（电路与系统专业论文）基于Z32U带动态密码显示USB+KEY的实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i $ 摘要 计算机系统的安全问题是一个关系到入类生活与生存的大事，成为世乔各国关 注的重要问题i l j 。身份认证技术是现代网络环境中保证用户个人信息安全的重要手 段，它已成为网络安全领域里的一个重要的研究课题。 传统身份认证系统中一般采用用户名+ 密码”的静态认证方式和“数字证书+ 静 态密码”的方式。采用翦者方式很容易被木马程序盗取密码。雨采用后者方式，由 于数字证书仍是以普通文件的形式存于电脑上，这样也有证书放非法复制的危险。 目前较为安全且易用的认证方式是利用u s bk e y 存储用户的数字证书。本文分析 了市面上主流的基于8 位和1 6 位微处理器的u s bk e y 的不足( 主要是处理器处理 能力不足，无法进行复杂的加密运算及硬件本身容易被破解的缺点) ，提出了基于 3 2 位信息安全芯片7 - , 3 2 u 带液晶动态密码显示的u s bk e y 的新方案， 本文介绍了经典的加密算法，u s b 体系结构和z 3 2 u 芯片内部资源。主要研究 内容包括：l 、基于z 3 2 u 的硬件电路设计及其与液晶模块接口电路设计，2 、z 3 2 u 底层u s b 遥信的实现及固件程序设计，3 、基于z 3 2 u 自定义文件系统的设计，歹 j 举了两种文件系统实现方式顺序式存储和链表式存储，并比较了其优缺点。4 、实 现了基于z 3 2 u 的a e s 加密算法。并介绍了a e s 加密算法在动态密码认证系统中 的应用。5 、实现了z 3 2 u 与h t 】6 2 1 液晶驱动模块的程序设计。 经过以上的分析及研究，本文设计了基于z 3 2 u 带动态密码显示的u s bk e y 的新方案，使u s bk e y 技术与动态密码技术相结合。由于采用了3 2 位信息安全芯 片保障了从硬件上不会被破解，并且利用3 2 位处理器的运算处理能力，实现了高 强度加密算法a e s 。在此基础上本文设计了自定义文件系统，实现了用户数字证书 及用户个人信息的安全存储。 关键词：动态密码 u s bk e y文件系统u s b 通信 a b s t r a c t c o m p u t e rs y s t e ms e c u r i t yi sa ni s s u er e l a t e dt oh u m a nl i f ea n ds u r v i v a le v e n t , t h e w o r l dh a sam a j o rc o n c e t l lo ni t a u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h em o d e mn e t w o r k e n v i r o n m e n tt oe n s u r es e c u r i t yo f p e r s o n a li n f o r m a t i o nu s e r sa ni m p o r t a n tm e a l l s i th a s b o c o m et h en e t w o r ks e c u r i t yf i e l da n da ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t r a d i t i o n a la u t h e n t i c a t i o ns y s t e m sg e n e r a l l yu s et h e u s e l t l a m e + p a s s w o r d ”s t a t i c c e r t i f i c a t i o na n dt h e ”d i g i t a lc e r t i f i c a t e s + s t a t i cp a s s w o r d ，”t h ef o r m e rc a nb ee a s i l y s t o l e np a s s w o r d sb yt r o j a np r o g r a m a sf o rt h el a t t e r , d i g i t a lc e r t i f i c a t ei ss t i l lc o m m o bi n t h ef o r mo fad o c u m e n ts t o r e di nt h ec o m p u t e r , w h i c ha l s oh a sb e e n 也ei l l e g a l r e p r o d u c t i o no ft h ec e r t i f i c a t eo fd a n g e r c u r r e n t l yr e l a t i v e l ys a f e a n de a s y - t o - u s e a u t h e n t i c a t i o nm e t h o di st h eu o fu s bk e ys t o r a g eu s e r sd i g i t a lc e r t i f i c a t e s t l l i s p a p e ra n a l y z e st h em a i n s t r e a mm a r k e t - b a s e d8a n d1 6 - b i tm i c r o p r o c e s s o ru s bk e y s h o r t c o m i n g s ( m a i j l l yp l - o c c 懿o rh a n d l i n gc a p a c i t yi n s u f f i c i e n tt oc a r r yo u tc o m p l e x e n c r y p t i o na l g o r i t h ma n dt h eh a r d w a r ei t s e l f e a s i l yr e s o l v et h es h o r t c o m i n g s ) ，b a s e do n t h e3 2 - b i tc h i pz 3 2 ui n f o r m a t i o ns e c u r i t yw i t hl c dd i s p l a yd y n a m i cp a s s w o r du s b k e yt h en o w p r o g r a m t k sp a p e rp r e s e n t sac l a s s i c a le n e r y p f i o na l g o r i t h r a , u s ba r c h i t e c t u r ea n dz 3 2 u c h i pi n t e m a li v , s o u r c e s t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：1 t h eh a r d w a r ea n dc i r c u i td e s i g n a n dl c dm o d u l ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g nh a s e do nz 3 2 u ，2 t h eu s bc o m m u n i c a t i o n a n d 丘n n w 勰d e s i g nb a s e d0 1 1z 3 2 u , 3 s e l fd e f i n e df i l es y s t e md e s i g nb a s e do i lz 3 2 u , t w oc i t e df i l es y s t e mi m p l e m e n t a t i o no r d e ra n dc h a i n - s t o r em e m o r y , a n dc o m p a r el l l e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s tt h ea e se n e r y p f i o na l g o r i t h m , a n di n t r o d u c e dt h ea e s e n e r y p t i o na l g o f i t h mi nd y n a m i cp a s s w o r da u t h e n t i c a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o n s 5 r e a l i z e d z 3 2 ua n dh t l 6 2 l 渤d r i v e rm o d u l e so f t h ep r o g r a md e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fb a s e do i lz 3 2 uw i 也d y n a m i cp a s s w o r du s bk e y m a k eu s b t e c h n o l o g ya n dd y n a m i cp a s s w o r dt e c h n i q u e st o g e t h e r a sa r e s u l to ft h e3 2 i n f o r m a t i o ns e c u r i t yp r o t e c t i o nf r o mt h ec h i ph a r d w a r ew i l ln o tb eo v e r c o m e a n dt h el l s e o f3 2 - b i tp r o c e s s o ra r i t h m e t i cp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , t oa c h i e v eah i g hs t r e n g t ha e s e n c r y p t i o na l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , b a s e do i lt h ed e s i g no ft h ec u s t o m f i l es y s t e m , a c h i e v i n gad i g i t a lc e r t i f i c a t e u s e r sa n dl a s e r so f p e r s o n a li n f o r m a t i o ns c e t l r es t o r a g e k e y w o r d s ：d y n a m i cp a s s w o r d u s bk e y f i l es y s t e m u s bc o r m m m i c a t i o n n 硕士擎位论文 m a s t e r st h e $ 1 s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过羁络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交。c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圄重j 佥塞握奎厦进厦! 旦坐生；旦= 生；旦三生筮查! 作者签名： 日期：年月 目 导师签名： 日期： 年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 背景知识介绍 第一章引言 随着社会的不断进步，计算机已成为我们个人生活、政府部门、金融证券、企 事业单位必不可少的办公设备。计算机中存储有大量的信息需要安全保护措施。而 且随着互连网的不断发展，电子商务、电子支付中有大量的信息需要有完整性，真 实性的证实。 在传统的信息安全体系中，人们通常使用纯软件的方法加密信息，在这些纯软 件电子商务环境中，利甩一些运行在计算机内部的加密协议所进行的数据传输是安 全的。一旦微机连接到互连网上，在系统安全环节上就会形成一个脆弱的链接。任 何一种病毒或者木马程序一旦渗透进计算机并自动运行，就能获取诸如用户网络帐 户和密码这样的敏感数据，给用户造成巨大的经济损失。例如： 2 0 0 4 年4 月，“网银大盗”( t r o j a n p s w h i d w e b m o n ) 的作者和传播者，利用 木马窃取的帐号密码，登录网上银行，提取了4 8 万元现金。 2 0 0 4 年末，“证券大盗( t r o j a n p s w s o u f a n ) 的作者利用窃取的股民帐号、密 码，盗买、盗卖股票价值1 1 4 1 9 万元，非法获利3 8 ，6 万元，给受害股民造成了巨 大损失。 2 0 0 5 年7 月，“新网银大盗”( t r o j a n p s w v s h e i i a ) 的作者以7 0 0 0 元的价格把 木马卖给了一个1 6 岁的在校中专生。后者又买通其他黑客，把木马种植到某知名 门户网站上，成功盗取了数百个网银帐号，非法获利6 2 5 0 0 元。 2 0 0 6 年末，“熊猫烧香病毒”的作者，以每个病毒1 0 0 0 元的价格卖给他人，后 者通过病毒盗取q q 号码，网络游戏帐户，密码等等，其病毒作者非法获利l o 万 余元。 现在我们面临这样一个问题，如何即保证互联网的方便快捷，又同时保证我们 用户的个人信息，财产不被其他人非法盗用昵? 为了解决上面的问题，在这里我们需要对用户的身份进行识别，认证。这里的 身份认证是指计算机及网络系统确认用户身份的过程，我们都知道我们生活在一个 现实的物理世界里，每个人都拥有区别于其他人的生理特征。如何保证用户的物理 身份和计算机里的数字身份一一对应起来，这就是我们说身份认证所要完成的工 作。 项士学住论文 m a s t e r st h e s l s 1 2 身份认证技术的发展与分类 现在计算机及网络系统中常用的身份认证方式主要有以下凡种埘： l 、传统的用户名+ 密码的静态认证方式 传统的用户名+ 密码的方式是最简单也是最常用的身份认证方法。每个用户的 密码是由这个用户自己设定的，只有他自己才知道，因此只要能够正确输入密码， 计算机就认为他就是这个用户。 然而在现实生活中，由于许多用户为了防止忘记密码，经常采用诸如自己或家 人的生日、电话号码等容易被他人猜测到的有意义的字符串作为密码，或者把密码 抄在一个自己认为安全的地方，这都存在着许多安全隐患，极易造成密码泄露。即 使能保证用户密码不被泄漏，由于密码是静态的数据，并且在验证过程中需要在计 算机内存中和网络中传输，而每次验证过程使用的验证信息都是相同的，很容易驻 留在计算机内存中的木马程序或网络中的监听设备截获。因此用户名+ 密码方式一 种是极不安全的身份认证方式。可以说基本上没有任何安全性可言。 2 、“证书文件+ 密码”登录形式 在这种方式下，用户到专门的机构去申请并下载数字证书，数字证书被以文件 的形式保存在电脑的硬盘上，用户通过提供证书和密码来登录系统。在认证过程中， 用户向服务器提交的数据都经过证书加密。 这种方式与第一种登录形式相比，由于有数字证书的存在，安全性要大大的增 加。但是我们也可以看到它的不足之处在于易用性下降，通常需要安装专门的客户 端软件，证书文件携带不便。而且由于数字证书可以保存为文件，木马仍然有机会 复制证书、记录密码，造成用户帐号被盗。 3 、基于智能卡的认证方式 智能卡是一种内置集成电路的卡片，卡片中存有与用户身份相关的数据，智 能卡由专门的厂商通过专门的设备生产，可以认为在硬件上是不可复制和破解的。 智能卡由合法用户随身携带，登录时必须将智能卡插入专用的读卡器读取其中的信 息，来验证用户的身份。 然而虽然用户可以携带卡片来证实其身份，但不是世界上每台电脑都具有相同 的读卡设备，用户也不可能每天携带读卡设备，这样也造成了使用起来十分不方便。 4 、动态口令的认证方式 动态口令，又叫一次性口令，是由终端设备生成的，根据某种加密算法，产生的 随某一个不断变化的参数( 例如时间，事件等) 不停地、没有重复变化的一种口令。 是为了解决传统静态的、固定的口令和密码存在的无法解决的缺陷，而设计的一种 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 密码体制。 一般来讲每个客户端都有一个唯一的密钥，该密钥同时存放在服务器端，每次 认证时客户终端与服务器分别根据同样的密钥，同样的随机数( 时间、事件或挑战) 和同样的算法计算出认证当时的动态口令，从而确保口令的一致性和认证的成功。 因每次认证时，随机数的参数不恩，所以每次产生的动态口令也不同。每次计算时 参数的随机性保证了每次口令不可预测，保证系统安全。 动态口令技术主要分两种：同步口令技术和异步口令技术。同步口令技术又 分为基于时间的同步口令技术和基于事件的同步口令技术两种。异步口令技术主要 是基于挑战应答的技术。 基于时间同步技术：基于令牌和服务器的时间同步，并根据用户的d 或密码以 及时间通过某种算法运算来生成一致的动态口令。 基于事件同步的令牌，其原理是通过某一特定的事件次序及相同的种子值作为 输入，使用一致的算法运算出一致的密码，其运算机理决定了其整个工作流程同时 钟无关，不受时钟的影响，但由于其算法的一致性，其口令是预先可知的，通过令 牌，你可以预先知道今后的多个密码，对于使用p 矾保护令牌非常重要。基于事件 机制的动态口令具有累计性，即直至下一次产生的动态口令没有提交审核之前本次 口令将一直有效，至本次动态口令提交审核之后方失效。产生的密码只能使用一次。 挑战应答认证方式也叫异步认证方式。此种认证方式比同步方式操作相对繁 琐，实现相对复杂，一般用于对安全性要求更高的场合，比如登陆网上银行等，需 要附加认证的情形。当用户需要访问系统时，远程认证服务器根据用户的令牌资料 产生一个随机的数字串，即“挑战码”( 挑战数”通常为一个数字串) ，用户将该挑战 数输入到智能令牌中，智能令牌利用内置的种子密钥和算法计算出相应的应答数f 通 常也是一个数字串) 。用户将该应答数输入系统。系统根据保存的该用户的相应智能 令牌信息( 种子密钥和算法) 计算出应答数，并与用户输入的应答数进行比较。如果 两者相同，允许该用户访问系统，否则拒绝。 由于每个智能令牌的种子密钥不同，因此不同用户的智能令牌对同样的挑战数 计算出应答数也并不相同。只有用户持有指定的智能令牌才能计算出正确的应答数 以通过系统认证从而可以保证该用户是持有指定智能令牌的合法用户。 由于每次使用的密码必须由动态令牌来产生，只有合法用户才持有该硬件，所 以只要密码验证通过就可以认为该用户的身份是可靠的。而用户每次使用的密码都 不相同，即使木马截获了一次密码，也无法利用这个密码来仿冒合法用户的身份。 ， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 5 、u s bk e y 数字证书的认证方式 u s b k e y 数字证书，指数字证书及对应的签名私钥存放在u s b k e y ( 类似u s b 存 储器) 中，签名私钥不能被导出。这种数字证书由软件的形式转换成硬件，不但便 于携带，还可以更好地抵御软件病毒的攻击。即使黑客在你使用的机器上植入了木 马，也窃取不了你的签名私钥。因为u s b k e y 里的签名私钥是不能被再次导出的。同 时用户和服务器端之间在身份认证完成后会建立一个安全的加密通道，所有的数据 交换都在这个加密通道中进行，所以就算黑客监控了网络数据传输，也无法破译传 输的内容， 需进行网上业务时，只需将u s b k e y 数字证书插入电脑的u s b 接口，输入u s b k e y 数字证书的使用p 矾码，即可完成操作。由于采用高强度的信息加密、严密的数字 认证和数字签名技术，u s b k e y 数字证书可以有效保障客户使用网上业务比如网银的 安全性。u s b k e y 数字证书除了保障网上业务的安全性外，还具备使用的灵活性，便 于用户随身携带，不必只限于一台电脑。 虽然，u s b 砌强在使用方便方面要优于动态密码，但是还是存在一些安全方面 的问题，比如，一些用户习惯性的把u s bk e y 长期的插在计算机的端口上。这样， 一些木马可以远程控制本地计算机，那些非法用户就可以通过这样的方式来取得身 份认证。所以，这样的安全隐患也是我们应该考虑在内的。 更应该引起我们注意的是，目前市面上的u s bk e y 的硬件构成绝大多数是8 位 或1 6 位单片机+ e e m m 这种方式，我们知道现在8 位和1 6 位单片机很容易被破解， 非法用户只要破解了单片机，把内部程序原封不动的拷贝出来就很容易的复制处一 把一模一样的u s bl y 解决以上的问题的方法，我认为要从两个方向下手： 第一、要从芯片上考虑，保证芯片内的用户程序不被非法用户破解和拷贝，我 认为目前来说3 2 位的智能卡芯片是非常好的选择。 第二、可以把动态密码技术和u s bk e y 数字证书技术结合在一起。在u s b k e y 上增加液晶显示，每次的动态密码通过u s bk e y 显示，这样在主机 上就不会留有任何痕迹。只有真正的合法用户才能知道正确的密码。 1 3 u s b k e y 简介 我们目前的u s bk e y 可以认为是智能卡和读卡器的结合体。智能卡被认为是 目前安全存放数字证书及密钥的方式之一。它是一个带有微处理器和存储器等微型 集成电路芯片的、具有标准规格韵卡片。由于智能卡结合了更先进的集成电路芯片， 因此具有快速运算、存储量大、安全性高以及难以破译和伪造等特点。而u s bk e y 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 则是把智能卡的安全性与u s b 接口的易用性结合起来的新兴的硬件设备，它是基 于u s b 接口的身份认证产品，内有c p u 芯片，可用于存放网银证书，外形小巧， 与钥匙相似，也被称为智能钥匙。内含安全文件系统，可以存储数字证书、密钥和 其他机密信息，能够用有效的、简化的配置，提供给商业、电子供应商和最终用户 以进行安全的、便捷的用户鉴定，从而减少成本。它支持热插拔，轻巧便予携带， 具有内置p i n 码保护，多次误操作锁定，带有软件控制状态指示灯，方便监控等功 能。正是基于u s b 的热插拔等优于智能卡和读卡器的特点，渐渐地被各个行业所 采用。 u s bk e y 产品最早是由加密锁厂商提出来的，原先的u s b 加密锁主要用于防 止软件破解和复制，保护软件不被盗版。 此后，随着电子商务和p k i 应用的兴起，数字证书作为确认用户身份和保护用 户数据有效手段越来越被人们所接受。然而数字证书实质上表现为带有用户信息和 密钥的一个数据文件，如何保护数字证书本身又成为p k i 体系中最薄弱的环节。数 字证书可以保存在各种存储介质上，如软盘、硬盘等。国内c a 早期颁发的数字证 书都是以软盘的形式发放，或者由用户从网络上下载。然后导入到系统中保存在硬 盘上。然而，用软盘保存数据是非常不可靠和不安全的，软盘虽然便于携带，却非 常容易损坏，而用硬盘保存数据虽然不容易损坏，但是不便于携带，更致命的是不 论用硬盘还是用软盘保存数字证书都非常容易被复制或被病毒破坏。虽然一般数字 证书都带有密码保护，然而一旦证书被非法复制，整个安全系统的安全性就降低到 仅仅靠密码保护的级别。于是，专门用于存储秘密信息的u s bk e y 就很自然的成为 数字证书的最佳载体。 u s bk e y 厂家将u s bk e y 与p k i 技术相结合，开发出了符合p k i 标准的安全 中间件，利用u s bk e y 来保存数字证书和用户私钥，并对应用开发商提供符合p k i 标准的编程接口如p k c s # 1 1 和m s c a p i ，以便于开发基于p l ( i 的应用程序。由于 u s bk e y 本身作为密钥存储器，其自身的硬件结构决定了用户只能通过厂商编程接 口访问数据，这就保证了保存在u s bk e y 中的数字证书无法被复制，并且每一个 u s bk e y 都带有p i n 码保护，这样u s bk e y 的硬件和p i n 码构成了可以使用证书 的两个必要因子。如果用户p i n 码被泄漏，只要保存好u s bk e y 的硬件就可以保 护自己的证书不被盗用，如果用户的u s bk e y 丢失，获得者由于不知道该硬件的 p i n 码，也无法盗用用户存在u s bk e y 中的证书。与p k i 技术的结合使u s bk e y 的应用领域从仅确认用户身份，到可以使用数字证书的所有领域。 u s bk e y 的一个最重要的优点就是成本低廉，使用方便( 现在基本上每台计算 硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i s 机都带有u s b 接口) 。一些8 位单片机芯片u s bk e y 的成本可以低于1 0 元，很利 于大规模普及应用，不过单片机芯片u s bk e y 虽然成本低廉，但是芯片容易被黑客 硬件复制。而智能卡芯片的u s bk e y 就不容易被硬件复制，不过带来的是较高的成 本，一般3 2 位智能卡芯片的u s bk e y 的价格都要高于3 0 元。 1 4u s b k e y 的发展 u s b k e y 它最早是应用于软件保护，就是软件锁。软件锁的发展经历了好几代， 至2 0 0 1 年初就已发展到了第四代h l 。 第一代是存储器型的加密锁。这是最有历史的加密锁，内部只有存储体，厂商 只能对锁进行读、写。软件狗起信号加密变换作用的器件，最多只简单采用一些电 阻、二极管等，检查方法也比较简单，很容易被人解密这种锁的主要特点是厂商 可以预先把自己的保密数据设置到锁内，然后在软件运行时随机读取，这样防止了 解密者通过简单重复并口数据来解密，但解密者进一步分析一下数据规律就可以解 决了，这就是常说的“端口层的数据分析。这种加密锁原理非常简单，是种正在被 逐步淘汰的产品 第二代是算法不公开的加密锁。硬件内部增加了单片机，即所谓内置c p u ，厂 商主要是科用算法功能进行加密。加密锁通常还增加了一些辅助功能，比如倒计数 器、远程升级等。软件狗采用了低功耗t t l jc o m s 等逻辑元件，在电路上做了一 些加密工作，检查时也要比第一代软件狗多一道手续，解密的难度自然也增加了。 利用单片机，软件与锁之间的数据通讯建立了一个保密协议，数据都是经过加密的， 解密者就难以分析出数据内容和规律了，因此对于这种锁的数据分析就不是停留在 “端口层了，解密者转向了“功能层，就是对软件中的函数调用进行分析。为了抵 挡功能层的数据分析，这种锁来了个“软硬”兼旌的策略。 第三代加密锁，即所谓“可编程”的加密锁。1 9 9 9 年初，以北京深思洛克为代表 推出了第三代加密锁，“可编程”加密锁概念的推出是软件加密技术的一次进步。“可 编程”加密锁设计初衷是希望用户能够将软件中重要的代码或模块“移植”到加密保 护设备中运行，使软件与加密锁实现真正无缝链接。但由于成本限制，早期推出的 几款“可编程”加密锁采用的低档单片机给“可编程”性造成了很大的局限，主要表现 在：l 、算法变换的复杂度不够高，2 、指令编码空间较小，3 、程序区的空f 司较小。 这些局限性使得用户根本不可能利用“可编程伽密锁实现理想的高强度加密方案。 软件狗采用了p a l ( p r o g r a n n n a b l ea r r a yl o g i c ) 、p e e l ( p r o g r a m m a b l ee l e c t r i c a l l y e r a s a b l e l o g i c d e v i c e ) 、g a l ( g e n e r i c a r r a y l 0 9 i c ) 等可编程器件，但目前流行的 期间大概要算串行读写的e e p r o m ( s c r i a le l e c t r i c a l l y e r a s a b l ep r o m ) 了。这些器件 6 由于密码编制的灵活性和制成密钥后在程序中插入检查的方便性，极大地增加了解 密的难度。从使用的角度来看p a l 、p e e l 、g a l 等逻辑器件只能读取数据，不能 随时写入数据，密码的重新设置比较麻烦；而e e p r o m 芯片可随意读写，用在软 件狗上灵活性相当大，譬如可以为每一个软件狗单独设一个密码，以增加解密的难 度；另外，从e e p r o m 器件的电器性能上来说也非常适合傲软件狗；因此这种器 件在软件狗的设计中获得了广泛的应用，是当时软件狗制作者的首选芯片。它象一 般r a m 存储器一样可读写( 只不过读写是串行的) ，即使断电后也能保存数据不变。 常用的e e p r o m 型号是9 3 c 4 6 ，它是6 4 x 1 6 b i t 的结构，也就是说一个9 3 c 4 6 具有 6 4 个1 6 位b i t 单元的容量，每次处理数据也都是1 6 位。有的9 3 c 4 6 ，如m i c r o c h i p 、 a t m e l 、c s i 等品牌的9 3 c 4 6 可以通过切换，变为1 2 8 x 8 b i t 或6 4 x 1 6 b i t 两种模式， 这对软件狗制作来说就更灵活了。其加密效果也更好。当然也有人采用更大容量的 9 3 c 5 6 、9 3 c 6 6 或容量小一点的9 3 c 0 6 、9 3 c 2 6 等e e p r o m 芯片。因为软件狗是插 在微机的并萼亍口上，所以检查程序是通过并行口的i o 地址去读写e e p r o m 。具体 的读写方式跟硬件线路以及e e p r o m 的时序有关，因此，一般的检查程序针对某 一种硬件线路；但是这些程序大同小异，大体上是差不多的。 第四代软件锁在第三代软件锁的基础上，加入一个单片机芯片，如c y p r e s s 6 3 0 0 1 和6 3 7 2 3 。此芯片中存有厂商自己编写的特定的算法程序，可将读出的密钥 数据进行加密变换，以对抗逻辑分析仪。 目前我们在市场上见到的u s b k e y 体积已经做的和u 盘一样大小了，便于携 带。 1 5 目前主流u s b k e y 的不足 目前市场上主要的u s bk e y 硬件内部均含有单片机，单片机内烧录有加密程 序，通过分析目前市砸上的u s bl 【e y 我们发现有以下一些不足之处。 1 、单片机处理能力不够。 这类型u s bk e y 往往采用通用8 位单片机作为核心微处理器。这种低档单片 枫的处理运算能力是相当弱，这就给u s bk e y 造成了很大的局限性，主要表现在： 1 ) 、算法变换的复杂度不够高。 2 ) 、指令编码空问较小 3 ) 、程序区的空闻较小。 2 、硬件本身抵抗恶意攻击的能力较弱 随着集成电路设计、生产技术的发展，安全产品的核心芯片硬件本身受到攻 7 击的可能性越来越大。典型的硬件攻击手段有电子探测攻击( 如s p a 和d p a ) 和 物理攻击( 探测，如采用s i s h c l l 技术) 。 屯子探测( s p a 和d p a ) 攻击技术的原理是：单片机芯片是一个活动的电子元 器件，当它执行不同的指令时，对应的电功率消耗也相应的变化。通过使用特殊的 电子测量仪和数学统计技术，来检测和分析这些变化，从中得到单片机中的特定关 键信息。物理攻击的方法有：通过扫描电子显微镜对芯片内部存储器或其它逻辑直 接进行分析读取；通过测试探头读取存储器内容：通过从外部无法获取的接口( 例 如厂家测试点) 对存储器或处理器进行直接数据存取；再激活单片机的测试功能等。 由于通用低档单片机并非定位于制作安全类产品，没有提供有针对性的防范物 理攻击手段，因此比较容易通过电子探测( s p a 和d p a ) 攻击直接读出存储器内的 数据。虽然大多数普通单片机都具有熔丝烧断保护单片机内代码的功能，但此类芯 片应用场合广、发行批量大，随着厂商间委托加工与频繁技术转让，使得利用该类 芯片下载程序的设计漏洞，利用厂商的芯片测试接口，通过特殊的烧写时序和数据 读出信息成为比较容易的事情 1 6 新一代u s b k e y 的特点 以智能卡技术为核心构建的新一代u s bk e y 特点有如下四点 4 j ： l 、强大的运算处理能力。利用智能卡技术的新一代加密锁具有强大的运算和 数据处理能力，能够支持浮点运算库、数学函数库、安全服务库、标准输入和输出 库等；这些对提高加密强度起着至关重要的作用。 2 、智能卡芯片具有极高的安全性。智能卡芯片具有很高的集成度，与普通低 档的单片机不同，只有已通过国际安全机构检测和认证( e a l 4 + 和玎s e c 认证) 的专业安全芯片制造商才能提供智能卡芯片。智能卡芯片通过芯片厂商开发，通过 产生额外的噪声和干扰信号，或通过增加滤波电路来消除噪声，再加上若干保护层， 采用特殊的材料( 对电子束敏感的材料) 等，使监测芯片内执行的指令序列不可能 实现。同时智能卡芯片提供了硬件随机数发生器，在c - p u 的控制下，每次芯片与 外界数据传输中，产生的随机数可以保证数据不会重复。为了保证智能卡芯片的可 靠性和可用性，国际权威技术标准管理机构i s o 为此专门制定测试标准一i s o a e c 1 0 3 7 3 ，其中就明确了智能卡在紫外线、x 射线、电磁场下的测试要求。1 9 9 9 年， i s o 推出了安全芯片技术的新标准i s o i e c1 5 4 0 8 ，新标准对智能卡芯片的防物理 攻击能力提出明确要求。符合以上标准的智能卡芯片具有以下防物理攻击的功能： 8 硕士擘位论文 m a s t e rst h e s t s 1 ) 、通过烧断熔丝，使测试功能不可再激活( 测试功能是智能卡芯片制造商提 供的对智能卡芯片进行全面检测的功能，这一功能对智能卡芯片具有较大的操作 性，不能激活测试功能将大大提高智能卡芯片的安全性) ； 2 ) 、高低电压的检测；低时钟工作频率的检测： 3 ) 、防止地址和数据总线的截取； 4 ) 、逻辑实施对物理存储器的保护( 存取密码等) ； 5 ) 、总线和存储器的物理保护层等。 此外，智能卡芯片还具有一些软件保护安全功能。芯片自锁功能软件对芯 片的访问首先由p i n 码保护，p i n 码的尝试次数可由软件开发商设定。全球唯一 序列号智能卡芯片具有全球唯一序列号，不可更改。硬件时钟定时器是 软件计时使用、反跟踪等常用软件保护手段中必备的功能。 1 7 研究的内容 。 由于目前芯片破解技术的不断提高，传统的8 位和1 6 位处理器已经显得不安 全了，写入芯片内的固件程序很容易被人拷贝出来，也就是由8 位和1 6 位处理器 为核心所构成的u s bk e y 就显得不是那么安全了，可以说破解者只要花很小的成 本就可以“复制”出来一只一模一样的u s bk e y 来。这样以来我们所做的保护工作 就是白费了 为了进一步提高u s bk e y 的安全性，本文主要介绍了3 2 位高性能智能卡芯片 z 3 2 u , 并在此基础上开发u s bk e y 的具体实现。 本文主要对以下几个方面做了重点研究： 1 、基于z 3 2 u 智能卡芯片与p c 主机之间u s b 端口通信。 2 、基于z 3 2 u 智能卡芯片的a e s 算法实现。 3 、智能卡文件系统在z 3 2 u 山实现。 4 、基于z 3 2 u 及h t l 6 2 1 实现动态密码认证。 5 、基于z 3 2 u 智能卡操作系统c o s 开发。 1 8 论文的基本结构 第一章：引言。介绍了背景知识，u s bk e y 发展历程，目前研究高性能3 2 位u s b k e y 的意义。 第二章：u s b 体系介绍。介绍u s b 接口的基础知识。 第三章：研究加密算法。介绍了常见的加密算法，如：d e s 、a e s 、r s a 算法。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第四章：具体产品的实现。包括详细的硬件电路设计，u s b 枚举设计，基本 u s b 通信的实现，自定义文件系统的设计，加密算法的实现及动态密码的实现。 1 0 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章u s b 协议的介绍 2 1u s b 技术的发展 u s b ，全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线k 中文含义就是通用串行总 线。是在1 9 9 4 年年底由c o m p a q ，i n t e l , m i c r o s o f l , n e c 等七家公司联合提出的。它 是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的可以进行热插拔的串行接口。u s b 从 1 9 9 4 年1 1 月1 1 日发表了u s bv 0 7 版本以后，u s b 版本经历了这几年的发展，蓟 现在已经发展为2 0 的版本渤。 在新的u s b 2 0 接口标准中，它通过将内部时钟加快以及其他的方法，将传输 速度提高到v 1 1 版本的4 0 倍，达到了4 8 0 m b p s 的速度。在以前的u s bv i 1 时是 每毫秒发送一个信息，而在新的u s b 2 0 中，则将发送一个信息的时间加快了八倍， 每毫秒现在可以发送8 个信息，也就是说速度相应的提高了八倍。 u s b 需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一 般都采用支持u s b 功能的控制芯片组。主板上也安装有u s b 接口插座。 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 操作系统都支持u s b 功能。目前已经有很多u s b 外设问世， 如数字照相机、计算机电话、数字音箱、数字游戏杆、打印机、扫描仪、键盘、鼠 标等。u s b 规范中将u s b 分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、u s b 芯片驱动 程序、u s b 设备以及针对不同u s b 设备的客户驱动程序l 7 】i ” 1 、控制器( h o s t c o n t r o l l e r ) 主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。 2 、控制器驱动程序( h o s tc o n t r o l l e rd f i v 砷在控制器与u s b 设备之间建立通 信信道。 3 、u s b 芯片驱动程序( u s bd r i v e r ) 提供对u s b 的支持 4 、u s b 设备哪s bd e v i c e ) 包括与p c 相连的u s b 外围设备，分为两类，一 类设备本身可再连接其它u s b 外围设备，另一类设备本身不可再连接其它外围设 备，前者称为集线器( h u b ) ，后者称为设备( f u n c t i o n ) 。或者说，集线器带有连接其 它外围设备的u s b 端口，而设备则是连接在计算机上用来完成特定功能并符合u s b 规范的设备单元。设备驱动程序( c l i e n td r i v e rs o f t w a r e ) 就是用来驱动u s b 设备的程 序，通常由操作系统或u s b 设备制造商提供。 随着大量的支持u s b 的个人电脑的普及以及w i n d o w s 系列操作系统的广泛应 用，u s 逐步成为p c 机的一个标准接口已经是大势所趋。最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b f ”1 2 i 。 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 u s b 总线构成 u s b 总线由四个部分构成： ( i ) 主机和设备。这是u s b 系统中的主要构件。 ( 2 ) 物理构成：u s b 元件的连接。 ( 3 ) 逻辑构成：不同u s b 元件的角色和责任，以及从主机和设备的角度出发， u s b 呈现的结构。 ( 4 ) 客户软件：客户软件和u s b 设备上与其相对应的功能接口是如何看待对 方的。 2 2 1 u s b 主机 u s b 主机是u s b 中唯一的一个用于协调工作的实体。除了它的特殊物理位置， 对于u s b 和与之相连的设备而言，主机还有一些特殊的责任。对u s b 的访问都是 由主机控制，只有当主机允许其访问时，一个u s b 设备才可以获得总线访问权。 2 2 2 u s b 设备 u s b 物理设备向主机提供了附加的功能。但是这些由u s b 设备所提供的功能 相差很大。而所有的u s b 逻辑设备都具有同样的接入主机的基本接口。这样主机 就可以通过相同的方式管理不同的u s b 设备中与u s b 有关的问题。 为了协助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都要携带和报告与配置有关 的信息。对于所有的逻辑设备而言，所报告的信息中有一些是通用的。而另外一些 则是由设备的功能决定。这些信息的详细格式根据设备所处的类型而有所不同。 2 2 3 物理总线拓扑结构 u s b 总线上的设备以星形的拓扑结构实现与主机的物理连接，如图2 2 1 ，u s b 的接入点由集线器来提供。为了防止出现环形接入的情况，在u s b 中使用了分层 的拓扑结构。称为树形结构。