤为重要，所以有两个FAT表，即FAT1表和FAT2表，但其内容完全一致。该表各表项共同记录了存储基本单元簇的链表索引结构，即每个文件的起始簇及其后续链接的各个簇号；并表明哪些是可用(FREE)的空簇。

所述簇为FAT分区中文件数据的最小存储单位。文件若长度不足一个簇，也要占用一个簇的空间；若长度不止一个簇，则通过由链表所指引的簇号，将文件数据存贮到数据区中多个簇的空间。以图一为例，若0013地址所指示的每簇扇区数为4，0011-0012地址所指示的每扇区字节数为512，则一个大小是300字节的文件也要占用一个簇的空间，也就是4*512＝2048字节。

图2示意了FAT16的一个FAT表。其中用方框标出一个文件的链表。每个簇占用16比特(即2字节)来表示，0xFFFF表示链表的结束。因此该文件从第3个簇开始到第8个簇结束，共占用6个簇。以图1的例子而言，该文件占用的空间为：6簇*16扇区数/簇*512字节数/扇区＝48Kbyte。

FDT记录了文件系统根目录的内容，包括每个文件和文件夹的名称、大小、起始位置、创建时间等基本内容。文件系统中的每个文件都在目录表中有记载。以图3FAT16的文件信息为例，目录和文件均表现为一个文件项，并通过文件项的属性字节加以区分。每一文件项占用32个字节，以000249856为起始逻辑地址，各偏移(offset)地址所对应的字节内容含义如下表：

字节偏移(16进制)	字节数	定义
字节偏移(16进制)	字节数	定义	0x00-0x07	8	文件名，用第一个方框标示
0x08-0x0A	3	文件扩展名，包括在第一个方框中	0x00-0x07	8	文件名，用第一个方框标示
0x08-0x0A	3	文件扩展名，包括在第一个方框中	0x0B	1	文件属性字节，用第二个方框标示
0x0C-0x15	10	系统保留	0x0B	1	文件属性字节，用第二个方框标示
0x0C-0x15	10	系统保留	0x16-0x17	2	文件的最近修改时间
0x18-0x19	2	文件的最近修改日期	0x16-0x17	2	文件的最近修改时间
0x18-0x19	2	文件的最近修改日期	0x1A-0x1B	2	表示文件的首簇号，用第三个方框标示
0x1C-0x1F	4	表示文件的长度，用第四个方框标示	0x1A-0x1B	2	表示文件的首簇号，用第三个方框标示

其中若第二个方框(文件属性)字节表明当前文件项为文件夹时，则该文件项首簇(由第三个方框首簇号内容所引导的数据区地址)的内容就是子目录的目录区；若为文件时，则首簇的内容就是文件数据。可以看出，该FDT示例中的文件大小为0xB18E，即45454字节；FAT中的起始簇号为0x0002。因为45454字节大于40K小于48K，所以需要占用6个簇，与图2FAT表中的信息相对应。

根据上述结构，在文件系统中查找文件时，要先从引导扇区(BPB)中读取文件系统参数，依此计算出目录区(FDT)的位置；再从该目录区中读取根目录内容，找到文件的一级目录项，从中得到首(起始)簇号；再依所述首簇号从数据区中读取一级目录的数据，......如此类推，直到找到文件为止。

反之，在文件系统中添加(即创建)文件时，要先找到文件的目录，然后在目录区中找到空闲簇，及在数据区中找到足够的空闲空间并写入新文件数据，最后更新FAT表和目录区。这样，文件存在于文件系统中时，由于文件数据在数据区中杂乱无章的分布，唯有通过FAT表来进行索引读取。

根据上述特点和原理，本发明发行商(生产商等同)用于量产存储卡时保护发行数据的方法是，包括以下步骤：

A.设置存储卡：设置主控制器的固件；当完成元器件或部件的装配后，往快闪存储器中写入配置表，此时发行商可以使用自定义的私有命令或其它手段(如第三方提供的开发/生产工具)，通过主控制器来将IIR表写入快闪存储器，该IIR表包括了所述快闪存储器的分区划分情况，例如限定了至少一个私有数据区的位置；所述私有数据区是指用户普通状态下不能访问的区域，如图4所示，可以设置在FAT文件系统的公共数据区之外，实际上，该私有数据区也可以物理存在于所述的公共数据区中；

B.格式化所述存储卡：写入配置表后，主控制器已可以接受逻辑读/写命令，需要建立文件系统；文件系统一般使用FAT16或FAT32；

C.写入需要加密的发行数据：利用生产工具或私有命令等方式，把发行数据写入所述私有数据区；

D.创建接口文件：在存储卡文件系统中建立接口文件，选择该接口文件在数据区中的预定位置，计算并设置该位置的对应逻辑地址为接口地址。并利用生产工具或私有命令等方式把该地址写入所述I IR表中；主机与存储卡通过该接口文件来交换命令。

具体以发行商在量产所述存储卡时，假设步骤D中的接口文件为根目录下的config.sys文件，如图5所示，文件建立后，先通过FDT目录区找到相应的FAT表。再通过FAT表定位到该文件的数据区，根据所述预定位置(例如但不限于该文件数据区的起始簇内的第三扇区)操作接口地址。因其为现有技术，不再赘述。

该步骤中使接口地址位于接口文件的数据区内为关键所在。因此，上述根据已创建的接口文件来得到接口地址的过程还可以被下列的过程所取代：假设在IIR表中事先设置一个在FAT数据区范围内的接口地址，则可以按如下步骤在存储卡中建立接口文件：

a.在存储卡中找到约定的目录：接口文件可以建立在根目录或子目录中(只要与用户程序约定好就可以)，如果在子目录中且子目录不存在，则需先创建子目录；

b.在此目录中找到空的目录项，建立接口文件，填写文件的基本信息，如文件名、创建时间等；

c.根据所述接口地址来定位该接口文件的数据区：根据引导扇区的内容计算出所述接口地址所在的簇号，具体是：接口地址(扇区)减去文件系统本身占用的空间(BPB、保留扇区、FAT、FDT)，以此得到接口地址在数据区中的扇区值；然后将此值除以每簇的扇区数，得到接口地址在数据区中的簇号；找到FAT表，填写该接口文件的FAT链表并使该链表包括所述计算得到的接口地址的簇号；

d.更新FDT项中该文件的起始位置和文件大小。

可见，接口地址可以不在文件系统数据区的首个空闲簇，可以针对存储卡个体进行随机设置。从而如图5所示，因在存储卡一和存储卡二中接口文件的存储位置不同，导致接口地址也不一样。接口文件在不同存储卡个体之间二次传播后因存储的逻辑地址有所改变，导致I IR表中接口地址可能超出所复制的接口文件的数据区范围，从而复制的接口文件使用无效。

此外，本方法还可以包括创建据以访问所述私有数据区的加密数据文件的步骤。该步骤也可以合并在上述步骤C中进行，利用生产工具或私有命令等方式来写入发行数据。该加密数据文件的创建与上述接口文件的创建过程类似，不同的只是步骤c中加密数据文件数据区的定位，被设置在所述私有数据区范围中即可。

相应地，本发明访问存储卡发行数据的方法，用于携带有发行数据的存储卡，该存储卡被格式化为FAT文件系统并存储有接口文件，还可以存储有加密数据文件；发行数据最好被存储在私有数据区内；其特征在于，包括步骤：

②对该选定地址执行预定的逻辑读/写操作来产生握手请求，存储卡主控器根据判断给出相应的握手处理。

其中，握手处理过程可以约定如下：在所述存储卡的IIR表或其它约定的地址中事先定义一个接口地址，具体为位于存储卡FAT数据区的逻辑地址；

主控制器可以读所述存储卡的IIR表或所述的约定地址来获取该接口地址，并判断所述选定地址是否该接口地址，若否，则判定当前对存储卡进行的读写操作是属于普通的文件读写，如图6a所示，访问(写操作)被映射到公共数据区；若是，为了防止由普通文件读写导致误动作的出现，最好进一步判定所述逻辑读/写操作的顺序，是否为预定的操作，例如但不限于写一些特殊的数据序列，并给出相应的握手信号；

若是预定的操作，则可以给出握手成功的信号，并如图6b所示，主控制器根据当前状态，对后续写入数据作特别处理。例如，主控制器可以把读写加密文件映射为访问加密数据区，或可以进行所述私有数据区的解锁操作后访问发行数据。

具体结合图7所示的主控制器工作流程图(其中，NOR表示普通读写状态，LOG表示已经成功握手状态，H1表示第一握手状态，H2表示第二握手状态)，以逻辑写操作为例，陈述如下：当存储卡上电主控制器接到写指令后，若判定该写指令的目标地址与接口地址不一致，则认为握手请求无效，将内容直接写入公共数据区。若一致，则判断当前是否握手成功状态LOG；若是握手成功状态，则返回卡内部信息来发出握手成功的信号，若不是握手成功状态，则进行特殊数据序列的判断过程——假设存储卡将对扇区1000第一次写入512字节的0xAA，第二次写入512字节的0x55，第三次......的指令序列当作为用户程序请求握手，则当上述第一次写入512字节0xAA时，存储卡比较数据512和0xAA正确后把此数据写入公共数据区，并将当前状态由普通读写状态NOR转换成第一握手状态H1来内部记录此动作；接着，第二次写入512字节的0x55时，存储卡比较数据512和0x55若不正确则将当前状态改写回普通读写状态NOR，若正确则将当前状态进一步改写为第二握手状态H2，而后把此数据写入公共数据区；......这样，直到整个指令序列吻合并完成后，将当前状态记录为握手成功状态LOG。

为了提高数据安全性，本实施例在握手成功状态LOG之后，由用户程序再次读操作来取得存储卡状态和信息，以确认该卡为合法存储卡后，用户程序方可取得与存储卡主控制器的通迅权，访问发行数据或进行私有数据区的解锁操作。因如何访问发行数据或解锁私有数据区非本发明重点，并可以采用现有各种技术，不再在此赘述。其中，所涉及的逻辑读/写操作可以使用所有存储卡均支持的、最基本的读/写命令。

实验证明，使用本发明，可以把握手操作的通迅地址通过FAT文件系统来动态定义，从而用户程序只需要打开接口文件并直接对文件读写，便可通过文件系统的计算，正确访问到接口地址，而无需关心接口地址的真实逻辑数值。这样既达到数据保护目的，又增加批量生产存储卡时卡的差异性，还简化接口程序握手解锁的复杂性，使主设备无需编写复杂的私有命令驱动程序，具有很强的实用性。

此外显而易见的是，本发明中存储卡的存储器均以快闪存储器为例，但本发明适用的存储卡并不仅限于使用该快闪存储器。

Claims

1.一种保护存储卡发行数据的方法，用于量产的携带有发行数据的存储卡，包括步骤：

B.格式化所述存储卡，建立FAT文件系统；

C.将发行数据写入所述私有数据区；

其特征在于，还包括步骤：

D.创建接口文件，并提供该接口文件数据区预定位置的逻辑地址为接口地址。

2.根据权利要求1所述保护存储卡发行数据的方法，其特征在于，还包括步骤E.创建加密数据文件，据以访问所述私有数据区。

3.根据权利要求1或2所述保护存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述接口地址被写入在所述IIR表中。

4.根据权利要求3所述保护存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述接口地址是在预定的FAT数据区范围内随机定义并写入所述IIR表中的；从而步骤D在创建接口文件时，根据该接口地址来定位所述接口文件的数据区，相应更新文件系统的FDT和FAT表。

5.根据权利要求3所述保护存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述步骤D在创建接口文件时，根据文件系统的FDT和FAT表，计算该接口文件所述预定位置的逻辑地址，并将该地址写入所述IIR表。

6.一种访问存储卡发行数据的方法，用于携带有发行数据的存储卡，该存储卡被格式化为FAT文件系统并存储有接口文件；其特征在于，包括步骤：

③握手成功后，访问所述发行数据。

7.根据权利要求6所述访问存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述步骤③握手成功后，先读取存储卡的状态或信息并进行存储卡的合法性判断；判断合法后才能访问所述发行数据。

8.根据权利要求6所述访问存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述存储卡的IIR表或约定地址中存储有接口地址，该接口地址指向的逻辑地址位于所述接口文件的数据区中；步骤②中所述主控制器把所述选定地址与该接口地址相比较，来判断所述握手请求是否有效。

9.根据权利要求6所述访问存储卡发行数据的方法，其特征在于：

所述步骤③握手成功后，通过访问该存储卡上的加密数据文件或进行该存储卡私有数据区的解锁操作后来访问所述发行数据。

10.根据权利要求6或9所述访问存储卡发行数据的方法，其特征在于：

访问相关文件或接口地址所进行的读/写操作使用的是存储卡所支持的基本读/写命令。