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

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：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)的讀寫接口，如USBN9603。在加密卡的設(shè)計(jì)中，建議采用第二種類型，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，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位的并口寫入地址和數(shù)據(jù)。雖然讀寫操作簡(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、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。