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計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用論文
計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用論文
摘 要 計(jì)算機(jī)的廣泛使用帶來(lái)了移動(dòng)存儲(chǔ)載體的廣泛應(yīng)用，大量的敏感數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于移動(dòng)載體上，而由此帶來(lái)的對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)載體上數(shù)據(jù)安全的要求也日益強(qiáng)烈。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于USB協(xié)議的計(jì)算機(jī)接口加密系統(tǒng)，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，系統(tǒng)很好地滿足了在普遍使用的優(yōu)盤上實(shí)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的加密 【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)接口 加密系統(tǒng) 設(shè)計(jì)
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，大量敏感數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于移動(dòng)載體上，由此帶來(lái)的安全隱患日益嚴(yán)重，于是移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備所帶來(lái)的信息安全問(wèn)題也越來(lái)越被用戶重視。
因此，為確保信息的完整性、實(shí)用性、保密性和可靠性，確保用戶使用方便的加密技術(shù)呼之欲出。
在不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)下，研制一款無(wú)需安裝、操作簡(jiǎn)便、靈活、實(shí)用、識(shí)別簡(jiǎn)單、加密強(qiáng)度高，能夠充分利用現(xiàn)有資源、且小巧美觀、攜帶方便的加密設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。
1 軟件加密
1.1 軟件加密方案
1.1.1 PrivateZone軟加密方案。
我的地盤(PrivateZone)磁盤加密軟件，該軟件運(yùn)行后，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)可以加密的分區(qū)，保存到該分區(qū)的數(shù)據(jù)將自動(dòng)的被加密。
用戶憑訪問(wèn)密碼才能訪問(wèn)該分區(qū)的數(shù)據(jù)。
至于如何在移動(dòng)硬盤中使用，用戶還必須通過(guò)自己手動(dòng)設(shè)置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)加密。
將此加密工具復(fù)制到用戶的U盤或移動(dòng)硬盤根目錄中則可以加密隱藏U盤或移動(dòng)硬盤上的所有文件。
將此加密工具放到文件夾中則只加密當(dāng)前文件夾。
需加密多個(gè)文件夾則每個(gè)文件夾中都得安放本工具、不同的文件夾可用不同的密碼，但密碼你必須記牢。
1.1.2金盾衛(wèi)士軟加密方案
從官方數(shù)據(jù)可以知道KDS金盾衛(wèi)士加密軟件采用內(nèi)核技術(shù)、手工加密。
該軟件加密強(qiáng)度很高，密鑰的長(zhǎng)度達(dá)到128位。
通其他加密軟件相比，該軟件是真正意義上的文件內(nèi)容加密，不是所謂的某些文件夾加密軟件，通過(guò)隱藏文件來(lái)實(shí)現(xiàn)“偽加密”。
1.2現(xiàn)有軟件加密缺點(diǎn)
(1)需要在電腦或U盤中安裝軟件，一但系統(tǒng)不穩(wěn)定或軟件損壞可能造成數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)丟失。
(2)需要記憶較長(zhǎng)的密碼，用戶一旦忘記密碼，數(shù)據(jù)也將永久丟失。
(3)需要用戶手動(dòng)完成相關(guān)操作，如加密、復(fù)制加密工具等。
(4)很難防止別人通過(guò)其他軟件進(jìn)行暴力破解，或者利用軟件本身的漏洞進(jìn)行破解。
軟件加密最大的缺點(diǎn)是密碼問(wèn)題，如果用戶長(zhǎng)時(shí)間不使用，一旦忘記密碼，連自己都無(wú)法進(jìn)入，相當(dāng)于把自己關(guān)在了防盜門之外。
數(shù)據(jù)安全也就完全失去了意義。
另外這些產(chǎn)品的應(yīng)用都需要借助計(jì)算機(jī)的幫助，如果用戶想在沒(méi)有安裝這類軟件的機(jī)器上或者U盤上使用數(shù)據(jù)就必須要下載軟件并且安裝后才能讀取。
非常的不方便。
此時(shí)硬件加密就顯現(xiàn)出了其無(wú)可比擬的優(yōu)越性。
2 硬件加密
2.1 硬件加密方案
現(xiàn)在我們常使用的移動(dòng)硬盤，也存在很多的常見(jiàn)的加密方案，為了防止在存取數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)上的數(shù)據(jù)被非法獲取，必須采用對(duì)移動(dòng)硬盤全盤硬件加密。
這涉及到一系列的加密法轉(zhuǎn)換、附加密鑰、加密模塊等過(guò)程。
解密部分還對(duì)硬盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
通過(guò)采用這些措施保證數(shù)據(jù)的安全。
2.1.1 朗科U661閃存盤
朗科推出的硬件加密產(chǎn)品U661閃存盤采用朗科特有的256位專業(yè)級(jí)AES硬件數(shù)據(jù)加密的防范功能，該款閃存盤擁有硬件加密、磁盤分區(qū)加密、普通操作人員加密等功能，是一款具有很高的安全性的硬件加密產(chǎn)品。
2.1.2 K301
朗科公司推出的另外一款優(yōu)盤的型號(hào)為K301。
K301由設(shè)備端硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密功能，在該優(yōu)盤的加密區(qū)，數(shù)據(jù)被加密后存儲(chǔ)在優(yōu)盤，就是更換連接設(shè)備，讀出的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)加密的信息，沒(méi)有任何實(shí)際意義，保證了數(shù)據(jù)的安全。
2.2 現(xiàn)有硬件加密缺點(diǎn)
(1)對(duì)于很多硬件加密的設(shè)備，加密芯片都是內(nèi)嵌的，使得這些加密設(shè)備只能對(duì)自身進(jìn)行加解密操作，既只能完成一對(duì)一的加密;
(2)由于加密需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，從而導(dǎo)致進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速度變慢，并且對(duì)所有傳輸?shù)郊用茉O(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)都進(jìn)行無(wú)選擇性的加密，使得這些加密設(shè)備的使用帶有較大的局限性，使用較為不便。
(3)價(jià)格昂貴，性能一般的加密設(shè)備價(jià)格是普通U盤的3-4倍，而性能稍好的價(jià)格遠(yuǎn)高于此，導(dǎo)致很多用戶對(duì)加密設(shè)備望而卻步，市場(chǎng)占有率很低。
3 功能分析
本文提供的加密技術(shù)，只要U盤等移動(dòng)存儲(chǔ)載體通過(guò)它連接電腦，就可以對(duì)電腦傳輸?shù)揭苿?dòng)存儲(chǔ)載體內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或者對(duì)存儲(chǔ)載體內(nèi)的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密讀取并進(jìn)行處理。
對(duì)于初次使用的用戶，無(wú)需在電腦上安裝任何軟件或者驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)接系統(tǒng)連接電腦后，電腦將自動(dòng)運(yùn)行mass-storage協(xié)議，從而系統(tǒng)成為了一個(gè)假U盤。
對(duì)于比較關(guān)心的密碼，用戶只需使用一個(gè)小小的SD卡寫入一個(gè)八位數(shù)的密碼即可，而無(wú)需記憶，這就相當(dāng)于用戶花錢買了房子之后，只需買一把保險(xiǎn)的鎖將大門鎖起來(lái)，只要有效地保管好鑰匙，就無(wú)需擔(dān)心房子內(nèi)的財(cái)產(chǎn)安全。
當(dāng)存儲(chǔ)有加密文件的移動(dòng)存儲(chǔ)載體直接連接電腦后，在現(xiàn)行的文件系統(tǒng)下是無(wú)法看到經(jīng)過(guò)加密系統(tǒng)加密的文件的，即使客戶使用。
3.1 系統(tǒng)功能
這是一款真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密的小巧易用的加密設(shè)備。
既秉承了傳統(tǒng)軟硬件加密的優(yōu)點(diǎn)，又具有自己獨(dú)特的功能：
3.1.1 真正的文件加密
通過(guò)解析SCSI指令將PC寫入U(xiǎn)盤的數(shù)據(jù)用DES加密算法處理后再寫入移動(dòng)存儲(chǔ)載體內(nèi)，從而確保了對(duì)所有的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了加密操作，保證數(shù)據(jù)安全。
3.1.2 真正的文件隱藏
利用獨(dú)特的算法對(duì)U盤的FAT文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，將加密后的數(shù)據(jù)再做隱藏，使得在移動(dòng)存儲(chǔ)的載體直接連接電腦時(shí)無(wú)法看到經(jīng)過(guò)了加密的文件，即使使用了專門的數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件，也無(wú)法將加密的文件再現(xiàn)，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)安全。
3.1.3 真正的一盤多用
經(jīng)轉(zhuǎn)接口加密的優(yōu)盤同時(shí)還可以當(dāng)做普通優(yōu)盤在計(jì)算機(jī)上正常使用，同時(shí)，加密后的數(shù)據(jù)與非加密數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)是物理隔離的，以保證數(shù)據(jù)安全。
所以，對(duì)于一個(gè)普通的非加密U盤，既可以把它當(dāng)做一個(gè)安全的加密U盤進(jìn)行文件的存儲(chǔ)管理，同時(shí)也可以將其當(dāng)做正常的存儲(chǔ)介質(zhì)使用。
3.1.4 真正的即插即用
無(wú)需安裝任何驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件，直接用轉(zhuǎn)接口連接U盤和PC，就可以進(jìn)行加密存取。
在接口第一次連接電腦時(shí)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)調(diào)用masstorage協(xié)議，識(shí)別之后就可以真正實(shí)現(xiàn)即插即用。
3.1.5 真正的一口多用
加密設(shè)備獨(dú)立于存儲(chǔ)介質(zhì)，即使用本轉(zhuǎn)接口可以對(duì)目前市面上的幾乎所有主流優(yōu)盤進(jìn)行加密處理而不必購(gòu)買專門的加密優(yōu)盤。
擁有一個(gè)轉(zhuǎn)接口就相當(dāng)于擁有了無(wú)數(shù)個(gè)加密優(yōu)盤。
3.1.6 安全的密鑰管理
用戶只有將存儲(chǔ)有密鑰的SD卡插入卡槽才能進(jìn)行加密數(shù)據(jù)的存取。
而SD卡的管理和攜帶就像我們平時(shí)使用家里的鑰匙一樣。
加密算法的難于破解和密碼的低泄露風(fēng)險(xiǎn)，保證了數(shù)據(jù)的安全。
3.1.7 透明的用戶操作
用戶通過(guò)轉(zhuǎn)接口對(duì)優(yōu)盤數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和在電腦上直接操作優(yōu)盤沒(méi)有任何區(qū)別。
符合用戶的操作使用習(xí)慣。
3.1.8 小巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)加密轉(zhuǎn)接口封裝完成后只比煙盒略大，攜帶使用非常方便。
3.1.9 人性化的操作使用
無(wú)需花費(fèi)精力去記憶繁瑣的密碼，無(wú)需花費(fèi)時(shí)間安裝專門的驅(qū)動(dòng)或者使用軟件，無(wú)需花費(fèi)多余的錢去購(gòu)買兩個(gè)加密U盤。
3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
該加密系統(tǒng)對(duì)除控制信號(hào)外的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件加密，防止存儲(chǔ)環(huán)節(jié)上的數(shù)據(jù)失密，這一點(diǎn)和目前的加密硬盤相似。
但與目前的加密硬盤相比，該加密轉(zhuǎn)接口具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，突出的特點(diǎn)是：
3.2.1 使普通U盤具有雙重模式。
U盤并非只有一種加密模式可以使用，當(dāng)U盤沒(méi)有通過(guò)轉(zhuǎn)接口連接電腦時(shí)，U盤可以當(dāng)做普通U盤來(lái)使用，并且已經(jīng)加密的數(shù)據(jù)與非加密數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)空間上是物理隔離而且不連接轉(zhuǎn)接口時(shí)加密數(shù)據(jù)是不可見(jiàn)的，任何人無(wú)法找到這些已經(jīng)加密的數(shù)據(jù)，除非連接加密器。
而當(dāng)連接加密器時(shí)，普通的文件也是無(wú)法顯示的。
這樣一來(lái)，就給用戶帶來(lái)了很大的方便，一盤兩用。
當(dāng)然數(shù)據(jù)是絕對(duì)安全的，這是因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)相應(yīng)的邏輯操作來(lái)達(dá)到物理隔離的效果，使不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于不同的扇區(qū)中。
3.2.2 基于SD卡的密鑰管理和數(shù)據(jù)加密。
DES加密算法所使用的密鑰存儲(chǔ)在SD卡中，與存儲(chǔ)介質(zhì)和加密設(shè)備分離。
這樣做的好處，首先是對(duì)用戶來(lái)說(shuō)再也不用記憶冗長(zhǎng)的密碼。
當(dāng)然最重要的是提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，沒(méi)有存儲(chǔ)于SD卡中的密鑰，就無(wú)法對(duì)優(yōu)盤中的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
沒(méi)有密鑰更無(wú)法將存儲(chǔ)在優(yōu)盤中的經(jīng)DES算法加密的數(shù)據(jù)還原。
3.2.3 加密轉(zhuǎn)接口性價(jià)比很高，應(yīng)用前景非�？捎^
和同類的硬件加密相比較，市面上一般的加密優(yōu)盤價(jià)格在200元左右;而本加密轉(zhuǎn)接口如果能量產(chǎn)，則其成本不會(huì)高于60元，但是他卻可以完成對(duì)現(xiàn)有普通U盤的加密，如果有多個(gè)U盤，節(jié)省的開(kāi)銷將非�？捎^。
同時(shí)用加密轉(zhuǎn)接口管理現(xiàn)有普通U盤也非常方便，無(wú)需安裝軟件，無(wú)需記憶密碼，無(wú)需多余的“加密”操作，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，一切工作都是由硬件來(lái)完成的，用戶的操作無(wú)異于普通文件的讀寫操作。
4 計(jì)算機(jī)接口加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
采用protel99進(jìn)行系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括芯片的選型、接口設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的內(nèi)容。
根據(jù)功能需求以及基于性價(jià)比的考慮，最終選取STC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，飛利浦公司的D12作為USB DEVICE接口和CH375芯片USB HOST接口，SD卡進(jìn)行密鑰的存取，USB電源進(jìn)行供電。
PROTEL是PROTEL公司推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它較早就在國(guó)內(nèi)開(kāi)始使用，在國(guó)內(nèi)的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開(kāi)設(shè)了課程來(lái)學(xué)習(xí)它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設(shè)計(jì)人才時(shí)在其條件欄上常會(huì)寫著要求會(huì)使用PROTEL。
該接口加密系統(tǒng)的主要功能是把PC發(fā)給U盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，并將U盤中的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理發(fā)給PC。
為了使用方便，不在計(jì)算機(jī)上安裝任何軟件，在加密轉(zhuǎn)接口與PC通信時(shí)將轉(zhuǎn)接口配置為U盤，這樣在計(jì)算機(jī)看來(lái)加密轉(zhuǎn)接口就是一個(gè)"假U盤"，與轉(zhuǎn)接口通信時(shí)就會(huì)自動(dòng)加載讀寫U盤的驅(qū)動(dòng)程序，而不用安裝任何驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)轉(zhuǎn)接口也能根據(jù)PC發(fā)出的讀寫U盤命令對(duì)真實(shí)的U盤進(jìn)行控制，當(dāng)PC發(fā)出 “寫U盤”命令后，轉(zhuǎn)接口把發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后存儲(chǔ)在U盤中，當(dāng)PC發(fā)出“讀U盤”命令后，轉(zhuǎn)接口把U盤中相應(yīng)加密數(shù)據(jù)解密后發(fā)給PC。
轉(zhuǎn)接口要正確讀寫U盤中的數(shù)據(jù)，相對(duì)于U盤就是一個(gè)“主機(jī)”。
為了實(shí)現(xiàn)以上功能轉(zhuǎn)接口必須同時(shí)具備USB DEVICE接口和USB HOST接口，USB DEVICE接口用來(lái)與PC通信，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接口的“假U盤”功能，USB HOST接口用來(lái)讀寫“U盤”，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接口的“主機(jī)”功能。
PC機(jī)直接連接U盤時(shí)是用SCSI/UFI命令讀寫U盤，讀寫過(guò)程中是以扇區(qū)為基本單位，根據(jù)命令中給出的扇區(qū)地址讀出指定數(shù)量的扇區(qū)數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)接口在USB DEVICE 接口中得到SCSI/UFI的讀寫命令read10和writ10，HOST接口只需根據(jù)read10和writ10命令中的讀寫扇區(qū)地址和讀寫扇區(qū)長(zhǎng)度對(duì)U盤進(jìn)行讀寫，將讀取出的數(shù)據(jù)保存在MCU的RAM中，對(duì)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的加密或解密處理后把數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，這樣計(jì)算機(jī)就能正確地得到U盤中的數(shù)據(jù)，同時(shí)U盤中的數(shù)據(jù)也能保密存儲(chǔ)。
加密密鑰保存在可插拔的SD卡中，用戶使用時(shí)只需插入SD卡，將自己需加密的數(shù)據(jù)通過(guò)此轉(zhuǎn)接口發(fā)送到存儲(chǔ)介質(zhì)即可完成數(shù)據(jù)加密。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于USB協(xié)議的計(jì)算機(jī)接口加密系統(tǒng)，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，系統(tǒng)很好地滿足了在普遍使用的優(yōu)盤上實(shí)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的加密的需求。
系統(tǒng)完成了硬件電路的印制、安裝與調(diào)試，在此基礎(chǔ)上，將編寫的控制程序燒寫到處理器上，進(jìn)行了系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和性能檢測(cè)。
通過(guò)科學(xué)的方法，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、傳輸速度和功能等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，得出系統(tǒng)很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)功能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)。
同時(shí)，系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了外觀小型、使用簡(jiǎn)單、適用范圍廣、加密強(qiáng)度大的設(shè)計(jì)要求。
隨著用戶對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)載體中敏感數(shù)據(jù)的安全需求越來(lái)越高，相信計(jì)算機(jī)接口加密系統(tǒng)將擁有較為廣闊的市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)
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