專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及數(shù)據(jù)加密與解密技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全球人類都享受到信息網(wǎng)絡(luò)化帶來的方便。而信息技術(shù)的發(fā)展，其先決條件就是要有完善的安全保密技術(shù)。而缺乏保密性可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，個(gè)人和企業(yè)都會(huì)受到嚴(yán)重影響。而無論是網(wǎng)絡(luò)信息還是本地資料的安全保密技術(shù)，都是建立在數(shù)據(jù)加密技術(shù)上面。
市場上的加密設(shè)備一般采用的是軟件方式實(shí)現(xiàn)的文件夾或文件加密技術(shù)，很容易被破解，使用時(shí)要插入加密鎖，操作加密文件時(shí)還要輸入密碼，使用文件前要解密，使用后還要記得加密，操作復(fù)雜，很不方便。這種在計(jì)算機(jī)中加密數(shù)據(jù)的一般的做法是，加密算法運(yùn)行在用戶模式下，以API(應(yīng)用程序開發(fā)接口)形式公開給應(yīng)用程序，應(yīng)用程序使用這些API加密文件或文件夾，在需要使用這些文件或文件夾時(shí)，使用這些API將其解密。但是這些現(xiàn)有的加密解密技術(shù)都有缺陷所在。
例如一種常用的現(xiàn)有技術(shù)，它是一種數(shù)據(jù)加密卡。用戶訪問它的時(shí)候需要輸入口令，也就是基于“what you know”的驗(yàn)證手段。這方法，除了具有口令容易泄漏的缺陷之外，即便口令不被泄漏，由于應(yīng)用程序是運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶模式(user mode)，在這種模式下口令很容易被駐留在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的木馬程序或網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)聽設(shè)備截獲?？梢哉f，這樣的加密手段，安全性是非常低的。
現(xiàn)有技術(shù)中常用的另一款數(shù)據(jù)加密卡，這種卡通常使用PCI接口，它連接在計(jì)算機(jī)主板和硬盤之間，相當(dāng)于在主板和硬盤之間增加一個(gè)黑匣子的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)經(jīng)過它的時(shí)候自動(dòng)被加解密。雖然不再經(jīng)過用戶模式，但是這種技術(shù)的缺陷還是體現(xiàn)在安全性的不足上，尤其是算法和密鑰不分開的設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?duì)于這類產(chǎn)品，密鑰實(shí)質(zhì)上經(jīng)過串口連接到加密卡上。因此這款產(chǎn)品不適合應(yīng)用于高機(jī)密級(jí)別的場合。
還有，例如深圳亞碩科技的一款硬盤加密裝置D-LOCK TP-3218內(nèi)置式硬盤加密鎖，它是一種安全性較高的數(shù)據(jù)保密裝置?？墒沁@個(gè)裝置的使用有很多不便之處，最明顯的一點(diǎn)在于，它無法適用于新增的磁盤。一個(gè)新的磁盤如果要使用這個(gè)裝置，必須先經(jīng)過格式化。這種不便對(duì)于已經(jīng)存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)的磁盤，顯然是難以克服的。而且，對(duì)于將分區(qū)表單獨(dú)存儲(chǔ)的做法，一旦因?yàn)樾钜馄茐亩鴣G失硬盤分區(qū)表，將會(huì)對(duì)磁盤數(shù)據(jù)帶來難以恢復(fù)的破壞。
可見，現(xiàn)有技術(shù)中的大多數(shù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)都有其缺陷所在，這表現(xiàn)在(1)大多數(shù)技術(shù)中，算法和密鑰不是分開的。由于算法和密鑰是數(shù)據(jù)保密技術(shù)中的關(guān)鍵所在，不分開的算法和密鑰一定程度上降低了數(shù)據(jù)保護(hù)的安全性。
(2)幾乎所有的現(xiàn)有技術(shù)中，無論是軟件加密技術(shù)還是硬件加密技術(shù)，算法的固有的，不具備擴(kuò)展性。用戶無法根據(jù)需要增加算法。這對(duì)于特殊場合的應(yīng)用顯然是無法適應(yīng)的，例如高機(jī)密級(jí)別的應(yīng)用，如軍事組織。
(3)大多數(shù)加密技術(shù)，用戶端的操作復(fù)雜。每次需要使用加密數(shù)據(jù)的時(shí)候，都需要經(jīng)過加密和解密。當(dāng)所需數(shù)據(jù)是常用數(shù)據(jù)時(shí)，這種設(shè)計(jì)是有待改進(jìn)的。
另一方面，對(duì)于操作系統(tǒng)，Windows NT系列操作系統(tǒng)包括用戶模式(User mode)和核心模式(Kernel mode)。其中，在用戶模式中，軟件在沒有特權(quán)的狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)資源只有有限的訪問權(quán)限，例如，軟件不能直接訪問硬件。Windows NT中基礎(chǔ)的應(yīng)用程序和被保護(hù)的子系統(tǒng)都運(yùn)行在用戶模式下。而在核心模式中，軟件可以訪問所有的系統(tǒng)資源，例如計(jì)算機(jī)硬件和敏感的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。核心模式下的程序與用戶模式程序有著嚴(yán)格的隔離。核心模式中的軟件構(gòu)成了操作系統(tǒng)的核心，它們可以分為(1)執(zhí)行體(Executive)，包括為環(huán)境子系統(tǒng)和其他執(zhí)行體組件提供系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)組件。它們執(zhí)行的系統(tǒng)任務(wù)包括I/O(輸入/輸出)，文件管理，虛擬內(nèi)存管理，資源管理，以及進(jìn)程內(nèi)部通信等等。
(2)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(Device drivers)，負(fù)責(zé)將組件的調(diào)用(例如，請(qǐng)求打印機(jī))翻譯為硬件操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是核心模式代碼，它將操作系統(tǒng)和硬件聯(lián)系到一起。為了使系統(tǒng)的性能達(dá)到最大，核心模式代碼沒有應(yīng)用程序那樣的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。相反，操作系統(tǒng)充分信任核心模式代碼沒有錯(cuò)誤。由于為了與其他的驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)組件安全的協(xié)調(diào)工作，因此這些驅(qū)動(dòng)程序和核心模式代碼必須遵循復(fù)雜的規(guī)則的原因。
另一方面在驅(qū)動(dòng)程序的通訊方面，現(xiàn)有技術(shù)通常采用IO方式完成，具體的說，首先，請(qǐng)求方驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)連同請(qǐng)求封包成IRP(即I/O請(qǐng)求包)，然后將此IRP傳送給被請(qǐng)求方驅(qū)動(dòng)程序；被請(qǐng)求方分析請(qǐng)求類型，調(diào)用自己的處理函數(shù)，再將處理結(jié)果封包返回；請(qǐng)求方釋放IRP，完成調(diào)用。
這種處理方式對(duì)資源的占用大，而且效率低下，無法適應(yīng)磁盤數(shù)據(jù)處理這種海量計(jì)算。
(3)硬件抽象層(HAL，Hardware abstraction layer)，負(fù)責(zé)將執(zhí)行體的其它部分與特定的硬件分離開來，使操作系統(tǒng)與多處理器平臺(tái)相兼容。
(4)微內(nèi)核(Microkernel)，管理微處理器。它執(zhí)行一些重要的功能，例如調(diào)度，中斷，以及多處理器同步等。
由于核心模式的高安全性，因此，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，開發(fā)一種算法和密鑰都運(yùn)行在操作系統(tǒng)核心模式下數(shù)據(jù)加解密裝置，由此獲得比現(xiàn)有的加解密技術(shù)更安全的體系，并當(dāng)涉及高機(jī)密級(jí)別的應(yīng)用場合時(shí)允許用戶按照一定的規(guī)則自行開發(fā)算法并添加到該系統(tǒng)，是有可能實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是要克服目前現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種安全性更高的、算法具有可擴(kuò)展性、操作上更方便的數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)。
(二)技術(shù)方案本發(fā)明提出一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，它包括以下部分(1)消費(fèi)者部分，用于使用算法和密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理；(2)算法提供者，用于接收來自消費(fèi)者部分的算法連接請(qǐng)求，從密鑰提供者處獲得密鑰并返回給消費(fèi)者部分；算法提供者包括至少一個(gè)算法集設(shè)備；(3)密鑰提供者，負(fù)責(zé)處理來自算法提供者的密鑰連接請(qǐng)求，向算法提供者提供密鑰，它包括至少一個(gè)物理密鑰設(shè)備；(4)管理程序部分，用于在用戶模式下實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的管理，并保證程序不能訪問到密鑰。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，算法提供者包括算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序和算法集設(shè)備；其中算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和管理算法集設(shè)備，將算法連接請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到算法集設(shè)備；算法集設(shè)備接收算法連接請(qǐng)求并返回算法；一個(gè)算法集設(shè)備實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)加密算法。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，密鑰提供者包括物理密鑰設(shè)備和通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；其中，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)物理密鑰設(shè)備；物理密鑰設(shè)備解析通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求，并返回密鑰。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，消費(fèi)者部分所處理的數(shù)據(jù)可以是本地的，也可以是遠(yuǎn)程的。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，消費(fèi)者部分、算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序、通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于操作系統(tǒng)的核心模式，對(duì)操作系統(tǒng)表現(xiàn)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的形式；算法集設(shè)備和物理密鑰設(shè)備對(duì)操作系統(tǒng)表現(xiàn)為設(shè)備。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，算法集設(shè)備可以設(shè)備化，它可以是軟件形式的加解密驅(qū)動(dòng)程序，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)操作，并允許用戶開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的算法設(shè)備，并通過接口將這些設(shè)備添加到算法集中。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，物理密鑰設(shè)備可以設(shè)備化，它可以使用各種接口形式，它可以使用USB接口、PCI接口、紅外接口、藍(lán)牙接口等。
上述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其中，驅(qū)動(dòng)程序之間的數(shù)據(jù)傳輸由包傳輸協(xié)議定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式。
(三)有益效果采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)更高的安全性。在本系統(tǒng)中，除了管理程序部分運(yùn)行在用戶模式之外，其余的3部分都運(yùn)行在核心模式。由于操作系統(tǒng)對(duì)用戶模式和核心模式的程序有著嚴(yán)格的隔離，因此保證了本系統(tǒng)的安全性。入侵者難以通過用戶模式的操作竊取數(shù)據(jù)。
(2)允許算法和密鑰的設(shè)備化。由于本系統(tǒng)的3個(gè)部分在操作系統(tǒng)的核心模式都表現(xiàn)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而且各個(gè)設(shè)備之間定義了包傳輸協(xié)議，因此，這3部分具有統(tǒng)一的表現(xiàn)形式。這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了算法和密鑰的接口化設(shè)計(jì)，允許算法集設(shè)備和物理密鑰根據(jù)用戶的需要采用不同的形式，例如軟件、硬件、或各種接口的設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)也使得用戶可以根據(jù)自己的需要，開發(fā)符合要求的算法，并通過管理程序注冊、添加到本系統(tǒng)中。這樣的設(shè)計(jì)，使得本發(fā)明可以滿足高機(jī)密級(jí)別的應(yīng)用，例如軍隊(duì)設(shè)施等。
(3)由于驅(qū)動(dòng)程序之間的通訊采用非IO的形式，直接請(qǐng)求功能函數(shù)指針，而不是現(xiàn)有技術(shù)中將相關(guān)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求封包成IRP的方式。本發(fā)明的通訊方式資源占用更少、速率更高，而且適合海量數(shù)據(jù)的處理。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)各部分的關(guān)系圖；圖2為采用本發(fā)明的系統(tǒng)引導(dǎo)開始一次數(shù)據(jù)操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出提供數(shù)據(jù)安全保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合附圖和實(shí)施例說明如下。以下實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
實(shí)施例一根據(jù)本發(fā)明，4個(gè)組成部分的關(guān)系如圖1所示。其中，管理控制臺(tái)是管理程序，它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶模式(user mode)；通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和物理密鑰設(shè)備屬于密鑰提供者；算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序部分和多個(gè)算法集設(shè)備屬于算法提供者部分，這部分與密鑰是分開獨(dú)立的；消費(fèi)者部分是使用算法和密鑰，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理的部分，在本實(shí)施例中，它表現(xiàn)為一個(gè)虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的虛擬磁盤。
為了保證安全性，在本發(fā)明中，算法提供者、密鑰提供者和消費(fèi)者部分這3部分工作在操作系統(tǒng)的核心模式(Kernel mode)。其中，算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序、通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和消費(fèi)者部分，無論具體實(shí)現(xiàn)形式如何，對(duì)操作系統(tǒng)都表現(xiàn)為核心模式下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(Device drivers)；算法集設(shè)備、物理密鑰設(shè)備表現(xiàn)為設(shè)備(Device)。
由于操作系統(tǒng)對(duì)用戶模式和核心模式有著嚴(yán)格的隔離，因此，保證用戶不能直接訪問到這些部分，只能通過管理程序訪問到被加解密的數(shù)據(jù)，或通過管理者對(duì)算法提供者進(jìn)行擴(kuò)展操作。
下文中將逐一解釋這4個(gè)部分。
(1)算法提供者包括算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序和算法集設(shè)備，算法集設(shè)備置少有一個(gè)。在本實(shí)施例中，算法集設(shè)備有多個(gè)。
算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序用于驅(qū)動(dòng)算法集設(shè)備。算法設(shè)備管理器還維護(hù)一個(gè)算法列表，當(dāng)應(yīng)用程序需要時(shí)，它根據(jù)算法列表，向這些上層程序提供枚舉服務(wù)。例如，當(dāng)加密盤配置向?qū)С绦蛞笥脩暨x擇算法時(shí)，算法管理器會(huì)枚舉出所有算法集設(shè)備內(nèi)的所有算法供用戶選擇。
在操作系統(tǒng)的核心模式中，算法驅(qū)動(dòng)管理器設(shè)備程序可以用C++語言這樣描述
Class AlgoMngr{//連接算法和數(shù)據(jù)，處理來自消費(fèi)者部分的連接請(qǐng)求，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)達(dá)給算法集設(shè)備。
Connect(AlgoContext* pContext)；//斷開連接算法和數(shù)據(jù)，處理來自消費(fèi)者部分的斷開請(qǐng)求，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)達(dá)給算法集設(shè)備。
Disconnect(AlgoContext* pContext)；//查詢算法，即維護(hù)算法列表，使得用戶模式下的管理程序可調(diào)用這個(gè)方法枚舉已經(jīng)安裝的算法。
Query(AlgoDescBlockList* pDescList)；//注冊，使得算法集設(shè)備在系統(tǒng)初始化時(shí)(Init)，將自己注冊到算法管理器中。
Register(AlgoDescBlock* pDesc)；//注銷，使得算法集設(shè)備在系統(tǒng)析構(gòu)時(shí)，將自己從算法管理器注銷。
UnRegister(AlgoDescBlock* pDesc)；}算法集設(shè)備是各種算法的宿主，也就是說，算法存儲(chǔ)在算法集設(shè)備中。由于算法集設(shè)備與本系統(tǒng)中的其他部分的連接都必須通過算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)，因此，算法集設(shè)備無論表現(xiàn)為軟件形式還是以硬件形式，對(duì)操作系統(tǒng)都是一致的。也就是說，算法集設(shè)備可以是磁盤數(shù)據(jù)的一部分以軟件的形式存在，也可以是已經(jīng)設(shè)備化的硬件。例如在本實(shí)施例中，算法集設(shè)備以軟件的形式存在，它們都可以這樣描述Class AlgoDevice{Connect(AlgoContext* pContext)； //連接算法和數(shù)據(jù)Disconnect(AlgoContext* pContext)；//斷開連接算法和數(shù)據(jù)Init()； //初始化算法設(shè)備}這種驅(qū)動(dòng)程序形式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了算法的接口化設(shè)計(jì)，它允許用戶自行開發(fā)算法并添加到本發(fā)明的系統(tǒng)中。只要用戶所開發(fā)的算法符合本發(fā)明的要求(例如根據(jù)本實(shí)施例，使用256位密鑰的對(duì)稱性算法，因?yàn)楸緦?shí)施例的密鑰使用對(duì)稱性密鑰，支持64位的整數(shù)倍長度，最大支持1024位)，并且表現(xiàn)為一個(gè)設(shè)備、可以被算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序所驅(qū)動(dòng)。因此，用戶所開發(fā)的算法也可以有多種形式。例如，它可以是軟件形式的，也可以做成設(shè)備，例如USB設(shè)備，只要這個(gè)設(shè)備可以被算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序所驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)請(qǐng)求連接這個(gè)設(shè)備時(shí)，處理相關(guān)請(qǐng)求。
一個(gè)算法集設(shè)備可以包括一個(gè)或多個(gè)的加密算法。例如在本實(shí)施例中，算法設(shè)備以軟件的形式被安裝到計(jì)算機(jī)中，具體使用對(duì)稱性算法。加密算法方面，本實(shí)施例中使用了IDEA、RIJNDEAL、RC5、RC6等高級(jí)加密算法，這些算法都是國際上公開的、公認(rèn)的、安全的算法。一個(gè)安全的公開算法的一般標(biāo)準(zhǔn)是，攻擊者即使知道大量的明文/密文對(duì)，并且十分清楚算法的機(jī)理，還是無法推算出密鑰。
(2)密鑰提供者包括通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和物理密鑰設(shè)備，物理密鑰設(shè)備可以是一個(gè)或多個(gè)。
其中，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用于驅(qū)動(dòng)物理密鑰設(shè)備，它表現(xiàn)為核心模式下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它處理密鑰的連接請(qǐng)求、斷開連接請(qǐng)求等。
物理密鑰設(shè)備受通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)，于物理密鑰設(shè)備與本系統(tǒng)中的其他部分的連接都必須通過通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)，因此，物理密鑰設(shè)備無論表現(xiàn)為軟件形式還是以硬件形式，對(duì)操作系統(tǒng)都是一致的。例如在本實(shí)施例中，密鑰設(shè)備是一套具有RF(無線電)傳輸?shù)难b置，它分為2部分，一部分是信號(hào)接收器，這個(gè)接收器通過USB接口與通用計(jì)算機(jī)連接；另一部分是發(fā)射裝置，供用戶隨身攜帶。用戶隨身攜帶的發(fā)射裝置會(huì)每隔一段時(shí)間發(fā)送密鑰到接收器上。接收器將密鑰傳輸給算法設(shè)備，經(jīng)驗(yàn)證后算法設(shè)備使用該密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作。當(dāng)用戶離開計(jì)算機(jī)一定距離，例如在本實(shí)施例中是3米左右，接收器不再接收到密鑰，算法設(shè)備在缺少密鑰的情況下，數(shù)據(jù)自然不能被合法的操作。本實(shí)施例中的算法設(shè)備使用256位密鑰的對(duì)稱性密鑰，它支持64位的整數(shù)倍的密鑰，最大支持可1024位的密鑰。
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完畢后，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也相應(yīng)的啟動(dòng)，并時(shí)刻等待任何物理密鑰設(shè)備的接入。當(dāng)算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序請(qǐng)求連接密鑰時(shí)，請(qǐng)求會(huì)被傳遞給通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)不同的算法接入相應(yīng)的物理密鑰設(shè)備，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)脑O(shè)備中存儲(chǔ)的主密鑰派生出子密鑰，分發(fā)給算法連接。當(dāng)算法結(jié)束。密鑰設(shè)備移出后，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)清除所有算法集設(shè)備中的和消費(fèi)者部分中的密鑰，保證系統(tǒng)的安全性。
為了實(shí)現(xiàn)密鑰設(shè)備的接口化設(shè)計(jì)，在本實(shí)施例中還確定了密鑰傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即定義了密鑰設(shè)備的包傳輸協(xié)議。這樣，對(duì)于不同接口形態(tài)(例如，USB、PCI)的物理密鑰設(shè)備，由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)都使用包傳輸協(xié)議，因此它們具有相同的表現(xiàn)形態(tài)。包傳輸協(xié)議的定義如下typedef struct cwkdPacket{struct Head{union{ULONG ulLeader； //長整數(shù)型前導(dǎo)碼UCHAR uchLeader[4]； //字符形式前導(dǎo)碼}；UCHAR uchLength；//報(bào)文長度(不包括頭尾)UCHAR uchFlag； //標(biāo)記UCHAR reserver[2]； //保留}head；UCHAR Data[head.uchLength]；struct Tail{USHORT usChecksumData； //數(shù)據(jù)校驗(yàn)和USHORT usChecksumTotal； //全校驗(yàn)和ULONG ulTail； //尾碼}tail；}cwkdPacketHead；可見，由于密鑰設(shè)備和算法設(shè)備無論是相互之間的連接、還是遇系統(tǒng)中其他部分的連接，都必須通過驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)，因此，對(duì)操作系統(tǒng)都表現(xiàn)為設(shè)備；又由于定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌鼌f(xié)議，這種包協(xié)議使得密鑰設(shè)備和算法設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信都具有相同的表現(xiàn)，因此，使得算法和密鑰都實(shí)現(xiàn)了接口化，也就是說可以設(shè)備化。這樣，無論算法設(shè)備還是密鑰設(shè)備，不管使用怎樣的實(shí)施形式，例如在本實(shí)施例中，算法集設(shè)備是軟件形式而密鑰設(shè)備是硬件形式，它們之間的任何數(shù)據(jù)交換或連接對(duì)操作系統(tǒng)而言都是一致的，都受各自的驅(qū)動(dòng)程序所驅(qū)動(dòng)。因此，用戶可以自行開發(fā)符合要求的算法，添加到本發(fā)明的系統(tǒng)中。
(3)消費(fèi)者部分是在本系統(tǒng)中使用算法和密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理的部分，它同樣運(yùn)行在操作系統(tǒng)的核心模式。它對(duì)操作系統(tǒng)同樣表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)程序的形式。所以同樣的，根據(jù)本發(fā)明，它可以有多種形式，例如本地磁盤中的虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序，或作為USB設(shè)備、PCI設(shè)備等。本實(shí)施例中，以本地磁盤中的虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔?qū)動(dòng)一個(gè)虛擬磁盤，使用算法和密鑰處理相關(guān)數(shù)據(jù)，這部分技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道的現(xiàn)有技術(shù)，因此不再贅述。
(4)管理程序部分是一個(gè)運(yùn)行在用戶模式的應(yīng)用程序。它用于提示用戶系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)置各設(shè)備的選項(xiàng)，例如，用戶可以在虛擬磁盤建立時(shí)，通過這個(gè)管理程序，指定該磁盤的其中一個(gè)屬性，定義這個(gè)磁盤是否“自動(dòng)激活的”，如果是，當(dāng)系統(tǒng)獲得正確的驗(yàn)證信息并且密鑰有效時(shí)，這個(gè)虛擬磁盤會(huì)自動(dòng)探出；如果不是，則用戶必須通過管理程序手動(dòng)打開這部分?jǐn)?shù)據(jù)。用戶要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作時(shí)實(shí)際上是經(jīng)過管理程序，但是數(shù)據(jù)在加解密的過程中，算法和密鑰之間的連接、數(shù)據(jù)的傳遞都與這個(gè)用戶模式程序無關(guān)，因此保障了系統(tǒng)的安全性。因此，這部分內(nèi)容也屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，在此不再贅述。
本發(fā)明的工作流程如圖2所示。在此之前，用戶可以通過管理控制臺(tái)建立虛擬磁盤，這時(shí)虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)用戶的虛擬盤配置信息(這些信息包括指定的路徑、算法和磁盤大小)，在一個(gè)本地磁盤的普通分區(qū)上創(chuàng)建一個(gè)宿主文件，宿主文件的空間大小就是該虛擬盤的大小。創(chuàng)建完畢后，虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃撎摂M磁盤的配置信息保存到操作系統(tǒng)的注冊表。用戶可以創(chuàng)建多個(gè)虛擬磁盤。作為一個(gè)選項(xiàng)，用戶可以指定虛擬盤是“可自動(dòng)激活”的。這些虛擬磁盤具有“系統(tǒng)文件”屬性，一般情況下是隱藏的，也就是說，當(dāng)用戶不通過管理控制器，是不會(huì)知道有這部分磁盤空間的。
在操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)(登錄之前)，虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)，枚舉所有的虛擬盤配置信息，打開所有的宿主文件以防止用戶或其它應(yīng)用程序誤刪除宿主文件。
系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，算法管理器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向操作系統(tǒng)加載運(yùn)行。操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，算法集設(shè)備向算法管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(由Register(AlgoDescBlock* pDesc)程序段完成)，注冊的算法集設(shè)備信息內(nèi)包括算法的個(gè)數(shù)、名稱、分組長度、支持密鑰長度、作者等。
算法管理器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還維護(hù)一個(gè)算法列表(由Query(AlgoDescBlockList* pDescList)程序段完成)，用戶可以從算法列表中指定使用特點(diǎn)算法，也可以由系統(tǒng)從算法集設(shè)備中指派算法。然后當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密處理時(shí)，系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求算法連接，算法管理器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向算法集設(shè)備請(qǐng)求連接算法(由Connect(AlgoContext* pContext)程序段完成)；算法集設(shè)備收到連接請(qǐng)求后會(huì)分配一個(gè)算法的實(shí)例。值得一提的是，對(duì)于同一個(gè)算法分配的不同實(shí)例，由于其代碼的運(yùn)行是獨(dú)立的、不受干擾的，因此不會(huì)存在安全隱患。
成功連接算法后，算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序向通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序請(qǐng)求連接密鑰。這時(shí)，如果用戶攜帶隨身的RF發(fā)射器接近計(jì)算機(jī)3米范圍內(nèi)，接收器會(huì)接收到發(fā)射器發(fā)出的密鑰。這些密鑰信息會(huì)通過USB接口傳輸?shù)剿惴ㄔO(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序。密鑰連接請(qǐng)求成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)加解密操作。
值得一提的是，在本實(shí)施例中，密鑰的生成是硬隨機(jī)的，它是發(fā)射器中的芯片生成的硬隨機(jī)數(shù)，保證了密鑰的安全性。另一方面，使用密鑰的各種加密算法程序都在Windows的核心模式下運(yùn)行，它們的表現(xiàn)形式一定是一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。由于驅(qū)動(dòng)程序使用未分頁的內(nèi)存，可以避免密鑰數(shù)據(jù)交換到磁盤上，因此密鑰能有效的與用戶模式隔離，防止被攻擊者獲取。
數(shù)據(jù)加解密處理前會(huì)先驗(yàn)證密鑰的正確性。如果密鑰有效，密鑰和待處理的數(shù)據(jù)都提交到算法集設(shè)備進(jìn)行加解密處理。如果當(dāng)中發(fā)生差錯(cuò)，相關(guān)信息會(huì)返回管理程序，友好的等待用戶響應(yīng)(例如重新使用正確的密鑰)。驗(yàn)證密鑰的有效性和數(shù)據(jù)加解密技術(shù)都屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的常用技術(shù)，在此不作贅述。
這樣，在用戶模式上，虛擬磁盤將正常工作，對(duì)用戶表現(xiàn)成為一個(gè)普通的磁盤。當(dāng)用戶向虛擬盤寫入數(shù)據(jù)時(shí)，例如存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的所有部分都將用前一過程中的子密鑰和加密算法在核心模式下進(jìn)行加密，然后再寫入到宿主文件。反之，從虛擬盤讀取數(shù)據(jù)時(shí)，例如打開一個(gè)文件，虛擬磁盤總線驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)從宿主文件讀出并解密數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)析構(gòu)時(shí)(例如注銷用戶)，算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序斷開算法集設(shè)備的連接(Disconnect(AlgoContext* pContext))，并向操作系統(tǒng)注銷自己(UnRegister(AlgoDescBlock* pDesc))。
另外在本發(fā)明中，由于各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序(包括算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序、通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和消費(fèi)者部分)處于核心模式下，在核心模式中，所有程序共享一個(gè)內(nèi)存空間，因此，允許函數(shù)指針可以通用。因此，本發(fā)明的各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序之間的通訊可以采用非IO(輸入輸出)的通信方式，它具體的實(shí)現(xiàn)步驟是
(1)初始時(shí)，請(qǐng)求方使用IRP(I/O請(qǐng)求包)封送一個(gè)請(qǐng)求，請(qǐng)求獲取一個(gè)功能函數(shù)的指針列表。
(2)被請(qǐng)求方將自己的功能函數(shù)指針返回給請(qǐng)求方。
(3)在需要進(jìn)行處理時(shí)，請(qǐng)求者直接按需調(diào)用被請(qǐng)求者的函數(shù)即可。(類似于用戶模式下的API調(diào)用)(4)直至請(qǐng)求者不再需要相應(yīng)服務(wù)，請(qǐng)求者斷開連接。
這樣的通訊方式能節(jié)省系統(tǒng)資源，效率較現(xiàn)有技術(shù)中常用的IO方式高，尤其適合對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。
實(shí)施例二本實(shí)施例用于說明不同接口形式的消費(fèi)者部分對(duì)于本系統(tǒng)具有統(tǒng)一的表現(xiàn)。
本實(shí)施例中，消費(fèi)者部分表現(xiàn)為PCI接口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)卡。這個(gè)數(shù)據(jù)卡安裝在信道(例如網(wǎng)線)和硬盤之間，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)經(jīng)過這個(gè)網(wǎng)卡的時(shí)候自動(dòng)被加解密。
這樣的PCI接口卡的形式，實(shí)際上對(duì)于操作系統(tǒng)，同樣是由運(yùn)行在核心模式下的一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)其他部分與它有數(shù)據(jù)交換或連接時(shí)，都通過驅(qū)動(dòng)程序，可見數(shù)據(jù)的加解密運(yùn)算實(shí)際上還是運(yùn)行在操作系統(tǒng)的核心模式下。
密鑰設(shè)備方面，采用軟件形式的安裝到本地磁盤中，同樣受通用密鑰驅(qū)動(dòng)程序所驅(qū)動(dòng)，對(duì)操作系統(tǒng)表現(xiàn)為核心模式下的一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。由于同樣采用包傳輸協(xié)議，因此，和實(shí)施例一的情況是統(tǒng)一的。
算法設(shè)備方面，實(shí)施細(xì)節(jié)同實(shí)施例一，在此不再贅述。
可見，由于本系統(tǒng)除了管理程序部分運(yùn)行在用戶模式之外，其余的3部分都運(yùn)行在核心模式，并且對(duì)操作系統(tǒng)都表現(xiàn)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而且各個(gè)設(shè)備之間定義了包傳輸協(xié)議，因此，實(shí)現(xiàn)了算法和密鑰的接口化設(shè)計(jì)，允許算法集設(shè)備和物理密鑰根據(jù)用戶的需要采用不同的形式，例如軟件、硬件、或各種接口的設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)也使得用戶可以根據(jù)自己的需要，開發(fā)自己的、符合要求的算法，使得本發(fā)明適用于高機(jī)密級(jí)別的應(yīng)用場合，例如軍隊(duì)設(shè)施。
另外，由于驅(qū)動(dòng)程序之間的通訊采用非IO的形式，直接請(qǐng)求功能函數(shù)指針，而不是現(xiàn)有技術(shù)中將相關(guān)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求封包成IRP的方式。本發(fā)明的通訊方式資源占用更少、速率更高，而且適合海量數(shù)據(jù)的處理。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于，它包括以下部分(1)消費(fèi)者部分，用于使用算法和密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理；(2)算法提供者，用于接收來自消費(fèi)者部分的算法連接請(qǐng)求，從密鑰提供者處獲得密鑰并返回給消費(fèi)者部分；算法提供者包括至少一個(gè)算法集設(shè)備；(3)密鑰提供者，負(fù)責(zé)處理來自算法提供者的密鑰連接請(qǐng)求，向算法提供者提供密鑰，它包括至少一個(gè)物理密鑰設(shè)備；(4)管理程序部分，用于在用戶模式下實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的管理，并保證程序不能訪問到密鑰。
2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于，算法提供者包括算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序和算法集設(shè)備；其中算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和管理算法集設(shè)備，將算法連接請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到算法集設(shè)備；算法集設(shè)備接收算法連接請(qǐng)求并返回算法；一個(gè)算法集設(shè)備實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)加密算法。
3.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于，密鑰提供者包括物理密鑰設(shè)備和通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；其中，通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)物理密鑰設(shè)備；物理密鑰設(shè)備解析通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求，并返回密鑰。
4.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于消費(fèi)者部分所處理的數(shù)據(jù)可以是本地的，也可以是遠(yuǎn)程的。
5.如權(quán)利要求1-3之一所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于消費(fèi)者部分、算法設(shè)備管理器驅(qū)動(dòng)程序、通用密鑰設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于操作系統(tǒng)的核心模式，對(duì)操作系統(tǒng)表現(xiàn)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的形式；算法集設(shè)備和物理密鑰設(shè)備對(duì)操作系統(tǒng)表現(xiàn)為設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于，算法集設(shè)備可以設(shè)備化，它可以是軟件形式的加解密驅(qū)動(dòng)程序，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)操作，并允許用戶開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的算法設(shè)備，并通過接口將這些設(shè)備添加到算法集中。
7.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于物理密鑰設(shè)備可以設(shè)備化，它可以使用各種接口形式。
8.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動(dòng)程序之間的數(shù)據(jù)傳輸由包傳輸協(xié)議定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式。
全文摘要
本發(fā)明提出一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)的系統(tǒng)，它包括算法設(shè)備、密鑰設(shè)備、消費(fèi)者部分，以及管理程序部分。其中，算法、密鑰和使用算法密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密的部分都以設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的形式實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在操作系統(tǒng)的核心模式。本發(fā)明的系統(tǒng)具有更高的安全性，而且可以實(shí)現(xiàn)算法、密鑰設(shè)備的接口化、設(shè)備化，允許用戶自行開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的算法，并把這些算法添加到算法集設(shè)備中去。這使得本系統(tǒng)可以應(yīng)用于高機(jī)密級(jí)別的情況。
文檔編號(hào)G06F21/00GK1967551SQ20051008691
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者張正新 申請(qǐng)人:北京兆維電子(集團(tuán))有限責(zé)任公司