图1 基本型安全U盘结构

　　基本型安全U盘使用透明的USB HUB与主机进行通信，主机相当于同时插入了KEY和U盘两个设备。由主机软件分别对USB KEY和U盘进行操作。一般情况下，U盘与PC采用大容量存储设备接口，而KEY则采用人机交互设备接口，两者均无需驱动（但在Win98系统下可能需要驱动）。

　　其优点是结构简单，易于实现，软件无需任何调整，硬件改动也较小。安全功能的调用以及对U盘的数据保护全部由上层软件实现，但是由此带来的问题是安全性受到影响。其安全性完全依赖于PC软件的调用，而对U盘的操作（由于在PC侧是透明的），虽然可以通过在文件系统的驱动程序上改进，使存入U盘的数据为加密文件系统；但是这只能限制对U盘数据的读操作，不能有效阻止对U盘的错误写（将U盘拿到未安装加密文件系统的机器上，可对其进行格式化或其他写入操作），从而造成对U盘数据的破坏。也容易将病毒带入数据采集系统，从而对整个系统的安全造成威胁。

1.2 增强型安全U盘

　　从上述分析可以看出，在一些对安全性和数据可靠性要求较高的领域，基本型安全U盘无法满足要求；即使采用高性能的KEY产品，也无法获得期望的效果。这就需要增强型安全U盘了。

　　增强型安全U盘也是USB KEY与U盘组合而成的。其不同之处在于，增强型安全U盘的文件访问系统接口不是直接对PC透明的，而是要通过KEY进行控制。其结构如图2所示。

图2 增强型安全U盘结构

　　图2只是一个原理性框图。根据选择的控制器的不同，其主控制器与KEY及U盘的控制器可以各自独立，也可能合为一体。

　　从图2中可以看出，PC通过主控制器对U盘的访问，需要通过KEY的身份认证或数据加/解密操作，而不是直接存储。通过这种方式，既可以实现通过身份认证后才能使用U盘，也可实现数据加密传输、签名认证及授权删除等高安全性的操作，从而实现安全U盘的增强安全功能。

2 ST72F651的主要特点

　　ST72F651具有如下特点：

　　◆ 32 KB高密度Flash程序区，可读/写保护，并可实现在线编程；
　　◆ 5 KB RAM区，其中256字节可用于堆栈；
　　◆ 外接12 MHz晶振，内部锁相环可产生48 MHz USB时钟；
　　◆ 双电源管理，可在USB总线供电和电池供电之间自动切换；
　　◆ 可编程的内部电压调整器可适应不同电压要求的卡；
　　◆ 47个可编程I/O口；
　　◆ 支持DMA的12 Mbps全速USB接口；
　　◆ 具有DTC（Data Transfer Coprocessor）的海量存储接口（Mass Storage Interface），可支持各种存储设备，包括Compact Flash、Multimedia Card、Secure Digital Card、SmartMedia Card、Sony Memory Stick、NAND Flash以及ATA外设等；
　　◆ 支持SPI及I2C等通信接口；
　　◆ 有看门狗及2个具有输出功能的16位定时器；
　　◆ 支持智能卡ISO/IEC78163接口。

3 采用ST72F651实现安全U盘的原理

　　从ST72F651的特点可以看出，这是一款专门为安全U盘功能而设计的芯片。采用ST72F65实现安全U盘，可以在相同的硬件设计基础上，通过控制器芯片的嵌入式软件的不同设计，实现基本型或增强型的安全U盘。

3.1 硬件原理

　　采用ST72F651实现安全U盘，基本型和增强型的硬件原理相同。如果系统没有附加的需求，则可以采用相同的硬件形式。基本型KEY部分采用HID（Human Interface Device，人机接口设备）接口协议，U盘部分采用Mass Storage设备的BOT（Bulk Only Transport）协议。其主要硬件原理如图3所示。

图3 采用ST72F651的安全U盘主要硬件原理

　　其中，U盘为Windows标准外设，容量由所使用的NAND Flash大小决定。本系统最多支持到4片NAND FLASH，每片容量最大为256 MB。

　　智能卡接口由软件模拟仿真ISO/IEC78163接口，T=0或T=1协议的支持由软件实现。

　　除上述基本功能外，由于ST7F651芯片具有丰富的I/O接口资源，因此对于某些有特殊需求的领域，也可以方便地增加实时时钟功能模块、后备电池及其充电管理模块，以及其他SPI及I2C专用功能模块。

3.2 软件原理

（1） 基本型
　　基本型相当于PC上同时插入KEY和U盘两个设备，因此其软件流程对两部分的操作是相对独立的。其中PC上软件流程如图4所示。

图4 基本型安全U盘上层软件流程

采用ST72F651实现的基本型安全U盘的底层软件流程如图5所示。

图5 基本型安全U盘底层软件流程

（2） 增强型
　　增强型安全U盘的上层软件的KEY通道可保留部分功能，仍通过HID接口实现，即安全U盘中保留部分通用KEY功能（如签名/认证等）。具体的实现方式和用法可参照一般USB KEY，这里不予讨论。

　　安全U盘部分的功能根据安全需要的不同，可选择以下几种方式：
　　① 通过通用接口调用KEY函数，ST72F651内存中保留相关的安全状态（如认证结果等）和操作标志。调用Mass Storage函数操作U盘时，根据预先设定好的文件安全属性，自动检查内存中的安全状态和操作标志，只有满足安全要求的操作才允许执行。
　　② 除①中的认证外，还须加密存储的安全U盘；除检查内存中的安全状态外，还需在数据读出/写入时，自动调用智能卡函数执行相应的数据加/解密操作。由于智能卡的通信速度和执行速度的局限性，一般大容量数据的加/解密工作都采用PC软件与KEY功能结合的方式。其软件流程与图4中的基本型软件流程相似，只是在微软Mass Storage函数DLL与设备驱动之间，再加入一层用户自己的DLL，以便在具体的文件操作命令执行过程中，由用户DLL自动调用必要的KEY功能（如口令认证等），以满足安全性的需要。这一层操作对用户是透明的，无须用户干预，因此这种方式非常实用。

　　其中涉及的数据加/解密以及文件校验等操作，在底层自动实现，以获得更高的系统安全性（由于安全操作嵌入底层的不可屏蔽性）和更高的运行速度（通过减少PC与底层的通信次数）。其底层软件流程与基本型的区别在于接收到BOT数据的命令处理分支部分，即图5中的A部分。其执行流程如图6所示。

图6 增强型安全U盘数据存取操作特殊流程

　　当然，在一些对数据安全性和可靠性要求更高的场合，还可以采用扩展专用命令集的方式，将所有功能全部预先定制好；只有通过专用命令接口，获得必需的安全操作权限才可进行某种操作。这种方式可将各种数据操作的条件和属性进行细化设计，以获得不同的效果。目前国家税务总局网上公布的《运输发票税控盘/传输盘技术规范》就是这种方式的一个良好实践。

4 应用前景

　　目前，电子商务和电子政务方兴未艾，数据安全性日益成为人们关注的重点。通过安全U盘的方式，可方便地实现以下安全功能：

　　◇ 身份认证及安全登录；
　　◇ 数据加密存储和文件系统安全保护；
　　◇ 数据及文件的完整性校验；
　　◇ 授权的数据访问和数据整理；
　　◇ 盘内数据通过KEY的功能实现网上安全传递，保证数据的私密性、完整性、可靠性和不可否认性。上述特点，使得安全U盘在数据保密存储领域、电子政务中基层数据保存及采集上传、税务电子申报领域、网络安全登录和网页加密管理，以及技术人员保密资料的保护等方面具有广阔的应用前景。

5 结论