基于MC9S08JS16和AES的USB Key設計

　　USB Key是一種通過USB(通用串行總線)接口直接與計算機相連、具有密碼驗證功能、可靠高速的小型存儲設備。USB Key的設計小巧精致、攜帶方便。由于是USB接口設備，USB Key通過USB端口提供的電源來工作，不需要額外的電源。USB Key自身所具備的存儲器用于存儲一些個人信息或證書，USB Key的內部密碼算法可以為數據傳輸提供安全的管道，適用于單機或網絡應用的安全防護產品。

　　1 系統工作原理及硬件設計

　　USB Key(簡稱Ukey)通過USB接口與PC機相連，用戶可以通過位于PC機的客戶端向Ukey發出命令，Ukey通過內部固件中算法實現數據加密，然后將加密后的數據返回客戶端。其工作原理如圖1所示。設計選用了8位USB微控制器(MCU)MC9S08JS16，MC9S08JS16型MCU內置全速 USB2.0控制器并集成了1個USB收發器，同時含有高達16 KB的Flash和512 B的RAM。

　　用戶可以通過片內專用的3.3 V穩壓器或VUSB3.3引腳外接3.3 V電源為USB收發器和上拉電阻提供電源，這里采用片內的3.3 V穩壓器為USB收發器提供電源(須使能USBCTL0寄存器的USBVREN位)，硬件連接圖如圖2所示。

　　USB模塊需要兩個時鐘源，分別為24 MHz總線時鐘和48 MHz參考時鐘。48 MHz時鐘源由MCGOUT直接產生，為了獲得48MHz時鐘速率，MCG(通用時鐘產生器)必須被適當配置為PLL使能的外部占用模式PEE(PLL EngagedExternal)，外接一晶振。MC9S08JS16的USB模塊選擇內部上拉電阻(使能USBCTL0寄存器USBPU位)USB主機通過檢測上拉電阻檢測USB設備的聯結并確定設備速度。

　　2 系統軟件設計

　　2.1 USB設備初始化

　　圖3為USB模塊初始化流程圖，固件代碼初始化USB模塊，使其準備聯結到USB主機。通過設置USBCTL0寄存器的RESET位，重置USB模塊和所有寄存器為默認狀態，完成對USB RAM，BD(buffer descriptor)寄存器的初始化，特別是對于端點0的BD，設置EPAD寄存器，指示端點寄存器在USB RAM中的存儲，為了接收DATA0數據包，狀態與控制寄存器設置為(DTS=1，OWN=1，DATAO/1=0)。使能端點0，并根據硬件設計配置 USB模塊，使能上拉電阻，3.3 V穩壓器與PHY。開放USB模塊和USB中斷，設備被置為連接狀態。

　　2.2 AES加密算法

　　系統采用128位高級加密標準AES(Riindael)算法進行數據加密。AES(Advanced Encxyption Standard)是美國國家標準與技術研究所用于加密電子數據的規范，用于代替現有的DES算法，AES作為新一代的數據加密標準匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優點，被預期能成為公認的加密包括金融、電信和政府數字信息的方法。

　　AES算法是基于置換和代替的。置換是數據的重新排列，而代替是用一個單元數據替換另一個。AES加密例程開始是拷貝16字節的輸入數組到一個名為State(態)的4x4字節矩陣中。AES算法加密過程如圖4所示。

　　AES的主循環對State矩陣執行4個不同的操作，規范中被稱為SubBytes(字節替換)、ShifiRows(行位移變換)、 MixColumns(列混合變換)和AddRoundKey(輪密鑰加)。AES加密算法使用了一個由種子密鑰字節數組生成的密鑰調度表，AES規范中稱之為密鑰擴展例程(KeyExpans-ion)。

　　下面簡單分析AES(128 bits密鑰)的加密過程：

　　SubBytes例程是一個代替操作，它將State矩陣中的每個字節替換成一個由Sbox決定的新字節，Sbox是初始化的1個16x16的矩陣。比如State[0，1]的值為0xXY，則被替換為Sbox表中Sbox[X，Y]的值。

　　ShifiRows是一個置換操作，它將State矩陣中的字節向左旋轉。State的第0行向左旋轉0個位置，State的第1行向左旋轉1個位置，State的第2行向左旋轉2個位置，而第3行則向左旋轉3個位置。

　　MixColumns列混合變換過程，在該變換中將狀態的每列視為有限域GF(28)中的多項式且被一個固定的多項式

，GF代表伽羅瓦域，將其用矩陣形式表示為：

　　乘積矩陣中的每個元素是系數矩陣中第i行元素與State矩陣第j列元素State[j]的乘積之和。這里的加法和乘法都定義在有限域GF(28)上;加法即按位異或，乘法遵循GF(28)上的多項式乘法規則。

　　AddRoundKey輪密鑰加過程，State矩陣中的元素通過與一個輪密鑰進行逐位異或而得。

　　KeyExpansion密鑰擴展例程，用于產生密鑰調度表W[]。例程用到了2個子例程RotWord和SubWord以及1個輪常數表Rcon。 RotWord將接收1個4字節的數組并將它們向左旋轉1位，SubWord例程使用替代Sbox對給定的一行密鑰調度表進行逐字節替換。該過程的循環為：

　　2.3 AES加密算法的優化

　　從式(1)矩陣函數可以看出，在軟件實現過程中，只需關注如何實現State矩陣元素在GF(28)中與OxO1，0x02,0x03的乘法和加法。GF(2 8)中用0x01的乘法相當于普通算數中用l做乘法并且結果也同樣，任何值乘以0x01等于其自身;用0x02做乘法，只要被乘的值小于0x80，這時乘法的結果就是該值左移一比特位，如果被乘的值大于或等于Ox80，這時乘法的結果就是左移一比特位再用值Ox1b異或，它防止了”域溢出”并保持乘法的乘積在范圍以內;用0x03做乘法時可以分解為2的冪之和，即0x03=0x02+Ox01。對程序進行優化，采用查表法，將16x16的Sbox表分別與 Ox01，0x02,0x03相乘產生與Sbox相對應的3個256字節表：XtimeSbox[256]=Sbox[256]，Xtime2Sbox[256]，Xtime3Sbox[256]。將產生的表存儲于code 區。MixColumns過程與SubByte操作可通過以下程序完成：

　　3 USB Key性能測試

　　考慮到MCU性能，將加密算法初始化所需的4個256字節的數據表存放于Code區，128 bit-AES擴展密鑰ExpendedKey=4xNbx(Nr+1)=4×4×(10+1)=176存放于data區。在保證代碼空間與運算速度的前提下，經過優化，最后AES加密程序占用3 701字節的程序存儲單元和277字節的

　　RAM。

　　以下是2組128位數據加密測試的結果：