基于SOPC的USB密码模块硬件与固件设计

　　引言

　　密码模块是指被容纳在加密边界范围中，执行认可安全功能(包括加密算法与密钥产生)的硬件、软件和固件的组合[1]。集加密存储、安全认证等功能于一体的USB密码模块，可作为USB安全钥载体、USB加密卡、USB大容量加密存储体应用于保护信息系统和秘密信息的主要工具，具有十分良好的市场应用背景。

　　SOPC(System On a Programmable Chip)技术是一种灵活、高效的软硬件综合解决方案。硬件上可裁剪、可扩充、可升级，有丰富的IP核可供集成，使得设计变得十分灵活[23]。

　　本文提出了基于SOPC的USB密码模块设计思想，其目标是设计一款集加密存储、安全认证等功能于一体的基于SOPC的USB密码模块应用系统。

　　1 基于SOPC的USB密码模块总体设计

　　1.1 设计思想

　　本设计是基于模块的设计思想，充分利用SOPC现有资源开发特殊功能的应用子系统。用USB2.0接口控制芯片、有丰富可编程资源的FPGA芯片、安全存储专用芯片以及大容量Flash构成密码模块硬件基础。以FPGA为控制中心，实现FPGA对相连部件的操作。

　　1.2 功能模块及组成

　　整个模块系统包括硬件层、固件层、驱动层、应用层4部分。硬件层包括嵌入式主控制器及其周边环境、高性能密码处理单元、内部安全控制引擎、应用平台通信接口等模块;固件层包括协议栈、嵌入式软件等;驱动层包括器件驱动程序;应用层包括基于操作系统的各类应用软件API。其总体架构如图1所示。

图1 USB密码模块总体架构

　　1.3 安全策略

　　本系统中安全策略包括模块安全管理和数据安全管理。具体内容包括基于口令的认证、口令设置修改、模块有效期管理、安全参数保护管理、数据有效期管理、数据加密和数据销毁等。

　　口令认证：通过硬件实现用户对模块访问操作的口令认证。

　　口令设置修改：系统设计有多种级别的口令权限，负责不同的操作。

　　模块有效期管理： 若判断到达或超过使用期限，则自动销毁存储数据和安全参数，并锁定密码模块。

　　数据有效期管理：当达到数据使用期限时，可自动销毁存储在大容量Flash里的数据。

　　数据销毁：分为自动销毁和主动销毁。当非法使用、口令攻击和数据有效期失效时，自动销毁用户存储在大容量Flash中的数据。

　　数据加密： 使用分组算法，通过密码模块密钥对用户存储在大容量Flash中的数据写入加密;读出时解密，以保证存储在其内的始终是密文。

　　2 硬件设计

　　2.1 硬件架构模型

　　本文在研究了应用需求的基础上，提出了图2所示的硬件架构模型。