引言

隨著網絡技術和安全電子交易的不斷發展，使用者身份認證和數據安全的問題日益受到人們的重視。其中，USB KEY以其安全性、便攜性和安全策略的靈活性，在眾多安全方案中脫穎而出，成為安全令牌中的佼佼者。

基于系統安全需求以及對成本的要求兩方面考慮，USB KEY（以下簡稱KEY）通常分為高、中、低檔產品。其中多嵌入智能卡模塊用于實現密鑰以及其他敏感數據的安全存儲、可靠使用和算法的安全實現。由于密鑰和安全運算不出卡，因而系統的安全性得到了充分的保障。

U盤是近年來發展起來的另一類設備，由于其容量大，便于攜帶，且成本較低，得到了迅速的普及和發展。但是，U盤的使用是透明的，一旦丟失，存儲的所有數據和文件都將被任意讀出。這就限制了其在特殊的或者有安全要求的領域（如稅務信息的電子申報，社保體系的數據采集和上傳等）中的使用。

市場的需求就是技術發展的動力，在上述兩個方向產品的不斷發展以及市場對安全存儲的需求日益不斷增高的共同驅動下，一種新型產品——安全U盤應運而生，并得到了較快的發展。

1、 安全U盤的種類及實現方式

安全U盤的安全功能主要是由KEY來實現的。因此，對于不同安全需求的系統，可以通過選擇不同的KEY來實現。例如，根據KEY對DES/3DES等分組算法、RC2/RC4/RC5等流算法、RSA/ECC等非對稱算法，以及MD5/SHA1等摘要算法支持的不同組合，可以獲得不同安全級別和靈活安全策略的安全U盤。

本文不討論KEY的具體內容和實現，而只是針對安全U盤的整體進行分析和論述。

1.1 基本型安全U盤

安全U盤的最直觀實現形式，即安全U盤的基本型，是KEY與U盤的物理整合。其結構如圖1所示。

圖1 基本型安全U盤結構

基本型安全U盤使用透明的USB HUB與主機進行通信，主機相當于同時插入了KEY和U盤兩個設備。由主機軟件分別對USB KEY和U盤進行操作。一般情況下，U盤與PC采用大容量存儲設備接口，而KEY則采用人機交互設備接口，兩者均無需驅動（但在Win98系統下可能需要驅動）。

其優點是結構簡單，易于實現，軟件無需任何調整，硬件改動也較小。安全功能的調用以及對U盤的數據保護全部由上層軟件實現，但是由此帶來的問題是安全性受到影響。其安全性完全依賴于PC軟件的調用，而對U盤的操作（由于在PC側是透明的），雖然可以通過在文件系統的驅動程序上改進，使存入U盤的數據為加密文件系統；但是這只能限制對U盤數據的讀操作，不能有效阻止對U盤的錯誤寫（將U盤拿到未安裝加密文件系統的機器上，可對其進行格式化或其他寫入操作），從而造成對U盤數據的破壞。也容易將病毒帶入數據采集系統，從而對整個系統的安全造成威脅。

1.2 增強型安全U盤

從上述分析可以看出，在一些對安全性和數據可靠性要求較高的領域，基本型安全U盤無法滿足要求；即使采用高性能的KEY產品，也無法獲得期望的效果。這就需要增強型安全U盤了。

增強型安全U盤也是USB KEY與U盤組合而成的。其不同之處在于，增強型安全U盤的文件訪問系統接口不是直接對PC透明的，而是要通過KEY進行控制。其結構如圖2所示。

圖2 增強型安全U盤結構

圖2只是一個原理性框圖。根據選擇的控制器的不同，其主控制器與KEY及U盤的控制器可以各自獨立，也可能合為一體。

從圖2中可以看出，PC通過主控制器對U盤的訪問，需要通過KEY的身份認證或數據加/解密操作，而不是直接存儲。通過這種方式，既可以實現通過身份認證后才能使用U盤，也可實現數據加密傳輸、簽名認證及授權刪除等高安全性的操作，從而實現安全U盤的增強安全功能。

2 、ST72F651的主要特點

ST72F651具有如下特點：

◆ 32 KB高密度Flash程序區，可讀/寫保護，并可實現在線編程；

◆ 5 KB RAM區，其中256字節可用于堆棧；

◆ 外接12 MHz晶振，內部鎖相環可產生48 MHz USB時鐘；

◆ 雙電源管理，可在USB總線供電和電池供電之間自動切換；

◆ 可編程的內部電壓調整器可適應不同電壓要求的卡；

◆ 47個可編程I/O口；

◆ 支持DMA的12 Mbps全速USB接口；

◆ 具有DTC（Data Transfer Coprocessor）的海量存儲接口（Mass Storage Interface），可支持各種存儲設備，包括Compact Flash、Multimedia Card、Secure Digital Card、SmartMedia Card、Sony Memory Stick、NAND Flash以及ATA外設等；

◆ 支持SPI及I2C等通信接口；

◆ 有看門狗及2個具有輸出功能的16位定時器；

◆ 支持智能卡ISO/IEC78163接口。

3 、采用ST72F651實現安全U盤的原理

從ST72F651的特點可以看出，這是一款專門為安全U盤功能而設計的芯片。采用ST72F65實現安全U盤，可以在相同的硬件設計基礎上，通過控制器芯片的嵌入式軟件的不同設計，實現基本型或增強型的安全U盤。

3.1 硬件原理

采用ST72F651實現安全U盤，基本型和增強型的硬件原理相同。如果系統沒有附加的需求，則可以采用相同的硬件形式。基本型KEY部分采用HID（Human Interface Device，人機接口設備）接口協議，U盤部分采用Mass Storage設備的BOT（Bulk Only Transport）協議。其主要硬件原理如圖3所示。

圖3 采用ST72F651的安全U盤主要硬件原理

其中，U盤為Windows標準外設，容量由所使用的NAND Flash大小決定。本系統最多支持到4片NAND FL ASH，每片容量最大為256 MB。

智能卡接口由軟件模擬仿真ISO/IEC78163接口，T=0或T=1協議的支持由軟件實現。

除上述基本功能外，由于ST7F651芯片具有豐富的I/O接口資源，因此對于某些有特殊需求的領域，也可以方便地增加實時時鐘功能模塊、后備電池及其充電管理模塊，以及其他SPI及I2C專用功能模塊。

3.2 軟件原理

（1） 基本型

基本型相當于PC上同時插入KEY和U盤兩個設備，因此其軟件流程對兩部分的操作是相對獨立的。其中PC上軟件流程如圖4所示。

圖4 基本型安全U盤上層軟件流程

采用ST72F651實現的基本型安全U盤的底層軟件流程如圖5所示。

圖5 基本型安全U盤底層軟件流程

（2） 增強型

增強型安全U盤的上層軟件的KEY通道可保留部分功能，仍通過HID接口實現，即安全U盤中保留部分通用KEY功能（如簽名/認證等）。具體的實現方式和用法可參照一般USB KEY，這里不予討論。

安全U盤部分的功能根據安全需要的不同，可選擇以下幾種方式：

① 通過通用接口調用KEY函數，ST72F651內存中保留相關的安全狀態（如認證結果等）和操作標志。調用Mass Storage函數操作U盤時，根據預先設定好的文件安全屬性，自動檢查內存中的安全狀態和操作標志，只有滿足安全要求的操作才允許執行。

② 除①中的認證外，還須加密存儲的安全U盤；除檢查內存中的安全狀態外，還需在數據讀出/寫入時，自動調用智能卡函數執行相應的數據加/解密操作。由于智能卡的通信速度和執行速度的局限性，一般大容量數據的加/解密工作都采用PC軟件與KEY功能結合的方式。其軟件流程與圖4中的基本型軟件流程相似，只是在微軟Mass Storage函數DLL與設備驅動之間，再加入一層用戶自己的DLL，以便在具體的文件操作命令執行過程中，由用戶DLL自動調用必要的KEY功能（如口令認證等），以滿足安全性的需要。這一層操作對用戶是透明的，無須用戶干預，因此這種方式非常實用。

其中涉及的數據加/解密以及文件校驗等操作，在底層自動實現，以獲得更高的系統安全性（由于安全操作嵌入底層的不可屏蔽性）和更高的運行速度（通過減少PC與底層的通信次數）。其底層軟件流程與基本型的區別在于接收到BOT數據的命令處理分支部分，即圖5中的A部分。其執行流程如圖6所示。

圖6 增強型安全U盤數據存取操作特殊流程

當然，在一些對數據安全性和可靠性要求更高的場合，還可以采用擴展專用命令集的方式，將所有功能全部預先定制好；只有通過專用命令接口，獲得必需的安全操作權限才可進行某種操作。這種方式可將各種數據操作的條件和屬性進行細化設計，以獲得不同的效果。目前國家稅務總局網上公布的《運輸發票稅控盤/傳輸盤技術規范》就是這種方式的一個良好實踐。

4 、應用前景

目前，電子商務和電子政務方興未艾，數據安全性日益成為人們關注的重點。通過安全U盤的方式，可方便地實現以下安全功能： ◇ 身份認證及安全登錄；

◇ 數據加密存儲和文件系統安全保護；

◇ 數據及文件的完整性校驗；

◇ 授權的數據訪問和數據整理；

◇ 盤內數據通過KEY的功能實現網上安全傳遞，保證數據的私密性、完整性、可靠性和不可否認性。上述特點，使得安全U盤在數據保密存儲領域、電子政務中基層數據保存及采集上傳、稅務電子申報領域、網絡安全登錄和網頁加密管理，以及技術人員保密資料的保護等方面具有廣闊的應用前景。

5、 結論

本文在一般性分析、論述安全U盤的基礎上，具體介紹了采用ST72F65芯片實現安全U盤的軟硬件實現方式，分析了市場前景。根據以上設計思想，多款不同檔次的安全U盤產品已在市場中得到了應用，成為安全存儲領域的一個重要發展方向。

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