摘 要：文章給出了一種對連網計算機硬盤信息進行安全訪問的隔離卡實現方案， 介紹了基于 PCI 總線的雙硬盤隔離卡的組成及工作原理， 詳細討論了其硬件設計。
關鍵詞：隔離卡；物理隔離； CH365；CPLD；IDE

引言
由于網絡終端設備的大部分數據都存儲在硬盤上， 因此，數據安全的核心是硬盤數據的安全，其保護手段之一是物理隔離技術。本文設計的雙硬盤網絡衛(wèi)士隔離卡用于將普通計算機分為安全環(huán)境(內網)和開放環(huán)境(外網)，內網和外網使用不同的硬盤，并且連接到不同的網絡，從而能夠避免硬盤中的重要數據通過網絡等方式泄露。一般的雙網卡方案、多重引導卡或者多用戶管理卡只是在邏輯層提供硬盤數據隔離，而網絡衛(wèi)士隔離卡的特點主要是在物理層提供硬盤數據隔離，確保更高的數據安全性。網絡衛(wèi)士隔離卡基于 PCI 總線，采用了先進的物理隔離技術，不僅能保證網絡終端設備的信息安全，而且使用方便、可靠、高效。

總體設計方案
網絡衛(wèi)士隔離卡的工作原理是：利用PCI總線的擴展ROM機制，在隔離卡上嵌入擴展程序，開機后，擴展程序先取得控制權，出現選擇內外網的圖形界面。當擴展ROM接收到用戶的選擇后，通過I/O讀取當前的網絡狀態(tài)，如果與選擇的不匹配，則通過I/O端口向物理隔離模塊發(fā)出切換選擇，由繼電器實現硬盤以及內外網的切換。如果匹配，則將控制權交給選中的硬盤引導程序，啟動操作系統(tǒng)，進入相應的網絡環(huán)境。

網絡衛(wèi)士隔離卡由三個模塊組成，分別是 PCI 接口模塊、物理隔離模塊和網絡連接控制模塊，如圖 1 所示。PCI 接口模塊由 CH365 和為其提供初始化配置信息的串行 E2PROM以及存儲器組成。作為 PCI 總線與本地總線之間的橋， 該模塊連接 PCI 卡的本地端邏輯到PCI 總線上， 并將 PCI 命令( 例如讀寫某個寄存器、存儲器、I/O 端口) 翻譯到本地端。物理隔離模塊主要由物理隔離電路(用高速 CPLD 實現)和分別連接計算機主板和硬盤的兩個 IDE 接口組成。網絡連接控制模塊控制計算機網卡與 Internet 網線的連接狀態(tài)， 配合物理隔離模塊對硬盤實施隔離。

圖1 系統(tǒng)組成

硬件組成
PCI 接口模塊
在本設計中，PCI接口模塊由南京沁恒公司的CH365 和Atmel公司的 E2PROM AT24C02以及華邦公司的W27C512存儲器構成。CH365是一個連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷，可將基于32位PCI總線的從設備接口轉換為主動并行接口：8位數據、16位地址、I/O讀寫、存儲器讀寫。支持低電平有效的本地中斷請求，支持中斷共享。支持長度達240字節(jié)的I/O端口。支持本地硬件定址功能，自由選擇I/O地址，并在指定地址實現I/O端口。不論在設計難度、開發(fā)周期、ISA移植，還是在價格上都有其自身優(yōu)越性。通過CH365在標準的PCI總線上獲得擴展ROM發(fā)出的切換指令以及當前所處的網絡環(huán)境，實現內外網絡環(huán)境的判斷和切換，達到兩塊硬盤的絕對隔離。實際電路中用到的引腳如圖 2 所示。

電路中的W27C512是E2PROM芯片，用于存放擴展ROM 程序。由于內外網絡切換和鎖定指令只需要兩條I/O 指令，加上啟動選擇界面等部分后，擴展ROM 程序仍然很小，通常為8KB~64KB，所以可以使用27C512、27C256、27C128 甚至27C64 等ROM 芯片。如果需要支持在線程序升級等附加功能，也可以使用閃存29C512、29C010 或者29F010 等。電路中的24C02 芯片用于記憶用戶的使用習慣，保存進入內網時的安全密碼、擴展ROM的啟動模式、工作模式等，同時還保存了該設備的PIN碼和用戶可以修改的加解密信息。

物理隔離模塊
物理隔離模塊由物理隔離電路和3個 IDE 插槽組成。 3個 IDE 插槽通過 IDE 數據線分別連接主板 IDE 插槽( 簡稱 IDE0)和兩塊硬盤的 IDE 接口( 簡稱 IDE1和IDE2)， 隔離電路采用 Xilinx 公司的 CPLD 芯片 XC95144， 通過一個同步信號同時切換IDE接口的信號線，大大削弱了信號之間的干擾，性能更穩(wěn)定。

網絡連接控制模塊
網絡連接控制模塊由繼電器組(兩個雙刀雙擲繼電器)和三個以太網口構成。三個以太網口中的兩個分別連接內網和外網， 另一個通過網線連接網卡。雖然在 100Base- T或 10Base- T 以太網中， 只使用了以太網口的第1、2、3、6引腳 (1、2 發(fā)送數據， 3、6 接收數據)，但是，本文采用通過4個繼電器使以太網口的8條線全切的方式，既可用于低速網絡，也能在千兆以太網中一展身手。網絡連接如圖3 所示。由開關選擇信號S的高低決定網卡與內網還是外網連通。

圖3 網絡連接示意圖

結語
物理隔離是一種理想的安全保護手段， 可滿足許多高保密單位對于機密信息的安全需求， 諸如政府機關、軍事機構、電信、金融、大型企業(yè)及科研院校等。本文設計實現的安全隔離卡采用物理隔離的設計思路，通過安裝隔離卡和第二硬盤，把一臺計算機虛擬為兩臺計算機，從而實現內、外網絡間的絕對物理隔離，大大增強了計算機用戶信息的安全性。

參考文獻
1.Tom Shanley Don Anderson. PCI System Architecture(4th Edition), MINDSHARE
2.XC95144 In-System Programmable CPLD Product Specification
3.PCI總線接口芯片CH365數據手冊.南京沁恒電子有限公司，2001