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新式计算机体系信息泄漏概述及防泄漏研究

  • 发布日期:2013-12-04
  • 责任编辑:lgg
  • 论文字数:39800
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  • 论文编号:fb201312031636338167
  • 论文类型:硕士毕业论文
  • 论文价格:150

第一章 绪论


1.1 计算机电磁信息泄漏的研究背景
计算机以及计算机网络等信息技术设备在现代信息社会中应用越来越广泛,其安全性也日益突出,目前公开报道的信息加密、身份鉴别、密网关等信息防泄密方式都是针对信息传输路径所采取的手段。值得注意的是,此外还有通过对机箱、线缆、显示器所辐射出的电磁信息进行截获,还原,从而来窃取信息。随着计算机运行速度和像素的增加,显示器分辨率的提高,显示器屏幕尺寸的增大,网络传输距离以及传输容量的增大都使得计算机信息的泄漏风险大大增加,而且随着接收天线的高增益、高灵敏度以及接收机的信号处理特性的大大增强,使得基于计算机辐射电磁信息的安全问题存在很大隐患,亟待解决。以美国为首的西方国家早在 50 年代就开始了对电磁泄漏问题的研究。并于60 年代先后推出了新的泄漏发射标准 FS222 与 FS222A,同一时期信息设备的生产厂商开始采用屏蔽等技术手段生产专门的 TEMPEST(信息泄漏防护与侦收)设备装置。70 年代,美国推行“工业 TEMPEST 规划”,用于指导 TEMPEST 企业的生产。到了 80 年代,美国的 TEMPEST 技术发展更加成熟,并颁布了NACSIM5100A 标准,是迄今为止最严格的 TEMPEST 标准。90 年代以后,美国的 TEMPEST 市场保持相对稳定,其技术保密与管理工作已经建成一套完整而严密的体系,并且建立了完整的仿真、设计、生产、标准规范及验证测试的理论与工程体系。显然 TEMPEST 技术研究对我国信息安全具有重要的意义。因此开展对计算机信息泄漏特征的研究,确定其泄漏机理,研究其抑制理论与方法,掌握其技术发展规律,进而为计算机电磁信息泄漏防护提供理论依据和设计方法。TEMPEST 技术分为“信息截获及复现”与“计算机辐射信息泄漏防护”等两大研究领域:在信息截获及复现方面:英国剑桥大学学者 Markus Kuhn研究了 LCD 显示器的泄密发射,检测出所辐射的 UHF 信号和显示器显示的图像密切相关[1]。浙江大学的刘杰采用 TEMPEST ATTACK 设备实现泄漏发射信息的重建[2],其原理框图如图 1.1 所示:
而以美国的 DSI 公司、德国 ROHDE&SCHWARZ 公司为代表的计算机辐射信息截获复现设备的研制生产机构,其中以 ROHDE&SCHWARZ 的 FSET22 型号已将辐射侦察技术实用化,研制了各种适用于不同信息技术设备的 TEMPEST接收机。而国内中电 41 所也自主研发了 AV-3921 型 TEMPEST 宽带接收机,其频率范围为 100Hz~10GHz,中频带宽为 1Hz~50MHz,以嵌入式计算机为核心,采用宽带射频与中频处理、DSP 处理、宽带微波集成等多项技术。在计算机信息防护方面,现阶段计算机信息防截获技术,主要从最初的屏蔽、滤波等技术措施,到后来对有用信息辐射源的确定,然后针对不同的“红信息”源头(包含能够被截获并且恢复的电磁信息)来制定不同的信息防截获方案,例如针对主机和显示器传输的 DVI 线缆,因为其物理尺寸与波长的关系,具有“天线效应”,且大部分线缆是串行信息,易被截获,所以是防截获对象[3]。在此之前,西安电子科技大学曾对 DVI 线缆进行了信息处理,加入了 FPGA 信息处理板卡,对线缆传输信息进行了随机置乱,使得其频谱带宽大幅扩展,从而截获接收机无法截获接收[4]。现阶段国内外对信息技术设备的视频信息泄漏防护手段主要有:日本学者 Takashi 提出了一种将时钟频率信号进行调制的方法[5]:因为如果像素时钟频率改变,则水平同步信号、垂直同步信号、数据使能信号都会随之改变,因此只需对像素时钟信号进行调制。则截获方即使截获电磁信息无法同步信号进行还原处理。外置的信号干扰器:其作用是对信息安全要求较低的使用环境下,在计算机上接入伪信号发生器,其原理是先将计算机显示信号导入处理器,使得其产生与显示信号相关的信号,并通过天线进行电磁辐射,使得叠加的频谱特征接近于噪声,从而使截获方无法识别出有用信息。但缺陷是其伪信号发生器辐射功率大,对身边的人和设备都会形成不好的影响,故无法大面积应用于工程实践中。TEMPEST 加固型产品[6]:对于要求高的使用环境,通过对计算机视频信息采用屏蔽和滤波,抑制其通过空间传播的辐射信息和通过电源线、地线的传导信息,对信息泄漏的防护比较彻底,是目前国外的主流措施,但是研制费用贵、成本高,而且未对计算机泄漏的信息进行甄别,区分哪些是红信息,哪些是黑信息,而是对所有泄漏的电磁波进行防护,从而导致了加固成本居高不下。国内也已经展开了对视频显示系统信息安全的研究,我们国家在计算机视频信息防泄漏技术的研究中,已经取得了一定的进展,对基于 VGA 视频接口的防泄漏技术的研究较为成熟,多采用屏蔽、滤波和抖动伪发射等技术防止有用视频信息的泄漏[7]。对于近年来应用广泛的 DVI 接口,也提出了随机置乱、互补置乱、彩虹置乱等基于数字扩频手段的处理方法,并取得了良好的效果[4]。但是目前基于 LCD 显示器以及在高清和大屏幕显示中应用广泛的 HDMI 接口及线缆的电磁信息防泄漏研究却开展甚少。


第二章 基于 LVDS 接口信息泄漏分析


2.1 引言
本论文假设显示器的像素分辨率为的 1280×1024,真实的像素点值为1688×1066,则显示期所占时间为一帧时间的 72.8%[11],而且在消隐期传输的是无效视频信号,因此以显示期的视频传输规律为主要研究对象。结合 2.2 节中视频信号组成,当视频图像显示黑白点阵时,视频信号作为一维信号,像素点是以“高电平”“低电平”相互交替来进行传输,当像素点为黑时,24 位 RGB 数据(红基色数据 OR0~OR7,绿基色数据 OG0~OG7,蓝基色数据OB0~OB7)应全为低电平“0”,当像素点为白时,24 位 RGB 数据(红基色数据OR0~OR7,绿基色数据 OG0~OG7,蓝基色数据 OB0~OB7)应全为低电平“1”。因此当显示器显示黑白点阵时,24 为 RGB 基色数据是以“全 0”和“全 1”交替。根据 LVDS 信号的通道传输特征,以通道 2/TXO0 为例,其在一个像素时钟周期内,传输的是绿基色数据的最低位“OG0”,以及红基色数据的“OR5,OR4,OR3,OR2,OR1,OR0”。因此当显示器显示黑白点阵时,通道 2 也是在像素周期控制下,以“全 0”和“全 1”交替进行。


第三章 基于 HDMI 接口信息泄漏分析及抑制....21
3.1 HDMI 线缆传输视频信号流程 ..... 21
3.2 HDMI 链架结构和编码形式 ......... 22
3.2.1 视频数据周期信号分析及建模....... 24
3.2.2 HDCP 对 HDMI 电磁信息泄漏的影响 ...... 27
3.3 HDMI 的信息泄漏分析 ..... 28
3.4 本章小结..... 40
第四章 基于混沌信号的视频隐匿处理方案研究.......41
4.1 视频图像时域隐匿处理算法原理....... 41
4.1.1 白噪声的频谱特征......... 41
4.1.2 频谱扩展的概念与方法....... 42
4.2 视频图像时域隐匿处理算法分析....... 45
4.2.1 视频隐匿处理中随机序列的选取......... 45
4.3 时域隐匿处理算法原理的实现..... 51
4.4 频域图像隐匿处理方案的实现..... 54
4.4.1 小波变换频域隐匿处理算法实现 ........ 54
4.5 本章小结..... 58
第五章 总结及展望.......59
5.1 本论文的工作总结....... 59
5.2 研究展望..... 60


结论


本文对新型计算机系统的视频泄漏的可能性以及抑制方法展开了研究。计算机信息防截获问题并不是新鲜的事物,以美国为首的西方国家早在五十年代就开始了对电磁泄漏问题的研究,只是近几年来,随着显示器分辨率的提高、屏幕尺寸的增加、计算机运行速度的不断增加,网络传输距离以及传输容量的增大都使得计算机信息的泄漏风险大大增加,而且随着接收天线的高增益、高灵敏度以及接收机的信号处理特性的大大增强,使得基于计算机辐射电磁信息的安全问题存在很大隐患,亟待解决。但是随着计算机传输机理以及接口的改变,随之不断跟进的新型计算机系统的电磁信息泄漏机理分析以及抑制手段的研究却少之又少。国内对于 TEMPEST 的截获研究大多是停留在 CRT 显示器、VGA 线缆的泄漏机理上,并且防泄漏手段大多是以加固、屏蔽、滤波等传统电磁兼容手段进行,但是基于 LCD 显示器应运而生的 LVDS 接口及线缆、HDMI 接口及线缆的电磁信息的泄漏机理的分析以及泄漏抑制却少有人开展,因此本论文中以计算机信号流向作为分析线索,分析了位于显示器内部的 LVDS 接口的泄漏可能性以及安全防护半径,和连接计算机主机和显示器的 HDMI 线缆的泄漏机理,并从信号处理角度出发,针对视频信息截获原理的理解,并且结合实际应用,综合考虑成本、视频传输实时性、隐匿处理板卡安装的可操作性等,对新型计算机的泄漏抑制开展了有效地研究,有着良好的工程应用前景。本文的创新点主要体现在以下几个方面:
(1) 运用 matlab 对 LVDS 线缆实际传输数据的频谱进行仿真,并结合实际的辐射测试验证了位于显示器内部的LVDS接口及线缆的泄漏可能性,通过对LVDS接口及线缆的分析确定了 LVDS 线缆的泄漏机理,并结合对称阵子天线辐射性能理论以及接收机的接收性能指标计算方法确定了 LVDS 线缆的安全防护半径。
(2) 对 HDMI 视频线缆的信号传输进行了建模仿真,并对 HDMI 线缆的辐射频谱特性进行了实际的测试,将仿真频谱与测试频谱结合分析,并验证了 HDMI线缆的泄漏的可能性。


参考文献
[1] Markus G.Kuhn. Compromising emanations:eavesdropping risks of computerdisplays[J].University of Cambridge. 2003. pp1-3
[2] 刘杰,刘济林.TEMPEST ATTACK 对信息安全的威胁与对策[J].浙江大学学报.2004,31(5):P528-534
[3] Markus G. Kuhn.Electromagnetic Eavesdropping Risks of Flat-PanelDisplays[C].Presented at 4th Workshop on Privacy Enhancing Technologies2004.P1–28.
[4] 朱振辉.基于数字接口的视频信息电磁泄漏机理与防护[D].西安电子科技大学硕士论文.2010
[5] Takashi Watanabe,Hiroto Nagayoshi,Hiroshi Sako.Synchronization ClockFrequency Modulation Technique for Compromising EmanationsSecurity[J].
[6] National Security Telecommunications and Information Systems Security AdvisoryMemorandum NSTISSAM TEMPEST/2-95: RED/BLACK Installation Guidance,National Security Agency[R].Fort George G. Meade.Maryland, 12 December 1995
[7] Markus G. Kuhn. Compromising Emanations of LCD TV Sets.ElectromagneticCompatibility(EMC) [C],2011 IEEE Intermational Symposium.Aug.2011
[8] 邱扬,骆红廷.计算机视频信息泄漏中的红信号鉴别研究[J].舰船电子工程.2004,24:247~249
[9] 杨文翰 .实用化的计算机辐射信息截获技术研究.北京邮电大学博士论文[D].2011
[10] 诸昌钤.LED 显示系统原理及工程技术[M].成都:电子科技大学出版社.2006

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