基于固态硬盘加密方法的研究

论文摘要

随着固态硬盘（Solid State Disk）在高端数字领域的广泛应用,用户数据的存储安全成为一个重要课题。现有的数据保护技术有软件加密、Trusted Platform Module（TPM）芯片、加密卡硬件加密等技术。软件加密占用主机资源,硬件加密实施成本高,在固态硬盘控制器中实施加密引擎,无需独立的硬件实现并且加解密操作对用户透明,是一种安全实用的方案。通过研究分析固态硬盘的读写数据流,根据加密引擎的位置提出了加密固态硬盘的设计方案。高级加密标准算法（Advanced Encryption Standard, AES）作为取代数据加密算法（Data Encryption Standard, DES）被广泛应用于用户敏感数据的保护。为了获得高速加密引擎,需要大量的硬件逻辑。提出了一种速度与面积折中的AES加密引擎实施方案,使用流水线技术提高加密引擎的吞吐率;通过查表方式实现SubBytes/ InvSubBytes运算,减少加密引擎消耗的硬件逻辑,充分使用闲置的Block RAM,并且将Sbox和Invbox存放在同一Block RAM中,减少AES加密引擎对Block RAM资源的消耗。加密引擎的安全性取决于密钥体系的设计,根据硬盘数据读写的特点,提出了多种密钥存储应用体系,使加密引擎的输入流对用户透明,并且使用扇区级密钥和文本密钥提高密钥破解难度。使用Xilinx ISE软件在Xilinx FPGA xc6slx45-3fgg484上对加密引擎进行仿真,加密引擎占用785个slice,时钟频率达到232.748MHz,吞吐率达到1.986Gbits/s。实验结果表明:加密引擎的吞吐率能够满足Serial Advanced Technology Attachment（SATA）1.0接口固态硬盘的读写速率,加密引擎可以在固态硬盘中实施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 固态硬盘SSD
• 1.4 研究目的和主要内容
• 2 加密学的背景知识
• 2.1 密码学基础知识
• 2.2 常用加密模式
• 2.3 加密算法AES
• 2.4 本章小结
• 3 固态硬盘加密方案的设计
• 3.1 加密固态硬盘整体方案设计
• 3.2 AES 加密引擎的设计
• 3.3 加密引擎密钥的管理
• 3.4 本章小结
• 4 固态硬盘加密方案的实现
• 4.1 加密固态硬盘控制器的实现
• 4.2 加密引擎的实现
• 4.3 本章小结
• 5 仿真与性能分析
• 5.1 功能仿真
• 5.2 性能分析
• 5.3 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 硕士研究生期间发表的学术论文目录