USB軟件加密卡及其驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

【摘　要】　詳述了USB軟件加密卡及其驅(qū)動(dòng)程序這一熱門(mén)技術(shù)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹了USB接口芯片選擇和應(yīng)用。闡述了USB驅(qū)動(dòng)程序基本功能的開(kāi)發(fā)，還提出了開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的加密功能的新觀點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。
　　關(guān)鍵詞：USB加密卡，FPGA，驅(qū)動(dòng)程序，即插即用

1　引　言
　　軟件加密卡（又稱軟件狗）是一種智能型加密工具，是一個(gè)安裝在并口、串口等接口上的硬件電路。當(dāng)被保護(hù)的軟件運(yùn)行時(shí)，程序向插在計(jì)算機(jī)上的加密卡發(fā)出查詢命令，加密卡迅速計(jì)算查詢并給出響應(yīng)，正確的響應(yīng)能保證軟件順利運(yùn)行。如果沒(méi)有軟件加密卡，程序不能運(yùn)行。最新的第四代軟件加密卡內(nèi)置一個(gè)單片機(jī)芯片，芯片中存有特定的算法程序，可將讀出的密鑰進(jìn)行加密變幻，以對(duì)抗邏輯分析儀。
　　USB軟件加密卡是USB接口技術(shù)與第四代加密卡技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，因而與其它加密卡相比具有一些明顯優(yōu)勢(shì)：首先，USB的數(shù)據(jù)傳輸速度快，USB1．0協(xié)議為12M比特率，USB2．0版可達(dá)480M比特率；其次，USB的底層數(shù)據(jù)傳輸具有特定的打包方法和編碼格式，這樣就增加了加密數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被截獲及解密的難度。最后，USB設(shè)備的即插即用性（plug－and－play）極大地方便了用戶的使用，比如，要在其它微機(jī)上使用被保護(hù)軟件時(shí)，只要一拔一插即可，免除了開(kāi)機(jī)箱和重啟動(dòng)的麻煩。
2　USB軟件加密卡的硬件設(shè)計(jì)
2．1　USB接口芯片
　　USB接口芯片的種類(lèi)很多，但無(wú)論何種接口芯片，都有兩個(gè)基本功能：一是與上位機(jī)通信；二是提供對(duì)外圍電路CPU的接口。也就是說(shuō)接口芯片架起了計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的橋梁，使開(kāi)發(fā)者不用關(guān)心復(fù)雜的USB協(xié)議是如何將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)的。
　　現(xiàn)有的支持USB1．0協(xié)議的接口芯片可大致分為兩類(lèi)：一種為內(nèi)部集成了微控制器，如Intel 8×930Ax／Hx內(nèi)嵌一個(gè)8051CPU；另一種則只提供了對(duì)外圍電路訪問(wèn)的讀寫(xiě)接口，如USBN9603。在加密卡的設(shè)計(jì)中，建議采用第二種類(lèi)型，因?yàn)閷?duì)于較復(fù)雜的加密算法，8051CPU處理起來(lái)很吃力。下面以USBN9603為例介紹接口芯片的使用。
　　圖1描述了USBN9603的邏輯結(jié)構(gòu)，可以看到芯片對(duì)外提供了8位并行接口，該接口為數(shù)據(jù)／地址復(fù)用接口，芯片內(nèi)部自帶地址鎖存器，配合CS，RD，WK信號(hào)完成對(duì)內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作。USBN9603有一外部中斷INTR管腳，當(dāng)USB接口有狀態(tài)變化時(shí)可產(chǎn)生中斷信號(hào)通知CPU，通過(guò)軟件置中斷屏蔽寄存器位，可控制中斷信號(hào)的發(fā)生。
　　USBN9603有7個(gè)與主機(jī)相連接的端點(diǎn)，包括一個(gè)雙向命令傳輸端點(diǎn)、三個(gè)接收端點(diǎn)、三個(gè)發(fā)送端點(diǎn)，可支持中斷（Interrupt）、批量（Bulk）和等時(shí)（Isochronal）傳輸模式。USBN9603傳輸器（Transceiver）配有的電壓調(diào)節(jié)器通過(guò)軟件置位可產(chǎn)生上拉電壓，通過(guò)上拉電阻接D＋則接通全速模式，接D－則接通低速模式。
　　USBN9603使用外接晶振，同時(shí)有一個(gè)對(duì)外的時(shí)鐘輸出器，產(chǎn)生對(duì)外的時(shí)鐘信號(hào)，它的輸出頻率可由軟件控制。USBN9603的USB接口引擎由物理層和媒介通道控制器組成。物理層包括數(shù)字時(shí)鐘電路、監(jiān)視電路、位填充與清除邏輯電路等。媒介通道控制器層要完成數(shù)據(jù)包格式化、循環(huán)冗余檢測(cè)、端點(diǎn)地址偵察等任務(wù)，并提供對(duì)端點(diǎn)發(fā)出的NAK，ACK和STALL回應(yīng)的控制。接口引擎還要負(fù)責(zé)偵察和報(bào)告USB總線事件，如復(fù)位，掛起和恢復(fù)。

　　USBN9603向開(kāi)發(fā)者提供了53個(gè)可編程的寄存器，地址分布在0x00～0x3F。CPU通過(guò)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)，完成一切USB接口操作。USBN9603寄存器被映射為CPU的外部RAM。CPU通過(guò)CS片選信號(hào)尋址，在ALE信號(hào)及RD、WR信號(hào)的配合下，由8位的并口寫(xiě)入地址和數(shù)據(jù)。雖然讀寫(xiě)操作簡(jiǎn)單，但各寄存器的定義及作用卻復(fù)雜，但只要對(duì)USB協(xié)議及USBN9603功能有一定的了解，就不難理解和掌握各寄存器的使用。
2．2　外圍控制電路的設(shè)計(jì)
　　外圍控制電路的作用有兩個(gè)：一是對(duì)USB接口操作；二是實(shí)現(xiàn)加密算法。這要求主控芯片提供基本的讀寫(xiě)、中斷和地址／數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)要有一定的計(jì)算能力以適應(yīng)加密算法。在此前提下，我們有多種選擇，但加密卡的制作不能一味地追求高保密性能，而忽視了開(kāi)發(fā)成本，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合靈活地選用不同的方案。例如，采用DSP芯片，其保密性和計(jì)算速度俱佳，但開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)；也可用價(jià)格低廉的單片機(jī)如8051，雖然速度慢且保密性差，但制作簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短。
　　我們?cè)趯?shí)踐中應(yīng)用的一種方案為單片機(jī)＋FPGA（Field Programmable Gate Array）模式，既可方便地用單片機(jī)完成對(duì)USB口的操作，又能利用FPGA的速度快和保密性強(qiáng)等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加密算法。FPAG支持眾多的加密標(biāo)準(zhǔn)如AES、DES、三倍DES。而且，依靠FPGA的在線編程功能可方便地實(shí)現(xiàn)算法的更新與升級(jí)。這種組合模式符合模塊化設(shè)計(jì)思想，會(huì)一定程度地提高開(kāi)發(fā)速度。
3　USB軟件加密卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
3．1　驅(qū)動(dòng)程序的基本功能實(shí)現(xiàn)
　　驅(qū)動(dòng)程序的基本功能就是建立應(yīng)用程序與加密卡之間的數(shù)據(jù)通訊。Windows98和Windows2000操作系統(tǒng)為USB總線提供了全面的支持，并且用WDM（Windows Device Mode）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型代替了VxD設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。WDM支持USB1．1協(xié)議，并為用戶開(kāi)發(fā)自己的用戶驅(qū)動(dòng)程序提供了下沿接口USBDI（USBDriving Interface）。USB用戶驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)USBDI訪問(wèn)USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序。USB客戶驅(qū)動(dòng)程序決不會(huì)收到任何硬件資源（如端口或中斷），所有低層I／O都由USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)付?？蛻趄?qū)動(dòng)程序只關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型、傳輸時(shí)序、傳輸管道以及如何處理數(shù)據(jù)等主要操作。USBDI就是為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)而設(shè)計(jì)的軟件接口。形象地講，USBDI以軟件形式搭建了一個(gè)USB協(xié)議中所定義設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

　　由圖2可知，USBDI表現(xiàn)給客戶驅(qū)動(dòng)程序的所有USB設(shè)備都統(tǒng)一由配置、接口、端點(diǎn)組成。一個(gè)設(shè)備暴露一系列管道（端點(diǎn)），一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)可組成一個(gè)接口，一個(gè)或多個(gè)接口可組成一個(gè)配置。注意，USB接口芯片也以此模型描述其設(shè)備結(jié)構(gòu)。端點(diǎn)、接口和配置由各自描述符描述性質(zhì)。描述符一般放在外設(shè)儲(chǔ)存器中，當(dāng)設(shè)備接入U(xiǎn)SB總線時(shí)，以連續(xù)數(shù)據(jù)塊的形式一起發(fā)到USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序。USB客戶驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的操作完全參照描述符中的參數(shù)進(jìn)行。
　　從編程角度上講，USBDI為開(kāi)發(fā)者提供了一系列內(nèi)部控制碼IOCTL，來(lái)向USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出控制信息，如客戶驅(qū)動(dòng)程序可使用IOCTL＿INTERNAL＿USB＿RESET＿PORT來(lái)復(fù)位管道。
IOCTL種類(lèi)很多，其中最重要的是IOCTL＿INTERNAL＿USB＿SUBMIT＿URB，它用于向USB設(shè)備婁驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送URB（USB　Request Block）請(qǐng)求塊。URB是一個(gè)聯(lián)合體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因而有多種不同的定義，每種定義對(duì)應(yīng)一種功能并由各自的功能碼描述，如USB＿FUNCTION＿BULK＿OR＿INTERRUPT＿TRANSFER表示通過(guò)塊或中斷端點(diǎn)讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)功能。每個(gè)功能碼使用各自的URB結(jié)構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明它的輸入／輸出參數(shù)。URB包參數(shù)構(gòu)造完后，將其指針掛接在IRP包上，隨IRP包傳給USB設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序處理。URB是個(gè)極重要的概念，對(duì)外設(shè)的各種操作基本上是通過(guò)發(fā)送URB包進(jìn)行的。
　　有了驅(qū)動(dòng)程序并將其安裝在計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用程序（被保護(hù)軟件）就可用OpenFile、Write／ReadFile等API函數(shù)對(duì)加密卡進(jìn)行讀寫(xiě)或狀態(tài)檢測(cè)。
3．2　開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的加密功能
　　驅(qū)動(dòng)程序的加密功能有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：將加密數(shù)據(jù)的一部分或加密算法的某一階段交給驅(qū)動(dòng)程序完成，使其在基本通訊功能上增加數(shù)據(jù)過(guò)濾計(jì)算功能；還可借鑒“用戶算法植入”的思想（普通的加密思想無(wú)非是在程序執(zhí)行中與加密卡交換數(shù)據(jù)，而這種加密技術(shù)是在加密硬件中開(kāi)辟一塊存儲(chǔ)區(qū)，將用戶程序的一部分寫(xiě)進(jìn)去，并由加密卡來(lái)執(zhí)行），將應(yīng)用軟件的一部分寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)程序，造成在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)用程序?qū)⒉煌暾?br>　　開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的加密功能主要基于兩點(diǎn)考慮。首先，USB外設(shè)具有即插即用功能，加密卡插上或拔出時(shí)，其驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)加載或卸載，不可能在沒(méi)有加密卡的情況下單獨(dú)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序，因而可以將它們視為整體。但驅(qū)動(dòng)程序畢竟在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，它可以充分利用其資源，如計(jì)算能力與內(nèi)存空間，以協(xié)助加密卡的工作。其次，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)的內(nèi)核。鑒于一般操作系統(tǒng)（如Windows）對(duì)內(nèi)核的保護(hù)，要對(duì)其進(jìn)行跟蹤解密比較困難，因而將應(yīng)用軟件的重要部分寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)程序要比在應(yīng)用程序中運(yùn)行更安全，更依賴于加密卡，同時(shí)又不增加加密卡的負(fù)擔(dān)。
　　驅(qū)動(dòng)程序的加密功能使其既成為加密卡的一部分又成為應(yīng)用軟件的一部分，這種雙重性實(shí)現(xiàn)了加密系統(tǒng)的緊密聯(lián)系，使得加密效果更可靠。同時(shí)，使得性能較低的加密卡得以擴(kuò)展，方便地用低成本實(shí)現(xiàn)高保密性。另外，要對(duì)現(xiàn)有加密卡進(jìn)行升級(jí)，往往只需修改驅(qū)動(dòng)程序，這更顯得方便高效。
4　結(jié)束語(yǔ)
　　以上我們已對(duì)USB加密卡的各種關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)介紹。雖然世界上沒(méi)有絕對(duì)安全的加密技術(shù)，而數(shù)據(jù)加密也只是安全保密的一小部分，但加密卡的軟硬件開(kāi)發(fā)表現(xiàn)出了高度的靈活性與創(chuàng)新性。面對(duì)層出不窮的威脅計(jì)算機(jī)安全的行為，各種各樣的加密技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，它們以自身的發(fā)展，捍衛(wèi)了軟件商利益的同時(shí)，也捍衛(wèi)著知識(shí)的尊嚴(yán)。
1　秦石喬，王省書(shū)．微機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000
2　Chris Cant．Windows WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)指南．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
3　看雪編著．加密與解密——軟件保護(hù)技術(shù)及完全解決方案．北京：電子工業(yè)出版社，2001