基于MPC8379E加密NAS的設(shè)計(jì)*

楊瑞霞

(山東政法學(xué)院 信息科學(xué)技術(shù)系，山東 濟(jì)南 250014)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信息呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)議，采用面向網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，具有超大存儲(chǔ)容量、大數(shù)據(jù)傳輸率和高可用性等優(yōu)勢(shì)。由于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)的，在實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存取方便的同時(shí)，還需要確保數(shù)據(jù)的安全，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的安全提出了新的要求。

1 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)與加密NAS

目前市場(chǎng)上主流的幾種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模式有：直連式存儲(chǔ) DAS(Direct Attached Storage)、網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ) NAS(Network Attached Storage)、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)SAN(Storage Area Network)和IP存儲(chǔ)[1]。在這幾種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，NAS具有高容量、高效能、高可靠性能的特性，是一種網(wǎng)絡(luò)直連存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)直接相連，用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)，不需要服務(wù)器就能直接上網(wǎng)，可以在網(wǎng)絡(luò)的任何位置建立存儲(chǔ)，經(jīng)濟(jì)地解決了存儲(chǔ)容量不足的問(wèn)題,且設(shè)備易于安裝、使用和管理。此外，NAS還有獨(dú)立的操作平臺(tái)，各類(lèi)文件可共享，具備交叉協(xié)議用戶(hù)安全性/許可性和瀏覽器界面的操作/管理，且服務(wù)器的增減不影響網(wǎng)絡(luò)正常工作等。NAS系統(tǒng)的關(guān)鍵是文件服務(wù)器，它提供文件系統(tǒng)功能，支持多種TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以利用NFS、CIFS等文件訪(fǎng)問(wèn)，共享小文件級(jí)間的存儲(chǔ)。在NAS設(shè)備中裝備的文件服務(wù)器，使用Web管理界面，完成系統(tǒng)資源配置、用戶(hù)配置管理和用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)登錄等。NAS存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)化了系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間高效、便捷地傳遞數(shù)據(jù)。它支持多線(xiàn)路、多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，特別適合處理用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的I/O請(qǐng)求，響應(yīng)速度快，傳輸速率高。因此，NAS的應(yīng)用范圍非常廣。

相對(duì)于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式，網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)有更高的靈活性、可擴(kuò)展性和安全性，但這并不意味著網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)系統(tǒng)不需要考慮安全性的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)主要面臨的安全隱患有“Sniffer攻擊”、訪(fǎng)問(wèn)的合法性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、完整性等。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)產(chǎn)品也需要采取相應(yīng)的措施對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)措施可分為3個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)防護(hù)，身份認(rèn)證和加密儲(chǔ)存。加密儲(chǔ)存是對(duì)寫(xiě)入儲(chǔ)存介質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密編碼，就算數(shù)據(jù)遺失也無(wú)法被解讀出有意義的內(nèi)容，也可以說(shuō)是數(shù)據(jù)安全的最后一道關(guān)卡。對(duì)于NAS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，加密儲(chǔ)存也就是加密NAS。因?yàn)镹AS產(chǎn)品很多基于嵌入式系統(tǒng)，因此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密存儲(chǔ)也相對(duì)容易一些。

2 基于MPC8379E的NAS硬件實(shí)現(xiàn)

Freescale公司推出的MPC8379E芯片功能非常強(qiáng)大，集成了豐富的資源，其內(nèi)核是e300，主頻最高可以達(dá)到667 MHz，并帶有32 KB的指令緩沖與32 KB的數(shù)據(jù)緩沖，用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)指令結(jié)構(gòu)和軟硬件的調(diào)試。此外，MPC8379E擁有兩個(gè)支持100 M/1 000 M網(wǎng)絡(luò)控制器，一個(gè)DDR1/DDR2控制器，一個(gè)增強(qiáng)型局部總路線(xiàn)控制器，四個(gè)SATA控制器，一個(gè) 32 bit的 PCI接口，一個(gè)加密控制器，兩個(gè)I2C控制器，一個(gè)4通道的DMA控制器，一個(gè)通用I/O控制器，一個(gè)USB2.0主/從控制器。MPC8379E還擁有非常強(qiáng)大的安全算法模塊,可以實(shí)現(xiàn)RSA、ECC、AES、SHA等常用算法，并可以產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)用于安全運(yùn)算。其高速的算法功能為通信安全提供了有力的幫助。MPC8379E這些豐富的芯片資源能夠很容易就滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，其高集成、高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)非常適合用于NAS、網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)LAN、VPN路由器等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[2]。使用MPC8379E作為核心控制器的NAS硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖 1所示的 NAS系統(tǒng)使用 MPC8379E作為 CPU，內(nèi)存使用256 MB的DDR SDRAM，外接1 GB的NandFlash存儲(chǔ)NAS系統(tǒng)代碼，而4個(gè)SATA口連接外部硬盤(pán)作為NAS用戶(hù)資料的存儲(chǔ)空間。在人機(jī)界面方面，系統(tǒng)使用一個(gè)128×64的點(diǎn)陣LCD顯示用戶(hù)狀態(tài)，并使用GPIO設(shè)計(jì)4個(gè)功能按鍵。MPC8379E的USB口用來(lái)連接USB KEY，從而對(duì)NAS管理員進(jìn)行身份認(rèn)。只有使用正確的USB KEY登陸，NAS系統(tǒng)才能正常啟動(dòng)。

AES（Advanced Encryption Standard）算法是一種分組算法，它于2001年取代DES成為美國(guó)政府的新加密標(biāo)準(zhǔn)，其明文和密文的長(zhǎng)度都是 128 bit，密鑰長(zhǎng)度可以為128 bit、192 bit、256 bit， 密鑰經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后 與數(shù) 據(jù)進(jìn)行 4層的轉(zhuǎn)換與混合[3]。因?yàn)镸PC8379E內(nèi)部的安全算法模塊能夠?qū)崿F(xiàn)AES算法，可以通過(guò)程序調(diào)用輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的AES加密運(yùn)算。

3 加密NAS軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 NAS的軟件系統(tǒng)

NAS的主要功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，對(duì)于使用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的NAS，一般采用Linux作為操作系統(tǒng)，這樣可以方便地進(jìn)行二次研發(fā)，加強(qiáng)NAS的存儲(chǔ)及管理功能，并對(duì)外提供多種文件存儲(chǔ)及共享協(xié)議的支持。作為自主開(kāi)發(fā)的NAS產(chǎn)品,要想使操作系統(tǒng)能夠運(yùn)行起來(lái)，還需要進(jìn)行Linux的移植,并開(kāi)發(fā)一些基于硬件的驅(qū)動(dòng)，如網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)、LCD顯示等?；谠O(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊之上的則是基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）和文件共享協(xié)議(如服務(wù)器消息塊(SMB)等)。應(yīng)用管理模塊是面向用戶(hù)部分應(yīng)用程序，包括遠(yuǎn)程管理、用戶(hù)驗(yàn)證在內(nèi)的諸多應(yīng)用服務(wù)。由于文件格式的不同，Linux系統(tǒng)通常借助Samba工具來(lái)實(shí)現(xiàn)與Windows的資源共享。Samba的工作原理是讓SMB和NetBIOS兩個(gè)協(xié)議運(yùn)行于TCP/IP通信協(xié)議之上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的資源共享。NAS的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)通常是在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的，因此設(shè)備的管理與配置一般采用基于Web的管理方式來(lái)完成，即用戶(hù)在瀏覽器中對(duì)NAS設(shè)備進(jìn)行管理。而AES算法及訪(fǎng)問(wèn)控制的實(shí)現(xiàn)需要嵌入到Linux系統(tǒng)中，整個(gè)NAS軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2 軟件安全模塊的實(shí)現(xiàn)

對(duì)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)可以在網(wǎng)絡(luò)通道上使用IPSec等策略配置整個(gè)NAS系統(tǒng)，但是對(duì)于底層存儲(chǔ)介質(zhì)中數(shù)據(jù)的加密,還是需要在NAS的Linux軟件系統(tǒng)中完成。但是,如何管理數(shù)據(jù)的加密密鑰是加密NAS系統(tǒng)中非常重要的一部分。采用在實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)操作之前增加一個(gè)軟件安全模塊的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)安全模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的AES算法以及用戶(hù)及密鑰管理功能。

在NAS系統(tǒng)的安全模塊中，需要借助PKI技術(shù)的加密與簽名功能[4]對(duì)文件的加密密鑰進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制，以達(dá)到控制用戶(hù)對(duì)文件讀寫(xiě)的目的。這需要對(duì)NAS中的文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如圖3所示，在每個(gè)目錄下都會(huì)生成一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)列表，列表包括允許訪(fǎng)問(wèn)該目錄的用戶(hù)標(biāo)識(shí)、使用用戶(hù)RSA公鑰加密的算法密鑰，還有目錄所有者對(duì)列表的數(shù)據(jù)簽名。NAS存儲(chǔ)空間的訪(fǎng)問(wèn)管理詳細(xì)描述如下：

(1)用戶(hù)注冊(cè)。當(dāng)一個(gè)新用戶(hù)注冊(cè)時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)唯一的用戶(hù)標(biāo)識(shí)，同時(shí)需要產(chǎn)生一對(duì)RSA密鑰，以作為登錄系統(tǒng)以及訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)數(shù)據(jù)使用。用戶(hù)公鑰通過(guò)企業(yè)級(jí)CA發(fā)布，方便系統(tǒng)使用。

(2)目錄的創(chuàng)建。為了管理方便，加密NAS每個(gè)目錄所使用的AES算法密鑰是不相同的。當(dāng)一個(gè)新的目錄建立時(shí)，會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生一組新的AES算法密鑰。在使用AES進(jìn)行加密存儲(chǔ)后，為了滿(mǎn)足密鑰管理的需求，在每個(gè)用戶(hù)目錄中增加一個(gè)用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)列表。在訪(fǎng)問(wèn)列表中，存儲(chǔ)可以訪(fǎng)問(wèn)該目錄的用戶(hù)名和該目錄所使用的AES算法密鑰的加密值。密鑰加密值是使用與用戶(hù)名對(duì)應(yīng)的用戶(hù)RSA公鑰加密的結(jié)果，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)該存儲(chǔ)空間時(shí)，需要使用自己的RSA私鑰來(lái)解密獲得AES算法密鑰。最后，目錄的所有者會(huì)使用其私鑰對(duì)訪(fǎng)問(wèn)列表進(jìn)行數(shù)字簽名，以保證列表的正確性。

(3)存儲(chǔ)空間的共享。當(dāng)用戶(hù)A創(chuàng)建自己的存儲(chǔ)目錄時(shí)，使用真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)AES算法密鑰。此時(shí)，只有該目錄的所有者擁有該密鑰。當(dāng)用戶(hù)A需要與用戶(hù)B共享目錄時(shí)，使用用戶(hù)B的RSA公鑰加密AES算法密鑰，與用戶(hù)B的標(biāo)識(shí)一起添加到用戶(hù)列表中。用戶(hù)B通過(guò)自己的私鑰，就可以獲得共享空間的AES算法密鑰，從而可以讀取到正確的數(shù)據(jù)。

(4)用戶(hù)對(duì)存儲(chǔ)空間的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程。當(dāng)某個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)目錄時(shí)，管理程序先查看用戶(hù)列表，確定列表中是否存在該用戶(hù)名，以確定用戶(hù)是否享有訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。然后驗(yàn)證訪(fǎng)問(wèn)列表的簽名是否有效，在確定訪(fǎng)問(wèn)列表正確后，找到相應(yīng)的用戶(hù)名，用戶(hù)再使用RSA私鑰解密AES算法密鑰的加密值，獲取數(shù)據(jù)加密密鑰，對(duì)存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行讀寫(xiě)。

用戶(hù)的RSA公鑰可以通過(guò)類(lèi)似CA的方法進(jìn)行公布，以方便系統(tǒng)使用。存儲(chǔ)空間的所有者通過(guò)RSA算法實(shí)現(xiàn)AES算法密鑰共享，以達(dá)到存儲(chǔ)共享的目的。

以上討論的方案使用MPC8379E構(gòu)建NAS的硬件系統(tǒng)，然后在其Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)AES算法，對(duì)SATA硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，使用企業(yè)級(jí)CA對(duì)用戶(hù)進(jìn)行身份認(rèn)證以及算法密鑰的管理，使整個(gè)系統(tǒng)能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的安全問(wèn)題。

[1]趙文輝.網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Freescale Semiconductor Literature Distribution Center.MPC8379E PowerQUICCTMII Pro Integrated Host Processor Family Reference Manual[EB/OL].http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/data_sheet/MPC8379EEC.pdf.2009.

[3]孫淑玲.應(yīng)用密碼學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[4]NASH A,DUANE W,JOSEPH C,et al.公鑰基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)和管理電子安全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.