李 鋒 李 明

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 201620)

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基于ARM的安全打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 鋒 李 明

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 201620)

隨著信息時(shí)代的到來，信息安全已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。打印作為最常用的信息共享方式之一，在給人們工作生活提供極大便利的同時(shí)，由于打印帶來的信息泄密也給企事業(yè)單位造成了不可估量的損失。針對(duì)打印安全問題，設(shè)計(jì)的安全打印機(jī)采用了ARM Cortex-A8處理器S5PV210作為硬件平臺(tái)，Linux作為軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了二維碼生成，二維碼水印的嵌入，打印審計(jì)，打印控制以及打印記錄的功能。系統(tǒng)通過向涉密文件中嵌入二維碼水印信息可以做到打印文檔的后期追蹤和回收，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)打印流程的閉環(huán)處理。

信息安全 安全打印 S5PV210 二維碼 水印 追蹤

0 引 言

目前在國(guó)外打印安全問題已經(jīng)引起了極大的關(guān)注，特別是在大型的企業(yè)單位和政府機(jī)構(gòu)中，部署了相應(yīng)的安全打印方案來避免因打印帶來的機(jī)密信息泄露[1]。然而在國(guó)內(nèi)的政府機(jī)關(guān)和企事業(yè)單位中，除了部分涉密單位，其中大部分都沒有對(duì)打印安全給予足夠的重視，打印環(huán)境存在眾多的漏洞。打印泄密不僅可能會(huì)對(duì)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還是導(dǎo)致政府機(jī)關(guān)信息泄露的重要渠道，給政府信息安全帶來潛在危害。

為滿足企事業(yè)單位以及政府機(jī)構(gòu)對(duì)安全辦公的需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種安全打印機(jī)。它通過讀取RFID卡來確認(rèn)打印者的身份做到打印前期的授權(quán)控制，在打印過程中對(duì)即將打印的打印文檔添加相應(yīng)的二維碼水印作為打印文檔的唯一標(biāo)示，而在打印結(jié)束后將打印信息寫入到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)整個(gè)打印過程中的閉環(huán)處理。一旦發(fā)生泄密事件，可以通過提取泄密文檔中的二維碼水印信息，很快就能追溯到責(zé)任人。同時(shí)，在進(jìn)行機(jī)密打印文檔的回收時(shí)，通過掃描回收文檔中的二維碼，即可對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的已打印記錄進(jìn)行自動(dòng)檢索。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安全打印機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，安全打印機(jī)在傳統(tǒng)的打印流程上加入了更多的安全控制環(huán)節(jié)。首先用戶在發(fā)起打印任務(wù)前需得到打印授權(quán)。在管理制度上保障打印的安全。打印文檔經(jīng)過加密后發(fā)往打印機(jī)，打印服務(wù)器通過底層的驅(qū)動(dòng)程序發(fā)給打印設(shè)備進(jìn)行打印保障通信安全。打印任務(wù)發(fā)起后，安全打印機(jī)會(huì)對(duì)打印文檔進(jìn)行處理，根據(jù)打印文檔的名字、版本、所有者、文檔修改時(shí)間、打印時(shí)間、打印人員和打印文檔的頁碼等信息，經(jīng)過加密編碼處理后，形成二維碼，并以水印的形式嵌入到打印文檔中。完成對(duì)打印文檔標(biāo)示，便于打印物后期處理和安全跟蹤審計(jì)。打印機(jī)在接受打印內(nèi)容，完成打印前，必須要通過身份讀取器，對(duì)打印者的身份進(jìn)行認(rèn)證。打印完成后，此次打印的打印時(shí)間，打印內(nèi)容，打印份數(shù)，以及打印用戶等記錄都會(huì)被寫入打印服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。

圖1 安全打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)從管理制度、設(shè)備管理、通信安全、打印介質(zhì)跟蹤多個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)打印的安全管理。并為打印的文檔的回收、銷毀跟蹤，和泄密的追查等方面，做好了技術(shù)準(zhǔn)備。該系統(tǒng)中打印文檔的標(biāo)示實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

水印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)文檔標(biāo)示的常用技術(shù)，水印一般有可見水印和不可見水印兩種[2]。不可見水印對(duì)文檔標(biāo)示，隱密性強(qiáng)，不容易被破壞，但是該水印嵌入和識(shí)別算法復(fù)雜，誤識(shí)率高，不適合嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；可見水印嵌入容易，但也存在著識(shí)別困難，不具備隱秘性，且信息量少，在標(biāo)示串和水印圖像間難于對(duì)應(yīng)。

二維碼是將字符串以圖形的形式給予表現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)和識(shí)別算法都成熟簡(jiǎn)單，因此二維碼適合作為文檔標(biāo)示水印。但是由于二維碼不具備加密功能，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)示的隱秘性，我們需要先把標(biāo)示串經(jīng)過加密編碼后，再把密文形成二維碼。

2 信息源加密

作為打印出的文檔的唯一標(biāo)示碼，二維碼中的信息可以精確定位到打印文檔的每一頁。主要包括的信息有：

(1) 打印文檔信息：文件名稱、文檔版本號(hào)、頁碼。

(2) 打印時(shí)間信息：文檔修訂時(shí)間、打印時(shí)間。

(3) 打印人員信息：文檔所有人員工號(hào)、打印人員工號(hào)。

(4) 其他信息：打印機(jī)編號(hào)、備注。

二維碼原始信息數(shù)據(jù)封裝格式如圖2所示。

圖2 二維碼源信息數(shù)據(jù)封裝格式

二維碼信息并不會(huì)以明文方式存儲(chǔ)在二維條碼中，而是通過DES進(jìn)行加密后變?yōu)槊芪?，這樣可以保證在有人非法取得二維條碼后也無法直接獲取其中的信息內(nèi)容。DES加密算法是一種對(duì)稱加密算法[3]，由IBM研究并公開發(fā)表的，它以64位為分組單位對(duì)原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密。加密時(shí)采用美國(guó)國(guó)家安全局設(shè)計(jì)的8個(gè)S-盒(S:Substitution)和P-置換(P：Permutation)，并經(jīng)過16輪的迭代后產(chǎn)生64比特的密文信息。為了對(duì)得到的原始信息進(jìn)行DES加密，首先，原始信息通過utf8編碼轉(zhuǎn)換后得到編碼后的字節(jié)數(shù)組，然后由DES加密算法對(duì)轉(zhuǎn)換后的字節(jié)數(shù)組進(jìn)行加密。

3 二維碼水印生成

為了保證打印安全，安全打印機(jī)在打印文檔中嵌入二維碼水印來實(shí)現(xiàn)打印文檔的跟蹤。二維條碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)信息的符號(hào)。二維碼與一維碼不同的是它可以在縱向和橫向兩個(gè)方位同時(shí)表達(dá)信息,能夠具有更多的信息含量。二維條碼可以分為矩陣式和堆疊式二維條碼[4，5]。目前世界上主流的二維條碼,有QR碼(快速響應(yīng)矩陣碼)、PDF417碼、Data Matrix碼、Code 49等。

為不影響打印內(nèi)容，可見水印是嵌入到打印內(nèi)容后面的，這樣二維碼水印在掃描識(shí)別時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多的誤碼，為保證二維碼能被較好的識(shí)別，系統(tǒng)采用容錯(cuò)性較高的PDF417二維碼作為二維碼水印方案。

PDF417二維條碼是堆積層結(jié)構(gòu)，由符號(hào)字符組成，作為PDF417條碼表示信息的基本單位，它由4個(gè)條和空構(gòu)成，自左到右從條開始，每個(gè)條或空包括1-6個(gè)模塊，其中4個(gè)條和4個(gè)空的總模塊數(shù)為17。符號(hào)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PDF417結(jié)構(gòu)圖

其中每一層包括：a為左空白區(qū)；b為起始符；c為左行指示符號(hào)字符；d 為1至30個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)字符；c為右行指示符號(hào)字符；f 為終止符；g 為右空白區(qū)。

PDF417二維條碼具有信息容量大，編碼范圍廣以及譯碼可靠性高等優(yōu)點(diǎn)?？梢匀菁{1850個(gè)大寫字母或者2710個(gè)數(shù)字或1108個(gè)字節(jié)，它采用了目前世界上最先進(jìn)的RS錯(cuò)誤碼控制碼技術(shù)，糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)大，這種隱含在符號(hào)內(nèi)的糾錯(cuò)碼極大地保證了譯碼正確率，并有效提高譯碼速度和可靠性，即使出現(xiàn)二維碼部分信息丟失，也可以譯碼成功，有效提高了其抗干擾能力和可靠性[6]。RS碼用于突發(fā)差錯(cuò)的校驗(yàn)，針對(duì)水印通常會(huì)表現(xiàn)為連續(xù)的位受到干擾，采用RS碼非常有效。PDF417碼共擁有9個(gè)錯(cuò)誤糾正等級(jí)，每種錯(cuò)誤糾正等級(jí)所包含的錯(cuò)誤糾正碼字也不同，糾錯(cuò)等級(jí)越高需要的錯(cuò)誤糾正碼字越多，當(dāng)糾錯(cuò)等級(jí)為8時(shí)，可以將符號(hào)受污染達(dá)到50%的信號(hào)重新復(fù)現(xiàn)出來。在掃描提取二維碼水印的過程中，倘若出現(xiàn)部分掃描信息丟失，利用PDF417碼的錯(cuò)誤控制碼可以進(jìn)行自糾正，提高了容錯(cuò)率。

考慮到二維碼信息包含的信息量和可靠性，本系統(tǒng)采用了糾正等級(jí)為4，它的可存放資料量為1072字節(jié)，可以容納如圖2所示的字節(jié)信息，同時(shí)能夠有32位的糾正碼數(shù)。對(duì)于要編碼的二維碼源信息，在經(jīng)過DES加密之后，密文信息由PDF417編碼生成二維條碼圖形。我們采用了開源的iText庫用于創(chuàng)建和生成二維碼條碼，使用iText提供的API可以實(shí)現(xiàn)文檔頁面布局、對(duì)文檔進(jìn)行加密、生成二維碼和水印嵌入等功能。

水印能夠?yàn)榇蛴∥臋n提供唯一的信息標(biāo)識(shí)，是文檔控制和文檔回收的重要依據(jù)。為了能使二維碼條碼能以水印嵌入到打印文檔中，通過iText的pdfStamper類提供的getoverContent方法獲得當(dāng)前文檔的頂層圖層，然后將二維條碼圖像嵌入文檔內(nèi)容上層。

考慮到文檔內(nèi)容可能導(dǎo)致水印圖片在提取過程中的不完整，我們將水印分別嵌入在左上角，中間和右下角三個(gè)位置。通常，打印文檔在左上角和右下角是空白區(qū)，因此選擇其作為水印嵌入?yún)^(qū)域進(jìn)一步保證了二維碼信息能夠可靠地得到提取。

在PDF417二維條碼二維碼的識(shí)別過程中，起始符(圖3中b區(qū))是重要的定位區(qū)，為了提高識(shí)別效率，在水印嵌入時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)打印文檔進(jìn)行分析，尋找豎向空白較大區(qū)域作為二維碼水印嵌入的起始區(qū)。為了確定水印灰度，系統(tǒng)首先對(duì)打印內(nèi)容灰度進(jìn)行灰度直方統(tǒng)計(jì)，選擇概率最低的灰度作為水印灰度。為提高水印識(shí)別正確率，我們?cè)谕豁摯蛴「逯?，?huì)加入3～4個(gè)二維碼水印。

4 實(shí) 現(xiàn)

安全打印機(jī)的設(shè)計(jì)思路是基于S5PV210的嵌入式平臺(tái)，打印文檔被嵌入二維碼水印后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給由S5PV210構(gòu)成的打印服務(wù)器進(jìn)行打印輸出并記錄。作為一款低功耗、低價(jià)格、高性能的嵌入式處理器，S5PV210能夠滿足本系統(tǒng)中對(duì)CPU高速度和高穩(wěn)定性的需求。S5PV210使用了Cortex-A8架構(gòu)(主頻為1 GHz)設(shè)計(jì)而成，具有極其豐富的外設(shè)[7]。由S5PV210構(gòu)成的打印服務(wù)器端包含了打印驅(qū)動(dòng)模塊、打印控制模塊、打印記錄模塊三大模塊部分，如圖4所示。

圖4 打印服務(wù)器結(jié)構(gòu)

(1) 打印控制模塊

打印控制模塊作為本系統(tǒng)中極為重要的一部分，它的主要功能是整個(gè)打印流程的規(guī)劃以及故障處理機(jī)制。用戶在將打印文檔發(fā)送到打印服務(wù)器之后，服務(wù)器端進(jìn)行解密并在本地保存，但是并不會(huì)立即對(duì)打印文檔進(jìn)行打印，而是等待讀取用戶RFID卡的信息進(jìn)行認(rèn)證。如果認(rèn)證失敗，則此次打印請(qǐng)求不會(huì)被服務(wù)器端受理。若身份信息認(rèn)證通過，在服務(wù)器端保存的文檔經(jīng)過打印驅(qū)動(dòng)層的處理后發(fā)往打印機(jī)進(jìn)行打印。在打印過程中，會(huì)專門創(chuàng)建一個(gè)偵聽線程read_status_thread偵聽打印機(jī)的狀態(tài)信息。若打印機(jī)在打印過程中發(fā)生故障，故障發(fā)生時(shí)，本次打印的相關(guān)打印信息會(huì)被現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)起來。類似缺少紙張這種可恢復(fù)故障，相應(yīng)的故障代碼會(huì)被發(fā)往打印用戶客戶端，用戶在添加完紙張后可以選擇繼續(xù)執(zhí)行本次未完成的打印任務(wù)。而像紙張卡機(jī)等不可恢復(fù)的故障，服務(wù)器端將結(jié)束此次打印任務(wù)，并將故障信息及時(shí)反饋給打印用戶。

(2) 打印驅(qū)動(dòng)模塊

打印驅(qū)動(dòng)的主要功能是接收來自PC端加密后的打印作業(yè)，解密并轉(zhuǎn)換為打印機(jī)可以識(shí)別的圖像數(shù)據(jù)。接著用打印機(jī)控制語言PJL將打印作業(yè)的頁面布局，打印選項(xiàng)等設(shè)置信息發(fā)送給打印機(jī)。

打印驅(qū)動(dòng)由Ghostscript，foo2zjs和libusb三個(gè)部分組成。Ghostscript在打印工作中扮演著極為重要的角色，它將打印文件轉(zhuǎn)為為適應(yīng)各種類型打印機(jī)的光柵文件。為了能在S5PV210平臺(tái)上正常工作，需要對(duì)ghostscript進(jìn)行交叉編譯。在ghostscript的多個(gè)版本中，考慮到與linux2.6.35內(nèi)核版本的兼容性，選擇了8.70版本的ghostscript。另外一個(gè)重要的組成部分就是foo2zjs,foo2zjs是一款開源的打印機(jī)驅(qū)動(dòng)，它支持使用ZjStream協(xié)議的打印機(jī)。在本系統(tǒng)中，foo2zjs的作用是將經(jīng)過ghostscript轉(zhuǎn)換后的文檔最終轉(zhuǎn)換為ZjStream數(shù)據(jù)流提供給打印機(jī)進(jìn)行打印輸出。經(jīng)過過濾器轉(zhuǎn)換完成的打印文檔最終要通過usb通信發(fā)送給打印機(jī)，本系統(tǒng)采用了libusb庫而舍棄了linux內(nèi)核自帶的usblp驅(qū)動(dòng)[8]。通過libusb庫提供的API[9]，就可以實(shí)現(xiàn)與usb打印機(jī)通信完成打印內(nèi)容的傳送以及獲得打印機(jī)的狀態(tài)。

(3) 打印記錄模塊

為了完整地記錄每次打印的歷史信息，需要在服務(wù)器端部署數(shù)據(jù)庫，同時(shí)考慮到嵌入式資源的有限性，系統(tǒng)采用了Sqlite這款開源的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫。Sqlite能夠?qū)崿F(xiàn)自包容、零配置、支持事務(wù)的SQL數(shù)據(jù)庫引擎，具有使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊、高效和可靠的特點(diǎn)[10]。Sqlite提供了相應(yīng)的c函數(shù)接口，通過這些接口即可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的sql語句。打印結(jié)束后，本系統(tǒng)會(huì)將該次打印的時(shí)間，打印用戶名，打印文件名，打印頁數(shù)以及打印份數(shù)等打印信息寫入數(shù)據(jù)庫文件中。無論是打印正常結(jié)束，還是由于發(fā)生了不可恢復(fù)的故障導(dǎo)致打印中途退出，相應(yīng)的信息都會(huì)被保存起來。在后期的打印審計(jì)過程中，管理者能夠方便地查詢存儲(chǔ)在服務(wù)器端的打印記錄，以做到打印后期的安全控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的安全打印機(jī)，對(duì)測(cè)試文檔進(jìn)行打印測(cè)試。原始的二維碼信息為：16 測(cè)試文檔.pdf 0001 20 20150409 20150502 0001 0001 03 作為測(cè)試，其中文檔名長(zhǎng)度為16，打印文檔名為測(cè)試文檔.pdf，文檔版本號(hào)0001，頁碼20，文檔修訂時(shí)間2015.04.09，打印時(shí)間2015.05.02，文檔所有人員工號(hào)0001，打印人員工號(hào)0001，打印機(jī)編號(hào)03,備注信息作為測(cè)試。原始明文信息經(jīng)過加密后，轉(zhuǎn)換后的密文信息為：31 32 20 E6 B5 8B E8 AF 95 E6 96 87 E6 A1 A3 20 20 30 30 30 31 20 32 30 20 32 30 31 35 30 38 30 39 20 32 30 31 35 30 39 31 30 20 30 30 30 31 20 30 30 30 31 20 30 33 20 E6 B5 8B E8 AF 95 E7 94 A8 E4 BE 8B。加密后的密文經(jīng)過處理后生成最終的pdf417二維碼并嵌入到打印文檔中，打印結(jié)果如圖5所示。同時(shí)，打印服務(wù)器將此次打印記錄存入到數(shù)據(jù)庫中。打印文檔的二維碼水印信息在被提取處理過程時(shí)，利用PDF417編碼中的糾錯(cuò)碼能夠還原丟失的信息，得到了二維碼加密信息后經(jīng)過DES算法解密后成功得到了原始的二維碼信息：16 測(cè)試文檔.pdf 0001 20 20150409 20150502 0001 0001 03 作為測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，本系統(tǒng)在有干擾時(shí)，依然能夠準(zhǔn)確獲取二維碼的原始信息，表現(xiàn)出較高的可靠性。

圖5 打印文檔結(jié)果

6 結(jié) 語

本文闡述了基于ARM的安全打印機(jī)的研究和實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)打印文檔嵌入經(jīng)過加密的二維碼水印，能夠唯一標(biāo)示打印文檔的有關(guān)信息。在打印安全方面，系統(tǒng)既有打印前期的身份認(rèn)證機(jī)制，也有打印中期對(duì)打印文檔的加密，水印嵌入和二維碼添加的處理，還有打印后期的打印記錄功能，做到了整個(gè)打印過程的閉環(huán)處理。與其他市面上的安全打印機(jī)相比，本文設(shè)計(jì)的安全打印機(jī)具有低成本，方便部署，以及容易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，有著較為廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ARM-BASED SAFE PRINTER

Li Feng Li Ming

(School of Computer Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China)

With the arrival of information era,information security has become a hot issue with global concerns.As one of the most commonly used means of information sharing,printing brings huge convenience to our work and daily life,but also causes immeasurable losses to the enterprises and institutions due to information leakage brought about by it.To solve the problem of printing security,the safe printer we designed uses S5PV210 of ARM Cortex-A8 processor as the hardware platform,and Linux as software platform,it implements the functions of two-dimensional code generation,two-dimensional code watermark embedment,print audit,print control and print recording.The system can achieve late track and retrieval of the printing files through embedding 2D watermark information into the classified files and thus realises the closed-loop treatment of entire printing process.

Information security Secure printing S5PV210 Two-dimensional code Watermark Tracking

2015-07-18。李鋒，副教授，主研領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng),物聯(lián)網(wǎng),移動(dòng)APP開發(fā)。李明，碩士生。

TP309

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10.3969/j.issn.1000-386x.2016.11.071