CN111460530B - 一种m.2接口的sata加密卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种M.2接口的SATA加密卡，包括SATA PHY、CPU、RAM、NorFlash、DMA和加密模块，所述SATA加密卡通过SATA PHY上的M.2接口与外部通信，SATA PHY上设有SATA IN FIFO和SATA OUT FIFO，加密模块通过DMA与SATA IN FIFO相连，SATA OUT FIFO通过另一DMA与加密模块相连，加密模块与CPU相连，CPU分别与RAM、NorFlash相连，与SATA IN FIFO、SATA OUT FIFO相连的DMA、加密模块、SATA PHY均受CPU的控制；使用时，所述SATA加密卡模拟为M.2接口SATA硬盘，并采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读写操作。本发明可以接入支持M.2接口或者SATA接口的设备，并且具备传统PCIE加密卡的功能。

Description

一种M.2接口的SATA加密卡

技术领域

本发明涉及一种加密卡，具体是一种M.2接口的SATA加密卡，属于安全存储技术领域。

背景技术

随着国家对等保2.0机制和云安全标准的深入和推广，基础加密设备的性能、成本、可靠性要求越来越高。传统意义上的加密卡一般采用PCIE接口，PCIE接口在IC硬件上占用较大的面积，因此成本和功耗较高，并且要求设备也支持PCIE形式的接口，而在性能要求不高、加密数据量较小、对功耗较为敏感的场合显得不太适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种M.2接口的SATA加密卡，可以接入支持M.2接口或者SATA接口的设备，并且具备传统PCIE加密卡的功能。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种M.2接口的SATA加密卡，包括SATA PHY、CPU、RAM、NorFlash、DMA和加密模块，所述SATA加密卡通过SATA PHY上的M.2接口与外部通信，SATA PHY上设有SATA IN FIFO和SATA OUT FIFO，加密模块通过DMA与SATA IN FIFO相连，SATA OUT FIFO通过另一DMA与加密模块相连，加密模块与CPU相连，CPU分别与RAM、NorFlash相连，与SATA IN FIFO、SATA OUT FIFO相连的DMA、加密模块、SATAPHY均受CPU的控制；使用时，所述SATA加密卡模拟为M.2接口SATA硬盘，并采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读写操作。

进一步的，通过修改SATA加密卡中的sata identify指令响应的第54~58个word的内容，告诉系统本SATA加密卡的容量为T，系统则自行将SATA加密卡识别为T容量的SATA硬盘。

进一步的，采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的写操作时，模拟SATA硬盘缓存并丢弃所有的写入数据并且返回SATA指令成功；采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读操作时，模拟SATA硬盘填充指定长度的0xff数据返回上位机并且返回SATA指令成功。

进一步的，SATA IN FIFO、SATA OUT FIFO、加密模块在一个DIE封装，在DMA传输过程中，CPU自动随机配置传输数据的掩码种子，干扰传输过程中的功耗变化。

进一步的，所述SATA加密卡采用两种指令模式：结构数据模式和流数据模式，每次加/解密由一个写操作和/或一个读操作完成，通过越界LBA来定义指令，每次标准读写数据最小长度为1个LBA。

进一步的，NorFlash位于SATA加密卡内部，在安全授权的情况下由客户进行信息存储，存储的信息包括数据、密钥、日志；NorFlash与CPU之间设有加扰存储空间的EMC模块，EMC的寄存器配置设置为掉电不丢失，并且EMC的寄存器控制不对客户开放，提供SATA加密卡层面、由各自厂商进行权限控制的定制接口。

进一步的，所述SATA加密卡设置安全量产机制，SATA加密卡出厂量产后，通过量产工具写入一组授权数据，该授权数据与加密模块的加密芯片ID进行绑定，并在量产工具目录下存储为一个文件，当需要重新量产时，自动检索量产工具目录下的加密芯片ID验证权限数据，只有正确的权限数据才能重新正确量产，多次错误量产会导致SATA加密卡进入数据、密钥销毁状态。

进一步的，流数据模式适用于加密算法SM1、SM3、SM4、AES、SHA256，流数据加密模式下，数据连续传输，通过SATA标准指令读/写指令LBA，指令LBA设定数据长度，连续发送数据，由上位机自行丢弃多余数据。

结构数据模式适用于加密算法SM2、RSA，通过SATA标准指令读写特定的指令LBA，特定的指令LBA指定只有第一个数据包有特殊含义，SATA加密卡接收数据后先进行指令处理，分析合法数据长度，将有意义数据拆分并送入硬件加密模块，然后上位机读取计算结果，自行丢弃多余数据。

进一步的，不需要输入数据计算、只需要上位机从SATA加密卡获取数据的加密操作，只需要1个读操作即可完成。

本发明的有益效果：本发明所述种M.2接口的SATA协议加密卡，可以完全实现传统PCIE加密卡的功能，对称加密128KB/64KB数据包稳态性能880bps±5%。该产品价格低廉，功耗远低于PCIE接口加密卡，支持OpenSSL、SKF、SDF接口标准，并且针对客户可以进行二次开发定制，对客户数据和芯片在SATA加密卡层面和芯片层面的多重保护机制，加强数据的安全性，可适用于加密设备终端，加密摄像头，小型百兆加密服务器等设备。在等保2.0、物联网和云安全方面有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明所述SATA加密卡作为模拟SATA硬盘的读写控制示意图；

图3为本发明所述SATA加密卡的加密指令通讯流程图；

图4为加解密指令定义及计算的示意图；

图5为本发明所述SATA加密卡的存储管理机制流程图；

图6为本发明所述SATA加密卡的安全量产机制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，附图中所述固件即为SATA加密卡。

本实施例公开一种M.2接口的SATA加密卡，如图1所示，包括SATA PHY、CPU、RAM、NorFlash、EMC模块、DMA和加密模块，所述SATA加密卡通过SATA PHY上的M.2接口与外部通信，SATA PHY上设有SATA IN FIFO和SATA OUT FIFO，加密模块通过DMA与SATA IN FIFO相连，SATA OUT FIFO通过另一DMA与加密模块相连，加密模块与CPU相连，CPU分别与RAM、NorFlash相连，EMC模块连接在NorFlash与CPU之间，与SATA IN FIFO、SATA OUT FIFO相连的DMA、加密模块、SATA PHY均受CPU的控制。

图1中，实线表示SATA加密卡内部数据线，虚线表示SATA加密卡内部控制线。

本实施例中，所述加密模块基于HX8800国密安全芯片，该芯片支持SATAⅢ标准，采用M.2接口，硬件实现国密SM1、SM2、SM3、SM4等算法，同时支持AES、SHA1、RSA等国际通用加密算法，SATA加密卡层面采用Lib方式，隐藏关键寄存器控制，封装成SATA加密卡接口形式。上位机开发包支持OpenSSL、SKF、SDF接口标准，也可根据客户要求进行定制开发，支持Windows、中标麒麟、Ubuntu等X86或者ARM架构系统。

由于某些系统版本禁止对M.2接口的SATA非存储设备的LBA（逻辑偏移地址）读写，本实施例采用虚拟存储模式，将M.2接口加密卡模拟为M.2接口SATA硬盘。具体实现方式为：通过修改模拟SATA硬盘中的sata identify指令响应的第54~58个word的内容，告诉系统该设备的容量为T，系统会自动将加密卡识别为T容量的SATA存储硬盘，但实际SATA加密卡上并无存储功能。本实施例中，T为100GB。

由于系统对SATA设备具有错误重传机制，如果禁止对虚拟存储区的读写，会触发驱动层7~10次自动重试，造成长时间卡顿。本实施例采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读写操作。如图2所示，写操作时，模拟SATA硬盘缓存并丢弃所有的写入数据并且返回SATA指令成功，图2中，将写入数据缓存至RAM，随后丢弃。

读操作时，SATA加密卡填充指定长度的0xff数据到SATA IN FIFO，然后返回上位机并且返回SATA指令成功，这样不会触发重传机制，也无需增加存储颗粒提高成本，既保证兼容性，又降低成本。

本实施例中，加密模块基于国密安全芯片HX8800，加密算法均采用硬件实现，性能高且安全性好。硬件设计上，经过硬件加密运算的中间过程和结果无法进入RAM，直接通过DMA将运算结果放入SATA IN FIFO中，该FIFO只能通过SATA硬件发送给上位机，无法通过SATA加密卡获取中间结果。整个SATA IN/OUT FIFO、加密模块在一个DIE（晶圆（SiliconWafer）上切割下来的一个个小方块）封装，并且在DMA传输过程中，CPU自动随机配置传输数据的掩码种子，干扰传输过程中的功耗变化，从而一定程度上防止DPA（差分功耗功耗）攻击和针对RAM的监听攻击。实现高安全硬件加密。

本实施例中，所述SATA加密卡采用两种指令模式：结构数据模式和流数据模式，每次加/解密操作由一个写操作和/或一个读操作完成。如图3所示，为由一个读操作和一个写操作完成的加/解密的流程图，包括以下步骤：S31）、操作系统生成加/解密指令，同时向SATA加密卡发送写操作指令（SATA OUT）；S32）、SATA OUT FIFO数据接收完成后，CPU启动DMA和加密模块，同时向操作系统返回发送指令成功；S33）、SATA OUT FIFO通过DMA向加密模块传输数据，加密模块获取数据后进行加/解密计算，并且向CPU返回计算完成；S34）、操作系统向SATA加密卡的CPU发送读操作指令（SATA IN），CPU再次启动DMA和加密模块，加密模块根据上位机获取结果的要求发送计算结果；S35）、计算结果由加密模块经过DMA传输至SATA IN FIFO，由SATA IN FIFO传输至操作系统，同时返回指令成功。

在某些情况下，如获取随机数，不需要输入数据计算，只需要上位机从SATA加密卡获取数据，只需要1个读操作即可。

如图4所示，通过越界LBA来定义指令，越界LBA包括基地址（Base_addr）和offset，offset为定义的私有指令，有数据加密、密钥配置、获取计算结果三种类型。根据SATAⅢ接口标准，每次标准读写数据最小长度为1个LBA(512字节)。

针对流加密模式如SM1、SM3、SM4、AES等或哈希算法SM3、SHA256，在应用上一般是大量数据连续传输，通过SATA标准指令读/写指令LBA，设定数据长度，连续发送数据，由上位机自行丢弃多余数据，此方式对大量数据传输有较高效率。而针对结构数据模式，一般是非对称加密SM2、RSA等，通过SATA标准指令读写特定的指令LBA，特定的指令LBA指定只有第一个数据包有特殊含义，固件接收数据后先进行指令处理，分析合法数据长度，将有意义数据拆分并送入硬件加密模块，然后上位机读取计算结果，自行丢弃多余数据。

如图1所示，NorFlash位于SATA加密卡内，即本实施例提供片内flash管理机制，NorFlash的存储空间为128KB，可以在安全授权的情况下由用户进行数据、密钥、日志等信息存储。

硬件上提供一种可以加扰存储空间的EMC硬件模块，该寄存器配置掉电不会丢失，该模块的主要作用是对FLASH中的数据根据种子掺杂一定规则与地址相关的扰乱数据，将原始数据进行再次计算，计算流程如图5所示。可以在某些区域数据写入完成后，设置为EMC加扰模式，在开启EMC的情况下无法擦除数据，并且读取数据是经过EMC模块扰乱的，无法获得真实数。EMC的寄存器控制不对客户开放，固件层面提供定制接口由各自厂商进行权限控制，可以安全保证集成厂商之间数据无法相互破解。

本实施例中，所述SATA加密卡设置安全量产机制，SATA加密卡出厂量产后，通过量产工具写入一组授权数据，该授权数据与加密模块的加密芯片ID进行绑定，并在量产工具目录下存储为一个文件。如图6所示，当需要重新量产时，自动检索量产工具目录下的加密芯片ID验证权限数据，只有正确的权限数据才能重新正确量产，多次错误量产会导致SATA加密卡进入数据、密钥销毁状态，以此保证数据的安全性。

为了验证本实施例所述M.2加密卡的性能，按如下步骤进行性能测试：

1、手动插入M.2接口SATA加密卡，系统识别为100GB未格式化的存储设备，初始化设备成功，格式化设备提示失败（正常现象，因为没有存储介质），第三方读写100GB无格式虚拟存储设备，无长时间卡顿。

2、通过脚本测试加密算法性能，在SATAⅢ接口速度下，性能如表1所示。

3、尝试在开启EMC加扰模块的情况下写入数据、擦除数据、提示失败，读取数据为错误数据，关闭加锁情况下读写擦除数据正常。

4、尝试在未获取权限的情况下重量产，量产失败，重试10次M.2接口SATA加密卡原有固件及数据自动销毁。

本SATA加密卡可以接入移动笔记本、服务器、PC机等支持M.2或者SATA接口的设备，设备内部有硬件加密模块，加解密数据无中间缓存，SATA加密卡及上位机支持OpenSSL规范，支持SDF、SKF接口，也可定制接口满足非标准要求。具有成本低、性能较高、稳定性好、灵活性较高的特点，在远端设备本地加解密有着巨大的优势，可广泛作为基础硬件设备应用于安防、视频监控、数据终端、加密服务器等领域。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：包括SATA PHY、CPU、RAM、NorFlash、DMA和加密模块，所述SATA加密卡通过SATA PHY上的M.2接口与外部通信，SATA PHY上设有SATAIN FIFO和SATA OUT FIFO，加密模块通过DMA与SATA IN FIFO相连，SATA OUT FIFO通过另一DMA与加密模块相连，加密模块与CPU相连，CPU分别与RAM、NorFlash相连，与SATA INFIFO、SATA OUT FIFO相连的DMA、加密模块、SATA PHY均受CPU的控制；使用时，所述SATA加密卡模拟为M.2接口SATA硬盘，并采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读写操作；采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的写操作时，模拟SATA硬盘缓存并丢弃所有的写入数据并且返回SATA指令成功；采用数据by pass模式执行系统对模拟SATA硬盘的读操作时，模拟SATA硬盘填充指定长度的0xff数据返回上位机并且返回SATA指令成功；SATA IN FIFO、SATA OUT FIFO、加密模块在一个DIE封装，在DMA传输过程中，CPU自动随机配置传输数据的掩码种子，干扰传输过程中的功耗变化；所述SATA加密卡采用两种指令模式：结构数据模式和流数据模式，每次加/解密操作由一个写操作和/或一个读操作完成，通过越界LBA来定义指令，每次标准读写数据最小长度为1个LBA。

2.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：通过修改SATA加密卡中的sata identify指令响应的第54~58个word的内容，告诉系统本SATA加密卡的容量为T，系统则自行将SATA加密卡识别为T容量的SATA硬盘。

3.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：NorFlash位于SATA加密卡内部，在安全授权的情况下由客户进行信息存储，存储的信息包括数据、密钥、日志；NorFlash与CPU之间设有加扰存储空间的EMC模块，EMC的寄存器配置设置为掉电不丢失，并且EMC的寄存器控制不对客户开放，提供SATA加密卡层面、由各自厂商进行权限控制的定制接口。

4.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：所述SATA加密卡设置安全量产机制，SATA加密卡出厂量产后，通过量产工具写入一组授权数据，该授权数据与加密模块的加密芯片ID进行绑定，并在量产工具目录下存储为一个文件，当需要重新量产时，自动检索量产工具目录下的加密芯片ID验证权限数据，只有正确的权限数据才能重新正确量产，多次错误量产会导致SATA加密卡进入数据、密钥销毁状态。

5.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：流数据模式适用于加密算法SM1、SM3、SM4、AES、SHA256，流数据加密模式下，数据连续传输，通过SATA标准指令读/写指令LBA，指令LBA设定数据长度，连续发送数据，由上位机自行丢弃多余数据。

6.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：结构数据模式适用于加密算法SM2、RSA，通过SATA标准指令读写特定的指令LBA，特定的指令LBA指定只有第一个数据包有特殊含义，SATA加密卡接收数据后先进行指令处理，分析合法数据长度，将有意义数据拆分并送入硬件加密模块，然后上位机读取计算结果，自行丢弃多余数据。

7.根据权利要求1所述的M.2接口的SATA加密卡，其特征在于：不需要输入数据计算、只需要上位机从SATA加密卡获取数据的加密操作，只需要1个操作即可完成。

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