基于FPGA專用板和MEMS強(qiáng)鏈實(shí)現(xiàn)SATA硬盤身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信息安全對(duì)于企業(yè)、政府、國防等部門有著極其重要的意義。一般現(xiàn)有的認(rèn)證方法都通過存儲(chǔ)介質(zhì)保存密碼，使用比較器比對(duì)輸入密碼正確與否，此方法保密性差，易于破解。本文通過特有的MEMS強(qiáng)鏈和百萬門級(jí)的FPGA來對(duì)SATA硬盤進(jìn)行身份認(rèn)證。實(shí)現(xiàn)物理加密。密碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的密鑰并以機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式成為MEMS強(qiáng)鏈的核心部位，即根據(jù)齒輪組的運(yùn)行完成對(duì)密碼的比較，來完成對(duì)口令的驗(yàn)證，利用PCI9054芯片快速完成對(duì)口令和MEMS返回值的傳輸．根據(jù)密碼所形成的控制流由FPGA對(duì)MEMS強(qiáng)鏈進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)快速、簡潔、安全性高。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

該系統(tǒng)由主機(jī)、物理認(rèn)證的FPGA專用板和MEMS強(qiáng)鏈組成，其中主機(jī)里面裝有連接和掃面模塊和用于存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)的SATA硬盤；物理認(rèn)證FPGA專業(yè)板包括：PCI控制器、FPGA、SATA硬盤、EEPROM PCI配置芯片、MEMS控制模塊、密碼處理模塊和MEMS密碼鎖驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。圖1描述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件布局。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

本文使用MEMS密碼鎖特有的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號(hào)，用此反饋信號(hào)參與物理認(rèn)證系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)中裝有兩塊硬盤，一塊硬盤直接與主板IDE口相連。其中裝有操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)是普通數(shù)據(jù)，進(jìn)入不需要物理認(rèn)證，可以直接讀取。另一塊是SATA硬盤，它通過連接和控制模塊與主板SATA接口相連，開機(jī)后，由于與硬盤相連的數(shù)據(jù)線是斷開狀態(tài)，則該硬盤不可見。此硬盤需通過MEMS密碼鎖認(rèn)證，若認(rèn)證通過，產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)，此反饋信號(hào)由物理認(rèn)證的FPGA專用板通過PCI控制器傳給主機(jī)，主機(jī)來對(duì)反饋值進(jìn)行判斷，若密碼正確，主機(jī)開啟連接和掃描硬件模塊，把與SATA硬盤相連的數(shù)據(jù)線接上，同時(shí)進(jìn)行掃描硬件改動(dòng)，這樣SATA硬盤就被系統(tǒng)識(shí)別。

主窗口顯示從鍵盤輸入密碼，然后主機(jī)通過插在PCI插槽上的PCI控制器，PCI控制器主要是由PLX公司的PCI9054芯片構(gòu)成，它和FPGA都受板上50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的控制。通過PCI控制器把密碼傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部的PCI本地控制器，由PCI本地控制器將密碼傳給FPGA，由FPGA根據(jù)得到的密碼來驅(qū)動(dòng)MEMS驅(qū)動(dòng)電路，MEMS驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MEMS強(qiáng)鏈根據(jù)輸入的密碼來運(yùn)行，如果密碼正確，也就是驅(qū)動(dòng)電路的指令與MEMS強(qiáng)鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)固化的密碼一樣，密碼鎖就能正確走完，然后返回Ox000000FF（十進(jìn)制的255）；如果密碼錯(cuò)誤，MEMS強(qiáng)鏈被卡死，并返回0。同時(shí)PCI本地控制器將返回值再通過PCI9054傳送回主機(jī)，并在主窗口上顯示。如果返回信號(hào)是0x000000FF的話，啟動(dòng)聯(lián)接控制程序，實(shí)現(xiàn)掃描資源管理器，接通SATA硬盤，正常傳輸數(shù)據(jù)。

2 MEMS強(qiáng)鏈與其相關(guān)的控制模塊

MEMS強(qiáng)鏈的棘爪能卡住棘輪，從而能精確定位到固定的位置，棘爪裝有電磁驅(qū)動(dòng)型電機(jī)，使其具有誤碼鑒別與自復(fù)位功能，因而可用于信息安全，實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能。鑒碼機(jī)構(gòu)由兩組電磁型微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)反十涉齒輪集A和B，反干涉碼輪集中機(jī)械周化了密碼。反干涉齒輪集在正確解碼時(shí)，碼齒之間互相沒有接觸；當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)，碼齒相互干涉，反干涉齒輪集卡死。使用光電耦合機(jī)構(gòu)，在正確接收到24位密碼時(shí)光電能量耦合，系統(tǒng)開啟。圖2是MSMS強(qiáng)鏈結(jié)構(gòu)圖。

圖2 MEMS強(qiáng)鏈組織結(jié)構(gòu)圖

MEMS密碼鎖控制模塊以PCI協(xié)議通訊方式與FPGA和MEMS密碼鎖驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行通訊，它是用Verilog HDL語占寫的控制FPGA運(yùn)行的指令模塊，它存儲(chǔ)在EPCS1中，系統(tǒng)上電后開始工作。EEPROM PCI配置芯片通過內(nèi)部的PCI驅(qū)動(dòng)程序正確驅(qū)動(dòng)PCI控制器．完成主機(jī)與PCI控制器控制信號(hào)、地址線和數(shù)據(jù)線的配置，使PCI控制器正常工作，PCI控制器把PCI總線上的指令轉(zhuǎn)化為PCI局部總線端指令，由局部總線指令控制I/O擴(kuò)展芯片，I/O擴(kuò)展芯片根據(jù)局部總線指令輸出控制字到MEMS密碼鎖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MEMS密碼鎖解碼，解碼的同時(shí)MEMS密碼鎖反饋信號(hào)，密碼處理模塊讀取MEMS密碼鎖發(fā)來的反饋信號(hào)，判斷正確碼或是錯(cuò)誤碼的來臨，若取得32位正確碼，發(fā)送反饋信號(hào)到FPGA，F(xiàn)PGA把獲得的反饋值經(jīng)PCI控制器傳給主機(jī)，主機(jī)啟動(dòng)聯(lián)接和掃描硬件模塊，SATA硬盤被系統(tǒng)識(shí)別。

3 PCI控制器

PCI控制器主要由PCI9054芯片和EEPROM PCI芯片組成。它支持主模式、從模式、DMA傳輸方式。本文利用PCI9054在C模式下傳輸32位的密碼和32位返回值。工作時(shí)間的寫入時(shí)序圖如圖3。本地總線周期可是是single周期或突發(fā)周期，BLAST# 信號(hào)被用于決定是一個(gè)single周期被執(zhí)行還是一個(gè)突發(fā)周期被執(zhí)行。本地總線Initiator（本地總線訪問內(nèi)存和I/O）訪問PCI9054必須是對(duì)32位non-pipelined總線才可以。其中，LA是地址總線；LD是數(shù)據(jù)總線；LBE是字節(jié)使能信號(hào)。

圖3 PCI Initiator狀態(tài)下寫時(shí)序圖

BLAST#、READY#、ADS#和FPGA相連。只有在ADS信號(hào)在高電平，BLAST在低電平，LWR為高電平。LA［31：2］為高時(shí)，表明PCI9054開始一個(gè)有效的寫數(shù)據(jù)周期，同時(shí)，F(xiàn)PGA使寫標(biāo)志有效，并把數(shù)據(jù)放到本地總線上，此時(shí)本地總線上才接收到由外部總線上寫入的數(shù)據(jù)。只有在ADS信號(hào)為高，BLAST為低，LWR信號(hào)為低，同時(shí)LA［3l：2］接受到地址時(shí)，表明PCI9054開始一個(gè)有效的讀數(shù)據(jù)周期，同時(shí)，下位機(jī)的FPGA使讀使能有效，并把返回值放到本地總線上，LD［3l：0］才能接收到數(shù)據(jù)。

EEPROM PCI配置芯片與PCI控制器直接相連。通過存儲(chǔ)在配置芯片內(nèi)部的PCI驅(qū)動(dòng)程序正確驅(qū)動(dòng)PCI控制器，完成主機(jī)與PCI控制器控制信號(hào)、地址線和數(shù)據(jù)線的配置，使PCI控制器正常工作。

4 Altera Cyclone FPGA

Cyclone系列現(xiàn)場可編程門陣列是基于1.5V，O.13μm．全銅互聯(lián)SRAM T藝，最高內(nèi)嵌20，060個(gè)邏輯單元、最大288 Kbits RAM。內(nèi)置鎖相環(huán)和一個(gè)專用雙倍速率（DDR）界面支持用以雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DDR SDRAM）和快速循環(huán)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（FCRAM，Cyclone可以提供低功耗的數(shù)據(jù)鏈路解決方案。cvclone支持多種標(biāo)準(zhǔn)的I/O（輸入輸出），支持ASSP和ASIC設(shè)備。支持多種IP核。

5 SATA硬盤

SATA，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盤接口規(guī)范。SATA規(guī)范將硬盤的外部傳輸速率理論值提高到了150MB/s。SATA的優(yōu)勢是支持熱插拔，傳輸速度快，執(zhí)行效率高等。

熱插拔是最希望看到的功能，但是現(xiàn)在的SATA硬盤的熱插拔并不是想象中的把硬盤在開機(jī)的狀態(tài)下接入主機(jī)，就能正常的傳輸數(shù)據(jù)，而是需要啟動(dòng)資源管理器，進(jìn)行“掃描檢測硬件改動(dòng)”的操作后才能正常識(shí)別硬盤盤符。根據(jù)這個(gè)情況，本文設(shè)計(jì)了“連接與掃描硬件改動(dòng)模塊”代替手動(dòng)的“掃描檢測硬件改動(dòng)”操作。該硬盤有數(shù)據(jù)線和電源線，在開始的時(shí)候，只接通電源線，用軟件來控制數(shù)據(jù)線是否連接，當(dāng)物理認(rèn)證通過后，主機(jī)啟動(dòng)連接和掃面硬件模塊，連接上數(shù)據(jù)線。然后使主機(jī)自動(dòng)枚舉檢測所有的硬件，看是否有新硬件安裝，有就使其正常聯(lián)接使用。若密碼錯(cuò)誤，主機(jī)不啟動(dòng)該模塊，繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)線斷開，SATA硬盤還是不可見。

6 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件有兩部分，首先是上位機(jī)控制部分，該部分是用VC++寫的上位機(jī)窗口對(duì)話框和聯(lián)接控制程序；下位機(jī)控制部分主要是本地PCI控制程序、FPGA驅(qū)動(dòng)程序以及MEMS強(qiáng)鏈控制程序，該部分是用verilog HDL編寫，調(diào)試成功之后燒寫在與FPGA相連的只讀存儲(chǔ)器EPCS1里面。上位機(jī)和下位機(jī)的控制程序通過PCI9054有機(jī)的聯(lián)接在一起。

首先用戶點(diǎn)擊主窗口的用戶對(duì)話框，在上面的編輯框內(nèi)輸入密碼，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，主機(jī)將數(shù)據(jù)放在總線上，同時(shí)FPGA內(nèi)部的本地總線控制器不斷的檢測ADS信號(hào)，BLAST信號(hào)，LWR讀寫信號(hào)信號(hào)，和LA［3l：2］地址總線信號(hào)，當(dāng)他們滿足寫有效時(shí)，表明FPGA可以接收數(shù)據(jù)，于是數(shù)據(jù)通過本地總線將密碼數(shù)據(jù)傳到FPCA內(nèi)部指定的寄存器里面，同時(shí)由MEMS控制模塊根據(jù)所得的密碼來控制MEMS強(qiáng)鏈，若密碼與MEMS強(qiáng)鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)密碼一致，MEMS強(qiáng)鏈走完全程，F(xiàn)PGA返回八位1（即十進(jìn)制的255），接著啟動(dòng)連接和掃描硬件程序掃描硬件，SATA硬盤就被系統(tǒng)識(shí)別，所加密硬盤的盤符在我的電腦中顯現(xiàn)。如果密碼錯(cuò)誤的話，MEMS強(qiáng)鏈被卡死，返回0。為了增加可視化．本地總線控制器當(dāng)檢驗(yàn)到ADS信號(hào)，BLAST信號(hào)，LWR信號(hào)．和LA［3l：2］讀有效時(shí)將返回值返回到主窗口的“返回值”編輯框中。

當(dāng)輸入正確的密碼，這里我們?cè)O(shè)置的正確密碼是12345678，上位機(jī)先把密碼傳如到下位機(jī)存儲(chǔ)起來，時(shí)序圖見圖4，ld數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)是12345678，當(dāng)密碼與固化的密碼比較以后，正確的話返回255，如圖5所示。

圖4 寫入正確密碼仿真時(shí)序圖

圖5 正確密碼返回值的仿真時(shí)序圖

7 結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了主機(jī)、硬盤、FPGA之間的控制信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、讀寫信號(hào)，及這些信號(hào)協(xié)調(diào)工作完成安全認(rèn)證和加密的工作機(jī)理和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案。該系統(tǒng)基于先進(jìn)的FPGA芯片和特有的MEMS強(qiáng)鏈，利用PCI接口進(jìn)行通信。這樣可以把整個(gè)系統(tǒng)做成一個(gè)小巧的認(rèn)證卡裝在主機(jī)上，使系統(tǒng)美觀，便于攜帶。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：l、將密碼轉(zhuǎn)換為MEMS強(qiáng)鏈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)真正的物理加密；2、利用PCI接口實(shí)現(xiàn)主機(jī)與FPGA的數(shù)據(jù)交換，速度更快，穩(wěn)定性更好；3、利用FPGA和MEMS驅(qū)動(dòng)電路來控制MEMS強(qiáng)鏈．可靠性高。

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