基于TEMPEST的計(jì)算機(jī)電磁泄漏數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

1、第29卷第1期2005年2月武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering V o l . 29N o.1Feb .2005基于TEMPEST 的計(jì)算機(jī)電磁泄漏數(shù)據(jù)處理平臺(tái)3收稿日期:20041009梁軍:男,26歲, 碩士生, 主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)傳輸與處理3國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào):514471101(中國(guó)船舶重工集團(tuán)701所武漢430064摘要:針對(duì)計(jì)算機(jī)及其外設(shè)的電磁泄漏問(wèn)題, 分別在GTEM 室和EMC 室進(jìn)

2、行了相關(guān)測(cè)量. 應(yīng)用TDS 7104數(shù)字示波器用多種采樣率對(duì)被測(cè)設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量, 獲得了比較全面的時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù). 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)基于TEMPEST 的計(jì)算機(jī)電磁泄漏數(shù)據(jù)處理平臺(tái), 對(duì)測(cè)量得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析, 提取了時(shí)域、頻域的特征量, 為信息竊取與反竊取的研究工作奠定了基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:TEMPEST ; GTEM ; EMC ; 電磁泄漏; 時(shí)域; 頻域; 數(shù)據(jù)分析中圖法分類號(hào):TN 971. +1計(jì)算機(jī)電磁泄漏的測(cè)量方法有時(shí)域法和頻域法, 即針對(duì)計(jì)算機(jī)電磁泄漏時(shí)域和頻域測(cè)量的數(shù)據(jù), 提出了處理的方法, 編寫了處理軟件, 構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái), 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了特

3、征提取和分析對(duì)比, 旨在研究計(jì)算機(jī)信息泄漏的特點(diǎn), 為進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算機(jī)信息竊取與反竊取提供前期研究1,2.1測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取1. 1測(cè)量環(huán)境和測(cè)量對(duì)象測(cè)量環(huán)境有GTEM (吉赫橫電磁波 室和EMC 微波暗室. 在GTEM 室進(jìn)行了計(jì)算機(jī)電磁泄漏頻域測(cè)量, 在EMC 微波暗室進(jìn)行了計(jì)算機(jī)電磁泄漏時(shí)域、頻域測(cè)量. 測(cè)量對(duì)象如主機(jī)、顯示器、整機(jī)、路由器、Modem 、打印機(jī)、組網(wǎng)計(jì)算機(jī)等. 為了得到比較全面的計(jì)算機(jī)電磁泄漏數(shù)據(jù), 對(duì)每組測(cè)量對(duì)象在GTEM 室和EMC 微波暗室不同的擺放位置(朝前和朝后 和狀態(tài)(開(kāi)機(jī)和不開(kāi)機(jī)以及開(kāi)機(jī)后顯示什么內(nèi)容等 進(jìn)行了測(cè)量. 1. 2文中用到的測(cè)量數(shù)據(jù)及處理內(nèi)容1

4、對(duì)某臺(tái)整機(jī)的電磁泄漏測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域處理, 提供處理的方案設(shè)計(jì), 編寫處理及特征提取軟件, 構(gòu)建處理平臺(tái).2 由于GTEM 室空間所限, 只能由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行組網(wǎng), 針對(duì)組網(wǎng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn), 編寫了組網(wǎng)計(jì)算機(jī)間傳輸字符流的軟件, 傳輸?shù)膬?nèi)容可由用戶自己定義, 組網(wǎng)計(jì)算機(jī)在GTEM 室和EMC 微波暗室中的測(cè)量狀態(tài)分運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序和不運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序, 應(yīng)用構(gòu)建的處理平臺(tái)對(duì)組網(wǎng)計(jì)算機(jī)的電磁泄漏測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與分析. 被測(cè)計(jì)算機(jī)具體配置見(jiàn)表1.表1被測(cè)計(jì)算機(jī)配置計(jì)算機(jī)顯示器顯卡CPU 主板內(nèi)存集線器整機(jī)A 愛(ài)國(guó)者770FT 麗臺(tái)TNT 2P 32333MHz 華碩256MSDRAM 整機(jī)B三星

5、763MB七彩虹RV 250P 421.7GHz華碩512MDDR金浪16口HUB 2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的構(gòu)成2. 1時(shí)域數(shù)據(jù)處理時(shí)域數(shù)據(jù)處理流程圖見(jiàn)圖 1.圖1時(shí)域信號(hào)處理流程圖由于采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)是3. wfm 格式的文件, 需要用專用的格式轉(zhuǎn)換軟件ConvertTekWfm 將3. wfm 格式轉(zhuǎn)換為3. txt 格式, 這樣才可以用Windows 下的各種文本編輯軟件打開(kāi). 示波器采樣率最高可以達(dá)到10GHz , 在實(shí)測(cè)時(shí)用的最低的采樣率是2.0GHz , 目的是防止丟失信息, 但是這樣的采樣率采集到的數(shù)據(jù)密度很大, 不便于處理與分析, 故而需要編制軟件作數(shù)據(jù)降采樣處理, 降采樣后數(shù)據(jù)量

6、適中, 波形不變, 便于后續(xù)處理分析. 下面將簡(jiǎn)要介紹各種數(shù)據(jù)處理方法的原理3,4.1 數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗(yàn)將計(jì)算機(jī)電磁泄漏時(shí)域數(shù)據(jù)視為隨機(jī)信號(hào)是因?yàn)殡姶判孤┬畔⒂须S機(jī)性, 同時(shí)存在噪聲, 因而數(shù)據(jù)更具有隨機(jī)性. 在進(jìn)行處理之前, 應(yīng)先對(duì)數(shù)據(jù)做平穩(wěn)性檢驗(yàn), 只有平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)才具有各態(tài)歷經(jīng)性, 可以用一個(gè)樣本的時(shí)間平均取代樣本的集總平均4. 因此在進(jìn)行時(shí)域和頻域分析之前, 必須進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn), 在滿足平穩(wěn)性的前提之下再對(duì)其進(jìn)行特征提取和相關(guān)處理. 對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)有處理方案如近似按平穩(wěn)信號(hào)處理、采用時(shí)頻分析等. 2 概率密度函數(shù)估計(jì)有參數(shù)估計(jì)和非參數(shù)估計(jì)(核估計(jì) 之分. 所謂參數(shù)估計(jì)方法是指已知概率密

7、度函數(shù)的形式, 而函數(shù)的有關(guān)參數(shù)未知的情況下, 通過(guò)估計(jì)參數(shù)來(lái)估計(jì)概率密度函數(shù)的方法. 非參數(shù)估計(jì)法是指概率密度函數(shù)的形式未知, 即分布不是一些通常遇到的典型分布形式, 而4. 該3. , 、識(shí)別與特征提取等. 相關(guān)函數(shù)是描述隨機(jī)信號(hào)或確定性信號(hào)的重要的統(tǒng)計(jì)特性, 其特征參數(shù)是去相關(guān)時(shí)間.4 頻譜分析頻域中關(guān)于譜密度與譜分布具有如下特征參數(shù):譜寬; 譜偏度(表示譜曲線的不對(duì)稱程度 ; 譜峭度(表示譜曲線的扁平程度 . 2. 2頻域數(shù)據(jù)處理直接采集到的頻域數(shù)據(jù)首先進(jìn)行頻譜圖的繪制, 然后進(jìn)行去噪處理、最后進(jìn)行尋找極值點(diǎn)及其帶寬的處理. 頻域信號(hào)處理流程圖見(jiàn)圖 2.圖2頻域信號(hào)處理流程圖3數(shù)據(jù)處理

8、結(jié)果舉例3. 1時(shí)域數(shù)據(jù)處理根據(jù)整機(jī)電磁泄漏實(shí)測(cè)時(shí)域數(shù)據(jù)繪制時(shí)域波形圖, 見(jiàn)圖3、圖4.整機(jī)A 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下測(cè)量的時(shí)域數(shù)據(jù)降采樣由于原始數(shù)據(jù)采樣率太高(2.0GHz 采樣率 , 數(shù)據(jù)密度大, 從原始波形上看大致有7 個(gè)重復(fù)周圖3整機(jī)A 開(kāi)機(jī)時(shí)域波形(EMC 室(2.0GHz 采樣率48武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版 2005年第29 卷 圖4整機(jī)A 開(kāi)機(jī)時(shí)域波形(EMC 室(90MHz 采樣率-軟件降采樣期, 程序計(jì)算有200萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù), 平均每個(gè)周期有約28萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù), 故需要用程序?qū)⒉蓸勇式迪聛?lái). 選擇的采樣率為90MHz , 降采樣后數(shù)據(jù)量變?yōu)槊總€(gè)周期大約1200個(gè)數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)量適中, 波

9、形不變, 降采樣后的數(shù)據(jù)波形見(jiàn)圖4.整機(jī)A 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下測(cè)量的時(shí)域數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性檢驗(yàn)檢驗(yàn)的結(jié)果均為平穩(wěn), 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2, 其中均值是經(jīng)過(guò)歸一化處理的. 整機(jī)A 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下測(cè)量的時(shí)域數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)估計(jì), 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3. 整機(jī)A 關(guān)分析, 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下測(cè), 5.第24個(gè)4800平穩(wěn)0.0103180.070388表3整機(jī)A 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下時(shí)域數(shù)據(jù)概率密度函數(shù)估計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)起點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 個(gè)分布類型分布參數(shù)1第24個(gè)3600Weibull 分布形狀參數(shù)b :1.24尺度參數(shù)xm :0.01741822第24個(gè)4800Weibull 分布形狀參數(shù)b :1.24尺度參數(shù)xm :0.0173951表4整機(jī)A 開(kāi)

10、機(jī)狀態(tài)下時(shí)域數(shù)據(jù)相關(guān)性分析測(cè)試數(shù)據(jù)起點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 個(gè)采樣率 MHz去自相關(guān)時(shí)間 s 1第24個(gè)3600900.00115582第24個(gè) 4800900.0011494表5整機(jī)A 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下時(shí)域數(shù)據(jù)頻譜分析測(cè)試數(shù)據(jù)起點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 個(gè) 采樣率 MHz 譜寬 K第24個(gè)4800901176.700.899180.687033. 2頻域數(shù)據(jù)處理整機(jī)A 在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下, 不管在GTEM 室還是EMC 微波暗室, 頻譜變化豐富的區(qū)域主要集中在1GHz 內(nèi).1GHz 以上電磁泄漏比較微弱. 將GTEM 室和EMC 微波暗室測(cè)量的譜線展開(kāi)后發(fā)現(xiàn)在2MHz 以內(nèi), 均出現(xiàn)間隔較為均勻的譜線, 譜線間隔為5070kHz

11、 , 單測(cè)顯示器也有同樣的均勻譜線和間隔, 更深入的分析有待進(jìn)一步的研究.4處理平臺(tái)完成基于TEMPEST的數(shù)據(jù)流信息特征提取本項(xiàng)目針對(duì)TEMPEST 做了大量相關(guān)試驗(yàn), 如顯示器靜態(tài)全屏顯示一個(gè)漢字對(duì)顯示器單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量、對(duì)主機(jī)進(jìn)行測(cè)量、對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)量、組網(wǎng)計(jì)算機(jī)間傳送字符流測(cè)量等. 限于篇幅, 這里僅對(duì)組網(wǎng)計(jì)算機(jī)傳送字符流的頻域測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取.下面給出組網(wǎng)計(jì)算機(jī)在不同狀態(tài)下在GTEM 室測(cè)量的頻譜圖, 圖5、圖6分別是組網(wǎng)計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)不運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序頻譜圖, 圖7是兩者頻譜差異圖.從測(cè)量的頻譜圖上可以看到, 頻譜變化豐富的區(qū)域主要集中在1GHz 內(nèi), 對(duì)比組網(wǎng)計(jì)算機(jī)是否運(yùn)行網(wǎng)

12、絡(luò)程序測(cè)量的頻譜數(shù)據(jù), 組網(wǎng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序傳輸字符流“武漢理工大學(xué)”測(cè)量的頻譜有整體減少13dB V 的趨勢(shì), 表6給出了圖5組網(wǎng)計(jì)算機(jī)不運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序頻譜圖58第1期梁軍等:基于TEMPEST 的計(jì)算機(jī)電磁泄漏數(shù)據(jù)處理平臺(tái) 圖6 組網(wǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序圖7組網(wǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序時(shí)測(cè)量的頻譜減去不運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序測(cè)量的頻譜組網(wǎng)計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)電磁泄漏的幾個(gè)極值點(diǎn)的幅度變化情況.表6組網(wǎng)計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)電磁泄漏極值點(diǎn)頻譜對(duì)比頻率 MHz76180335.7419431組網(wǎng)計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)不運(yùn)行程序頻譜值 dB V42組網(wǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)程序頻譜值 dB V后絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都集中在30MHz 以內(nèi)(從圖7上可以直觀看到

13、 . 相減后的數(shù)據(jù)是兩組數(shù)據(jù)的差異, 有關(guān)專家提示, 在這里假設(shè)兩組測(cè)量數(shù)據(jù)的環(huán)境噪聲相同成立的條件下, 這樣的頻譜可以認(rèn)為是字符流在傳輸?shù)倪^(guò)程中釋放的特征頻譜. 這無(wú)疑對(duì)信息竊取與反竊取有重要的參考價(jià)值和研究意義. 更具體的分析有待進(jìn)一步的探索., 在此表:王海櫻、侯冬云、黃瓊、魏宏權(quán)等同志對(duì)測(cè)試工作的大力支持! 同時(shí), 文中中涉及的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)程序引用邊群玲, 顏南霞的學(xué)位論文, 在此表示感謝!參考文獻(xiàn)1盧凌, 顏南霞, 王皚等. 計(jì)算機(jī)的信息泄漏與反信息竊取. 武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(52盧凌, 楊杰, 楊春金等. 基于GTEM 的計(jì)算機(jī)電磁壓漏測(cè)試方法研究. 武漢交通科技大

14、學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(4 :3413453Lu Ling , Nie Yan , Zhang Hongying . The electroma 2genetic leak ageand protection for computer . IEEEP 2RESS , 北京:電子工業(yè)出版社,1997.3783824邊群玲. 基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法的雷達(dá)雜波特征提取研究:學(xué)位論文.武漢:武漢交通科技大學(xué),2000.3447Data Processing Platform of Electromagnetic Leakages of Computer Based on TEMPESTLiang Jun

15、 Lu Ling Nie Mingxin Du Zonggang Li Sheng Yang Shunliao(School of Information Technology , WUT , Wuhan 430063Song Wenwu Wu Nan(701Institute , CSSC , Wuhan430064AbstractThe paper measures the electromagnetic leakages of computer in GTEM cell and EMC microwave anechoic chamber . It provides some treatment metho