CN102207912B - 在设备端实现分区功能的闪存设备及其访问方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在设备端实现分区功能的闪存设备及其访问方法。该闪存设备包括具有普通存储区和至少一个隐藏存储区的逻辑分区划分层，其中，所述闪存设备采用当前上报分区号来确定所述普通存储区和至少一个隐藏存储区中哪一个为可被访问的存储分区；所述闪存设备还包括文件系统模块，用于在上电时访问当前上报分区根目录下的特殊指令文件；其中，当前上报分区号可以根据特殊指令文件中的更改上报分区指令加以更改。

Description

在设备端实现分区功能的闪存设备及其访问方法

技术领域

本发明涉及存储设备领域，具体而言，涉及一种具在设备端实现分区功能的闪存设备及其访问方法。

背景技术

闪存设备是指利用闪存(Flash Memory)技术来存放数据的存储设备。闪存是一种非易失性的半导体存储器件，主要分为NOR Flash和NANDFlash两类，目前用于移动存储设备的闪存一般为NAND Flash。

NAND Flash的基本读写单位为页，数据在写入物理页之前必须先对写入地址进行擦除操作，擦除操作以块为基本单位。NAND Flash具有使用寿命的限制，常见的SLC(Single Level Cell)NAND Flash擦写次数约为10万次，而目前大容量闪存设备中广泛应用的MLC(Multi Level Cell)NANDFlash擦写次数仅有1万次左右。基于NAND Flash的这些特性，NAND Flash在被应用于存储设备时必须采用一定的软件算法对其进行管理，以使其操作特性就像真实的磁盘一样。因此，如果没有对应的管理算法，要想取出存储在Flash器件中的原始数据将变得十分困难。

在闪存设备应用日益普及的当今，人们遗失及转借存储设备的事件越来越多，随之而来的数据泄密问题也越来越严重。因此用户对存储设备中私密文件的存储安全性及存取方便性的要求越来越高，相应的数据加密手段也层出不穷。目前常见的闪存设备加密技术根据其实现的技术主要可以分为以下两大类：

1、软件加密

其基本实现方法为对闪存设备的所谓加密盘进行一个读写权限级别的访问保护，即在访问加密盘数据前必须通过密码验证才可以访问其内部的明文数据。软件加密方法的最大缺点在于其是基于文件系统层的加密，因此该方法存在以下弊端：1)需要在主机端安装加密软件，且在不同的软硬件平台上都要为其编写相应的加密软件版本；2)其安全性形同虚设。理论上采用密码穷举法暴力破解、格式化磁盘后用数据恢复软件进行文件恢复等方式都可以达到获取加密数据的目的；3)采用软加密方式会生成加密文件，如果加密文件被破坏或者删除，则无法保障原先数据可被正常恢复。

2、全盘硬件加密

硬件加密方法的基本实现是在闪存设备中植入硬件加密引擎，所有写入物理存储区域的数据都要先经过加密引擎的转换，因此即使数据被他人获取，如果没有相应的密码也无法得到原先的数据。密码的设置方式可以采用安装客户端软件的方式，也可以采用专门的硬件，如：指纹识别模块或者硬件密匙。采用硬件加密方法大大提高了数据的安全性。但是硬件加密也有其不足之处：1)加密方法的实现需要增加额外的硬件模块，无疑增加了生产的成本；2)密码的设定需要依赖客户端软件或者额外的硬件，降低了产品使用的便捷性。

发明内容

本发明提供了一种能解决以上问题的在设备端实现分区功能的闪存设备及其访问方法。

在第一方面，本发明提供了一种在设备端实现分区功能的闪存设备。该闪存设备包括具有特殊数据存储区、普通存储区和至少一个隐藏存储区的逻辑分区划分层。所述特殊数据存储区用于存储当前上报分区号，所述当前上报分区号用于确定所述普通存储区和至少一个隐藏存储区中哪一个为可被访问的存储分区；所述闪存设备还包括文件系统模块，用于在上电时访问当前上报分区根目录下的特殊指令文件。当前上报分区号可以根据特殊指令文件中的更改上报分区指令加以更改。

在第二方面，本发明还提供了一种在设备端实现分区功能的闪存设备的访问方法。闪存设备包括采用逻辑分区方式划分而成的特殊数据存储区、普通存储区和至少一个隐藏存储区，其中所述闪存设备采用当前上报分区号来确定所述普通存储区和至少一个隐藏存储区中哪一个为可被访问的存储分区。闪存设备还包括文件系统，用于在上电时访问当前上报分区根目录下的特殊指令文件。所述方法包括：将闪存设备枚举到主机上；在当前上报分区的根目录下的特殊指令文件中输入更改上报分区指令；再次将闪存设备插入主机中时，内部文件系统读取更改上报分区指令；闪存设备依据该更改上报分区指令更改当前上报分区号。

本发明的上述实施例将闪存设备分割为特殊数据存储区、普通存储区和至少一个隐藏存储区，并在闪存设备上电时默认将普通存储区上报到主机端，而当需要访问隐藏存储区时，只需将当前上报区更改为指定的隐藏存储区即可进行访问，从而提高了闪存设备加密的便捷性和通用性，降低了成本。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：

图1为根据本发明一个实施例的闪存设备内部的分区管理机制以及被主机端枚举时的存储空间上报机制示意图；

图2为根据本发明一个实施例的闪存设备内部系统框图；

图3为根据本发明一个实施例的闪存设备的实现方法流程图。

具体实施方式

图1为根据本发明一个实施例的闪存设备内部分区管理机制示意图(假设整个设备内部存储区域被划分成明暗两个分区，即普通存储区和加密存储区)。图1中各模块的详细解释如下：

Flash Driver(闪存驱动程序模块)：完成对底层物理存储模块的控制相关功能，向上层提供基本的Flash I/O接口。

FTL(Flash Translation Layer，闪存转换层)：负责对闪存设备物理存储空间的管理，包括存储空间地址映射、写均衡、坏块管理等功能。FTL向下调用Flash芯片的底层操作函数，向上层提供逻辑扇区访问接口函数。如此，FTL对其上层完全屏蔽了Flash器件的物理特性，上层API(ApplicationProgramming Interface，应用程序接口)在调用FTL函数读写Flash存储空间时就如同操作传统的磁盘一样。

逻辑分区划分层：主要实现与本发明的分区机制和特殊数据存储相关的功能。其基本原理为：

a、将整个明区、暗区及特殊数据存储区占用的Flash空间用一套FTL来管理，其好处有：1)可以减小系统的资源开销；2)加快整个系统的上电初始化速度；3)更好地实现对Flash器件的写均衡功能。

b、在逻辑分区划分层对FTL接口函数进行封装，对于明区空间的访问直接调用FTL函数；而对于暗区空间的访问则需要将传入FTL函数的地址参数偏移至明区地址空间之后。

c、特殊数据存储区用于存放系统密码、当前上报分区号和分区大小等关键数据信息。考虑到关键数据的安全性，该区域固定占用FTL提供的逻辑地址空间最后一个扇区，但该扇区地址永远不上报给主机端。

逻辑分区划分层对各分区的访问接口函数进行了二次封装，封装后的函数在相应的分区上报时被注册到磁盘访问接口上。

上层通讯协议：该层协议负责直接与主机端进行通讯，磁盘空间容量上报操作在该层完成，在不同的设备中该层处理的协议也不相同。例如，在U盘设备中，该层负责处理USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)协议；而在SD(Secure Digital，安全数码)卡设备中，该层则负责处理SD协议。在整个上电启动流程的最后一个环节，该层获取将要上报的分区空间容量并将其上报给主机端。

图2为根据本发明一个实施例的闪存设备内部系统框图。在逻辑分区划分层之上实现对特殊数据存储区数据的读写，以及通过FAT文件系统实现密码管理和自定义功能的扩展。该方法包括：

1)在闪存设备内部实现的一套FAT文件系统API，用于对存储在设备内各分区中的文件进行读写、删除、改名等操作。

2)利用内部文件系统解析用户指令文件来实现的安全密码验证方式。

3)内部文件系统解析用户指令文件后执行自定义扩展命令。通过该方法可以让闪存设备接收来自用户的请求信息，实现密码修改、分区容量调整等扩展功能。

在上述实施例中，特殊数据存储区用于存储当前上报分区号、系统密码和各分区容量。考虑到该区域存储的数据量非常少，所以在该存储区中可以采用特定的结构体存储相关信息而不必采用文件系统。

图3为根据本发明一个实施例的闪存设备的内部程序运行流程图，此方法的具体实施方案如下(假设闪存设备的出厂默认密码为123456)：

i)整个闪存设备在被主机端枚举供电时首先读取特殊数据存储区数据，获取当前上报分区号和分区容量，检测当前分区根目录下是否存在特殊指令文件ZKLZ.CKS。如指令文件不存在，则直接上报当前分区给主机端。

ii)如特殊指令文件存在，则调用内部文件系统API打开该文件，首先读取文件中的密码验证指令chkpwdpasswd，如果命令中的密码passwd为123456，则逐条解析文件中的其它自定义功能扩展指令并进行对应的操作；如果文件中的密码不正确，则先删除特殊指令文件、关闭文件系统，然后直接上报当前分区。

在本实施例中采用的自定义功能扩展指令包括以下几种：

a、密码验证指令：chkpwdpasswd，其中passwd为输入的密码。其它的所有的功能指令都必须在密码验证指令被执行并通过后方可得到处理。

b、密码修改指令：chpwdnewpasswd，其中newpasswd为新设置的密码。

c、更改上报分区指令：chdiskdisknum，其中disknum为设置被上报的分区号。该指令被执行后，与disknum对应的存储分区将会成为默认的上报分区。

d、分区尺寸调整指令：chsizedisk0size^disk1size^disk2size，其中disk0size，disk1size，disk2size分别为各分区的大小，设备内部程序会根据设置的参数个数自动在逻辑层将磁盘空间划分为相应数量的分区。

其中，指令b、c、d被识别并执行后，相应的修改参数将会被重新写入特殊数据存储区。

iii)为了避免闪存设备被成功枚举后主机端的文件系统和设备内部文件系统竞争访问上报的存储空间而造成文件系统数据被破坏的现象，在整个闪存设备内部程序的上电初始化流程最后需关闭设备内部文件系统并释放其运行所占用的内存空间。

iv)最后完成与上层通讯相关接口的初始化工作并通知主机端当前设备已准备完成。

本发明实施例中的闪存设备可以为U盘或闪存卡(包括：SD卡、TF卡、MMC卡、CF卡、记忆棒等)。

下面是基于本发明一个实施例的具有加密功能的闪存设备的具体使用方式示例(假设闪存设备的出厂默认密码为123456)：

1、在第一次使用时需要设置新密码，将闪存设备枚举到主机上后，在根目录下新建一个文本文件ZKLZ.CKS，使用文本编辑软件(例如：Windows操作系统中的“记事本”程序)打开该文件，假设需要设置的新密码为888888，则在文件内输入如下功能扩展指令：

chkpwd123456；

chpwd888888；

保存并关闭特殊指令文件后重新插拔闪存设备，则新密码设置成功。

2、如想进入到加密存储区1，则需在当前磁盘根目录下新建文件ZKLZ.CKS，在文件内输入如下功能扩展指令：

chkpwd888888；

chdisk1；

下次重新插入闪存设备时加密存储区1将会被上报给主机端。

3、如需要调整普通区和加密区的尺寸，可在密码文件中输入如下命令(假设普通区尺寸调整为6G，整个存储空间尺寸为8G)：

chkpwd888888；

chsize6G^2G；

如此整个闪存设备物理存储空间将会被划分为6G的普通区和2G的加密区。新的分区划分方式将会在下次插入闪存设备时生效。

4、所有的功能扩展命令可在一个指令文件中同时被调用，但是第一条命令必须是密码验证命令，其它命令的调用次序没有特殊要求，各条命令之间须以“；”作为分隔符。

5、因为有些移动设备出于低功耗的考虑会在磁盘空闲时自动切断对闪存设备的供电，所以为了避免当主机端再次对闪存设备供电时设备内部真实存储数据和主机端缓存的数据不一致而导致文件系统被破坏的现象，一但创建了特殊指令文件并保存后，应立即重新插拔闪存设备以保证主机端和闪存设备端的数据一致性。

本发明的上述实施例将闪存设备的存储空间在逻辑地址层分割为特殊数据存储区、普通存储区和至少一个隐藏存储区，并在闪存设备上电时默认将普通存储区上报到主机端，当需要访问隐藏存储区时，只需在特殊指令文件中输入相应命令，将当前上报区更改为指定的隐藏存储区即可。如此，提高了闪存设备加密的便捷性和通用性，降低了成本。

需要说明的是，在前述实施方案中在逻辑分区划分层划出一个独立区域来存放所述特殊数据的方法只是实现特殊数据存放功能的一种方式。在前述方案中设备调用FTL的封装函数来存取特殊数据，FTL向下又调用NAND Flash的驱动程序模块，因此最终的数据是保存在NAND Flash中的。除此之外，特殊数据还可以采用其它的方式存放。在一个方案中，可以将特殊数据存放在NOR Flash的存储器件(一般情况下也被称为ROM)中。通过调用NOR Flash的驱动程序同样可以在闪存设备内部构建出一个特殊数据存储区，只不过最终数据是存放在NOR Flash中而不是在NAND Flash中的。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1)加密手段不需要客户端软件的支持，可以跨平台使用，且避免了加密文件被破解或损坏的危险。

2)因为整个系统运行过程中只在上电初始化时进行一次性密码验证操作，所以采用暴力破解软件对密码进行穷举验证的方式是无效的。

3)密码和管理软件分别固化在NAND Flash和外围芯片中，由于Flash器件管理的特殊性，即使拆下闪存芯片，如果没有对应的FTL等管理算法，要想直接从物理器件上获取密码和数据信息将变得非常困难。

4)对加密和非加密存储区的分离完全在闪存设备内部实现，相对主机端来说属于物理层的隔离。当设备工作在非加密盘模式时，在主机端无论怎样操作磁盘都不可能造成加密区数据的损坏，反之亦然。

5)本发明采用的加密方案完全属于一种后台行为。使用时设备不会主动索取密码，也不会弹出多个盘符，所以即使闪存设备遗失，不知情的拾取者也不会知道盘内还有一个暗区的存在。

6)使用这种方案可以快速地开发出安全可靠的移动加密存储设备，而且，该方案的实施对闪存设备的硬件没有特殊要求，只要原先普通存储设备的硬件参数足够设备内的固件运行开销，则仅需修改设备中的固件代码就可以实现本发明提出的数据加密保护功能。基于本发明，可以利用现有的普通闪存设备(如：U盘，SD卡)软硬件开发环境，极大地提高具有私密数据保护功能的移动存储设备开发效率，降低了开发难度，并提高了业务开发的灵活性。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (9)

1.一种在设备端实现分区功能的闪存设备，其特征在于，包括具有普通存储区和至少一个隐藏存储区的逻辑分区划分层，其中，所述闪存设备采用当前上报分区号来确定所述普通存储区和至少一个隐藏存储区中哪一个为可被访问的存储分区；所述闪存设备还包括文件系统模块，用于在上电时访问当前上报分区根目录下的特殊指令文件；

其中，当前上报分区号可以根据特殊指令文件中的更改上报分区指令加以更改；

所述逻辑分区划分层还具有一个特殊数据存储区，用于存储所述当前上报分区号；

所述特殊数据存储区用于存储所述普通存储区和所述至少一个隐藏存储区的存储空间大小。

2.根据权利要求1所述的闪存设备，其特征在于包括闪存驱动程序模块和FTL模块；闪存驱动程序模块完成对物理存储模块的控制功能，为FTL模块提供闪存I/O接口；FTL层向逻辑分区划分层提供逻辑扇区访问接口函数。

3.根据权利要求1所述的闪存设备，其特征在于特殊数据存储区存储有密码，闪存设备通过比较特殊指令文件中的密码验证指令中含有的密码和特殊数据存储区中存储的密码而决定是否允许访问。

4.根据权利要求1所述的闪存设备，其特征在于所述特殊指令文件包括密码修改指令，闪存设备根据该指令而更改密码。

5.根据权利要求1所述的闪存设备，其特征在于所述特殊指令文件包括分区尺寸调整指令，闪存设备根据该指令而在逻辑层调整磁盘的分区容量。

6.一种在设备端实现分区功能的闪存设备的访问方法，其中闪存设备包括采用逻辑分区方式划分而成的普通存储区和至少一个隐藏存储区，其中所述闪存设备采用当前上报分区号来确定所述普通存储区和至少一个隐藏存储区中哪一个为可被访问的存储分区；闪存设备还包括文件系统，用于在上电时访问当前上报分区根目录下的特殊指令文件；所述访问方法包括：

将闪存设备枚举到主机上；

在当前上报分区的根目录下采用文本编辑软件新建一个特殊指令文件并在其中输入更改上报分区指令；

再次将闪存设备插入主机中时，文件系统读取更改上报分区指令；

闪存设备依据该更改上报分区指令更改当前上报分区号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法包括在特殊指令文件中输入密码验证指令的步骤，以及当再次将闪存设备插入主机中时闪存设备依据该密码验证指令允许访问的步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法包括在特殊指令文件中输入密码修改指令的步骤，以及当再次将闪存设备插入主机中时闪存设备依据该密码修改指令更改访问闪存设备密码的步骤。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法包括在特殊指令文件中输入分区尺寸调整指令的步骤，以及当再次将闪存设备插入主机中时闪存设备依据该分区尺寸调整指令调整相关分区大小的步骤。