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USB接口密码安全系统的设计与实现研究

2020-12-07阅读(414)

USB接口密码安全系统的设计与实现研究

论文摘要

随着集成电路设计技术的发展,芯片规模的增加异常迅猛,几乎每18个月就会增加一倍。芯片系统集成（SoC）技术受到了业界的普遍重视,其发展也是日新月异。USB设备控制器作为SoC芯片中非常重要的外围接口控制器,在PC机和嵌入式系统,特别是在存储设备领域得到了很广泛应用。本文在设计实现了传统USB设备控制器的基础上,提出了一套USB接口的安全策略,并给出了具体的实现方案,设计实现了USB接口的密码安全系统──ETISecUSB,以解决易丢失、明文存储、明文传输等大多数USB设备存在的安全隐患,得到了很好地安全保密效果。具体地讲,有以下几点贡献:1.对USB设备所面临的安全问题进行了详细地描述和分析,提出了一套USB设备控制器的安全策略,并基于Diffie-Hellman协议设计了一个主机与USB设备的认证密钥协商协议,以解决假冒攻击、重放攻击、前向保密等安全问题。2.基于传统USB设备控制器设计理论,经过细致的软硬件功能划分,设计实现了一款面向密码安全应用的USB设备控制器,完善地实现了本文提出的安全策略。3.在深入研究驱动程序的设计原理的基础上,结合密码软件实现技术,将本文提出的安全策略合理地实现于驱动程序中,软件系统与硬件系统共同构成了USB接口密码安全系统——ETISecUSB。4.提出了适用于ETISecUSB的FPGA测试方法,合理地构成了测试回路,采用多种工具对安全策略的实现进行了细致地测试验证。本文从理论和实现两个方面较详细地介绍了USB接口密码安全系统ETISecUSB的设计过程和相关技术要点,获得了设计密码芯片系统集成的宝贵经验,更为以后设计更加复杂的IP核打下了良好的基础。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景、目的及意义
  • 1.2 研究的国内外现状
  • 1.3 本文主要工作
  • 1.4 论文结构
  • 第二章 USB 接口密码安全系统的设计基础
  • 2.1 USB 协议的分析
  • 2.1.1 USB 体系结构
  • 2.1.2 USB 电气特性
  • 2.1.3 USB 数据结构
  • 2.1.4 USB 传输模式
  • 2.1.5 USB 差错检测
  • 2.2 硬件逻辑电路设计的实现平台
  • 2.2.1 硬件描述语言
  • 2.2.2 FPGA 芯片简介
  • 2.2.3 FPGA 设计流程
  • 2.2.4 QuartusII 软件介绍
  • 2.3 驱动程序开发基础
  • 2.3.1 驱动程序基本原理
  • 2.3.2 驱动程序的开发、编译和调试
  • 2.3.3 驱动程序的安装和卸载
  • 2.4 密码安全概述
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 USB 设备控制器的设计与实现
  • 3.1 USB 体系架构研究
  • 3.2 USB 设备控制器的设计与实现
  • 3.2.1 控制器IP 核的结构
  • 3.2.2 收发器电路
  • 3.2.3 串行接口引擎模块
  • 3.2.4 协议层模块
  • 3.2.5 端点0 控制器及其FIFO
  • 3.2.6 Descriptor ROM 模块
  • 3.2.7 其它端点控制器及其FIFO
  • 3.3 USB 驱动程序的开发
  • 3.3.1 USB 驱动主程序体
  • 3.3.2 USB 驱动与应用程序接口
  • 3.3.3 USB 驱动与硬件设备接口
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 USB 接口的安全策略
  • 4.1 USB 接口的安全需求
  • 4.2 USB 接口的安全策略
  • 4.2.1 整体安全策略
  • 4.2.2 一种基于USB 的认证密钥协商协议UAKE
  • 4.2.3 协议的安全性分析与性能分析
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 设备端密码安全功能的设计与实现
  • 5.1 密码安全功能总体结构
  • 5.2 硬件部分的设计与实现
  • 8052'>5.2.1 微控制器ETI8052
  • 5.2.2 ECC 加速器
  • 5.2.3 大数运算加速器
  • 5.2.4 AES 加速器
  • 5.2.5 随机数发生器
  • 5.2.6 IP 桥设计
  • 5.3 软件部分的设计与实现
  • 5.3.1 COS 的体系结构
  • 5.3.2 片上操作系统ETISecUSBCOS
  • 5.3.3 主机与设备的认证密钥协商
  • 5.3.4 存储加解密与密钥更新
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 主机端密码安全功能的设计与实现
  • 6.1 主机端总体设计思想
  • 6.2 MIRACL 函数库的使用
  • 6.2.1 MIRACL 函数库简介
  • 6.2.2 ECDSA 算法的实现
  • 6.3 驱动程序安全机制的实现
  • 6.3.1 UAKE 协议的实现
  • 6.3.2 总线安全传输的实现
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 密码安全功能的测试验证
  • 7.1 测试验证的工具与方法
  • 7.2 USB 接口系统的FPGA 实现
  • 7.2.1 设备控制器 IP 核与8052 挂接
  • 7.2.2 USB 接口系统的逻辑综合
  • 7.3 UAKE 协议的验证
  • 7.4 传输加密的验证
  • 7.5 存储加密的验证
  • 7.6 本章小结
  • 第八章 总结与展望
  • 8.1 本文工作总结
  • 8.2 进一步设想
  • 参考文献
  • 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
  • 致谢

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