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CN112560058B - 基于智能密码钥匙的ssd分区加密存储系统及其实现方法 - Google Patents

基于智能密码钥匙的ssd分区加密存储系统及其实现方法 Download PDF

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CN112560058B CN202011494597.1A CN202011494597A CN112560058B CN 112560058 B CN112560058 B CN 112560058B CN 202011494597 A CN202011494597 A CN 202011494597A CN 112560058 B CN112560058 B CN 112560058B
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Abstract

本发明公开一种基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统及其实现方法，基于智能密码钥匙的SSD加密方案为数据安全提供了多重防护，通过SSD分区加密机制实现访问权限管理；不同分区采用不同的硬件密钥，实现分区数据独立保护；硬件加密密钥由智能密码钥匙释放，密钥不落地，实现分区与密钥的分离。本发明不仅实现了SSD分区加密机制、SSD存储数据的硬件加密密钥与SSD分离，还实现了“不同分区不同密钥”，对数据安全提供高可靠和高保密性保障。

Description

基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及存储领域，具体是一种基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统及其实现方法。
背景技术
固态硬盘（SSD）作为一种新兴的大容量存储设备，因具有读写速度快、能耗低与体积小等特点，成为新一代硬盘存储技术的代表。然而固态硬盘数据以明文存储且没有有效的身份认证保护，众多的安全威胁如硬盘数据被非法修改、硬盘数据泄漏，都可能会对保存着重要信息的组织造成无法估计的损失。
发明内容
为加强对涉密数据的防护，避免数据因偶然或恶意的原因而造成的破坏、更改、泄露，本发明提出一种基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统及其实现方法，通过安全认证、硬件密钥释放及分区加密等方法，保证了存储文件的数据安全性。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，包括SSD模块和智能密码钥匙模块，SSD模块包括主控芯片和NAND FLASH，主控芯片和NAND FLASH通过ONFI接口相连，主控芯片通过SATAIII接口与主机相连，主控芯片负责与PC主机通信，完成包括数据读写、加解密的操作，智能密码模块通过USB2.0接口与PC主机连接，提供包括身份认证、数据加解密、密钥释放的功能；
本加密存储系统通过SSD分区加密机制实现访问权限管理，不同分区采用不同的硬件密钥，硬件加密密钥由智能密码钥匙释放，在实现分区数据独立保护的同时，密钥不落地，实现分区与密钥的分离。
进一步的，加密存储系统将SSD数据硬件加解密密钥以密文的方式存储在智能密码钥匙中；在SSD与智能密码钥匙绑定阶段，将智能密码钥匙的签名证书及公钥导入到SSD主控芯片安全存储区域；在SSD与智能密码钥匙认证阶段，通过SM2签名验签的方式验证智能密码钥匙身份合法性；在SSD硬件密钥配置阶段，智能密码钥匙将硬件密钥经SSD公钥加密得到密文硬件密钥，SSD使用SSD私钥解密此密文信息得到明文硬件密钥，对比密钥哈希值是否一致，一致则进行密钥扩展和分区显示及挂载，分区存储的加密数据可访问；注销或掉电后，SSD分区变为密文状态且不可访问。
本发明还公开了一种上述加密存储系统的实现方法，加密存储系统的功能包括SSD分区管理、SSD硬件加密、SSD分区加密、设备初始化、身份认证、SSD分区创建及登录，本方法用于实现加密存储系统的上述功能。
进一步的，SSD分区管理的实现过程为：在SSD内设置功能子模块，使其支持MBR、GPT分区格式，分区个数及容量由用户自由划分；在SSD内设置功能子模块，使其可以作为系统盘或从盘使用，作为系统盘使用时，第一分区作为系统分区，用于存放操作系统文件，该分区配置默认硬件密钥，保证操作系统文件数据读写不受加解密限制，其他分区作为加密分区，用于存放敏感数据；作为从盘使用，所有分区均为加密分区。
进一步的，SSD硬件加密的实现过程为：不同的分区采用不同的硬件密钥进行数据加解密，硬件加解密密钥由智能密码钥匙释放，SSD内部不存储；硬件加密算法采用国密SM4分组密码算法，数据经SM4加密后存储在NAND FLASH内，在SSD内部完成数据的加解密过程。
进一步的，SSD分区加密的实现过程为：将分区设置为加密分区后，SSD上电时该分区默认不显示，在分区编辑器中显示为磁盘未分配，分区数据无法通过标准读写和专用软件进行访问；通过主控芯片内部的固件层拒绝对加密分区数据的非法访问；由智能密码钥匙释放128位密钥信息给硬盘分区后，系统挂载并显示该分区内容。
进一步的，设备初始化的实现过程为：1）、密钥分发，密钥管理中心生成SM2加密密钥对和SSD硬件加密密钥组，并导入到智能密码钥匙，SSD硬件加密密钥以密文的方式存储在智能密码钥匙中；2）、证书分发，智能密码钥匙生成签名密钥对，向证书管理中心申请签名证书，CA签发签名证书并保存至智能密码钥匙中；使用密钥管理中心导入的加密密钥对，向CA申请加密证书，CA签发加密证书并保存至智能密码钥匙中。
进一步的，身份认证的实现过程为：智能密码钥匙与SSD之间通过签名证书进行绑定，智能密码钥匙与主机通过CPU序列号进行绑定；身份认证时，首先判断智能密码钥匙证书的有效期，判断证书有效性；SSD与智能密码钥匙之间首先验证公钥信息是否匹配，再通过SM2签名验签的方式进行认证，判断智能密码钥匙的合法性。
进一步的，SSD分区创建及登录的实现过程为：SSD上电生成一组非对称加密密钥对，主机程序从SSD读取SSD公钥，SSD私钥保存在SSD内，根据分区号获取智能密码钥匙中记录的硬件密钥进行密钥扩展；密钥扩展的流程为：在智能密码钥匙内部，将分区对应的密钥密文SK经智能密码钥匙加密私钥解密后得到明文MK，使用SSD公钥加密明文MK为另一密文SK1，SSD收到密文SK1后，通过SSD私钥解密得到明文MK，使用此密钥MK进行SSD密钥扩展，完成硬盘分区创建及登录。
进一步的，硬盘分区创建时，需加密的分区由智能密钥钥匙认证通过硬件密钥扩展后，在进行分区创建及格式化，以保证分区内部的文件系统在完成解密操作后能正常使用；硬盘分区登录时，SSD获得密文MK1后，对密文MK1进行哈希运行生成MK1-HASH，与创建分区时预先存储的MK-HASH值比对是否一致，一致则进行密钥扩展及显示分区，不一致则分区登录失败。
本发明的有益效果：本发明基于智能密码钥匙的SSD加密方案为数据安全提供了多重防护，即通过SSD分区加密机制实现访问权限管理；不同分区采用不同的硬件密钥，实现分区数据独立保护；硬件加密密钥由智能密码钥匙释放，密钥不落地，实现分区与密钥的分离。本发明不仅实现了SSD分区加密机制、SSD存储数据的硬件加密密钥与SSD分离，还实现了“不同分区不同密钥”，对数据安全提供高可靠和高保密性保障。在政府机关、科研院所、企事业单位等信息安全领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所述存储系统的结构框图；
图2为设备绑定的流程图；
图3为身份认证的流程图；
图4为加密分区创建流程图；
图5为加密分区登录流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，本系统采用自主可控SSD主控器SSX1526（HX8800），结合智能密码钥匙访问控制，提高存储安全性。如图1所示，本系统包括SSD模块和智能密码钥匙模块，SSD模块包括主控芯片和NAND FLASH，主控芯片和NAND FLASH通过ONFI接口相连，主控芯片通过SATAIII接口与主机相连，主控芯片负责与PC主机通信，完成包括数据读写、加解密的操作，智能密码模块通过USB2.0接口与PC主机连接，提供包括身份认证、数据加解密、密钥释放的功能。
本实施例中，主控芯片采用HX8800，HX8800是经国家密码管理局审批通过的 SSD控制器芯片，采用高速数据传输模式，支持国密SM1/SM2/SM3/SM4算法，同事也支持RSA、AES等国际主流算法，可广泛应用于涉密、商密、特种行业等安全性要求较高的场合。
智能密码钥匙又称USBKEY，采用第三方研发设备，支持USB2.0接口，支持SKF接口标准，并通过了国家密码管理局鉴定。具备访问控制、数字签名验证、数据加解密、证书与密钥存储等功能。满足信息安全保障对硬件密码设备的要求，广泛地应用于金融、通信、存储等需要进行身份认证的场合。
本实施例基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统为数据安全提供了多重防护，即通过SSD分区加密机制实现访问权限管理；不同分区采用不同的硬件密钥，实现分区数据独立保护；硬件加密密钥由智能密码钥匙释放，密钥不落地，实现分区与密钥的分离。
本实施例所述存储系统适用于X86、ARM、MIPS等主流芯片架构操作系统。其安全机制是SSD数据硬件加解密密钥以密文的方式存储到USBKEY中。在SSD与USBKEY绑定阶段，将USBKEY中的签名证书及公钥导入到SSD主控芯片安全存储区域。在SSD和USBKEY认证阶段，通过SM2签名验签的方式验证USBKEY身份合法性。在SSD硬件密钥配置阶段，USBKEY将硬件密钥经SSD公钥加密得到密文硬件密钥，SSD使用SSD私钥解密此密文信息得到明文硬件密钥，对比密钥哈希值是否一致，一致则进行密钥扩展和分区显示及挂载，用户可访问分区存储的加密数据。注销或掉电后，SSD分区变为密文状态且不可访问。
本实施例所述存储系统的功能模块包括SSD分区管理、SSD硬件加密、SSD分区加密、设备初始化、身份认证、SSD分区创建及登录，实施例2所述方法用于实现加密存储系统的上述功能。
实施例2
本实施例公开一种加密存储系统的实现方法，所述加密存储系统为实施例1中的存储系统，本方法用于实现加密存储系统的SSD分区管理、SSD硬件加密、SSD分区加密、设备初始化、身份认证、SSD分区创建及登录功能。
SSD分区管理的实现过程为：在SSD内设置功能子模块，使其支持MBR、GPT分区格式，分区个数及容量由用户自由划分；在SSD内设置功能子模块，使其可以作为系统盘或从盘使用。作为系统盘使用时，第一分区作为系统分区，用于存放操作系统文件，该分区配置默认硬件密钥，保证操作系统文件数据读写不受加解密限制，其他分区作为加密分区，用于存放敏感数据。作为从盘使用时，所有分区均为加密分区。
SSD硬件加密的实现过程为：不同的分区采用不同的硬件密钥进行数据加解密，做到分区数据独立保护，有效降低了敏感数据泄露的可能性。硬件加解密密钥由智能密码钥匙释放，SSD内部不存储，保证SSD数据存储安全。硬件加密算法采用国密SM4分组密码算法，数据经SM4加密后存储在NAND FLASH内，在SSD内部完成数据的加解密过程，安全级别高。
SSD分区加密的实现过程为：将分区设置为加密分区后，SSD上电时该分区默认不显示，在分区编辑器中显示为“磁盘未分配”。分区数据无法通过标准读写和专用软件进行访问，有效保护该分区的数据不被破坏。并且通过主控内部的固件层拒绝对加密分区数据的非法访问，不依赖于操作系统和应用软件，杜绝了黑客、病毒及间谍软件的攻击。由USBKEY释放128位密钥信息给硬盘分区后，系统挂载并显示该分区内容。
设备初始化的实现过程为：1）、密钥分发，密钥管理中心生成SM2加密密钥对和SSD硬件加密密钥组，并导入到智能密码钥匙，SSD硬件加密密钥以密文的方式存储在智能密码钥匙中；2）、证书分发，智能密码钥匙生成签名密钥对，向证书管理中心申请签名证书，CA签发签名证书并保存至智能密码钥匙中；使用密钥管理中心导入的加密密钥对，向CA申请加密证书，CA签发加密证书并保存至智能密码钥匙中。
身份认证的实现过程为：智能密码钥匙与SSD之间通过签名证书进行绑定，智能密码钥匙与主机通过CPU序列号进行绑定，设备绑定流程如图2所示。
身份认证流程如图3所示，身份认证时，首先判断智能密码钥匙证书的有效期，从而判断证书有效性。证书判断有效后，SSD与智能密码钥匙之间首先验证公钥信息是否匹配，即判断智能密码钥匙中的签名公钥与SSD中保存的USBKEY公钥是否一致，如果一致，主机程序读取CPUID并计算HASH值，并且与USBKEY中存储的CPUID-HASH对比是否一致，如果一致，再通过SM2签名验签的方式进行认证，判断智能密码钥匙的合法性。SM2签名验签的过程为：主机程序读取USBKEY生成的随机数并计算哈希值，USBKEY对哈希值签名生成R+S信息并传递至主机程序生成 USBKEY签名，主机程序对USBKEY签名、SSD中的哈希值、R+S信息进行验签，验签通过则智能密码钥匙合法，否则智能密码钥匙非法。
SSD分区创建及登录的实现过程为：SSD上电生成一组非对称加密密钥对，主机程序从SSD读取SSD公钥，SSD私钥保存在SSD内，根据分区号获取智能密码钥匙中记录的硬件密钥进行密钥扩展。密钥扩展的流程为：在智能密码钥匙内部，将分区对应的密钥密文SK经智能密码钥匙加密私钥解密后得到明文MK，使用SSD公钥加密明文MK为另一密文SK1，SSD收到密文SK1后，通过SSD私钥解密得到明文MK，使用此密钥MK进行SSD密钥扩展，完成硬盘分区创建及登录。
如图4所示，硬盘分区创建时，需加密的分区由智能密钥钥匙认证通过硬件密钥扩展后，在进行分区创建及格式化，以保证分区内部的文件系统在完成解密操作后能正常使用。
如图5所示，硬盘分区登录时，SSD获得密文MK1后，对密文MK1进行哈希运行生成MK1-HASH，与创建分区时预先存储的MK-HASH值比对是否一致，一致则进行密钥扩展及显示分区，不一致则分区登录失败。
本实施例所述方法不仅实现了SSD分区加密机制、SSD存储数据的硬件加密密钥与SSD分离，还实现了“不同分区不同密钥”，对数据安全提供高可靠和高保密性保障。在政府机关、科研院所、企事业单位等信息安全领域有着广泛的应用前景。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明作出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：包括SSD模块和智能密码钥匙模块，SSD模块包括主控芯片和NAND FLASH，主控芯片和NAND FLASH通过ONFI接口相连，主控芯片通过SATAIII接口与主机相连，主控芯片负责与PC主机通信，完成包括数据读写、加解密的操作，智能密码模块通过USB2.0接口与PC主机连接，提供包括身份认证、数据加解密、密钥释放的功能；
本加密存储系统通过SSD分区加密机制实现访问权限管理，不同分区采用不同的硬件密钥，硬件加密密钥由智能密码钥匙释放；
本加密存储系统的功能包括SSD分区管理、SSD硬件加密、SSD分区加密、设备初始化、身份认证、SSD分区创建及登录；
SSD分区管理的实现过程为：在SSD内设置使其支持MBR、GPT分区格式的功能子模块，分区个数及容量由用户自由划分；在SSD内设置使其可以作为系统盘或从盘使用的功能子模块，作为系统盘使用时，第一分区作为系统分区，用于存放操作系统文件，该分区配置默认硬件密钥，其他分区作为加密分区；作为从盘使用时，所有分区均为加密分区；
SSD硬件加密的实现过程为：不同的分区采用不同的硬件密钥进行数据加解密，硬件加解密密钥由智能密码钥匙释放，SSD内部不存储；硬件加密算法采用国密SM4分组密码算法，数据经SM4加密后存储在NAND FLASH内，在SSD内部完成数据的加解密过程；SSD分区创建及登录的实现过程为：SSD上电生成一组非对称加密密钥对，主机程序从SSD读取SSD公钥，SSD私钥保存在SSD内，根据分区号获取智能密码钥匙中记录的硬件密钥进行密钥扩展；密钥扩展的流程为：在智能密码钥匙内部，将分区对应的密钥密文SK经智能密码钥匙加密私钥解密后得到明文MK，使用SSD公钥加密明文MK为另一密文SK1，SSD收到密文SK1后，通过SSD私钥解密得到明文MK，使用此密钥MK进行SSD密钥扩展，完成硬盘分区创建及登录。
2.根据权利要求1所述的基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：加密存储系统将SSD数据硬件加解密密钥以密文的方式存储在智能密码钥匙中；在SSD与智能密码钥匙绑定阶段，将智能密码钥匙的签名证书及公钥导入到SSD主控芯片安全存储区域；在SSD与智能密码钥匙认证阶段，通过SM2签名验签的方式验证智能密码钥匙身份合法性；在SSD硬件密钥配置阶段，智能密码钥匙将硬件密钥经SSD公钥加密得到密文硬件密钥，SSD使用SSD私钥解密此密文信息得到明文硬件密钥，对比密钥哈希值是否一致，一致则进行密钥扩展和分区显示及挂载，分区存储的加密数据可访问；注销或掉电后，SSD分区变为密文状态且不可访问。
3.根据权利要求1所述的基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：SSD分区加密的实现过程为：将分区设置为加密分区后，SSD上电时该分区默认不显示，在分区编辑器中显示为磁盘未分配，分区数据无法通过标准读写和专用软件进行访问；通过主控芯片内部的固件层拒绝对加密分区数据的非法访问；由智能密码钥匙释放128位密钥信息给硬盘分区后，系统挂载并显示该分区内容。
4.根据权利要求1所述的基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：设备初始化的实现过程为：1）、密钥分发，密钥管理中心生成SM2加密密钥对和SSD硬件加密密钥组，并导入到智能密码钥匙，SSD硬件加密密钥以密文的方式存储在智能密码钥匙中；2）、证书分发，智能密码钥匙生成签名密钥对，向证书管理中心申请签名证书，CA签发签名证书并保存至智能密码钥匙中；使用密钥管理中心导入的加密密钥对，向CA申请加密证书，CA签发加密证书并保存至智能密码钥匙中。
5.根据权利要求1所述的基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：身份认证的实现过程为：智能密码钥匙与SSD之间通过签名证书进行绑定，智能密码钥匙与主机通过CPU序列号进行绑定；身份认证时，首先判断智能密码钥匙证书的有效期，判断证书有效性；SSD与智能密码钥匙之间首先验证公钥信息是否匹配，再通过SM2签名验签的方式进行认证，判断智能密码钥匙的合法性。
6.根据权利要求1所述的基于智能密码钥匙的SSD分区加密存储系统，其特征在于：硬盘分区创建时，需加密的分区由智能密钥钥匙认证通过硬件密钥扩展后，再进行分区创建及格式化；硬盘分区登录时，SSD获得密文MK1后，对密文MK1进行哈希运行生成MK1-HASH，与创建分区时预先存储的MK-HASH值比对是否一致，一致则进行密钥扩展及显示分区，不一致则分区登录失败。
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