CN103440217A - 一种基于光耦的单向u盘文件传输设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光耦的单向U盘文件传输设备，包括ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块；ARM处理器模块设有用于连接U盘的USBhost接口，U盘的数据通过USBhost接口输入ARM处理器模块后，经光耦模块输入USB设备接口模块，由USB设备接口模块输出；ARM处理器模块和USB设备接口模块之间建立直接传输控制信号的连接。本发明在底层硬件之间的数据传输中，创新性的加入了将光电耦合器件，设计了一整套单向传输系统，实现了U盘文件单向、安全、可靠的导入到计算机，而计算机中的文件不能拷贝到U盘中。

Description

一种基于光耦的单向U盘文件传输设备

技术领域

本发明涉及计算机信息安全领域，特别是涉及关于使用移动存储设备中的计算机信息安全。

背景技术

目前，以U盘为主的存储介质已经在企业、政府和其他各种组织广泛使用。由于各行各业对计算机的依赖，计算机与计算机之间，外部存储介质与计算机之间的数据传输越来越频繁。在日常学习和工作中，人们几乎离不开U盘。但在享受移动存储介质为工作带来的便捷性的同时，计算机正面临着日益剧增的安全威胁，计算机信息安全也成为目前受到广泛关注的问题。因为U盘使用而引发的信息安全问题也屡屡发生，根据计算机安全机构（CSI）及美国联邦调查局（FBI）等权威机构的调查表明：超过80%的信息安全都源自于组织内部。

目前，在计算机信息安全领域，针对使用移动存储设备，主要有下面几种策略：

（1）采用只读光驱，数据通过光盘传输到操作系统。

（2）更改操作系统，修改计算机操作系统的与USB相关功能，操作系统只具有读取U盘功能，没有写入功能。

（3）给计算机安装导入装置， U盘与导入装置连接，导入装置实现U盘的读取功能，同时屏蔽USB协议中写入操作。

近些年，产生了很多类似的技术，都具有一定的实用价值，这里就不一一介绍。但目前针对U盘所采用的信息安全策略都具有一定的局限性。采用光盘来替代U盘，解决了信息安全问题，但大量光盘的使用给日常工作带来了麻烦；通过修改操作系统来解决U盘泄密安全性不高，适用范围不广，因为修改操作系统是可逆的过程；而导入装置是在软件层面来解决U盘的写入问题，一旦泄密者突破了软件层，则会产生严重的泄密事故。

政府及军事部门的计算机，一旦因使用U盘而产生泄密事件，后果是不堪设想。现有的防U盘泄密的应用都有一定局限性，不能有效的杜绝泄密事件的发生。因而数据的保密和非法外泄的防范逐渐成为当前迫在眉睫的安全需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于光耦的单向U盘文件传输设备。

本发明所采用的技术方案是一种基于光耦的单向U盘文件传输设备，包括ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块；ARM处理器模块设有用于连接U盘的USB host接口，U盘的数据通过USB host接口输入ARM处理器模块后，经光耦模块输入USB设备接口模块，由USB设备接口模块输出；ARM处理器模块和USB设备接口模块之间建立直接传输控制信号的连接。

而且，所述光耦模块采用8通道光电耦合器件实现；U盘的数据从ARM处理器模块输入USB设备接口模块，采用经8通道光电耦合器件隔离的8位数据总线。

而且，USB设备接口模块上设有用于连接USB设备的USB总线接口，U盘的数据经USB总线接口输出到USB设备。

而且，所述USB设备为计算机。

而且，设置电源接口和稳压芯片，电源接口输入的电源接入稳压芯片，稳压芯片向ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块分别供电，ARM处理器模块连接有电源指示灯和状态指示灯。

而且，USB设备接口模块包含FIFO，设置连接到USB设备接口模块的EEPROM固件存储器。

而且，ARM处理器模块安装Linux文件系统，上电后执行U盘状态检测过程如下，

步骤10，调用Shell命令循环检测U盘插入状态；

步骤20，如果检测U盘插入状态正常，便挂载U盘至Linux文件系统的/mnt/usb 目录下，进入下一步，否则继续执行步骤10；

步骤30，检测光耦硬件通路，包括发送全零数据包，计算机接收到数据包并检测；

如果数据包错误，确认光耦通路有问题，重新执行步骤30，如果多次检测都有问题则需对设备进行维修；

如果数据包正确，则确认光耦通路没有问题，进入下一步；

步骤40，检测启动控制信号Start，如果检测到计算机通过USB设备接口模块发送的启动控制信号Start，则启动数据发送过程；如果没有检测到则继续检测；

步骤50，当U盘文件传输完毕，卸载U盘。

而且，数据发送过程包括以下步骤，

步骤411，执行U盘扫描，确定待发送的文件，开始准备发送当前数据包；

步骤412，进行数据打包；

步骤413，计算CRC数据校验码并打包在当前数据包的末尾，将打包好的数据包发送出去；

步骤414，检测计算机端发送的重传数据包指令RETRANS、传输下一数据包指令NEXT，如果RETANS状态翻转且NEXT状态不变，则进入步骤412重新发送数据包；如果RETANS状态不变且NEXT状态翻转，进入下一步；

步骤415，判断U盘文件是否传输完毕，如果文件传输完毕则结束发送进程；否则发送下一数据包，并返回步骤413计算CRC数据校验码。

而且，计算机端的接收数据过程包括以下步骤，

步骤421，接收到数据包则进入下一步，如果未接收成功，则发送重传数据包指令RETRANS；

步骤422，对接收到的数据包基于CRC数据校验码进行CRC数据校验，如果CRC校验出错，则发送重传数据包指令RETRANS；如果CRC校验通过则进入下一步；

步骤423，对数据包进行解析，恢复数据；

步骤424，判断文件是否传输完毕，如果还有数据待接收，则发送传输下一数据包指令；如果文件接收完毕则结束接收数据过程。

而且，对数据包进行解析的实现方式如下，

识别数据包类型，数据包类型包括文件数据头包、文件夹信息包、文件内容数据包，分别编号为数据包类型值1、2、3；

若数据包类型值是1，解析数据内容，并赋值给文件数据头包的结构体变量，在目标路径下按文件名建立新文件，并获取该文件的二进制写入流；

若数据包类型值是2，解析数据内容，并赋值给文件夹信息包的结构体变量，将目标路径和接收的路径合并得到完全路径，以此建立空文件夹；

若数据包类型值是3，解析数据内容，并赋值给文件内容数据包的结构体变量，往获取到的二进制写入流中追加写入数据，当一个文件内容全部写完后关闭写入流。

本发明在底层硬件之间的数据传输中，创新性的加入了将光电耦合器件，设计了一整套单向传输系统，实现了U盘文件单向、安全、可靠的导入到计算机，而计算机中的文件不能拷贝到U盘中。由于光电耦合器件的物理特性，从硬件层面保障了数据传输的单向性和不可逆性；底层嵌入式设备与USB设备接口之间的数据传输，抛弃了传统的串行方式，使用了高速并行方式，实现了数据传输的快捷性；USB设备接口主控芯片实施了只读控制设计；嵌入式应用层设计了U盘状态监测和数据发送过程；计算机应用层设计了初始化设备和后台数据处理过程。因而，该方案从硬件层面和软件层面保障计算机内部的信息安全。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构框图。

图2是本发明实施例的硬件驱动信号连接图。

图3是本发明实施例的软件系统层次结构图。

图4是本发明实施例的U盘状态监测流程图。

图5是本发明实施例的ARM单向传输流程图。

图6是本发明实施例的计算机端流程图。

具体实施方式   

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1所示文件传输设备的系统结构框图：

①文件传输设备的底层硬件主要由ARM处理器模块（一般采用Linux 系统，记为ARM-Linux）、USB设备接口模块（USB Device）、光耦模块组成，ARM处理器模块设有用于连接U盘的USB host接口，U盘的数据通过USB host接口输入ARM处理器模块后，经光耦模块输入USB设备接口模块，由USB设备接口模块输出；ARM处理器模块和USB设备接口模块之间建立直接传输控制信号的连接。

USB设备接口模块主要完成的功能如下：

(1)基于光耦的单向U盘文件传输设备与计算机之间数据交互。

(2)ARM端的总线数据，通过光耦隔离之后，送到USB设备接口芯片的FIFO缓存，以备(1)所用。

(3)USB设备接口模块完成计算机应用程序指令的译码过程，实现对下游ARM处理器模块的控制。

可设置连接到USB设备接口模块的EEPROM固件存储器，其功能是存储USB接口的固件程序。USB接口芯片采用“C2加载”模式，使得系统上电后，EEPROM中存储的USB固件程序加载到USB接口芯片的RAM中运行，使得USB接口模块具有特定的功能。

②光耦模块可采用8通道光电耦合器件，相应选择输入为8位数据总线的USB设备接口模块。实施例中，D0~D7是8位数据总线，一端连接至ARM的GPIO端口所提供数据接口，一端连接至USB Device 数据端口，中间采用光耦模块隔离。文件传输设备中，ARM处理器模块与USB设备接口模块之间的数据接口及控制接口由ARM处理器模块的GPIO扩展而来。现有技术中，GPIO作为总线扩展器，可提供输入/输出接口。

③采用ARM处理器模块自带的USB host接口实现U盘的读取，host表示主设备。一般支持普通U盘。具体实施时，USB host接口可采用USB- A型接口，选择具有高速USB- A型接口的ARM核心板即可。普通U盘与ARM处理器模块之间的传输，可采用高速USB差分数据通道D+和D-。

④总线上的数据必须通过光电耦合器件单向传输，光电耦合器件的光电转换速率一般要在5M/S以上。这样传输设备的电源系统分为两个部分：ARM核心板与光耦前端部分、光电耦合后端与USB接口部分。保证了光耦的输入端与光耦的输出端的电气隔离。光电耦合器件是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成光—电的转换器件。根据光耦的物理特性，能满足单向传输数据的需求。

⑤USB设备接口模块上设有用于连接USB设备的USB总线接口，U盘的数据经USB总线接口输出到USB设备。接收并使用U盘数据的USB设备一般为计算机，USB总线接口是文件传输设备与计算机之间数据传输的桥梁，具体实施时可采用USB-mini接口。USB设备接口模块的输出经USB总线接口输入计算机。USB设备接口模块与计算机之间的传输，可采用高速USB差分数据通道D+和D-。

⑥计算机负责接收数据并恢复U盘文件。

具体实施时，供电可采用现有技术，一般可设置电源接口和稳压芯片，电源接口输入的电源接入稳压芯片，稳压芯片向ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块分别供电，ARM处理器模块连接有电源指示灯和状态指示灯。文件传输设备整体可设计为：传输设备机箱上包括插U盘接口、电源指示灯、状态指示灯、计算机USB总线接口、电源控制开关、电源接口。传输设备内部包括有和光电耦合器ARM核心板、8通道光耦器件、USB设备接口芯片、EEPROM固件存储器、稳压芯片。8通道光耦器件作为ARM核心板与USB设备接口芯片之间数据传输的桥梁，EEPROM固件存储器连接到USB设备接口芯片用来存储USB设备运行时的固件程序，稳压芯片为整个电路板提供稳压电源。U盘中的文件是通过ARM中Linux的应用程序打包发送到内部数据总线，数据总线通过光电耦合器件隔离，随后发送至USB设备接口芯片，计算机以数据采集的方式接收数据，最终恢复U盘文件。

如图2所示， ARM处理器模块与USB设备接口模块之间的通信接口设计。ARM处理器模块与USB设备接口模块的通信接口包括：数据接口、控制接口。

（a）数据接口FD[7:0]，提供了高速8位并行接口，采用8位数据总线D0~D7连接。

（b）控制接口包括（Start、RETRANS、NEXT、SLCS、FIFODADR[1：0]、SLWR、PKETED、FULL）。启动控制信号Start、重传数据包指令RETRANS、传输下一数据包指令NEXT是硬件逻辑控制信号，这些接口是通过ARM和USB接口编程实现；FIFO片选信号SLCS、FIFO选择信号FIFODADR[1：0]、写数据信息SLWR、小包数据控制信号PKETED、FIFO满状态信号FULL是USB芯片传输数据的控制信号，是由USB接口芯片自身提供。

（c）FIFO是USB接口内置数据缓存模块，一般为4*512Byte。

如图4所示，传输设备上电后，ARM Linux系统启动，随系统自动启动运行U盘状态检测，整体运行流程如下：

①调用Shell命令循环检测U盘插入状态。

②如果检测U盘状态正常，便挂载U盘至Linux文件系统的/mnt/usb 目录下，执行下一步；若未检测到U盘插入，继续执行步骤①。检测U盘状态正常时，可以调用底层驱动提供的接口，打开状态指示灯，提示当前可以进行导入设备检测、光耦模块检测。

③检测光耦硬件通路，包括发送全零数据包，计算机接收到数据包，进行数据包检测，如果数据包错误，确认光耦通路有问题，重新执行步骤③ ，如果多次检测都有问题，需要对设备进行维修；如果数据包正确，则确认光耦通路没有问题（可以检测到计算机发来的检查光耦确认信号），执行下一步。

④判断计算机通过USB device发送的启动控制信号（Start），如果检测到Start信号，则启动数据发送过程；如果没有检测到Start信号，则继续检测。

⑤当U盘文件传输完毕，卸载U盘。此时可关闭状态提示灯。

如图5所示，ARM单向传输数据包的数据发送过程包括步骤如下：

①启动数据发送过程后，执行U盘扫描，确定待发送的文件，文件一般分为多个数据包发送；开始准备发送当前数据包。

②进行数据打包。数据包分三种：文件数据头包、文件夹信息包、文件内容数据包。

③计算CRC数据校验码并打包在数据包的末尾，将打包好的数据包发送出去。

④判断RETRANS、NEXT信号（计算机端发送的重传数据包指令和传输下一数据包指令，通过计算机接口传输到USB device，随后通过USB device输出RETRANS、NEXT），如果RETRANS状态翻转且NEXT状态不变，则进入②重新发送数据包；如果RETRANS状态不变且NEXT状态翻转，则进行下一步操作。状态翻转指从0跳变到1或从1跳变到0。

⑤判断U盘文件是否传输完毕，如果文件传输完毕，则结束发送进程；若还有数据包未发送完，则发送下一数据包，并返回③。

如图6所示，计算机端的步骤如下：

①初始化设备，包括初始化单向U盘文件传输设备，检测单向传输设备是否连接。

②检测光耦模块是否正常，检测失败则重新检测，如果多次检测失败则检修设备，如果检测成功则进入下一步操作。

③开始文件传输。

④接收到数据包（一般为2048字节的）则进入下一步；如果未接收成功，则发送重传数据包指令RETRANS。

⑤对接收到的数据包基于CRC数据校验码进行CRC数据校验，如果CRC校验出错，则发送重传数据包指令RETRANS；如果CRC校验通过，则进入下一步操作。

⑥对数据包，进行解析恢复数据。

判断是否传输完毕，如果还有数据待接收，则发送传输下一数据包指令；如果文件接收完毕，则结束接收数据过程。

前三步配合ARM Linux系统运行流程的开始阶段相应实现，后4步是数据接收过程，配合ARM单向传输数据包的数据发送过程实现。

数据包解析模块实现的具体步骤如下：

①识别数据包类型，数据包类型包括（文件数据头包、文件夹信息包、文件内容数据包）分别编号为数据包类型值1、2、3。

②（a）若数据包类型值是1，解析数据内容，并赋值给文件数据头包的结构体变量，在目标路径下按文件名建立新文件，并获取该文件二进制写入流；（b）若数据包类型值是2，解析数据内容，并赋值给文件夹信息包的结构体变量，将目标路径和接收的路径合并得到完全路径，以此建立空文件夹；（c）若包类型值是3，解析数据内容，并赋值给文件内容数据包的结构体变量，往步骤（b）获取到的二进制写入流中追加写入数据。当一个文件内容全部写完后，关闭写入流。

具体实施时，本领域技术人员可采用计算机软件技术实现以上方法的自动运行，一般将软件系统分发送端程序和接收端程序两个部分。为便于实施参考起见，提供一种模块化设计方案，如图3所示：

（a）发送端程序可由C语言编写，运行于ARM Linux系统上，发送端程序的U盘状态监测进程和数据发送进程可分别采用软件模块化方式设计为U盘状态监测模块与数据发送模块。U盘状态监测进程随ARM Linux系统启动时自运行并一直处于运行状态，实时监控USB端口，当检测到U盘之后，USB接口发出系统启动控制信号（Start），开始数据发送进程。数据发送进程则由文件（夹）扫描、填充发送数据包、生成CRC校验码三个部分构成，可进一步分别设计为数据发送模块由文件扫描模块、数据打包模块、生成CRC校验码模块组成。文件扫描模块用于文件（夹）扫描，即执行U盘扫描；数据打包模块，负责填充发送数据包，数据包分三种——文件数据头包、文件夹信息包、文件内容数据包；生成CRC校验码模块，用于通过计算每个包的数据得到校验码，校验码位于包的末尾。

（b）接收端程序可由C#语言编写，运行于Windows系统上。接收端程序可采用软件模块化方式设计为包括初始化设备模块与后台数据处理模块。初始化设备模块主要检测USB接口模块是否正常以及光耦模块是否正常，后台数据处理由采集数据包、CRC数据校验、数据包解析三个部分构成，可进一步分别设计为后台数据处理模块由采集数据包模块、CRC数据校验模块、数据包解析模块组成。采集数据包模块用于每次采集2048字节的数据；CRC数据校验模块对接收到的数据包，基于CRC数据校验码进行CRC数据校验；数据包解析模块对数据包进行解析恢复。具体实施时可提供操作界面，供用户进行交换，进行选择文件保存路径，发出文件传输开始命令等操作。

具体实施时，设备使用流程可为：打开计算机的接收端程序；将传输设备与计算机通过USB连接线连接起来；传输设备插入5V直流电源，并打开电源开关；当传输设备的电源指示灯亮，将U盘插入到传输设备的U盘接口；当传输设备的状态指示灯灯亮，提示可以进行下一步操作；基于计算机的接收端程序检测光耦器件，如果状态正确，则进行文件单向传输；文件传输结束，则关闭计算机应用程序，关闭传输设备的电源。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：包括ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块；ARM处理器模块设有用于连接U盘的USB host接口，U盘的数据通过USB host接口输入ARM处理器模块后，经光耦模块输入USB设备接口模块，由USB设备接口模块输出；ARM处理器模块和USB设备接口模块之间建立直接传输控制信号的连接。

2.根据权利要求1所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：所述光耦模块采用8通道光电耦合器件实现；U盘的数据从ARM处理器模块输入USB设备接口模块，采用经8通道光电耦合器件隔离的8位数据总线。

3.根据权利要求1所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：USB设备接口模块上设有用于连接USB设备的USB总线接口，U盘的数据经USB总线接口输出到USB设备。

4.根据权利要求3所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：所述USB设备为计算机。

5.根据权利要求1或2或3或4所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：设置电源接口和稳压芯片，电源接口输入的电源接入稳压芯片，稳压芯片向ARM处理器模块、USB设备接口模块和光耦模块分别供电，ARM处理器模块连接有电源指示灯和状态指示灯。

6.根据权利要求1或2或3或4所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：USB设备接口模块包含FIFO，设置连接到USB设备接口模块的EEPROM固件存储器。

7.根据权利要求1或2或3或4所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：ARM处理器模块安装Linux文件系统，上电后执行U盘状态检测过程如下，

步骤10，调用Shell命令循环检测U盘插入状态；

步骤20，如果检测U盘插入状态正常，便挂载U盘至Linux文件系统的/mnt/usb 目录下，进入下一步，否则继续执行步骤10；

步骤30，检测光耦硬件通路，包括发送全零数据包，计算机接收到数据包并检测；

如果数据包错误，确认光耦通路有问题，重新执行步骤30，如果多次检测都有问题则需对设备进行维修；

如果数据包正确，则确认光耦通路没有问题，进入下一步；

步骤40，检测启动控制信号Start，如果检测到计算机通过USB设备接口模块发送的启动控制信号Start，则启动数据发送过程；如果没有检测到则继续检测；

步骤50，当U盘文件传输完毕，卸载U盘。

8.根据权利要求7所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：数据发送过程包括以下步骤，

步骤411，执行U盘扫描，确定待发送的文件，开始准备发送当前数据包；

步骤412，进行数据打包；

步骤413，计算CRC数据校验码并打包在当前数据包的末尾，将打包好的数据包发送出去；

步骤414，检测计算机端发送的重传数据包指令RETRANS、传输下一数据包指令NEXT，如果RETANS状态翻转且NEXT状态不变，则进入步骤412重新发送数据包；如果RETANS状态不变且NEXT状态翻转，进入下一步；

步骤415，判断U盘文件是否传输完毕，如果文件传输完毕则结束发送进程；否则发送下一数据包，并返回步骤413计算CRC数据校验码。

9.根据权利要求7所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：计算机端的接收数据过程包括以下步骤，

步骤421，接收到数据包则进入下一步，如果未接收成功，则发送重传数据包指令RETRANS；

步骤422，对接收到的数据包基于CRC数据校验码进行CRC数据校验，如果CRC校验出错，则发送重传数据包指令RETRANS；如果CRC校验通过则进入下一步；

步骤423，对数据包进行解析，恢复数据；

步骤424，判断文件是否传输完毕，如果还有数据待接收，则发送传输下一数据包指令；如果文件接收完毕则结束接收数据过程。

10.根据权利要求9所述基于光耦的单向U盘文件传输设备，其特征在于：对数据包进行解析的实现方式如下，

识别数据包类型，数据包类型包括文件数据头包、文件夹信息包、文件内容数据包，分别编号为数据包类型值1、2、3；

若数据包类型值是1，解析数据内容，并赋值给文件数据头包的结构体变量，在目标路径下按文件名建立新文件，并获取该文件的二进制写入流；

若数据包类型值是2，解析数据内容，并赋值给文件夹信息包的结构体变量，将目标路径和接收的路径合并得到完全路径，以此建立空文件夹；

若数据包类型值是3，解析数据内容，并赋值给文件内容数据包的结构体变量，往获取到的二进制写入流中追加写入数据，当一个文件内容全部写完后关闭写入流。

Images