CN105138891B - 一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路和方法，所述通信电路包括加解密芯片电路和电源电路，加解密芯片电路包括Z8D64U芯片、Z8D晶振、SLE66CL80无线通信芯片、Flash芯片、LED、按键模块、USB接口或无线接口，所述方法软件系统包括：传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统、安全控制系统。本发明在硬件上将同时USB接口和无线接口，在软件层次上将提供二次加密认证，提供用户的私钥和基于时间的动态密钥，将信息通过两层加密，已获得更加安全的保密方式。该方法无需根证书和外部驱动，实现即插即用。

Description

一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路和方法

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路和方法，用于国产服务器身份认证和数据加密，将采用无驱动的方式进行，减少了对外部驱动的依赖，硬件设计为USB接口和无线通信接口两种方式，扩大了使用范围。

背景技术

随着计算机技术、网络技术的快速发展，通信方式也在快速发展。现代通信技术的发展给人们的生活和工作带来了无限的便捷，但是随着通信的重要性的提升，通信的安全性也逐步成为人们关注的热点。

现代通信技术的基础是PKI（Public Key Infrastructure），成为认证技术的关键技术，该技术可以提供加密和数字签名等服务所需要的密钥和证书管理等服务，因此成为身份认证、数据完整性、可靠性和访问控制等一系列安全技术的关键性服务。现在的PKI系统主要由加密证书、密钥生成系统和备份系统、证书认证和作废、应用接口等一系列部分组成。

PKI依赖于非对称加密算法，包括私钥（Private Key）、可信CA证书和其他关键信息。现有的USBKey具有安全性高、保密性好的特点，成为存储私钥、可信CA证书等信息的可靠介质。并且该技术可以利用USBKey内部的芯片的计算性能，可以生成密钥对并管理密钥对，利用证书进行数据加密和对文档进行签名，并且利用内部的存储空间控制关键的私有信息，保证用户的关键信息可以得到可靠的保护。在硬件方面，USB接口已经成为电脑、平板、服务器等重要电子设备的标准接口，USB接口具有热插拔、外部供电、可靠性高等优点，因此基于USB接口开发的加密设备具有便捷性的优点，可以方便携带。

传统USBKey基于PKI协议非对称加密协议生成公私密钥对，将采用使用公钥加密私钥解密的形式进行信息验证，从而进行信息有效性或者身份有效性的验证。为保证安全，一般对USBKey进行初始化的时候采用加密协议随机化选择，并植入根证书确保有效性。这种方式需要外部驱动方式，但是缺少根证书又存在中间人攻击的方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：鉴于上述问题，本发明将提供一种基于无驱动的USBKey COS，该USBKey可以实现无线通信。该方法提供了基于PKI协议非对称加密协议和基于时间的二次加密，无需根证书，从而减少了对外部驱动的依赖。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路，所述通信电路包括加解密芯片电路和电源电路，加解密芯片电路包括Z8D64U芯片、Z8D晶振、SLE66CL80无线通信芯片、Flash芯片、LED、按键模块、USB接口、无线接口，

其中：Z8D64U芯片作为USBKey嵌入式芯片利用该芯片对信息流通进行控制，对文件进行存取；

Z8D晶振为Z8D64U提供6MHz时钟信号，并且该芯片也将为SLE66CL80无线通信芯片提供时钟信号；

Z8D64U通过对Flash 芯片进行信息读取，将重要的信息通过LED显示，并通过按键模块进行信息确认；

所述通信电路通过电源电路提供能源，所述电源电路包括：LDO BL8563芯片、内部电池（Battery）、LNK304GN芯片，其中：

电路通过USB通信时，USB接口为LDO BL8563芯片提供5V电压，LDO BL8563芯片为Z8D64U芯片提供3.3V输出电压；

若通过无线通信时，内部电池（Battery）通过LNK304GN芯片为Z8D64U芯片提供3.3V电压；

内部电池通过USB接口充电。

一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，所述方法软件系统包括：传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统、安全控制系统，

其中，传输控制模块与外界设备进行信息交互并进行报文格式转化；

命令管理系统对报文信息进行响应；

文件管理系统对存储的信息进行访问；

以上三个系统都通过安全控制系统进行管理控制。

所述传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统组成的传输管理层符合ISO7816协议规范，采用异步半双工通信传输协议。

所述方法的基本控制信息流程如下，其中设备处于准备状态，等待外部命令（OCW，outside control waiting），然后根据外部命令的不同，通过传输控制模块将外部命令进行报文格式转化，提取控制命令和控制内容，通过命令管理系统进行命令响应，将命令内容分为数据输入信息、数据输出信息和普通的控制类信息；根据报文信息内容响应外部命令（OCR，outside control responding），然后通过传输控制模块进行报文转化，并通过外部接口（USB接口或者无线接口）将信息返回。

所述报文格式命令头包含有CLA、INS、P1、P2组成的命令数据体，其中CLA为控制命令类型，INS为控制命令编码，P1和P2表示命令参数，以上四个参数组成控制命令报文头（Control Command），后面跟随控制报文数据内容(Data)。

所述USBkey与外部认证过程为：外部（Outside）对随机数Random进行公钥加密并将密文传输给USBKey，USBKey通过私钥解密得到随机数并使用EHAM算法，通过加入时间变量和加密方式变量进行加密，将密文传输给外部，外部进行EHAM算法解密，得到随机数与原来进行对比即可进行身份认证。

为进一步争强加密算法的效果，将明文经过EHAM算法（以认证随机数作为变量）经过加密后在进行私钥加密和EHAM算法（以时间和加密方式作为变量）进行加密。

经过身份认证以后，USBKey将对信息进行私钥加密和EHAM加密两部加密，因此，外部中间人攻击无法仅通过外部公钥对密文进行解密。

所述方法具体实施方式如下：

i.当外部无通信时，USBKey芯片处于低功耗状态得到外部中断；当USBKey插入计算机或者靠近无线通信网络时，USBKey芯片通过获取外部的控制指令，进行报文格式转化；

ii.提取报文中的控制信息，通过安全控制系统，对文件系统的数据进行加解密或者认证处理，处理后信息返回命令管理系统；

iii.加解密和认证过程流程不同，其中加解密需首先进行身份认证并利用随机数进行多次加密；

iv.USBKey返回的数据将通过USB接口或者无线通信模块响应外部应答，并等待控制命令。

本发明的有益效果为：

本发明在硬件上将同时USB接口和无线接口，在软件层次上将提供二次加密认证，提供用户的私钥和基于时间的动态密钥，将信息通过两层加密，已获得更加安全的保密方式。该方法无需根证书和外部驱动，实现即插即用。

附图说明

图1为加解密芯片电路图；

图2为电源电路图；

图3为USBKey整体结构图；

图4为控制命令报文格式示意图；

图5为控制信息流程图；

图6为认证设计流程图；

图7为加密设计流程图。

具体实施方式

下面参照附图所示，通过具体实施方式对本发明进一步说明：

实施例1：

如图1所示，一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路，所述通信电路包括加解密芯片电路和电源电路，加解密芯片电路包括Z8D64U芯片、Z8D晶振、SLE66CL80无线通信芯片、Flash 芯片、LED、按键模块、USB接口、无线接口，

其中：Z8D64U芯片作为USBKey嵌入式芯片利用该芯片对信息流通进行控制，对文件进行存取；

Z8D晶振为Z8D64U提供6MHz时钟信号，并且该芯片也将为SLE66CL80无线通信芯片提供时钟信号；

Z8D64U通过对Flash 芯片进行信息读取，将重要的信息通过LED显示，并通过按键模块进行信息确认；

如图2所示，所述通信电路通过电源电路提供能源，所述电源电路包括：LDOBL8563芯片、内部电池（Battery）、LNK304GN芯片，其中：

电路通过USB通信时，USB接口为LDO BL8563芯片提供5V电压，LDO BL8563芯片为Z8D64U芯片提供3.3V输出电压；

若通过无线通信时，内部电池（Battery）通过LNK304GN芯片为Z8D64U芯片提供3.3V电压；

内部电池通过USB接口充电。

实施例2：

在实施例1的基础上，一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，所述方法软件系统包括：传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统、安全控制系统，如图3所示，

其中，传输控制模块与外界设备进行信息交互并进行报文格式转化；

命令管理系统对报文信息进行响应；

文件管理系统对存储的信息进行访问；

以上三个系统都通过安全控制系统进行管理控制。

实施例3：

在实施例2的基础上，本实施例所述传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统组成的传输管理层符合ISO7816协议规范，采用异步半双工通信传输协议。

实施例4：

如图5所示，在实施例2或3的基础上，本实施例所述方法的基本控制信息流程如下，其中设备处于准备状态，等待外部命令（OCW，outside control waiting），然后根据外部命令的不同，通过传输控制模块将外部命令进行报文格式转化，提取控制命令和控制内容，通过命令管理系统进行命令响应，将命令内容分为数据输入信息、数据输出信息和普通的控制类信息；根据报文信息内容响应外部命令（OCR，outside control responding），然后通过传输控制模块进行报文转化，并通过外部接口（USB接口或者无线接口）将信息返回。

实施例5：

如图4所示，在实施例4的基础上，本实施例所述报文格式命令头包含有CLA、INS、P1、P2组成的命令数据体，其中CLA为控制命令类型，INS为控制命令编码，P1和P2表示命令参数，以上四个参数组成控制命令报文头（Control Command），后面跟随控制报文数据内容(Data)。

实施例6：

如图6所示，在实施例5的基础上，本实施例所述USBkey与外部认证过程为：外部（Outside）对随机数Random进行公钥加密并将密文传输给USBKey，USBKey通过私钥解密得到随机数并使用EHAM算法，通过加入时间变量和加密方式变量进行加密，将密文传输给外部，外部进行EHAM算法解密，得到随机数与原来进行对比即可进行身份认证。

实施例7：

如图7所示，在实施例6的基础上，本实施例为进一步争强加密算法的效果，将明文经过EHAM算法（以认证随机数作为变量）经过加密后在进行私钥加密和EHAM算法（以时间和加密方式作为变量）进行加密。

经过身份认证以后，USBKey将对信息进行私钥加密和EHAM加密两部加密，因此，外部中间人攻击无法仅通过外部公钥对密文进行解密。

实施例8：

在实施例7的基础上，本实施例所述方法具体实施方式如下：

i.当外部无通信时，USBKey芯片处于低功耗状态得到外部中断；当USBKey插入计算机或者靠近无线通信网络时，USBKey芯片通过获取外部的控制指令，进行报文格式转化；

ii.提取报文中的控制信息，通过安全控制系统，对文件系统的数据进行加解密或者认证处理，处理后信息返回命令管理系统；

iii.加解密和认证过程流程不同，其中加解密需首先进行身份认证并利用随机数进行多次加密；

iv.USBKey返回的数据将通过USB接口或者无线通信模块响应外部应答，并等待控制命令。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路，其特征在于：所述通信电路包括加解密芯片电路和电源电路，加解密芯片电路包括Z8D64U芯片、Z8D晶振、SLE66CL80无线通信芯片、Flash芯片、LED、按键模块、USB接口或无线接口，

其中：Z8D64U芯片作为USBKey嵌入式芯片利用Z8D64U芯片对信息流通进行控制，对文件进行存取；

Z8D晶振为Z8D64U芯片提供6MHz时钟信号，并且Z8D晶振也将为SLE66CL80无线通信芯片提供时钟信号；

Z8D64U芯片通过对Flash 芯片进行信息读取，将重要的信息通过LED显示，并通过按键模块进行信息确认；

整体的电路通过电源电路提供能源，所述电源电路包括： LDO BL8563芯片、内部电池、LNK304GN芯片，其中：

电路通过USB通信时，USB接口为LDO BL8563芯片提供5V电压，LDO BL8563芯片为Z8D64U芯片提供3.3V输出电压；

若通过无线通信时，内部电池通过LNK304GN芯片为Z8D64U芯片提供3.3V电压；

内部电池通过USB接口充电。

2.基于权利要求1一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信电路的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于，所述方法基于软件系统实现，所述软件系统包括：传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统、安全控制系统，

其中传输控制模块与外界设备进行信息交互并进行报文格式转化；

命令管理系统对报文信息进行响应；

文件管理系统对存储的信息进行访问；

传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统都通过安全控制系统进行管理控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于：所述传输控制模块、命令管理系统、文件管理系统组成的传输管理层符合ISO7816协议规范，采用异步半双工通信传输协议。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于，所述方法的基本控制信息流程如下，其中设备处于准备状态，等待外部命令，然后根据外部命令的不同，通过传输控制模块将外部命令进行报文格式转化，提取控制命令和控制内容，通过命令管理系统进行命令响应，将命令内容分为数据输入信息、数据输出信息和普通的控制类信息；根据报文信息内容响应外部命令，然后通过传输控制模块进行报文转化，并通过USB接口或者无线接口将信息返回。

5.根据权利要求4所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于：所述报文格式命令头包含有CLA、INS、P1、P2组成的命令数据体，其中CLA为控制命令类型，INS为控制命令编码，P1和P2表示命令参数，以上四个参数组成报文格式命令头，后面跟随控制报文数据内容。

6.根据权利要求5所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于:所述USBkey与外部认证过程为：外部对随机数进行公钥加密并将密文传输给USBKey，USBkey通过私钥解密得到随机数并使用EHAM算法，通过加入时间变量和加密方式变量进行加密，将密文传输给外部，外部进行EHAM算法解密，得到随机数与原来进行对比即可进行身份认证。

7.根据权利要求6所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于:经过身份认证以后，将明文以认证随机数作为变量经过EHAM算法加密后，再以时间和加密方式作为变量，进行私钥加密和EHAM算法加密。

8.根据权利要求7所述的一种基于USBKey的无驱动加解密认证通信方法，其特征在于，所述方法具体实施方式如下：

i.当外部无通信时，USBKey芯片处于低功耗状态得到外部中断；当USBKey插入计算机或者靠近无线通信网络时，USBKey芯片通过获取外部的控制指令，进行报文格式转化；

ii.提取报文中的控制信息，通过安全控制系统，对文件系统的数据进行加解密或者认证处理，处理后信息返回命令管理系统；

iii.加解密和认证过程流程不同，其中加解密需首先进行身份认证并利用随机数进行多次加密；

iv.USBKey返回的数据将通过USB接口或者无线通信模块响应外部应答，并等待控制命令。