电子信息设备电磁泄露及防护技术
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信息系统的电磁泄漏及其防护技术的研究随着信息技术的不断发展,信息系统在人们的生活和工作中扮演着愈来愈重要的角色。
信息系统的安全性一直是人们关注的焦点之一,其中电磁泄漏对信息系统安全构成了一种威胁。
为了有效防范电磁泄漏对信息系统的威胁,对电磁泄漏及其防护技术进行研究具有重要的意义。
本文将从电磁泄漏的概念、电磁泄漏的危害和电磁泄漏的防护技术等方面展开研究,以期为信息系统的安全提供一定的参考。
一、电磁泄漏的概念电磁泄漏是指信息系统中的电磁辐射泄漏到外部环境或者泄漏到其他未授权部门的情况。
电磁泄漏主要是源于信息系统中的电子设备,例如计算机、网络设备、通信设备等在工作时所产生的电磁辐射。
这些电磁辐射往往包含了一定的信息内容,如果这些信息泄漏出去,就会对信息系统的安全性造成威胁。
电磁泄漏可以通过电磁波辐射、电磁干扰等方式进行传播,因此需要进行一定的防护措施来保护信息系统的安全。
电磁泄漏对信息系统的安全构成了一种潜在威胁,其危害主要表现在以下几个方面:1.信息泄露:通过分析电磁泄漏所携带的信息内容,可能会泄露出一些机密信息,如公司的商业机密、个人隐私信息等。
这对信息系统的安全性造成了直接威胁。
2.电磁干扰:电磁泄漏会对周围的其他设备产生干扰,影响设备的正常工作。
特别是对于一些对电磁干扰比较敏感的设备,比如医疗设备、航空设备、核设施等,电磁泄漏的影响更为严重。
3.信息攻击:黑客可以通过获取电磁泄漏的信息内容,进行一些针对性的信息攻击,如窃取信息、劫持通信等,从而对信息系统造成破坏。
电磁泄漏的危害性不容忽视,必须采取有效的措施进行防护。
三、电磁泄漏的防护技术为了有效防止电磁泄漏对信息系统的威胁,需要采取一系列的防护技术来保护信息系统的安全。
目前,针对电磁泄漏的防护技术主要包括以下几个方面:1.防护设备:采用一些专门的电磁屏蔽设备和设备密封技术,将电子设备的电磁泄漏减小到最小,从而避免信息的泄露。
2.加密技术:对信息进行加密处理,能够有效防止电磁泄漏对信息的泄露。
涉密信息系统中有哪些需要考虑电磁泄漏发射的防护,主要防护措施有哪些?涉密信息系统中需要考虑到电磁泄漏发射防护的主要包括计算机主机、显示器服务器等会产生电磁辐射的电子设备。
目前可以采用的措施主要有:使用低辐射设备、距离防护、利用噪声干扰源、电磁屏蔽、滤波技术、隔离技术和光纤传输。
(1)选用低辐射设备。
低辐射设备即TEMPEST设备。
选用低辐射设备是计算机设备防泄漏的根本措施。
这些设备在设计和生产时就采取了防辐射措施,把设备的电磁泄漏抑制到最低限度。
显示器是计算机安全的一个薄弱环节。
对显示器的内容进行窃取,已是一项成熟的技术,因此选用低辐射显示器十分重要。
单色显示器的辐射比彩色显示器低得多,使用等离子显示器或液晶显示器也能进一步降低辐射。
(2)距离防护。
计算机的电磁波辐射在空间传播时随距离的增加而衰减,当离开辐射源一定距离时,信息辐射场强会变得很弱,这时就很难甚至无法接收到泄漏的信息了。
采用距离防护,可以将电磁泄漏减少到一定限度。
这种方法仅适用于有较大防护距离的单位,即将计算机房尽量远离非本单位管辖区(如大街、公路及公共场所),在机房内使计算机尽量远离电话线、暖气管、水管等金属线路,以此使计算机向本单位以外的辐射强度减到最小。
(3)利用噪声干扰源。
利用噪声干扰源有两种方法:一是将一台能产生噪声的干扰器放在计算机设备旁边,干扰器产生的噪声与计算机设备产生的信息辐射一起向外辐射,使计算机设备产生的辐射不易被接收复现。
干扰器产生的电磁辐射不应超过EM工(电磁干扰)标准。
二是将处理重要信息的计算机放在中间,四周放一些处理一般信息的设备,让这些设备产生的电磁泄漏一起向外辐射。
(4)电磁屏蔽。
电磁屏蔽是抑制辐射源的电磁辐射,衰减外界电磁干扰的有效措施。
用屏蔽体包封一个电磁辐射源(如变压器),可阻止电磁能量向外辐射;电磁屏蔽包括屏蔽计算机设备和屏蔽电缆两种。
屏蔽计算机设备是将使用计算机设备的空间,用具有一定屏蔽度的金属丝网屏蔽起来,或放在屏蔽箱内,再将此金属网罩或屏蔽箱接地。
电磁信息泄漏的危害与防护
危害:客观存在
电磁泄漏是指电子设备的杂散(寄生)电磁能量通过导线或空间向外扩散。
任何处于工作状态的电磁信息设备,如:计算机、打印机、传真机、电话机等,都存在不同程度的电磁泄漏,这是无法摆脱的电磁学现象。
如果这些泄漏夹带着设备所处理的信息,就构成了所谓的电磁信息泄漏。
事实上,几乎所有电磁泄漏都夹带着设备所处理的信息,只是程度不同而已。
在满足一定条件的前提下,运用特定的仪器均可以接收并还原这些信息。
因此,一旦所涉及的信息是保密的,这些泄漏,就威胁到了信息安全。
有资料表明:普通计算机显示终端辐射的带信息电磁波可以在几百米甚至一公里外被接收和复现;普通打印机、传真机、电话机等信息处理和传输设备的泄漏信息,也可以在一定距离内通过特定手段截获和还原。
这种电磁泄漏信息的接收和还原技术,目前已经成为许多国家情报机构用来窃取别国重要情报的手段。
当然,对电磁泄漏信息的截获还原并不是无条件的,只有强度和信噪比满足一定条件的信号才能够被截获和还原。
因此,只要采取一定的措施,弱化泄漏信号的强度,减小泄漏信号的信噪比,就可以达到电磁防护的目的。
电子器件的电磁干扰防护技术在当今高度信息化的时代,电子器件已成为我们生活和工作中不可或缺的组成部分。
从智能手机、电脑到各种智能家电,电子器件的广泛应用给我们带来了极大的便利。
然而,随着电子器件的日益复杂和密集使用,电磁干扰问题也日益凸显。
电磁干扰不仅可能影响电子器件的正常运行,甚至可能导致严重的故障和安全隐患。
因此,掌握有效的电磁干扰防护技术对于保障电子器件的可靠性和稳定性至关重要。
电磁干扰的来源多种多样。
首先,自然现象如雷电、太阳黑子活动等都可能产生强烈的电磁辐射,对电子器件造成干扰。
其次,各种电子设备自身在工作时也会发射电磁波,如通信设备的射频信号、电源的开关噪声等。
此外,电气设备的短路、过载等故障也会引发电磁脉冲,干扰周边的电子器件。
电磁干扰对电子器件的影响不容小觑。
它可能导致电子器件的性能下降,如信号失真、数据丢失、误操作等。
在一些关键应用领域,如医疗设备、航空航天系统等,电磁干扰甚至可能危及生命安全和造成巨大的经济损失。
为了有效地防护电子器件免受电磁干扰的影响,我们可以采取多种技术手段。
屏蔽技术是一种常见且有效的方法。
通过使用导电材料制成的屏蔽罩或屏蔽室,可以将电子器件与外界的电磁辐射隔离开来。
屏蔽材料的选择至关重要,常见的有金属如铜、铝等,它们具有良好的导电性和电磁屏蔽性能。
在设计屏蔽结构时,需要考虑屏蔽的完整性和接缝的处理,以避免电磁泄漏。
滤波技术也是常用的手段之一。
滤波器可以阻止特定频率的电磁干扰信号通过,从而保护电子器件。
电源滤波器可以消除电源线上的干扰,信号滤波器则用于净化输入和输出的信号。
滤波器的参数选择需要根据具体的干扰频率和信号特性来确定。
接地技术是电磁干扰防护的基础。
良好的接地可以为干扰电流提供低阻抗的通路,使其迅速流回源端,从而减少对电子器件的影响。
接地系统的设计要注意接地电阻的大小、接地方式的选择以及地线的布局等。
布线和布局优化对于减少电磁干扰也非常重要。
合理安排电子器件内部的线路走向,减小线路之间的耦合和交叉干扰。
信息系统的电磁泄漏及其防护技术的研究随着信息技术的迅猛发展,各种类型的信息系统在我们的生活中发挥着越来越重要的作用。
随着信息系统的不断发展,其安全性和保密性面临着越来越多的挑战。
电磁泄漏是信息系统安全的一大隐患,对此进行研究并采取相应的防护技术是至关重要的。
电磁泄漏是指电子设备在工作时产生的电磁波向外传播,被他人窃取并用于间谍活动或其他非法用途。
电磁泄漏不仅会导致信息系统的数据泄露,还会影响到国家安全和企业利益,因此对电磁泄漏进行研究和防护技术的开发显得十分迫切。
我们需要了解电磁泄漏的原理和特点。
电磁泄漏是由于信息系统中的电子设备在工作时产生的电磁辐射波,这些波可以被窃取并转化为可识别的信息。
电磁泄漏的特点是不易被察觉,因为它不需要直接接触设备就能获取信息。
这就为潜在的攻击者提供了机会。
我们需要对电磁泄漏的特点和威胁进行深入理解。
我们需要研究电磁泄漏的影响范围和可能造成的危害。
电磁泄漏的范围是比较广泛的,它可以对周围的信息系统和设备产生影响。
对于一些关键的信息系统,电磁泄漏可能导致机密信息被窃取,从而影响国家安全和企业利益。
必须认识到电磁泄漏的潜在危害,以及采取有效的防护措施。
针对电磁泄漏的研究,我们可以采取多种技术进行防护。
我们可以通过物理隔离的方法来防止电磁泄漏。
这包括对信息系统和设备进行特殊设计和布局,以减少电磁波的传播范围。
我们可以采用电磁屏蔽的方法来防止电磁泄漏。
这包括在设备和设施周围设置电磁屏蔽结构,以阻止电磁波的外泄。
我们还可以采取密码学和加密技术来防止电磁泄漏被用于窃取信息。
通过对信息进行加密处理,即使电磁泄漏被窃取,攻击者也难以解析出有用的信息。
除了技术上的防护,我们还需要加强对电磁泄漏的监测和管理。
这包括对信息系统和设备进行定期的检测和评估,以及认真处理检测到的电磁泄漏问题。
我们还需要加强对信息系统和设备的安全管理,包括设置权限和访问控制,以防止未经授权的人员接触和操作设备。
电子设备对人体的辐射影响及防护措施如下:
1. 辐射时间。
长期接触电脑的人更易患上答题综合征。
研究人员发现,台式电脑机箱外壳为金属材质,对电磁辐射有“吸收”作用,所以电磁辐射难以从机箱直接泄漏出去。
开机后,机箱外壳的辐射一会最高,二会逐渐减弱。
在开机后的半小时中,机箱外壳的辐射强度相对较高。
2. 屏幕亮度。
研究还发现,屏幕亮度越高,电磁辐射越强,反之越低。
所以,要选择屏幕亮度适当的显示器。
3. 正确使用电脑。
操作电脑时最好在显示屏上安一块电脑专用滤色板以减轻辐射的危害,室内不要放置闲杂金属物品,以免形成电磁波的再次发射。
使用电脑时,要调整好屏幕的亮度,一般来说,屏幕亮度越大,电磁辐射越强,反之越小。
不过,也不能调得太暗,以免影响基本视力和造成疲劳。
4. 注意生活细节。
建议在操作电脑时穿好工作服,以阻挡周围辐射源的入侵;使用手机时,不要将手机挂在胸前或放在裤袋里;睡觉时,手机最好放在离床稍远处,尽量减少手机在人体附近发生的电磁辐射。
5. 合理膳食。
合理膳食可以增强对辐射损伤的抵抗能力。
维生素E有助于增强体内抗氧化物质,核桃、腰果、胡萝卜、全麦面包、奶酪等食物都可以提高维生素E的摄入量。
维生素B族对眼睛有养护作用,富含维生素B群的食物有糙米、胚芽米、瘦肉、鸡蛋、牛奶、豆类、绿叶蔬菜等。
以上信息仅供参考,建议咨询专业人士获取更详细的信息。
电磁泄漏信息安全的隐患在信息时代的今天,信息安全问题已经摆在了一个十分重要的位置。
防止计算机及其外部设备的电磁泄漏是信息安全的一个重要环节。
本文简要分析了计算机信息系统中电磁泄漏的途径,并对TEMPEST技术及电磁泄漏的防范措施进行了介绍。
标签:信息安全电磁泄漏TEMPEST技术0 引言1985年,在法国举办的“计算机与通信安全”国际会议上,来自荷兰的电子工程师范·艾克在大会现场作了一个演示,他用价值仅几百美元的器件对普通黑白电视机稍加改造,然后安装在汽车里,这样就从楼下的街道上,接收到了放置在8层楼的计算机电磁波的资讯,计算机屏幕上显示的图像在会场一览无遗。
他的演示给与会的各国代表以巨大的震动。
直到此时,电磁泄漏给信息安全带来的危害才引起了国际社会的广泛重视和关注,各国纷纷投人大量经费进行研究。
电磁泄漏是指电子设备的杂散(寄生)电磁能量通过导线或空间向外扩散。
任何处于工作状态的电磁信息设备,如:计算机、打印机、传真机、电话机等,都存在不同程度的电磁泄漏,这是无法避免的电磁学现象。
如果这些泄漏携带着设备所处理的信息,就构成了所谓的电磁信息泄漏。
在满足一定条件的前提下,运用特定的仪器均可以接收并还原这些信息。
因此,一旦所涉及的信息是保密的,这些泄漏,就构成了信息安全的隐患。
1 电磁泄漏的途径任何电子设备,包括计算机,都会产生不同程度的电磁泄露。
例如计算机主机中的各种数字电路的电磁泄露,显示器视频信号的电磁泄露,键盘按键开关引起的电磁泄露,打印机的低频电磁泄露,信号传输线路和电源线等都会产生电磁泄露。
计算机及其外部设备携带的数据信息可以通过两种方式泄露出去。
一种是以电磁波的形式由空中辐射出去,称为辐射泄露。
这种辐射是由计算机内部的各种传输线、信号处理电路、时钟电路、显示器、开关电路及接地系统、印刷电路板线路等产生的。
另一种是电磁能量通过各种线路传导出去的,称为传导泄露。
例如,计算机系統的电源线,机房内的电话线,地线等都可以作为传导媒介。
TEMPEST技术概括TEMPEST技术,又称“计算机信息泄漏安全防护技术”,是瞬时电磁辐射标准英文(Transient Electromagnetic Pulse Emanation Standard)的缩写;TEMPEST 最早起源于美国国家安全局的一项绝密计划,它是控制电子设备泄密发射的代号。
该项计划主要包括:电子设备中信息泄漏(电磁、声)信号的检测;信息泄露的抑制。
TEMPEST技术研究的主要内容包括:技术标准及规范研究;测试方法及测试仪器设备研究;防护及制造技术研究;服务、咨询及管理方法研究。
TEMPEST技术采用的主要措施包括:滤波、屏蔽、干扰、接地、隔离等措施,而且这些措施也可以结合起来使用。
TEMPEST技术已历经三代:第一代,从1950年至1982年,以包容式TEMPEST计算机为代表;第二代,从1982年至1997年,以红黑分离式TEMPEST计算机为代表;第三代,从1997年开始,则是以SOFT-TEMPEST技术为代表。
SOFT-TEMPEST技术是由英国剑桥大学两位学者于1997年发明并推广应用的一项防信息泄漏新技术,其基本原理是通过给视频字符添加高频“噪声”并伴随发射伪字符,使敌方无法正确还原真实信息,而我方可正常显示,质量无变化,它替代了过去由硬件完成的抑制干扰功能,成本较低。
采用TEMPEST技术的防护型TEMPEST计算机,使用软件来控制计算机机密信号的发射,同时加入了专用的攻击程序,当有人企图截获信息时系统能自动保护并进行自卫反击。
从计算机信息泄漏安全防护技术相关设备来说,国外加拿大EMCON公司、英国Rugged Systems公司和Candes Systems等公司都纷纷推出各自的防电磁信息泄漏计算机,配置了目前主流的Intel Pentium 4处理器和LCD液晶显示器等设备,电磁辐射都符合国外相关标准,如EMCON公司推出的SFFC TEMPEST计算机采用Intel Pentium 4处理器,17或19英寸显示器和其他外围设备,电磁泄漏符合NSTISSAM TEMPEST/1-92 Level 1和NATO AMSG 720B TEMPEST标准。
第31卷第2期北京电子科技学院学报2023年6月Vol.31No.2JournalofBeijingElectronicScienceandTechnologyInstituteJun.2023电磁信息泄漏原理及其防护对策综述∗韩妍妍㊀魏万奇㊀窦凯丽北京电子科技学院,北京市㊀100070摘㊀要:随着信息技术的快速发展,电子通信设备现已被应用于社会的方方面面㊂但是,由于它们在工作时往往会产生一定的电磁辐射,因而可能会造成数据泄漏,进而造成不必要的损失㊂通过对国内外学者就信息设备工作过程当中所产生的电磁泄漏所做的相关研究进行梳理,对电磁泄漏过程中所产生的有用信息做了分析,在介绍电磁泄漏原理的同时,指出了电磁泄漏的主要传播路径和发射模型㊂面对信息设备电磁泄漏问题,提出了一系列有效防护措施,并且展望了未来该领域的发展趋势和研究方向㊂关键词:信息设备;电磁泄漏;电磁防护;信息安全中图分类号:TN975㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1672-464X(2023)2-44-59∗㊀基金项目:中央高校基本科研业务费优硕培养类资助项目(项目编号:328202233);北京高校高精尖学科建设基金资助项目(项目编号:3201023)∗∗㊀作者简介:韩妍妍(1982-),女,博士,副研究员,主要从事秘密共享㊁信息安全管理㊁区块链研究㊂引言㊀㊀由于科技的发展和人类社会对现代智能装备的需求日益增加,大量的电子产品涌入市场,这些电子设备为人们的工作和生活带来了不少的便利,但也往往潜藏着一定的安全隐患㊂电子设备工作过程当中所产生的电磁辐射往往夹杂着一些敏感信息,一旦这些敏感信息被其他人获取并复现,对个人㊁机构和国家所造成的损失是无法估量的㊂因此,电磁信息泄漏及其防护也是当前信息安全研究领域最为重要的课题之一㊂美国国家安全局及其国防部[1]最早开展了有关电磁信息泄漏的研究,将其作为一种重要的保密技术,并取代号为TEMPEST㊂目前业界内大多数学者认为TEMPEST[2]是瞬态电磁脉冲辐射截获技术(TransientElectromagneticPulseEm⁃anationSurveillanceTechnology,TEMPEST)㊂该项技术包括电磁信息泄漏的截获和防护两个方面㊂TEMPEST是一种用于测试电子设备的电磁兼容性的标准,它旨在确保电子设备能够抵抗电磁干扰和电磁耦合等影响㊂TEMPEST和电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)的差异在于它们的工作原理不同,TEMPEST只对设备所产生的有用信息进行分析处理;而EMC只关心设备的电磁辐射强度以确保各设备之间不会相互干扰能够正常工作㊂TEMPEST的研究目前已经涉及到社会的多个领域,包括电磁场㊁数模电㊁计算机信号处理等,其研究对象也已经从常见的计算机键盘㊁显示器扩展到了各类通信网络电子设备㊂此外,一些常见加密设备也在其中,如芯片,加密卡等等㊂本文对国内外电磁信息泄漏研究的发展状第31卷电磁信息泄漏原理及其防护对策综述㊀况进行了深入探讨,并从多个角度对其进行了详细分析㊂指出了电磁泄漏的途径,针对这些途径所造成的敏感信息泄漏给出了防护对策,对未来的电磁泄漏防护研究做了展望㊂1㊀电磁信息泄漏国内外发展状况1 1㊀电磁信息泄漏国外发展状况TEMPEST起步阶段可追溯于上世纪40年代初至50年代中期㊂美国贝尔实验室[3]的研究人员在一次对贝尔电话混频器测试的过程中偶然发现了一个尖峰脉冲信号,并通过该信号恢复出了电话混频器处理过的部分信息㊂美国军方[4-6]在通信兵团内部进行了一系列严格的测试,结果发现,采用这种方式获取的加密信息比例高达75%,这激发了美国国防部和国家安全局对TEMPEST的深入研究,并于上世纪五十年代中期发布了全球首个TEMPEST规范,以确保通信安全性㊂TEMPEST的发展阶段从20世纪五十年代中期开始,一直持续到七十年代末,而美国在这一时期发布了世界上第一个TEMPEST标准[7],西方其他国家紧随其后,着手开展本国TEMPEST研究㊂美国凭借前期优势,于60年代率先颁布FS222和FS222A电磁辐射标准[8],并在此基础上开展了相关产品研制㊂70年代末,出现了第一代基于TEMPEST的计算机,即包容式计算机㊂通过采取减少数据线和电源线所产生的电磁辐射等措施,有效防止了信息设备的电磁泄漏,进而提高了设备的安全性和可靠性㊂80年代初至今即为TEMPEST成熟阶段㊂自八十年代以来,TEMPEST技术发展迅速,美国国家安全局颁布的NCASIM5200标准开始出现红黑安装指南[9],第二代TEMPEST计算机系统也采用了这一技术,它是一款基于红黑信号的分离式计算机系统,拥有极高的安全和可信度㊂Van[10]在国际计算机年会上强调了电磁辐射对信息泄漏的重要性,引起了全球的关注,促使各国政府也开始重视起TEMPEST的研究[11]㊂第三代TEMPEST计算机采用了Soft⁃TEMPEST技术[12,13],它可以有效地增大电磁辐射中的噪声,从而提高恢复敏感信息的难度,最终以实现信息保护的目的㊂概括来讲,TEMPEST正在向专业化㊁标准化方向发展,而美国因其先期优势在该领域一直处于领先地位,其制定的相关标准[14]如表1所示㊂表1㊀美国TEMPEST标准颁布时间标准名称标准说明1982NACSIM5000TEMPEST基础1982NACSIM5203红黑安装指南1991NSTISSAMTEMPEST2-91泄漏发射分析手册1991NSTISSAMTEMPEST3-91设备的维护与安装1992NSTISSAMTEMPEST1-92电磁辐射实验室测试要求1993NSTISS7000信息设备的TEMPEST对策1995NSTISSAMTEMPEST2-95红黑安装指南2008年,Davide等人[15]利用图像识别技术,成功地记录下视频中敲击键盘的动作,并且准确地还原出敲击的内容;2009年,Vuagno等人[16]对不同类型的非屏蔽键盘进行研究,并根据不同的辐射源和键盘类型提出了4种不同的截获方法;2011年,Kuhn[17]在LCD信息电磁泄漏的基础上,对不同颜色组合进行电磁辐射分析,提出了安全色组合和危险色组合;2012年,Sekiguchi[18]对计算机外设键盘按键时造成的电磁信息泄漏以及触摸屏操作时产生的电磁泄漏做了探究与实现;2015年,TaeLim等人[19]对电磁泄漏截获信号的信噪比和图像恢复进行了相关研究;2016年,Cihan等人[20]研究了激光打印机通过信号线㊁电磁辐射等方式造成的信息泄漏㊂2017年,Yuichi等人[21]在视频信息电磁泄漏截获技术中研制了方便携带的截获接收设备,使计算机视频信息电磁泄漏更加隐蔽和有效;2018年,YliMayry等人[22]发明了一种截获装置,㊃54㊃北京电子科技学院学报2023年这种装置可以利用软件无线电装置来拦截平板电脑产生的电磁辐射,并且利用信号处理技术成功地恢复了显示屏上的信息㊂2021年,Avsentev等人[23]采用量化信息设施的信息保护方法来防止通过侧面电磁辐射通道产生泄漏;Ma等人[24]针对EDA工具在优化加密电路中的功耗时引入的侧信道分析攻击漏洞,设计了一种名为CAD4EM⁃CLK的自动工具,用于保护IC免受功率和电磁攻击;2022年,Nouainia等人[25]利用遗传算法建立了优化材料表面损耗的模型,该模型有效控制了电子设备因电磁辐射所产生的泄漏;Ashok等人[26]针对被用于重建模数转换器处理信息的物理侧信道攻击,通过使用堆叠数字低压差阵列和注入随机噪声的通用电源来保证通道的安全性㊂梳理国外电磁信息泄漏相关研究可以发现,国外相关研究以上世纪80年代为分界线㊂上世纪80年代之前,有关电磁信息泄露的研究大多集中于国防军工领域,且以美国首当其冲;80年代后,世界各国也紧跟美国脚步展开各自的电磁泄漏研究,并且研究的内容和方式也趋于多元化,逐渐从单一的国防军工领域拓展至其他领域㊂进入21世纪以来,随着通用计算机的广泛使用,国外对通用计算机外接设备(如键盘㊁显示器㊁打印机)展开了相关研究,并设计实现了截获和复现这些设备所产生泄漏信息的装置㊂最近几年,国外针对电磁泄漏的研究热点主要有三个方向,一种是继续展开对通用计算机外接设备的泄漏研究,但是引入了相关软件的分析和使用;另外一种是展开对信息设备电路内部泄漏的研究,确保电路IC免受电磁和功率攻击;最后一种则是展开对信息设备表面材料损耗造成的泄漏研究,并且结合人工智能部分算法进行评估和分析㊂1 2㊀电磁信息泄漏国内发展状况随着Van[10]在国际计算机年会上向世界展示了计算机信息泄漏实验,国内着手对TEMPEST展开相关研究㊂1992年,西安电子科技大学的研究学者利用黑白TV成功采集到了泄漏的图像信息[27];5年后,中国科学院长春光机所利用CGA技术,成功采集到了显示器上的信息[28];1999年,长春光机所进一步开发出基于TEMPEST的信息接收机[29];2002年,西北工业大学的科研人员也取得了重大突破,完成了显示器信息的截获和复现[30];这些成果为后续的科研提供了重要的支持,两年后,学者们在北京邮电大学成功开发出一种仿真平台[31],它可以有效地捕捉和复现计算机视频信息;同年,浙江大学的研究团队也利用TEMPEST技术,开发出一种高效的视频信号截获系统[32],以满足不同应用场景的需求;2005年,中国电子科技集团41研究所[33]成功研制出一种有效的信息截获设备,并用该设备还原了原视频信息;2006年,牟志新[34]深入分析了计算机视频系统的各个部件,并将其泄漏源划分为不同的区域,提出了 局部加固 和 抑源法 相结合的解决方法;2007年,该方法取得重大突破,为电视数据的安全性提供了有力保障,张洪欣[35]和刘书全[36]等人开发的电视电磁信息泄漏收集和重现管理系统,采用平均滤波方法,使同步信号的信噪比大大提高,达到了18 7dB;2009年,张艳艳[37]就截获图像的后期处理展开了相关研究,利用信息熵㊁信噪比等指标来衡量处理后的图像质量㊂2010年,张静勤[38]发起了一场针对计算机键盘的TEMPEST攻击,并在此基础上进行了深入的分析和总结,给出了一种能够恢复现有计算机键盘绝大部分按键信息的实用算法;2011年,唐懿文[39]利用基于小波技术的滤波器和多帧平均去噪滤波器,解决了通用计算机电磁泄漏图像复现过程中遇到的大噪声问题;2012年,潘纯娣等人[40]进一步利用TEMPEST技术,消除了设备线路中产生强电磁波的根源,从而大大提高了微机操作网络的可信度和安全;在以上研究成果的基础上,一种新型的串口通讯卡已被应用于航空㊃64㊃第31卷电磁信息泄漏原理及其防护对策综述㊀领域;2013年,高雪君[41]实现了一种面向智能手机的信息电磁发射波捕获和搜索定位系统;2014年,杜玉雷[42]给出了一种录像信息电磁泄漏安全的现场评估体系,可以有效地防止辐射和传导泄漏的发生㊂在2015年,宋荣[43]深入探讨了计算机视频泄露的原理,并且针对SOFT⁃TEMPEST技术进行了深入研究;2016年,周源[44]提出了一种采用USRP平台的新型电磁泄露截获管理系统,它比常规的截获管理系统更加实用,设计更加灵巧,使用更加方便;这一管理系统的出现,为计算机视频泄漏的防护提供了一种全新的解决方案;2017年,郭寒冰[45]实现了一种电磁泄漏信息截获和还原平台,旨在研究热敏打印机阵发式文字信息泄漏的原理;2018年,张弛[46]提出一种USB数据电磁泄漏采集与分析方案,该方案可以在回声状态网中实现有效的检测和控制;2019年,王森[47]提出一种计算机数字视频信息电磁泄漏检测方法,旨在对HDMI视频线缆进行电磁辐射频谱仿真研究;2020年,茅剑[48]设计了一种基于一维卷积核的MI⁃CNN神经网络结构,利用深度学习的手段实现了电磁信息泄漏特征的自动提取;2021年,郑洪鹏[49]设计了一种白噪声干扰装置,能够有效地控制噪音,从而大大提高测试效果;同年,姚鹏英[50]设计了一种无源滤波器,它可以有效地防止电力线上的电磁信息泄漏,并且可估算泄漏距离㊂这一发明为电力线上的信息安全提供了一种有效的解决方案㊂2022年,文毅等人[51]提出了一种基于汉明重量模型的特征选择方法,显著减少了模板构建所需的电磁泄漏迹数量;同年,乔露[52]对车载驾驶辅助系统的电磁耦合机理进行了分析研究,设计了三种孔径的带通频率选择表面及能量选择表面,并分别验证了辐射特性和屏蔽效能,不仅增强了车载驾驶辅助系统薄弱环节的电磁防护,而且有效提高了系统在复杂电磁环境下的稳定性㊂国内针对电磁信息泄漏的相关研究以2010年为分水岭,2010年之前国内针对此方面的研究刚起步,研究领域还不够宽泛,主要以电视信息泄漏为对象展开截获和复现研究,科研机构以西安电子科技大学㊁中国科学院长春光机所㊁北京邮电大学㊁西北工业大学等为代表㊂2010年之后,国内针对电磁信息泄漏的研究逐渐面向更多的研究领域和对象展开,不少研究学者设计并实现了多种泄漏信息截获和复现装置㊂最近几年,国内研究热点主要集中在三个领域,一个是计算机电磁信息泄漏,不少学者提出并实现了计算机键盘和视频信息泄漏的解决方法,并考虑引入软件的方式来进一步优化解决方案;另一个是噪声干扰器和滤波器的优化研究,针对信息设备产生的信息泄漏,部分学者对现有的噪声干扰器和滤波器不断做优化改进,以期进一步增加截获敏感信息的难度或者进一步减少敏感信息的泄漏;还有就是部分学者正在探究将电磁泄漏及其防护的相关研究成果逐渐应用于一些智能系统(如车载驾驶辅助系统),以期解决应用智能系统领域存在的电磁干扰问题㊂总体来讲,国内TEMPEST研究还需继续发力,国内相应的TEM⁃PEST标准[53]如表2所示㊂表2㊀中国TEMPEST标准颁布时间标准名称标准说明1994BMB1-1994电话机电磁泄漏发射限制和测试要求1998BMB2-1998使用现场的信息设备电磁泄漏发射检查测试方法和安全判据2000BMB5-2000涉密信息设备使用现场的电磁泄漏发射防护要求2001BMB6-2001密码设备电磁泄漏发射限值2001BMB7-2001密码设备电磁泄漏发射测试方法2004BMB8-2004国家保密局电磁泄漏发射防护产品检测实验室认可要求2006BMB19-2006电磁泄漏发射屏蔽机柜技术要求和测试方法2007BMB9 1-2007保密会议移动通信干扰器技术要求和测试方法2007BMB9 2-2007保密会议移动通信干扰器安装使用指南㊃74㊃北京电子科技学院学报2023年2㊀信息设备电磁泄漏原理㊀㊀一般情况下,在一段持续时间内短波形迅速上升的电流信号产生的电磁辐射强度相对较大[54]㊂当前常用的电子信息设备基本采用数字信号,而对数字信号的处理就是对大量的上升沿和下降沿信号进行处理,在这个过程当中必然存在电磁泄漏的情况㊂数字信息设备会发生电磁泄漏,通常情况下可分为两种类别:其一,数字信息设备本身就是用来产生电磁能量的,比如信号发生器㊁振荡器等等;其二,数字信息设备本身不是用来产生电磁能量信息的,但是设备内部的元器件在工作的时候可能产生电磁泄漏,甚至多种元器件耦合使泄漏信号强度更大㊂2 1㊀电磁泄漏的有用信号TEMPEST的研究捕获的主要是红信号,因为只有红信号中才含有敏感信息㊂根据捕获的红信号的特性,可将其划分为四类:基带红信号㊁调制载波㊁脉冲辐射及其他类型[55]㊂2 1 1㊀基带红信号所谓基带红信号是指信息设备产生的红信号未经任何处理便辐射到外部空间的初始信号㊂基带信号可以分为模拟和数字两种,但由于其频率较低,因此它们的辐射性能通常不会很强㊂通常情况下,基带红信号会通过相连导体传输至电路当中或者通过一些中间介质耦合至电路当中,这种方式产生的电磁泄漏是最容易被识别的㊂2 1 2㊀调制载波载波调制是说红信号极有可能被信息设备内部元器件工作时产生的振荡波形调制,而后通过相连导体被发射到外部,从而造成电磁泄漏㊂一般来讲,这种调制类型分为直接调制和交调两种情况[56]㊂直接调制是指当红信号在传输过程中遇到一种较强的载波信号(如黑信号),它会发生波形调制,红信号会掺杂在其中,从而发生泄漏㊂在这种情况下,电磁泄漏的输出功率谱强度与红信号功率谱强度和载波功率谱强度乘积成正比㊂因此,即使红信号的强度很弱,只要载波(黑信号)强度足够强,就能捕捉到有价值的信息㊂在交调情况下,红信号附着于某一周期的黑信号,并且作用于某非线性元器件,进而发生调制,从而导致电磁泄漏㊂这种泄漏通常存在于电磁泄漏的二次发射当中,其发射强度有可能超过一次发射强度,因而使有用信息泄漏的风险进一步增大㊂2 1 3㊀脉冲辐射脉冲辐射是相较于数字信号来讲的㊂当红信号是以数字信号的方式出现时,此时信号上升沿与信号下降沿之间的频繁变换将会生成一股较大的脉冲电磁能量,生成的能量会通过导体传播出去,或者以磁场的形式辐射出去,从而导致电磁泄漏㊂通过截获这些数字信号,并作特征分析,极有可能复现敏感信息㊂2 1 4㊀其他类型其他类型泄漏信号的产生是因为信息设备在正常工作时内部的各元器件产生的振荡波形可能会和红信号发生调制,而后大量信号相互耦合从而发生泄漏,因而这些泄漏信号很难被分类㊂2 2㊀电磁泄漏的传播路径一般来讲,电磁泄漏的传播分为两种,一种是传导[32]路径,另外一种是辐射[57]路径㊂在实际的应用场景当中也是通过这两种路径并结合相关设备来截获红信号,从而获取有用信息㊂2 2 1㊀传导耦合在传导耦合当中,电磁信息通过完整的连接电路传播至其他设备,从而导致电磁泄漏㊂通常来说,耦合方式可以分成三类:共阻抗耦合㊁电容耦合以及电感耦合㊂利用共阻抗耦合,电磁能量以电流或电压的形态穿过阻抗㊁供电线等,最终与其他设备相连,㊃84㊃第31卷电磁信息泄漏原理及其防护对策综述㊀从而实现电磁能量的传输和转移㊂如图1所示的两回路共阻抗耦合电路,两回路具有各自的信号源和负载,但两者的信号回路是一样的㊂当该共享回路中存在阻抗时,若其中一个回路中存在有用信号,那么该有用信号将会在另外一个回路中以电压变化的形式显示出来㊂图1㊀两回路共阻抗耦合电路共阻抗耦合回路中耦合系数计算公式为:ξ=VS2VS1=RL2RS2+RL2RRETRS1+RL1(2-1)其中,VS2是共阻抗耦合回路信号电压,VS1是接收器电压,RL1是电磁泄漏源负载,RL2是接收器负载,RS1是电磁泄漏源的输出阻抗,RS2是接收器的始端阻抗,公式(2-1)的详细推导过程可查阅文献[58]㊂由图1并结合公式(2-1)可知,信息设备泄漏源所产生的信号电压在泄漏源回路中产生了驱动电流I1,进而在RRET上形成了共阻抗耦合的信号电压,从而造成了保密信息的泄漏㊂电容耦合通常是指电磁能量从一个电路通过电场耦合至另外一个电路㊂如图2所示为两个共信号地的电路,它们之间相互平行,共享回路的电阻为零,所以不存在共阻抗耦合㊂但是因为两回路相互平行,当两回路信号电压不同时所产生的电场相互作用将会导致电容耦合㊂图2㊀两回路电容耦合电路经电容耦合产生的泄漏电压计算公式为:V=jωCRV1(2-2)C=πε0cosh-1(dD)(2-3)其中,V是经电容耦合泄漏产生的信号电压,V1是原信号电压,C是回路耦合电容,R是回路耦合电阻,ω是角频率,d是两回路导线间的距离,D是导线的直径,公式(2-2)㊁公式(2-3)的详细推导过程可查阅文献[58]㊂由公式(2-3)可知,电容耦合泄漏电压V与耦合电阻R㊁耦合电容C以及角频率ω成正比㊂结合公式(2-2)可知,在设计电路板印制或器件布局时,应当特别注意高频信号部分,并且要充分考虑两条印制线或元器件之间的距离,因为距离越近,就会产生电容耦合,从而影响设备的性能和可靠性㊂电感耦合不同于电容耦合之处在于电磁能量是通过磁场从一个电路耦合至另外一个电路㊂如图3所示为两个共信号地的电路,同电容耦合一样,电路不存在共阻抗耦合㊂但是当两个电路同时工作时,其中一个电路必然会穿过另外一个电路所产生的磁场,从而发生电感耦合㊂图3㊀两回路电感耦合电路经电感耦合产生的泄漏电压计算公式为:V=jωMl2V1(2-4)其中,V是经电感耦合泄漏产生的信号电压,V1是原信号电压,M是互感系数,l是耦合长度,ω是角频率,公式(2-4)的详细推导过程可查阅文献[58]㊂由公式(2-4)可知,电感耦合泄漏电压V与互感系数M㊁耦合长度l和角频率ω成正比㊂在ω和l保持不变的情况下,V的大小取决于M的㊃94㊃北京电子科技学院学报2023年大小㊂随着两回路导线间的距离增加,互感系数M也会减小㊂因而要尽量增加两回路导线间的间距㊂2 2 2㊀辐射耦合所谓辐射耦合是指信号源发射电磁能量传播至外部空间,在遇到导体或者电路的时候,电磁能量会以电压或电流的形式显示出来㊂同2 2 1节传导耦合相比,电磁泄漏辐射耦合通常情况下是由信息设备内部的元器件因为一些原因形成了天线效应,从而导致向外辐射能量㊂两种最常见的天线模型分别是电偶极子[59]和磁偶极子[60]㊂由于电偶极子自身长度Δl远小于工作电流波长λ,因此可近似认为其上各处的电流相位和振幅没有发生变化,如图4所示㊂图4㊀基本电偶极子当基本电偶极子成为单独的电磁辐射源时,根据非齐次亥姆霍兹方程组,在场点P(r,θ,φ)处产生的矢量位如公式(2-5)所示㊂Aң(rң)=ʏΔluJң(rᶄң)e-jKR4πRdVᶄ(2-5)因为辐射源处在坐标原点的位置,所以此处可取R=r,线电流Jңrᶄң()dVᶄ可以用ezңI㊃(z)dz来替代,又因为Δl≪r,因此在积分域内可认为r为常数,则有:A㊃ң(r,θ,φ)=μ4πʏΔlI㊃ΔlezңRe-jkR=ezңμ4πI㊃Δlre-jkr(2-6)将公式(2-6)转换为球坐标下的形式有:A㊃r=A㊃zcosθ=μI㊃Δl4πrcosθe-jkr(2-7a)A㊃θ=A㊃zsinθ=μI㊃Δl4πrsinθe-jkr(2-7b)A㊃φ=0(2-7c)根据电磁场与矢量位的关系有:Aң⇒H㊃ң=1μ▽ˑA㊃ң(2-8)结合公式(2-7)㊁公式(2-8),可计算出基本电偶极子的磁场为:H㊃r=0(2-9a)H㊃θ=0(2-9b)H㊃φ=I㊃Δl4μk2sinθjkr+1(kr)2e-jkréëêêùûúú(2-9c)再将公式(2-9)中的H㊃ң代入无源区的麦克斯韦方程当中,如公式(2-10)所示㊂▽ˑH㊃ң=-jωεE㊃ң(2-10)最终可得到基本电偶极子的电场为:E㊃r=I㊃Δlk3cosθ2πωε1(kr)2-j(kr)3éëêêùûúúe-jkr(2-11a)E㊃θ=I㊃Δlk3sinθ4πωεjkr+1(kr)2-j(kr)3éëêêùûúúe-jkr(2-11b)E㊃φ=0(2-11c)当kr≪1时,即在场点P与源点的距离r远小于波长λ的区域,由公式(2-9)㊁公式(2-11)可知,起主要作用的是1kr的高次项,电场与磁场的相位差是π2,此时不存在电磁辐射㊂当kr≫1,即在场点P与源点的距离r远大于波长λ的区域,此时公式(2-9)㊁公式(2-11)可简化为:E㊃θ=jI㊃Δlk2sinθ4πωεre-jkr=jI㊃Δl2λrηsinθe-jkr(2-12a)㊃05㊃第31卷电磁信息泄漏原理及其防护对策综述㊀H㊃φ=jI㊃Δlksinθ4πre-jkr=jI㊃Δl2λrsinθe-jkr(2-12b)E㊃r=0(2-12c)其中,k=ωμε=2πλ,η=kωε=με,η为波阻抗㊂根据公式(2-12)可知,此时电偶极子的辐射强度与方向有关,并且与sinθ成正比㊂在电偶极子轴线方向上,因为θ=0或θ=π,所以没有辐射存在;在与电偶极子垂直的方向上,因为θ=π2,所以辐射往往是最强的㊂此时的电磁辐射功率可表示为:Pr=ɥsSavң㊃dsң(2-13)Savң=Re12E㊃ңˑH㊃∗ңéëêêùûúú=Reerң12EθH∗φéëêêùûúú(2-14)其中,Savң是平均坡印廷矢量,将公式(2-12)代入公式(2-14)可得到:Savң=erң12ηIΔl2λrsinθæèçöø÷2(2-15)选取半径为r的球面s来包围辐射体,可得到:Pr=ʏ2π0ʏπ012ηIΔl2λrsinθæèçöø÷2㊃r2sinθdθdφ=40π2IΔlλæèçöø÷2(2-16)其中,η=120π,为空气中的波阻抗㊂根据公式(2-16)可知,所产生的电磁辐射沿erң方向辐射出去,辐射电磁波的功率与辐射源电流的平方成正比㊂磁偶极子是一种特殊的小环,其半径比自身的工作波长要小得多,而且它们上面还装有高频电流,如图5所示㊂由于基本磁偶极子和基本电偶极子在场源图5㊀基本磁偶极子分布和外形尺寸上存在着明显的对应关系,因此根据对偶原理[61],由公式(2-9)㊁公式(2-11)可以得到基本磁偶极子产生的磁场为:H㊃r=I㊃Δs2πcosθ1r3+jkr2æèçöø÷e-jkr(2-17a)H㊃r=I㊃Δs4πsinθ1r3+jkr2-k2ræèçöø÷e-jkr(2-17b)Hφ=0(2-17c)基本磁偶极子产生的电场为:E㊃r=0(2-18a)E㊃θ=0(2-18b)E㊃φ=-jI㊃Δsk2πηsinθ1r2+jkræèçöø÷e-jkr(2-18c)其中,η是波阻抗,Δs=πa2表示导体小圆环的面积㊂同前述基本电偶极子产生的电磁场一样,当kr≪1时,即在场点P与源点的距离r远小于波长λ的区域,基本磁偶极子不存在电磁辐射㊂当kr≫1,即在场点P与源点的距离r远大于波长λ的区域,基本磁偶极子电磁场的表达式可简化为:H㊃θ=-I㊃Δsk24πrsinθe-jkr=-πI㊃Δsλ2rsinθe-jkr(2-19a)E㊃φ=I㊃Δsk24πrηsinθe-jkr=πI㊃Δsλ2rηsinθe-jkr=-ηH㊃θ(2-19b)根据公式(2-19)可知,随着信号幅度的增大,频率也会相应提高,从而使辐射强度也会有㊃15㊃。
电磁泄漏防护技术——TEMPEST技术作者:姜汇洋来源:《软件》2011年第05期摘要:本文阐述了电磁安全在现代化战争中和日常工作中的重要性,介绍了电磁泄漏危害和电磁泄漏的途径,重点研究电磁泄漏防护技术,并对其涉及的措施进行详细描述和总结。
关键字:电磁泄漏、TEMPEST、屏蔽技术、低辐射技术、电磁干扰器、加密技术中图分类号:TP333 文献标识码:AElectromagnetic Leakage Protection TechnologyAbstract: This paper expounds the importance of the electromagnetic safety in modernized war and the daily work, and introduces the harm of electromagnetic leakage and ways of electromagnetic leakage. It puts emphasis on the research of electromagnetic leakage protection technology and gives us a detailed description of the mentioned measures and summarizes those measures.Key word: electromagnetic leakage, TEMPEST, shielding technology, low emissivity technology, EMI device, encryption technology0引言在以夺取电磁权为核心的新军事时代,战争形势由争夺时空优势逐渐向争夺信息优势、电磁优势转变,战争形态也由机械化向电磁化演变。
电磁能量纵横交错、密级重叠的战场上,高新电磁能或定向能武器是保证取得战争胜利的必要条件,但保障国家信息安全和电磁主权是军事行动的首要前提,只有提高电磁安全保障能力和反信息侦查技术,才能为战争的胜利创造有利条件。