嵌入式銀行網(wǎng)絡(luò)安全終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著國(guó)內(nèi)銀行業(yè)務(wù)量的迅速發(fā)展，銀行需要能有效解決銀行網(wǎng)點(diǎn)前臺(tái)業(yè)務(wù)量大，耗時(shí)長(zhǎng)等問題，并為持卡人提供安全迅捷服務(wù)的一種自助型終端產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)安全終端系統(tǒng)就是針對(duì)這一需求，在銀行現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上開發(fā)的低成本嵌入式產(chǎn)品。本系統(tǒng)的研制對(duì)于以銀行為代表的各金融企業(yè)的終端服務(wù)以及方便人們的生活具有重要的意義。
1．網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)安全終端要實(shí)現(xiàn)用戶的交易操作，必須將用戶的交易信息傳遞給銀行后臺(tái)。基于銀行現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全終端必需具備網(wǎng)絡(luò)通信功能才能與銀行后臺(tái)交互數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)安全終端是用于銀行交易的，一旦網(wǎng)絡(luò)安全終端傳遞給銀行后臺(tái)的數(shù)據(jù)被竊取或篡改，都將導(dǎo)致用戶和銀行的巨大損失。因此，網(wǎng)絡(luò)安全終端必須確保其傳遞數(shù)據(jù)的安全性。

1.1網(wǎng)絡(luò)安全終端交易系統(tǒng)的體系框架

基于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全終端交易系統(tǒng)，主要由接入服務(wù)器系統(tǒng)、密鑰生成與管理系統(tǒng)、終端發(fā)卡系統(tǒng)、終端管理系統(tǒng)等部分組成，如圖 1所示。
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1.2網(wǎng)絡(luò)安全終端的模塊需求設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求及技術(shù)需求，網(wǎng)絡(luò)安全終端須具備以下模塊：核心處理模塊：基于 ARM7TDMI核的 SoC芯片 Garfield作為主處理器，附加 SDRAM，F(xiàn)lasliROM等外圍電路并在 Garfield上移植 uCLinux操作系統(tǒng)。該模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作，進(jìn)行各個(gè)模塊的管理、數(shù)據(jù)處理/存儲(chǔ)、任務(wù)調(diào)度及決策等。網(wǎng)卡模塊：接入以太網(wǎng)，與接入前置機(jī)交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于 TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信。人機(jī)交互模塊：人機(jī)交互模塊是實(shí)現(xiàn)用戶與終端之間的通訊和對(duì)話，通過液晶顯示屏和鍵盤等設(shè)備，提供豐富友好的操作界面及人工介入功能等人性化的設(shè)計(jì)，為用戶操作提供可靠的支持。安全處理模塊：采用 PSAM卡硬件加密，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全終端對(duì)重要信息的加密，來滿足交易系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全終端安全性的需求。

2．網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)主要分成兩部分：主系統(tǒng)和安全處理子系統(tǒng)。主系統(tǒng)和安全處理子系統(tǒng)之間通過串口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。主系統(tǒng)主要包括主處理器、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊、網(wǎng)卡模塊等，其原理圖如圖 2所示。
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2.1主處理器存儲(chǔ)接口電路

由于 16位數(shù)據(jù)訪問方式即可滿足網(wǎng)絡(luò)安全終端對(duì)存儲(chǔ)速度的要求，與 32位數(shù)據(jù)訪問方式相比，可大大減小硬件布局布線的難度，從而提高產(chǎn)品的性價(jià)比，因此網(wǎng)絡(luò)安全終端選用 16位訪問方式。由于處理器的數(shù)據(jù)寬度配置為 16位訪問外部啟動(dòng)存儲(chǔ)器，故下面的存儲(chǔ)設(shè)備均選擇 16位數(shù)據(jù)線連接。存儲(chǔ)模塊主要包含 8M字節(jié)的 FLASH和 16M字節(jié)的 SDRAM。
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2.2網(wǎng)絡(luò)模塊接口電路

網(wǎng)絡(luò)安全終端采用 RTL8019AS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊的物理層。它們之間的通信主要是通過總線和一些控制信號(hào)來完成的。由于網(wǎng)卡模塊使用的是 Garfield的總線(數(shù)據(jù)和地址總線 )，所以將網(wǎng)卡模塊的低 10根地址線及低 16根數(shù)據(jù)線與之相應(yīng)連接。同時(shí)由于網(wǎng)卡模塊需要有一些控制引腳來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡模塊的控制(如啟動(dòng)、復(fù)位、中斷、讀、寫等 )，因此可以使用主處理器的引腳來和這些引腳連接。Garfield的很多引腳可以復(fù)用為特殊的控制信號(hào)和 GPIO口。所有的 GPIO口都可以通過獨(dú)立編程來控制它的輸入輸出方向和輸出電平的高低，而且可以將 GPIO引腳設(shè)置為中斷功能，可以靈活地監(jiān)測(cè)各種類型信號(hào)的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡模塊的監(jiān)控，其電路圖如 4所示。
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2.3安全處理子系統(tǒng)電路

安全處理子系統(tǒng)主要包含：協(xié)處理器 C52，磁卡讀卡器和 PSAM卡。安全處理子系統(tǒng)的工作如下：協(xié)處理器 C52讀取磁卡信息，將信息傳遞給 PSAM卡進(jìn)行加密，并將 PSAM卡加密后的信息傳遞給主系統(tǒng)，安全處理子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)安全終端的集成接口如下圖 5所示。
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3．網(wǎng)絡(luò)安全終端的軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)嵌入式產(chǎn)品的體系模型研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于 Garfield的網(wǎng)絡(luò)安全終端的軟件框架設(shè)計(jì)。軟件實(shí)現(xiàn)部分包括： uClinux在 Garfield處理器上的移植、 uClinux的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)移植、安全網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)，以及交易流程的實(shí)現(xiàn)。

3.1 uClinux在 Garfield處理器上的移植

首先是內(nèi)核配置系統(tǒng)，配置信息保存在配置文件.config中，原有的 .config文件被更名為.config.old。Makefile根據(jù).config中的配置信息，構(gòu)造并編譯源文件列表，通過鏈接器腳本，把目標(biāo)代碼鏈接到一起，最終形成 Linux Kernel Image 。然后設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)入口，入口代碼是 linux/arch/armnommu/kernel/head-army.S。對(duì)于中斷處理， uClinux Kernel的 C代碼入口函數(shù) start_kernel()定義在 linux/init/main.c中。該函數(shù)首先調(diào)用 setup_arch()處理內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)等內(nèi)容，然后對(duì)中斷進(jìn)行處理。

最后進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)，Garfield中的定時(shí)器是片內(nèi)集成的定時(shí)器，能夠向系統(tǒng)提供定時(shí)中斷。網(wǎng)絡(luò)安全終端使用 Garfield的 Timed的重啟計(jì)數(shù)模式，將其作為系統(tǒng)時(shí)鐘源。

3.2網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要由初始化部分和數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收部分組成，相關(guān)程序代碼在
linux-2.4.x/drivers/net/ne.c和 linux-2.4.x/drivers/net/8390.c中，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

主要的初始化函數(shù) int init ne}robe(struct net device *dev)
檢測(cè)網(wǎng)卡的復(fù)位響應(yīng)代碼如下：

bad card=((dev->basa_ addr != 0)&&(de->mem end==0xbad));
{ unsigned long reset start time = jiffies;
Outb(inb(ioaddr+NE_RESET), ioaddr+NE_RESET);
while ((inb_p(ioaddr+ENO_ISR)& RNISR_RESET)==0)

if(jiffies-reset_start_time>2*HZ/100){
if (bad card){ printk(" (warning: no reset ack)");
break; }else{
printk(" not found (no reset ack)\n");
ret= - ENODEV;
goto err_out; } }
outb}(oxff, ioaddr+ENO_ ISR); }

3.3安全性通信的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)安全終端的主系統(tǒng)通過將重要信息發(fā)送給安全處理子系統(tǒng)，由安全處理子系統(tǒng)將信息加密。主系統(tǒng)接收該密文并發(fā)送，信息以密文的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳遞，這樣可以滿足終端安全的需求。網(wǎng)絡(luò)安全終端是通過主處理器的 uart2與安全處理子系統(tǒng)的協(xié)處理器 C52進(jìn)行串口通信的。

串口通信編程的實(shí)現(xiàn)過程如下：

(1) 串口操作涉及的頭文件，linux/include/asm/arch-GFD/serial.h。

(2) 打開串口，Linux下串口的設(shè)備文件是 /dev/ttySO, /dev/ttySl等。

(3) 設(shè)置串口，最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置，校驗(yàn)位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置 struct ermios結(jié)構(gòu)體的各成員值。

(4) 寫數(shù)據(jù)到端口，數(shù)據(jù)到端口只需要使用 write系統(tǒng)調(diào)用去傳送數(shù)據(jù)。

(5) 從端口讀數(shù)據(jù)，以行數(shù)據(jù)模式操作端口，每個(gè) read系統(tǒng)調(diào)用都會(huì)返回，不論多少字符實(shí)際存在于串行輸入緩沖中。如果沒有字符存在，調(diào)用將阻塞 (等待)到有字符進(jìn)入，或出現(xiàn)超時(shí)和錯(cuò)誤。

3.4用戶主程序
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主程序主要為本系統(tǒng)提供應(yīng)用操作，包含在自定義的 user/ethterminal文件夾中。系統(tǒng)初始化定義在 SysInit()中，對(duì)自定義的參數(shù)進(jìn)行初始化，如消息等。由于這里的人機(jī)交互模塊是自定義的 LCD顯示，沒有用 minigui等來實(shí)現(xiàn)，而采用自定義圖形顯示函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的鍵盤采用輪詢方式檢測(cè)，故有一部分設(shè)備初始化工作在這里完成。

系統(tǒng)自檢：定義在 SystemCheck()中。對(duì)安全處理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲(chǔ)模塊等進(jìn)行檢測(cè)，并在顯示器給出相應(yīng)提示信息。

與監(jiān)控服務(wù)器連接：定義在 SendDevStaToRemCtrl()中。主要用于通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的軟件管理以及后繼版本升級(jí)等。

在完成與監(jiān)控服務(wù)器的連接后，網(wǎng)絡(luò)安全終端 LCD屏上會(huì)顯示“XX銀行”的操作界面，開始等待用戶的操作；若操作超時(shí)，將進(jìn)入液晶屏保護(hù)程序，否則進(jìn)入主菜單循環(huán)。

4結(jié)束語

本文在銀行交易系統(tǒng)對(duì)銀行自助終端需求分析的基礎(chǔ)上，提出了利用東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的ARM7TDMI內(nèi)核的嵌入式SoC芯片Garfield，設(shè)計(jì)出基于 ucLinux操作系統(tǒng)和 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的銀行自助設(shè)備——網(wǎng)絡(luò)安全終端，通過原理圖設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)移植、接口和應(yīng)用程序的開發(fā)，本系統(tǒng)樣機(jī)通過了銀行模擬交易系統(tǒng)的測(cè)試，該終端系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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