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随着信息化社会的进一步深入，USB移动存储设备以其诸多优点，在各种数据存储和信息交换场合得到了广泛应用。然而，由于其安全机制的缺失，带来了层出不穷的数据安全问题。现有安全USB移动存储解决方案不是安全机制不够完善，就是安全功能缺乏硬件支持，本文从USB设备的底层硬件出发，对USB设备的数据安全问题进行了探索。针对USB设备的安全威胁，本文总结了USB设备的安全需求，结合各类安全机制的实现特点，将USB系统的安全功能在各层次进行合理分配，基于此，建立了USB设备控制器安全模型，明确了USB设备控制器应实现的安全功能及其为上层提供的安全服务类型，同时，设计了安全USB设备控制器总体架构，为安全方案的设计及原型系统的实现提供理论依据。依据安全USB设备控制器总体架构，遵循USB2.0协议规范，本文对安全USB设备控制器的基础通信模块和安全模块进行了设计实现，为安全方案的实现提供硬件支持。针对现有USB认证方案存在的安全缺陷，本文首先设计了适用于USB通信的认证密钥协商协议，并用串空间模型的方法对协议的认证性和机密性进行了证明，然后，对协议进行了分析。分析结果表明，本协议不仅能对用户、主机和设备进行认证，用协商出的密钥保证USB总线数据的安全传输，而且能够抵抗旁路攻击、假冒攻击、重放攻击和总线监听等攻击，具有较高的安全性和较小的运算开销。基于以上工作，本文实现了原型系统，并对安全USB设备控制器的各部分功能进行了测试。测试结果表明：本文所设计的安全USB设备控制器工作正常，达到了预期的设计目标。本文设计了一款安全USB设备控制器，能为上层提供透明的、高强度的安全服务，对于提高USB设备的安全水平、推动USB技术在高安全领域的应用具有重要意义。