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淺談軍用計算機電磁信息安全與防護
摘要：利用電磁學的方法分析了計算機電磁信息輻射的原理?引入偶極子分析計算了計算機電磁信息輻射場的頻譜與場強;研究了計算機電磁信息輻射接收機的接收原理?進一步定量分析了輻射場強與接收機帶寬、噪聲系數、接收天線定向性和增益之間的數值關系;闡述了計算機電磁信息泄露的方式和途徑?概括了基于實際的軍隊計算機應用中電磁信息安全與防護的主要手段。
關鍵詞：計算機 電磁輻射 信息安全 TEMPEST
隨著信息技術的發(fā)展和微型計算機的普及應要處理、傳輸、存儲的軍事機密的安全構成了嚴重的用?計算機已成為目前最關鍵、應用最廣泛的信息處威脅?給國家和軍隊造成重大損失。理、傳輸和存儲的電子設備。軍隊指揮自動化、國防為了確保涉及軍事機密的信息的處理、傳輸、存工程的通訊與指揮、現代化的武器裝備以及智能化儲更安全有效?就必須重視軍用計算機的電磁信息的信息技術產品等無不與計算機有關。由于計算機安全與防護?研制、開發(fā)和使用防信息泄漏的計算的特殊構造方式?它在工作時?會向周圍空間輻射電機。在計算機信息安全領域?電磁信息輻射的研究磁波?這些電磁輻射信號包含豐富的頻譜資源?攜帶屬于TEMPEST(Transient ElectroMagnetic Pluse Em-大量有用信息?一旦被敵方接收并破譯?就對計算機anationStandard)的研究范圍。
1、電磁信息泄露原理
1.1計算機輻射原理
麥克斯韋于1846年歸納出了麥克斯韋方程組。根據麥克斯韋方程組(方程組(1))可知?電路中只要有電流的變化就會有電磁波的產生?任何時變電磁場都會向四周空間輻射電磁信號?任何載有時變電磁信號的導體都可作為發(fā)射天線向周圍空間輻射電磁信號。
由公式(2)、(3)可以看出?偶極子所載信號幅度越大?頻率越高;功率越大?輻射場強越強;信號波形越尖銳?其頻譜越寬;高頻分量越豐富?其輻射場強越強。
計算機系統(tǒng)的主要硬件有主機、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機和其他外設備?電源線、主機與外設備間的互連線纜(信號線、數據線和控制線)?連接主機、外設備與互連線纜的連接器。計算機電路組成復雜?各個部件以及各種時鐘電路都存在電磁輻射?產生攜帶大量信息的輻射電磁波。這些電磁波就通過計算機的主機、外設備、線纜和連接器向周圍空間輻射?產生的電磁信息泄漏伴隨計算機對信息的接收、處理和發(fā)送的全過程。
從信息種類來分?計算機電磁輻射信息包括視頻信息、鍵盤輸人信息、磁盤讀寫信息等。從輻射部件來分?計算機的電磁輻射可以分為處理器的輻射、通信線路的輻射、轉換設備的輻射、輸出設備的輻射等。
從輻射方式來分?還可以分為一次泄漏和二次泄漏。對于處于復雜電磁環(huán)境中的計算機?周圍的電磁波接收和發(fā)射裝置有可能成為計算機二次泄漏輻射的載體。如果計算機輻射信號以某種形式藕合到計算機周圍的發(fā)射電路中?它以兩種形式二次發(fā)射出去:輻射信號藕合在放大器的前級?被放大器直接放大發(fā)射出去;輻射信號藕合在混頻器前級?與發(fā)射機內的本振經混頻器混頻再經放大器發(fā)射出去。二次泄露輻射的強度可能超過一次泄漏的輻射強度?降低了計算機設備的防護等級?增加了信號泄露的危險。
1.2計算機輻射信息的接收
計算機工作時產生的極其豐富的諧波資源可達兆赫茲(GHz)以上?電磁輻射最強的頻帶范圍一般在20~so Hz之間?計算機的串口、并口、線纜和連接器?其信息泄露的帶寬一般較低?約在01 MH:?只要接收機的帶寬大于01 MHz?就能有效地接收計算機的輻射信息。計算機視頻信息的電磁輻射較為嚴重?隨著顯示器的分辨率越來越高?輻射的頻率范圍也越來越寬?輻射強度也不斷增加?被接收還原的可能性也不斷增大。1958年?vna.Eck在論文中提出?可以在1儀x〕m處接收還原視頻信息?20世紀90年代英國人稱可以在 160 m接收還原視頻信號。其余部件的輻射?在滿足接收機條件的情況下?
當確定了接收機的帶寬B、接收機的噪聲系數凡、接收機天線的定向性D(或者增益G)?便可以確定接收機能接收到的最低場強?只要大于最低接收場強的計算機電磁輻射信號均可以被接收機接收。
2、安全與防護
為了降低計算機電磁輻射信息泄露的危險?確保涉及軍事機密的信息的處理、傳輸、存儲更安全有效?必須采取安全防護措施。目前的計算機防電磁信息泄露所采取的措施主要有3種?即信號干擾技術、電磁屏蔽技術和TEMPEST技術。
2.1信號千擾技術
信號干擾技術是指利用相關原理?將能夠產生噪聲的干擾機放在計算機旁?把干擾機發(fā)射出來的噪聲電磁波和計算機輻射出來的信息電磁波混在一起?通過不同技術途徑實現與計算機輻射信息的相關聯?并產生了大量與計算機相同頻譜特性的偽隨機干擾信號?使干擾信號與計算機設備的信息輻射混合在一起向外輻射?所以能破壞原輻射信號的形態(tài)?降低輻射信息被接收后還原的可能。它具有造價低廉、移動方便、體積小、質量輕等特點?是目前國際上應用最廣泛的一種防泄漏措施。
信號干擾技術主要是針對計算機的視頻輻射信息泄漏采取的一種防護措施?缺點是干擾機的干擾噪聲 (白噪聲)和計算機的輻射信號(主要是視頻信號)的特性是不同的?可以被接收者區(qū)分開?提取到其中的有用信息。而且?信號干擾技術多采用覆蓋式干擾信號? 容易造成電磁污染和防護對象單一。
2.2電磁屏蔽技術
電磁屏蔽技術是利用電磁屏蔽原理?將計算機關鍵部分用特殊材料包起來?抑制近場感應和遠場輻射、中斷電磁輻射沿空間的傳播途徑?是解決電磁信息泄漏的重要手段。
電磁屏蔽有雙重作用:減小電磁輻射泄漏;防止外界電磁干擾。屏蔽方法有多種?根據不同需要可以采用整體屏蔽、部件屏蔽和元器件屏蔽。如:屏蔽電纜、屏蔽電路、屏蔽機柜、屏蔽室等。屏蔽效果與材料性能、輻射頻率、屏蔽體結構和輻射源的距離等有關。屏蔽體都需與大地相連?為屏蔽體上的電荷提供一條低阻抗的電氣泄放通路。電磁屏蔽的效果與屏蔽體接地的好壞密切相關?一般屏蔽體的接地電阻都要求。從使用的效果來看?屏蔽室更理想?好的屏蔽室可使信號衰減60一140dB?缺點是造價高。采用電磁屏蔽的方法防止電磁輻射泄漏時?并不是所有的設備和元器件都能完全封閉在屏蔽室?內。比如?電源線、信號線等均與外界有聯系?輻射電磁波可以通過傳導方式傳到屏蔽室外造成信息泄漏。
2.3 TEMPEST技術
TEMPEST技術即低輻射技術?是指在設計和生產計算機設備時?對可能產生電磁輻射的元器件、集成電路、連接線、顯示器等采取防輻射措施?從而達到減少計算機信息泄漏的目的。前景較好的是紅、黑設備分離技術。采用紅黑分離技術制造紅黑分離式計算機?是指在系統(tǒng)設計中引人紅黑工程概念?將計算機設備上的信號分為紅黑兩種信號?紅信號是指能被接收破譯?并復現出有用信息的信號;黑信號是指即使被接收到?也不能復現出有用信息的信號。把紅信號與黑信號完全隔離開來?然后對隔離后的紅信號采取特殊處理措施?使其達到防電磁信息泄漏極限值的要求。在計算機設備中?相應地也定義了紅設備、黑設備等概念。紅設備是處理保密數據信息的設備?黑設備是處理非保密數據信息的設備。
紅黑設備之間是不允許進行數據傳輸的。通常是在兩者之間建立紅黑隔離界面?僅僅實現黑到紅設備之間的單向信息傳輸。
軟件TEMPEST技術191是國外近年發(fā)展起來的新的電磁防護技術?基本原理是通過給視頻字符添加高頻“噪聲”并伴隨發(fā)射偽字符?使敵方無法正確還原真實信息?而我方可正常顯示。它替代了過去由硬件完成的抑制干擾功能?成本較低。采用TEM-PEST技術的防護型TEMPEST計算機?使用軟件來控制計算機輻射信號的發(fā)射?同時加入了專用的攻擊程序?當有人企圖截獲信息時系統(tǒng)能自動保護并進行自衛(wèi)反擊。
3、結束語
軍隊的安全保密工作尤為重要?信息截獲與保密歷來是軍事斗爭異常尖銳激烈的方式?軍用計算機電磁信息安全與防護問題日益突出?是近年來情報戰(zhàn)的新熱點?成為關系軍事安全和國家信息安全的重大問題。防止軍用計算機信息泄露?保障計算機安全可靠的工作?已成為世界各國尤其是軍事安全部門的重要研究課題?有著重要的軍事價值和現實意義。必須研究計算機電磁信息安全與防護的規(guī)律?加大技術投入和管理力度?提高軍隊計算機信息安全的防護水平。
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