基于MEMS和FPGA的移動硬盤數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)

　　隨著信息量的急劇增長，信息安全日益受到人們重視。一個完整的數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)應該 具備安全可靠的密碼認證機制和加解密算法。本文基于MEMS 強鏈、USB 控制器和FPGA 設 計了一種USB 接口的高效數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)，采用AES 加密算法。普通IDE 硬盤掛接該系統(tǒng)后 成為安全性極高的加密USB 移動硬盤，其平均數(shù)據(jù)吞吐率接近普通U 盤，達到10MB/s.

　　1. 系統(tǒng)結構布局

　　該系統(tǒng)由Cypress CY7C68013 USB2.0 控制器、Altera EP2C35 FPGA 和MEMS 強鏈構成， 圖1 描述了整個系統(tǒng)的硬件布局。

　　MEMS 強鏈負責對用戶輸入的密碼進行驗證。CY7C68013 USB 控制器內含增強型51 核，它不 但能高效處理USB 協(xié)議事務，而且是整個系統(tǒng)的控制中心。EP2C35 FPGA 一端連接USB 控制 芯片的GPIF 接口，一端連接IDE 硬盤，它負責從IDE 總線中區(qū)分出控制信號、讀寫硬盤寄存器的數(shù)據(jù)信號和讀寫硬盤扇區(qū)的數(shù)據(jù)信號，然后僅對寫入硬盤扇區(qū)的數(shù)據(jù)作加密處理，對讀出 硬盤扇區(qū)的數(shù)據(jù)作解密處理。

　　2. MEMS 強鏈

　　MEMS 強鏈的棘爪能卡住棘輪，從而能精確定位到固定的位置，棘爪裝有電磁驅動型電機， 使其具有誤碼鑒別與自復位功能，因而可用于信息安全，實現(xiàn)密碼鎖的功能。鑒碼機構由兩組 電磁型微步進電機驅動反干涉齒輪集A 和B，反干涉碼輪集中機械固化了密碼。反干涉齒輪集 在正確解碼時，碼齒之間互相沒有接觸；當出現(xiàn)錯碼時，碼齒相互干涉，反干涉齒輪集卡死。 使用光電耦合機構，在正確接收到24 位密碼時光電能量耦合，系統(tǒng)開啟。圖2 是MSMS 強鏈 結構圖。

　　3. 物理密鑰與密碼認證

　　物理密鑰是相對于邏輯密鑰而言的，邏輯密鑰通常以二進制形式存在于芯片內部ROM 區(qū)，容易被破解。而物理密鑰固化在機械結構內部。本設計采用的反向嚙合齒輪集鑒碼機構所蘊含 的密鑰就屬于物理密鑰。它的結構相當隱含，不是專業(yè)人士即使知道了鑒碼機構，也很難推出其密碼。

　　密碼認證開始時，USB 控制器把接收到的來自PC 的24 位待驗證二進制密碼以脈沖的形 式傳遞給強鏈。強鏈的電機會根據(jù)脈沖驅動碼輪。若密碼正確，反干涉齒輪*無摩擦的走通 一周回到原位；只要有一位密碼錯誤，反干涉齒輪*在該位卡死。USB 控制器根據(jù)強鏈的反 饋信號作出判斷，如果驗證通過，則將該系統(tǒng)枚舉成一個可移動磁盤，并把該正確密碼傳遞給 FPGA，作為AES 加密算法的密鑰；否則向PC 機返回驗證失敗的信息。