CN101968774A - 移动数据安全存储的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种移动数据安全存储的装置，包括数据拆分后存入的主、从存储体，每个存储体包含分别连接微控制器模块的USB接口模块、密码算法模块、固件存储模块、安全管理模块、随机数发生器、数据存储模块、电源模块，电源模块还为数据存储模块供电。由于保密数据被分别存储在两个单独的存储体中，两个存储体对接成功并被主机认证后才能访问保密数据，而两个存储体又都设有各自独立的安全管理控制部分，所以能够满足涉密文件安全携带和使用的需求。还提供了一种移动数据安全存储的方法。

Description

移动数据安全存储的装置和方法

技术领域

本发明属于计算机的技术领域，具体地涉及安全存储移动数据的装置，以及实现安全存储移动数据的方法。

背景技术

以U盘为主流的移动数据存储介质，具有容量大、易携带等特点，因此得到广泛应用。但如果没有对U盘采取安全措施，一旦丢失，其中的数据将被任意读出，这限制了它在安全领域的使用，尤其是在部队涉密部门中的使用。

经过加密的移动数据安全存储的装置，其安全强度完全依赖于使用的加密算法，目前针对各种加密算法的攻击方式层出不穷，使得移动数据安全存储的装置在携带使用中也存在安全隐患。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种携带使用中安全的移动数据安全存储的装置。

本发明的技术解决方案是：该装置包括数据拆分后存入的主、从存储体，每个存储体包含分别连接微控制器模块的USB接口模块、密码算法模块、固件存储模块、安全管理模块、随机数发生器、数据存储模块、电源模块，电源模块还为数据存储模块供电；其中USB接口模块自动响应USB事件，主存储体的USB接口模块执行主存储体与主机之间的USB数据通信，从存储体的USB接口模块执行从存储体与主存储体之间的USB数据通信；微处理器模块通过执行固件程序用于操控存储体内的其它模块，以实现各模块之间的数据交互，协调各个模块共同工作；密码算法模块执行存储数据的加/解密运算、口令值的杂凑运算；安全管理模块用于存储体的自身安全管理和数据安全管理；固件存储模块用来存储微控制器模块执行的固件程序代码；随机数发生器用来产生真随机数，作为数据加密密钥；数据存储模块用于存储用户的保密数据；电源模块用于实现电压转换，为存储体的各模块提供合适的电源电压。

还提供了移动数据安全存储的方法，通过数据分存技术将保密数据分割后存入两个存储体，两个存储体对接成功并被主机认证后才能访问保密数据；面向用户完成存储体的安全管理、安全存储功能的驱动程序和应用程序安装在主机中；主存储体的固件程序安装在主存储体内，用于实现主存储体与主机通信，主存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理；从存储体的固件程序安装在从存储体内，用于实现从存储体与主存储体通信，从存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理。

由于保密数据被分别存储在两个单独的存储体中，两个存储体对接成功并被主机认证后才能访问保密数据，而两个存储体又都设有各自独立的安全管理控制部分，所以能够满足涉密文件安全携带和使用的需求。

附图说明

图1示出了根据本发明的每个存储体的硬件结构图；

图2示出了根据本发明的每个存储体的硬件电路的原理图；

图3示出了根据本发明的方法的简要示意图；

图4是本发明的拆分算法的流程图；

图5是本发明的存储体的工作流程图；

图6是固件程序分解为功能函数的示意图；

图7是本发明的存储体的软件架构图；

图8是本发明的固件程序的流程图；

图9是图5中步骤(1)的详细流程图；

图10是图5中步骤(2)的详细流程图；

图11是图5中步骤(3)的详细流程图；

图12是存储体整体逻辑工作流程；

图13是本发明的密码算法的调用流程。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，附图中的安全U盘即存储体。

根据本发明的该装置包括数据拆分后存入的主、从存储体，每个存储体包含分别连接微控制器模块的USB(通用串行总线，Universal SerialBus)接口模块、密码算法模块、固件存储模块、安全管理模块、随机数发生器、数据存储模块、电源模块，电源模块还为数据存储模块供电；其中USB接口模块自动响应USB事件，主存储体的USB接口模块执行主存储体与主机之间的USB数据通信，从存储体的USB接口模块执行从存储体与主存储体之间的USB数据通信；微处理器模块通过执行固件程序用于操控存储体内的其它模块，以实现各模块之间的数据交互，协调各个模块共同工作；密码算法模块执行存储数据的加/解密运算、口令值的杂凑运算；安全管理模块用于存储体的自身安全管理和数据安全管理；固件存储模块用来存储微控制器模块执行的固件程序(即固件控制程序)代码；随机数发生器用来产生真随机数，作为数据加密密钥；数据存储模块用于存储用户的保密数据；电源模块用于实现电压转换，为存储体的各模块提供合适的电源电压。图1示出了每个存储体的硬件结构图。图2示出了每个存储体的硬件电路的原理图。

优选地，数据存储模块是SAMSUNG三星公司的型号为K9K8G08U0M的FLASH(闪存)芯片。

优选地，电源模块是型号为AIC1734的电源转换芯片。

图3示出了根据本发明的方法的简要示意图。移动数据安全存储的方法，通过数据分存技术将保密数据分割后存入两个存储体，两个存储体对接成功并被主机认证后才能访问保密数据；面向用户完成存储体的安全管理、安全存储功能的驱动程序和应用程序安装在主机中；主存储体的固件程序安装在主存储体内，用于实现主存储体与主机通信，主存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理；从存储体的固件程序安装在从存储体内，用于实现从存储体与主存储体通信，从存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理。

为了使总体设计简化且主机无需再安装新驱动程序，所述驱动程序采用Windows操作系统本身自带的驱动程序。

优选地，保密数据的分割采用拆分算法(如图4所示)，其包括将用户选择的文件压缩成临时文件、对临时文件混洗、利用随机数随机分配。数据存储过程接收到用户的信息后，按照自主设计的拆分算法首先将数据分割，然后再经过相应加密算法加密存储到两个存储体中。拆分算法分为压缩、混洗、按随机数分配三个环节，总结来说，文件分割的机理就是顺序读文件块，然后随机写文件块。文件分割算法文件分块至少10块，随机往两块存储介质中写，根据概率论以及组合数学原理可以得出结论：基于文件分割算法的SM1或者其他算法在原有的安全强度之上至少增大2¹⁰倍的安全性。合并是分割的逆过程，主要有按随机数还原临时文件，反向混洗和解压缩几个过程。

优选地，主、从存储体均采用SSX20-D安全芯片。本装置采用了经国家密码管理局认证的SSX20-D安全芯片为控制核心。SSX20-D安全芯片是在方舟科技的Acrca2 CPU核的基础上进行安全改造而成的。Acra2S CPU核是一款高性能低功耗的微处理器内核，实现的是Acra第二版指令集。Acra2SCPU核心采用五级流水和哈佛高速缓存结构。它集成了带32路全关联TLB和段/页式物理地址保护的存储单元和1K字节的指令和数据高速缓存，使其具有高性能、低功耗的特点，并适合复杂的多应用系统。SSX20-D安全芯片系列安全控制器芯片是面向安全控制器市场应用，在基于国产32位RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)结构处理器的多功能安全处理平台基础上开发出的，具备高处理能力、高安全性、低功耗、低成本等特点。其特点如下：

◆32KB电可擦可编程只读存储器EEPROM用于数据和程序的存储，256KB FLASH用于程序、函数库、不常变动数据的存储；

◆频率可变，主频最高可工作在96MHz，国内自主研发的32位RISC，5级流水线CPU。

并且，保密数据被存储在NAND Flash(Not AND Flash，非易失性闪存)芯片中。选用的三星SAMSUNG公司的A级FLASH芯片，型号为K9K8G08U0M。该芯片存储容量为1G×8bits，通过8位双向数据信号、读写控制及片选信号与外部控制器连接，操作简单。该芯片支持页编程、块擦除和页读取，每页大小为(2K+64)字节，每块包含64个页，即(128K+4K)字节，芯片共有8192个块。读周期最小为30ns，页编程时间200us，块擦除时间1.5ms，工作电压为2.7V～3.6V。它的读写特点是：必须以页Page为单位进行读写；写之前必须先擦除原有内容；擦除操作必须对块Block进行，即一次至少擦除一个Block的内容。

对于本发明来说，安全管理模块，也即固件程序的设计是关键。

(1)、固件工作原理

存储体初始化完成后，首先需要对用户进行身份认证。验证通过，启动安全管理模块，实现对U盘的安全访问。再继续接受主机命令，并进行相关操作。

如果口令验证不正确，则启动口令计数器计数，继续进行口令验证。当计数累计达到预定的阈值时，则锁定存储体，使用户不能进行任何操作。只有返回生产厂商重新进行复位设备操作，且同时销毁U盘加密密钥与数据。

数据的加密存储采用分组密码SM1算法加密。其主密钥长度为128位bit，分组长度为128bit。采用128bit的数据加密密钥调度产生的160个字节过程密钥为对大容量FLASH存储器上的存储数据加密。

存储体根据上层传输的用户命令，执行相应的处理，比如数据分组的加/解密运算、修改认证口令、初始化U盘分区等操作。

(2)、固件的基本工作流程

存储体的工作流程如图5所示。存储体初始化完成后，固件程序开始接受主机命令，完成相应操作并返回状态和数据。使用存储体时，首先要进行用户口令验证，完成用户身份认证。当验证通过后，用户口令与其低128bit的杂凑值异或(异或运算时，口令不足128bit的高位用“0x00”补齐，多于128bit的则裁减其高位)，将所得结果调用SM1算法脱密数据加密密钥密文，然后将得到的数据加密密钥进行SM1算法密钥调度，生成160字节的过程密钥暂存于SSX20-D安全芯片的安全FLASH区内；存储体继续接受主机命令，并进行相应操作，如FLASH内数据的删除或读写、存储体内口令设置、重新初始化等。命令执行完成后，存储体根据命令向主机(或存储器)返回状态或数据，然后继续等待主机命令。

若口令验证不正确，则进入审计过程，启动口令计数器计数，继续进行口令验证。当输入口令次数达到内部预先设定值时，则锁定存储体，使非法用户不能再进行任何操作，而只有生产厂商才可以对存储体进行重新配置。

当接收到用户退出存储体命令时，固件程序将安全区内的160字节的过程密钥清零。

(3)、固件功能模块的划分

按照固件功能，为了模块化编程，将固件控制程序分解为如图6所示的功能函数。

口令认证

通过硬件实现用户对U盘访问操作的合法口令认证，而不是软件简单的口令比较。当口令不正确，硬件控制实现无法访问数据，当口令连续错误达到安全策略定义的次数时，控制存储体锁定。

口令设置修改

系统设置了用户口令，存储在安全控制芯片SSX20-D安全芯片的专用安全区中，不可读出，在硬件中实现设置、修改和认证；任何使用者必须通过当前认证后，才能设置修改U盘的认证口令，并重新写入安全区。

安全参数保护

利用安全存储区，通过硬件实现的口令存取安全管理，在非法操作时安全参数自动销毁。

密码处理控制

密码处理控制是指在数据进行密码处理过程中，SSX20-D安全芯片内部微控制器对密码模块的操作控制。

数据加密

调用算法加密模块，通过存储体，对用户存储在大容量闪存中的数据实施写入时加密，读出时解密，保证存储在存储体中的数据始终是密文，防止非法用户直接读取大容量闪存，获得有用信息。

按照存储体的系统结构，存储体的软件也包括：驱动程序、上层应用程序，其结构如图7所示。对于驱动层，因为存储体符合通用的USB存储类协议，所以其驱动程序可以采用Windows通用驱动，无须专门设计驱动层。上层应用程序的设计主要是为用户提供操作功能界面，功能包括修改口令、格式化、关机操作等。

更进一步地，如图8所示，所述固件程序包括以下步骤：

(1)初始化Flash芯片；

(2)初始化SM1密码算法；

(3)循环接收主机发送的命令并做出相应处理。

更进一步地，如图9所示，所述步骤(1)包括以下分步骤：

(1.1)调用硬件层接口初始化NAND Flash的硬件信息；

(1.2)通过硬件层的接口函数建立逻辑块与物理块的映射表；

(1.3)初始化存储体的枚举信息，以备操作系统枚举时使用。

更进一步地，如图10所示，所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)固件程序通过读取SSX20-D安全芯片密码算法ROM区中的算法标识码，以判断SSX20-D安全芯片是否下载有SM1算法，如果确定已下载了SM1算法，则固件程序将128位用户口令与其存储的杂凑值异或的结果作为密钥使用SM1算法对数据加密密钥密文进行解密，再将得到的数据加密密钥进行SM1算法密钥调度，产生160字节的过程密钥；

(2.2)为减少数据加/解密过程中密钥调度时间，固件程序在初始化时已将数据加密密钥生成的过程密钥保存于SSX20-D安全芯片的安全FLASH区，并设置为仅固件程序可访问，固件程序调用算法时，可直接使用过程密钥进行数据加/解密运算。

安全U盘每初始化一次，则需重新进行密钥调度与设置。

其中密码算法采用国家密码管理局指定使用的SM1算法，该算法主密钥长度128bit，分组长度为128bit。算法属于独立的程序和数据代码，它存储于SSX20-D安全芯片独立的算法区，在存储空间上与固件程序完全隔离，且程序代码本身中间不存在任何调用关系，这样确保算法的正确性和安全性。

密码算法调用流程为：安全U盘接收到主机命令，通过命令解析，判定系统请求。当对U盘存储数据进行访问时，调用底层读写函数(物理地址对底层FLASH的读写函数udisk_read_2k和udisk_write_2k)。但在调用底层读写函数前，调用SM1算法，对数据流进行加/解密后，将数据写入FLASH(或由FLASH读出)，工作流程如图13所示。

更进一步地，如图11所示，所述步骤(3)包括以下分步骤：

(3.1)主存储体与主机间、从存储体与主存储体间的认证在SSX20-D安全芯片控制下完成，认证口令杂凑值预置于SSX20-D安全芯片的安全FLASH区内；

(3.2)当由主机向两个存储体内写入数据时，数据先由密码算法模块加密后，再通过微处理器写入FLASH存储器内，而加密密钥密文已预置于安全存储区；

(3.3)当口令验证通过后，用口令密钥通过密钥初始化操作，脱密数据加密密钥密文，调用SM1算法产生过程密钥，暂存于安全FLASH区，主机读取两个存储体内的数据时，微处理器将FLASH内部数据读出并调用密码算法模块，脱密后再通过USB接口模块，读入主机。

存储体的控制逻辑工作流程本质是固件程序执行的过程，就是不断由主机接收命令并处理各种命令的请求，存储体整体逻辑工作流程如图12所示。存储体接收到主机发送来的标准的USB Bulk-Only协议类命令块包(CBW)时，首先判断命令包的类型，如果是进行USB Key操作的命令，则进行该类命令处理的分支，本产品不涉及本部分内容，故略述。如果命令包为U盘命令，则进入U盘命令处理分支，并继续解析该命令，如果是操作系统的读写请求，则固件程序执行上层读写请求操作；如果是控制软件发送的如修改口令、初始化等控制请求，则固件程序则执行相应的修改控制标识(登录口令、初始化设置的口令等)，执行相应请求后，向主机返回标准的USB Bulk-Only协议类的命令状态包(CSW)；如果是上层控制软件发送来的如登录这类的控制请求，则固件程序执行相应的控制请求，调用杂凑算法口令杂凑值计算，并完成控制芯片内部存储的口令杂凑值的认证操作，执行完控制请求后并向主机返回命令状态包(CSW)；如果系统解析，不是任何有效命令，则直接并返回命令状态包；在固件程序返回命令状态包(CSW)后，均会自动进入下一次循环，接收处理下一命令块包(CBW)。

本发明的关键技术如下：

(1)安全U盘认证技术

安全U盘认证实质上就是安全U盘与主机、用户之间的认证，对于安全U盘来说，也即是识别用户或主机的合法性。安全U盘采用了硬口令认证技术。访问安全U盘采用口令认证工作方式，口令的最大长度支持为64字节。用户口令杂凑值存储在安全芯片的专用的安全分区中，专用安全分区只接受安全U盘固件程序访问控制，有效地避免用户的误删和恶意程序的分析攻击。

(2)密钥管理技术

采用二级密钥保护机制，基本密钥由用户口令与其口令杂凑值低128bit相异或而得；数据加密密钥由真随机数发生器随机产生，经SM1算法加密后存储在安全芯片的安全FLASH区中，并自主开发的固件程序专门管理；真正用于数据加密的过程密钥由数据加密密钥调用SM1算法密钥调度函数产生，在安全U盘使用时暂存于安全FLASH区，退出安全U盘时清零过程密钥，这样有效地保证了过程密钥的安全；基本密钥在U盘每次初始化时更新、外部攻击者难以由安全U盘中读出、修改或删除密钥的相关信息，它们只供固件程序调度密码算法时调用。

(3)安全U盘锁定技术

设计了安全U盘数据的自动锁定机制，确保U盘在遭受口令攻击情况下，口令累计错误次数超过预定值时，U盘能够自动锁死，不再接受任何访问。

本发明相对市面上同类产品相比，优势如下：

(1)访问控制。安全U盘加密区的使用必须经过硬口令认证才能访问，口令最大长度可支持到64字节，连续在设定次数以上的错误密码试探将导致安全U盘被彻底死锁。

(2)数据硬加密。所有存储在安全U盘内的数据都是通过高强度硬加密处理的，只接受安全U盘固件程序管理，有效地避免用户的误删和恶意程序的分析攻击。

(3)免驱动安装。安全U盘在Windows 7/XP/2000系统中做到了免驱动安装使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.移动数据安全存储的装置，其特征在于：该装置包括数据拆分后存入的主、从存储体，每个存储体包含分别连接微控制器模块的通用串行总线USB接口模块、密码算法模块、固件存储模块、安全管理模块、随机数发生器、数据存储模块、电源模块，电源模块还为数据存储模块供电；其中USB接口模块自动响应USB事件，主存储体的USB接口模块执行主存储体与主机之间的USB数据通信，从存储体的USB接口模块执行从存储体与主存储体之间的USB数据通信；微处理器模块通过执行固件程序用于操控存储体内的其它模块，以实现各模块之间的数据交互，协调各个模块共同工作；密码算法模块执行存储数据的加/解密运算、口令值的杂凑运算；安全管理模块用于存储体的自身安全管理和数据安全管理；固件存储模块用来存储微控制器模块执行的固件程序代码；随机数发生器用来产生真随机数，作为数据加密密钥；数据存储模块用于存储用户的保密数据；电源模块用于实现电压转换，为存储体的各模块提供合适的电源电压。

2.根据权利要求1所述的移动数据安全存储的装置，其特征在于：数据存储模块是三星公司的型号为K9K8G08U0M的FLASH芯片。

3.根据权利要求2所述的移动数据安全存储的装置，其特征在于：电源模块是型号为AIC1734的电源转换芯片。

4.移动数据安全存储的方法，其特征在于：通过数据分存技术将保密数据分割后存入两个存储体，两个存储体对接成功并被主机认证后才能访问保密数据；面向用户完成存储体的安全管理、安全存储功能的驱动程序和应用程序安装在主机中；主存储体的固件程序安装在主存储体内，用于实现主存储体与主机通信，主存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理；从存储体的固件程序安装在从存储体内，用于实现从存储体与主存储体通信，从存储体安全认证、访问控制、安全初始化，密码处理控制、密钥管理。

5.根据权利要求4所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：所述驱动程序采用微软公司的Windows操作系统本身自带的驱动程序。

6.根据权利要求5所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：保密数据的分割采用拆分算法，其包括将用户选择的文件压缩成临时文件、对临时文件混洗、利用随机数随机分配。

7.根据权利要求6所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：主、从存储体均采用SSX20-D安全芯片，保密数据被存储在非易失性闪存NAND Flash芯片中，所述固件程序包括以下步骤：

(1)初始化NAND Flash芯片；

(2)初始化SM1密码算法；

(3)循环接收主机发送的命令并做出相应处理。

8.根据权利要求7所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下分步骤：

(1.1)调用硬件层接口初始化NAND Flash的硬件信息；

(1.2)通过硬件层的接口函数建立逻辑块与物理块的映射表；

(1.3)初始化存储体的枚举信息，以备操作系统枚举时使用。

9.根据权利要求8所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)固件程序通过读取SSX20-D安全芯片密码算法只读存储区ROM中的算法标识码，以判断SSX20-D安全芯片是否下载有SM1算法，如果确定已下载了SM1算法，则固件程序将128位用户口令与其存储的杂凑值异或结果调用SM1算法脱密数据加密密钥密文，对得到的数据加密密钥进行SM1算法密钥调度，产生160字节的过程密钥；

(2.2)为减少数据加/解密过程中密钥调度时间，固件程序在初始化时已将数据加密密钥生成的过程密钥保存于SSX20-D安全芯片的安全闪存FLASH区，并设置为仅固件程序可访问，固件程序调用算法时，可直接使用过程密钥进行数据加/解密运算。

10.根据权利要求9所述的移动数据安全存储的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下分步骤：

(3.1)主存储体与主机间、从存储体与主存储体间的认证在SSX20-D安全芯片控制下完成，认证口令杂凑值预置于SSX20-D安全芯片的安全FLASH区内；

(3.2)当由主机向两个存储体内写入数据时，数据先由密码算法模块加密后，再通过微处理器写入FLASH存储器内，而加密密钥密文已预置于安全存储区；

(3.3)当口令验证通过后，用口令密钥通过密钥初始化操作，脱密数据加密密钥密文，调用SM1算法产生过程密钥，暂存于安全FLASH区，主机读取两个存储体内的数据时，微处理器将FLASH内部数据读出并调用密码算法模块，脱密后再通过USB接口模块，读入主机。

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