USB安全钥功能扩展与优化设计

    摘要：介绍USB安全钥的完整功能，加密算法的动态链接库DLL设计，在线修改存储在安全钥内的用户产品信息功能的方法。为设计完整的USB设备提供借鉴。

    关键词：通用串行总线USB 单片机 动态链接库DLL 标准加密算法DES USB固件 USB驱动程序 人机接口设备HID

1 USB安全钥的完整功能

USB安全钥最早基于USB的热插拔、速度以及硬件等优势，结合加密算法，用于办公文件、软件等的存储和加密。但USB安全钥的用武之地远不止这些，与网络技术结合，用于时下最时尚的电子商务中，才使其大显神通。USB安全钥结合传统的电子商务核心技术和新兴的USB技术，用于实现电子商务中的关键技术——身份识别，在未来电子商务领域具有广阔的应用前景。USB安全钥集数据加密和数据存储两大功能于一体，推出了电子商务的发展。

传统的电子商务或是网络email等的身份认证基本上是通过两种方式来实现。一种是密码机制，双方约定好规则。这是目前最为普遍的方式，但是这种方式的严重缺点显而易见。密码作为最重要的信息，在网络上传输，很容量被黑客攻击截获，经常发生密码被盗。第二种方式是通过第三方的认证，双方共同信任第三方公司提供的信息，从而进行交易。微软在.NET计划中推出的认证服务器就提供这种服务。但是，信誉度建立在第三方上，便会受到第三方的制约，掏钱不说，还要担心第三方是否会倒闭。USB安全钥解决了这两种方式无法解决的问题。

完整的USB安全钥系统由三部分组成：安全钥端，采用Motorola公司带USB接口的8位单片机MC68HC908JB8构成；PC端，由任何一台可接入网络的PC构成，并安装PC端的用户身份认证软件；Server端，任何一台网络服务器安装用于身份认证的Server端软件。

USB安全钥系统结构体系及功能流程如图1所示，列出了九个步骤，描述了USB安全钥从插入PC到完成一身份识别的完整流程。

    需要强调的是，在上述步骤中，PC仅仅起一个Media(媒介)的作用。任何重要的数据都没有经过PC，在网络上传输的仅仅是8个字节的随机数（它只在Server服务器和安全钥端有意义，只对特定的加密算法和密钥有意义），被黑客截取也不会有问题。这8个字节的随机数由网络Server产生，经由PC传递给USB安全钥加密；加密后的随机数再由PC不加任何改变地传递给Server；Server去调用解密算法解开加密的随机数，与原来未加密的随机数比较，如果相同则说明USB安全钥的持有者身份合理。整个身份认证也告结束。这里，USB安全钥体现出两个优点：（1）没有任何重要的个人信息在网上传递，保证了安全性；（2）Server由网络商自己维护，安全钥由用户携有，双方的认证没有依靠第三方，快捷、安全、信誉度高。当然，USB安全钥还有其他很多优点，例如可以在PC上热插拔，可以在任何一台支持USB的PC上工作（现在几乎所有的PC都应该支持USB）等。

2 USB安全钥的技术细节

USB安全钥技术，从设计上可以分为三个模块：Server端网络通讯和加密算法设计、PC端的USB驱动程序和网络通讯设计、安全钥端的USB固件和加密算法设计。涉及到的计算机技术包括Socket网络编程技术、USB驱动程序设计技术和加密算法技术。可以说整个设计内容庞杂，技术难度高。因此，设计时就需细化，一步步完成单个功能，再进行联调，将单个模块融合成完整的USB安全钥。

后期的功能扩展和优化设计也是针对三个模块，应用三大技术完成。主要是：服务器（Server）端DES加密算法的研究，设计加密算法的动态链接库DLL，提供给客户最简单的API；PC和安全钥端驱动程序的研究，实现PC端友好的程序界面，动态在线修改存储在安全钥内的用户产品信息。本文将详细介绍扩展和优化的设计方法，从而揭示USB安全钥的技术细节。

2.1 如何设计Server端加密算法及其DLL

密码算法（Algorithm）就是指加密函数（Encryption）和解密函数（Decryption）。有加密函数，那么必然有一套与它对应的解密函数。现代密码学用密钥技术解决了保密性不够的问题。密钥用K表示。K的取值范围叫做密钥空间。可以用如下式子来表示加密和解密函数之间的关系：

DK（EK（M））=M

其中，E为加密函数，D为解密函数，M为被加密的原文。有一个重要的结论：所有算法的安全性都基于密钥的安全性，而不是算法细节的安全性。这就是说，算法可以公开，只要密钥是保密的，则这个算法就是安全的。简单地说，密钥就是与密文叠加在一起的一组烽。

标准加密算法DES作为ANSI的数据加密算法和ISO的DEA-1，成为世界范围内的标准已经20多年。就目前密码学的发展情况来说，DES的安全性还是能够满足用户需求的。由于完整的DES算法相当复杂，这里仅简单介绍算法的结构。

DES是分组加密算法，以64位为一组对明文进行分组，然后进行加密和解密。加密和解密的算法相同，只是密钥的编排不同。密钥长度为56位，通常是64位，但是每字节第8位都用来作奇偶校验位，因此实际上只有56位。DES共有16轮，即对同一组明文结合密钥进行16轮相同的加密过程，最终达到加密要求。

具体到第一轮的加密过程是这样的：每一轮中，密钥位移位，然后从密钥中选出48位。数据的32位右半部分数据扩展成48位，与密钥结合。然后再将这48位数据变换为32位，并与数据的32位左半部分相与后作为新的32位右半部分。而32位左半部分基本不变。最后，左右各32位数组合在一起便构成了一轮加密后的64位密文。重复同样运算16位，便完成了加密/解密功能[4]。

Server端的加密算法采用DES。加密和解密是整个USB安全钥身份认证的核心。在安全钥的初期产品中，已经实现了DES算法下的加密功能。但是，作为产品，其安全性是第一位的。而且，对于要将加密算法嵌入自己系统的用户来说，提供给他们大量的加密算法的源代码是不合适的。要对DES算法进行修改，将其从Server端的源程序中提出，改掉原来复杂的调用机制，改为提供给用户三个简单的接口函数：产生随机数、加密和解密函数、实现DES加密算法的DLL。

动态链接库（DLL）是一个包含了若干个函数的可执行模块，Windows应用程序可以调用这些函数来完成实际任务。对于调用DLL的用户来说，利用的资源仅仅是应用函数接口和一个后缀为.dll的文件，实现加密算法的模块化。

在建立了个VC工程之后，需要建立主程序头文件KeyDll.h，加入如下代码。这些代码中定义了导出的四个函数。

class _declspec(dllexport) CkeyDllApp

{public:

BOOL GetChallenge();

int* Challenge();//导出函数

int* DecryptData(BYTE []);//导出函数，需要解密的随机数，可存储在数组InputNum[8]中。此函数输出值即为加密后的数据，输出格式为数组DESDeData[8]。

Int* EncryptData(BYTE [])；//导出函数，需要加密的随机数，可存储在数组InputNum[8]中。此函数输出值即为加密后的数据，输出格式为数组DESEnData[8]

BOOL cha_gen；

void DESDecrypt ();//BYTE *Data,BYTE *Key）； //解密函数定义

void DESEncrypt ();//BYTE *Bata,BYTE *Key）； //加密函数定义

BOOL Init();

protected:

BYTE DESKey[8]; //密钥

BYTE IniDeData[8]; //外部输入的需要解密的数据

BYTE IniEnData[8]； //外部输入的加密前的随机数

BYTE DESDeData[8]； //解密后的数据

BYTE DESEnData[8]； //加密后的数据

WORD subkey[16][48]； //子密钥

BYTE challenge[8];

……}

然后，在主文件KeyDll.cpp中实现各功能函数的具体功能，主要是算法的实现。

BOOL CKeyDllApp：：GetChallenge()//这是产生随机数的函数，它调用API的函数srand()，最终产生的8位随机数存在数组challenge[8]中

{

int i;

srand((unsigned)time (NULL));

if(!cha_gen){

for(i=0;i<8;i++){

do{challenge[i]=(rand()/256);}

while((challenge[i]=='')||(challenge[i] = =0)||(challenge[i]==255)||(challenge[i]==256-''));}

challenge[8]=0;

cha_gen=TRUE;

return TRUE;}

retur FALSE;}

void CKeyDllApp::DESDecrypt ()//解密函数，完成对已加密的8位随机数的解密功能

{

WORD TempInput[64]，TempOutput[64],TempKey[64];

Stringtobit (IniDeData,TempInput);

Stringtobit (DESKey,TempKey);

decry (TempInput,TempKey,TempOutput);

bittostring (TempOutput,DESDeData);}

void CKeyDllApp::DESEncrypt() //加密函数，可完成对8位随机数的加密功能，然后可与原随机数比较，看是否相等

{

WORD TempInput [64],TempOutput[64],TempKey[64];

stringtobit (IniEnData,TempInput);

stringtobit (DESKey,TempKey);

encry(TempInput,TempKey,TempOutput);

bittostring (TempOutput,DESEnData);}

int* CKeyDllApp::DecryptData (BYTE InputDeNum[8])//导出获取解密数据的函数。此函数需要赋值——已加密了的8位随机数，并进行解密，最终函数值为解密后的8位随机数

{

int i;

for (i=0;I<8;i++)

IniDeData[i]=InputDeNum[8];

return (int *)DESDeData;}

int* CKeyDllapp::EncryptData (BYTE InputEnNum [8])//导出的获取加密数据的函数。此函数需要赋值——8位随机数，直接调用并赋8位随机数后，此函数将调用加密函数并进行加密，最终函数值为加密后的8位随机数

{

int I;

for (i=0;i<8;i++)

IniEnData[i]=InputEnNum[i];

Return (int *)DESEnData;}

编译、连接后接产生一系列文件，在加上源工程文件，将会有数量比较庞大的文件系统。最终，只需提供给用户三个文件即可，它们是：

·.dll,这是DLL文件；

·.lib，这个文件将在应用DLL的程序编程和连接时，提供连接向导；

·.h,这个头文件告诉用户此DLL中导出了哪些量可以用。

DES的DLL导出了一个类：CkeyDllApp。在这个类中共有4个导出函数可以导入应用程序中，用户在导入了加密DLL后，可以在自己的程序中直接调用以下函数：

·BOOL GetChallenge(),用于在应用程序支持循环结构；

·int *Challenge()，产生随机数，并存储在Challenge[8]中；

·int *DecryptData(BYTE []),用于解密随机数；

·int *EncryptData(BYTE []),用于加密随机数。

2.2 USB安全钥新增功能描述

USB安全钥和PC传输的数据量不大，而且没有很高的速度要求。因此，在编写固件时就将其归类为HID（USB的人机接口设备类）。在编写PC端的驱动程序时可以直接调用Windows提供的HID的API函数，大大降低了编程的难度。更重要的是，Windows对HID设备的支持非常完备，不需要用户再编写底层的驱动。

安全钥端的设计内容主要是：实现在线修改存储在安全钥内的KeyID和读取KeyID两个功能，分别由函数Set_KeyID和Get_KeyID实现。KeyID是安全钥的标识符，在安全钥插到PC上后，被读出并送往Server进行检查。在初期产品中，KeyID只能是安全钥首次接到PC上读取，且不能更改，这为厂家和开发者造成了不便。因此要更改初期产品中的KeyID，这必须修改安全钥端的汇编程序，然后再“烧”写到安全钥中，非常麻烦。新增功能可实现KeyID的在线修改。

PC端的设计包括两步。首先要实现在PC上读取安全钥内的KeyID。通过安全钥的端点1，8个字节的KeyID被周期地送出。PC要获取这些数据，调用HID类库Get_Report(Feature)。从安全钥发来的包含KeyID的包的特性及技术指标如表1。

表1 调用HID类库获取KeyID

bmRequestType	bRequest	wValueL	wValueH	wIndex	wLength	Data
10100001B($A1)	Get_Report($01)	Zero	Feature($03)	Zero	8	KeyID

第2步，在PC上实现修改KeyID功能。调用HID类库Set_Report(Feature)，将新的KeyID发送到安全钥中，具体指标如表2所示。

表2 调用HID类库发送KeyID到SK

bmRequestType	bRequest	wValueL	wValueH	wIndex	wLength	Data
00100001B($21)	Set_Report($09)	Zero	Feature($03)	Zero	8	KeyID

2.3 如何设计安全钥端新功能的USB固件

USB固件（Firmware），就是USB安全钥硬件上采用的单片机和其他处理器中有关USB通信的程序。这里采用Motorola公司的8位单片机MC68HC908JB8作为USB安全钥的控制器芯片。MC68HC908JB8带有USB接口，8K的Flash，支持USB 1.1版本中的低速（Low Speed）设备，资源有限，主要用于实现USB通信，价格比较低廉。因此，很适合于USB安全钥。MC68HC908JB8中USB通信的程序模块，包含在实现MC68HC908JB8所有功能的汇编程序中。

图2是经典的USB固件的流程图。考虑到USB安全钥中USB数据通信量很小，不需要考虑通信时间，采用中断传输方式。整个程序就是在等待数据传输要求的中断到来，从而进入数据传输模块。读/写数据缓冲区，往USB端点（Endpoint）中读/写数据，交给USB模块收发数据。当USB安全钥不需要传输数据时，就进入挂起状态（Suspend）。在得到PC主机远程唤醒后启动，继续工作。

新增功能中，主要完成的两个功能就是KeyID的读取和修改，即实现Get_KeyID和Set_KeyID功能。程序构思大致是：对于Get_KeyID，在接收到PC端发来的读取KeyID的中断后，立即从端点1发送8字节的KeyID，这一段没有什么特别之处；对于Set_KeyID，在接收到信号后，立即转入Set_KeyID子程序。首先将存储KeyID的Flash去保护，然后寄存器置位，即在硬件上给Flash一个高电平，接着进行擦除，再将保存于缓冲区的PC发来的新KeyID存储到Flash中。最后，置Flash状态寄存器位，给Flash加保护。

2.4 PC端新增功能的USB驱动程序设计

Windows 98的驱动程序从结构上来说分为两层：内核层和用户层。USB的客户驱动程序属于用户层，而USB类驱动程序和底层驱动程序则属于内核层。目前，USB还属于起步阶段，Windows对USB的支持还不够完善，仅支持内核层。USB开发人员所要做的，就是开发客户驱动程序，直接与类驱动程序打交道。

HID属于USB设备类中的一个子类，Windows对它提供了非常强大的支持，尤其是在用户层提供了Hid.dll，其中包含了用户层驱动程序与类驱动程序通信需要的各种功能模块，将它们以API的形式提供给用户函数接口。这样，在编写客户驱动程序的时候就可以直接调用这些API函数来完成诸如IN、OUT等功能，大大降低了编写驱程序的难度。

HID客户驱动程序访问HID类驱动程序，由HID类驱动程序完成大多数工作，而硬件交互由HID小驱动程序HidUsb.sys处理，HID小驱动程序调用USB底层驱动程序USBD.sys访问设备。

这里介绍用户模式的HID客户驱动程序设计过程。它主要包括三个方面的工作：

·查找所有HID设备；

·对于查找到的每一个HID设备，检查其功能，判断是否为感兴趣的设备；

·根据用户需要读取HID输入Report(Feature)或者写HID输出Report(Feature)。

程序流程如下：

（1）查找USB安全钥设备；

（2）读取HID设备功能；

（3）具体实现Get_KeyID和Set_KeyID子函数；

BOOL CusbKey：：GetKeyID（） //Get_KeyID子程序{…

result=HidD_GetFeature(HidDevice，ReadBuffer,0x09)；

//调用此函数，获取从端点1发来的8字节KeyID的16进制检查代码

for(i=0;i<8;i++)

WriteBuffer[i+1]=DataBuffer[2*i]+DataBuffer[2*i+1];

result=HidD_SetFeature(HidDevice,WriteBuffer,0x09);

return TRUE;

}

(4)程序运行结果。

编译连接之后，最终会生成可执行文件KEYDEMO.exe。执行它即可SK通信，实现各种功能。