通过物理手段获取存储信息的理论研究.pdf

通过物理手段获取存储信息的理论研究王硕 等 通过物理手段 获取存储 信 息的理论研 究 王硕 赵云飞 杨 嘉 杨宏昶 军事交通学院天津 300161 摘要 硬盘作为现代信息存储的重要存储介质 获取其信息的手段也一直较为固定 随着现代科技的进步 市场上 开始出现无线硬盘 高密度磁存储硬盘等新型硬盘 同时 磁盘容量也由当初的几十MB发展到现在的几百GB 甚至几TB 但归根结底 它们存储和读取信息的方法却没有太大变化 本文将从现代硬盘的特点及发展趋势人手 探究通过物理的 方法直接获取存储信息的方法 关键词 硬盘 物理方法j无线获取j存储信息 A b strac t H ard di sk storag e m edi a as a m o dem i n form ati on storage i ts m ean s to obtai n i n formati o n h as b een m o re fi x ed W i th th e adv an tag es i n m o d em tec hn o lo gy som e n ew h ard dri v es app ear i n th e m arket suc h as w i reless hard dri ves an d h i gh d en si ty m ag n eti c storag e h ard d ri v es M eanw hi le d i sk c ap ac i ty h as d ev eloped fro m ten s of M B to h un dred s o f G B or even hu n d reds of teraby tes U lti m ately th e m etho d of stori ng an d readi ng i n fo rmati on h as n ot c h ang ed m u c h T h i s arti c le starts from th e c h arac teri sti c s an d d evelop i ng trend o f th e m o dem hard dri v es an d w i ll exp lore th e w ay of stori n g i n formati on di rec tl y by p hy si c al m eth od s K ey w ord s H ard d i sk P hy si c al m etho d W i reless ac c ess S to red i n fo rmati on 中图分类号 TN915 文献标识码 A 文章编号 1001 9227 2013 一 01 0038 03 0 引言 硬 盘是 电脑 上的重要存 储媒介 如今应 用于 电脑 上的硬盘 主要分 两种 机械 硬盘 H H D I 固态 硬盘 SSD 而两者 的 区 别在于 固态硬盘采用闪存颗粒来存储信息 而机械硬盘采用磁 性 盘片 来存储信 息 对 于机械硬 盘来说 电路板 上的主控芯 片负责各个 芯片组 之间的同步与协调 并且控制硬盘内其他部件的工作 盘体内 置磁头 磁性盘片 等结 构 用于对信 息的存储 固态硬盘的主要 结构与 U 盘 类似 最重 要部件有两个 主控制器芯片和 N A N D 等 闪存颗粒 通 过对 两种不同种类硬盘 的简要分析 我们可 以看 出 硬盘 都是通过对内部盘片或闪存颗粒的磁性或电位的改写来达到存 储 信息的 目的 因此 我们便可通过对磁 性或 电位 的反 向获取 达到获取信 息的 目的 1对硬盘的理论研究 1 1对机械硬 盘的研 究 1 1 1机械硬盘的主要结构 机 械 硬盘 根 据数 据接 口的 不 同进 行 分 类 的 主要 可 分为 A T A A d vanc ed T ec h nology A ttac hm ent SA T A Seri alA T A SC SI Sm all Com puterSystem lnterfac e 即小型机系统接口 和SA S Se ri al A ttac hed SCSI 等 但现代机械硬盘中 不论其数据接 口如 何不同 采用 的都是 W i nc hester 温彻斯特 技术 磁头 盘 片及运 动机构密封 保持相对较高的清洁度 密封 固定并高速旋转的 表面平 整光滑 的镀磁 盘片 在这 里 不对控制 电路做 过多 的赘 述 只阐述一下盘体 内两个相当重要的构件 磁头和盘片 磁 头 硬盘通过磁头将 电信 号转 化为磁信 号 改变盘片上磁 性物质的状态 来存储与读取信息 为避免磁头在工作或结束 收稿 日期 2O12 1卜O2 作者简介 王硕 1 99 3一 男 军事交通学院汽车指挥专业本 科在读 1993 03 出生 3 8 工作时与盘片接触产生磨损 损坏磁道 在工作时 磁头靠硬盘 产 生 的气 流 悬浮 在高 速旋 转 的盘 片上 0 005 m 0 01 m 的距 离 并不与盘片接触 当磁头停止工作时 磁 头会 自动 动作 到没 有数据 的着 陆区与盘 片接触 因此 完好 的磁 头不存在 破坏任何 数据 的问题 当硬盘 需要读 写动 作时 除磁盘会在 控制 电路 的 指令 下移动到指定 的区域外 盘片 也会 以一定转 速让数据 到达 需要发生操作 的区域 以配合磁 头进行读写动作 这便 是磁 头的 寻道动作 盘片 机械硬盘的盘片一般是由铝合金或玻璃材料制成的 其外 表都被一层 很薄的磁性 材料覆盖 这层磁 性材料 的物 理性 质和磁层结构将对数据 的存储 密度及稳 定性产 生直接 影响 每 个磁道上划分出的相同存储容量的存储空间称为扇区 它是存 储 数据 的最小 单位 磁 性材 料 的颗 粒就 像是成 千上 万的 小磁 针 小磁针 的磁性分别 代表着 0 1和处在 0 1之间 的数 据状态 这样 当磁性材料颗粒受到磁头磁力 的影响后 磁性发 生变化 1 1 2机械硬盘中存储信息的读取与写入 通过 上面 的阐述 可 以看 出 盘 片上的那层磁 性材料就 是存 储 信息的关键 根据物理学 知识 磁 性材料 的磁 性是 随温 度的 变化而变化的 当温度低于居里点时 材料的磁性很难被改变 而当温度高于居里点时 材料将变成顺磁体 这便是超顺磁效应 Super Param agneti c Effec t 为 了避 免磁性颗粒 磁性随温度 的 提高而受到周围磁场的影响 或者粒度很小的磁性颗粒的极性 在常温 下呈现 的随意性 难 以保持稳定的磁性能 磁性颗粒必须 要有足够 的磁能来抵抗超顺磁效应 传 统机械硬盘 采用水平 记录 的方法 这 时磁性颗粒 产生 的 磁 场的磁化方 向与盘片方 向水平 这种方法 使得数据 存储密度 受 到很大 限制 为了提 高记录 密度 解决超顺磁效应 科学家提 出了垂直磁记 录 Perpendi c ular M agneti c Rec ordi ng 技术 简单 的来说 垂直磁记录就是在磁性介质和磁头等方面采取了新的 结构和材料 将原 来沿盘片切线 方 向记录数 据的方式 改为沿盘 片法线 方向记录 即将负责记录 的磁 单元改为垂直排列方式 磁 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 自动化与仪器仪表 2013 年第 1期 总第 165 期 断 以此 获知这个 存储单元 内存放 的两个或 者更多个存 储位元 信 息状 态 这时候 的 闪存存储 单元其 实就是 一个模拟器 件而非 数字器件 这时一个浮动栅存储2 bi t的数据信息 即把 电荷全 满 电荷 2 3 电荷 1 3 无 电荷这 四种状态 定义成 00 01 10 11 三层式存储则是又增加 了几个 中间值 有 000 至 111 这八种 定义 此外 跟硬盘一样 N A N D 器件存在坏的扇区 需要纠错码 fE CC 来维 持数 据的完整性 路也相应 的改为垂 直于盘片 在机械硬盘中 存储信息的写入与读取的一般原理就是磁 致 电阻效应 磁 头里 的 电阻随着 电流 的变 化而变化 进而影 响 磁性颗粒的磁性 即可达到写入与读取信息的目的 盘片上的 磁性颗粒在受到磁头磁力的影响后 各自的排列方向会发生变 化 比如 颗粒 受到正 电流 的影 响就会指 向左边 受到 负 电流 的 影响就会指向右边 这样一来 就可 以表示0 1数据了 读取数 据时 即可 按照相 同的方法 通 过磁性颗粒 的磁性来 影响磁 头 进一步影响电流 然后应用相应的程序 这样便可将信号翻译成 可用 的信息 了 一 一盛 L 图 1机 械硬盘的水平 磁记录及垂直磁记录 1 2 对 固 态硬 盘 的研 究 1 2 1 固态硬盘的主要结构 固态硬盘的存储介质分为两种 一种是采用闪存 FLA SH 芯 片 作为存储介质 另一种是采用动态随机存储器作为存储介质 D R A M D ynam i c R andom A c c ess M em ory 我们生 活 中的所说 的固态硬盘一般是采用 FLA SH 芯片作为储存介质的 固态硬 盘摒弃了机械磁盘的磁储存结构 采用电子存储介质进行数据 存储和读取 其主要分为四个部分 AT A 或SA TA 接 口 主机控 制器 随机存储器 R A M 和闪存阵列 这里我们主要介绍一下 主控 芯片和 以N A N D 为例 的闪存 芯片 主控芯片 主控芯片主要 由微 处理 器构成 大 多数主控芯片 采 用 A R M A dvanc ed R ISC M ac hi nes 处理器 主控 芯片 的主 要作用就是合理的分配数据在多个闪存芯片上的负担 同时 它 还能作为闪存芯片和SAT A 接 口传输的中转站 向SA TA 接 口传 输 资料 闪存 芯片 半 导体材料 组成 的 N A N D 相 较于机 械硬盘 有很 多的优势 比如 数据 的写入和读取 的速度很快 抗震性 能好 数 据保护不受电源控制等 N A N D 像C PU 一样 可被看作是 由很 多电容器组成的集成 电路 它主要分为SLC Si ngle Level Cell 单层 式 存 储 M LC M ulti Le vel C ell 多层 式 存 储 T LC Tri nary Level Cell 三 层式存 储 三种 固态 硬盘 的最 小存储 单位 被称为Page Page 的下层结构是 区块 Bloc k 这些区块是N A N D 器件 中最小的可擦除实体 即任 何的擦 除都必须是整个 区块 1 2 2 固态硬 盘数据 的存储 与读取 相 比较机械 硬 盘而 言 固态 硬盘 的存 储 原理要 简单 很 多 固态硬盘 数据 的存储与读 取 在 本质 上就是利 用类似 于集成 电 容的闪存芯片内所带的电荷浮动栅 依靠电容的充电 放电来完 成的数据改变 单层式存 储将 电容器 的充 电状态 有 电荷 和放 电状态 无 电荷 视 为数据 二进 制 中的 0 和 1 用一 个浮 动栅存储 lbi t的数 据信 息 而 多层 式存储则是利用不 同电位 电荷来存储信 息的 即 是采用不 同 的阀值 电压来 控制浮栅 内存放 的 电子 电荷 然 后依 据精确的电压控制和电流感应技术实现源极 漏极沟道导通判 2对存储信息探测的方法的研究 2 1类似 于机械硬盘存储方 式的信 息获取 方法 从上文中对机械硬盘的分析可以看出 机械硬盘数据的读 写主要 靠的是 电磁 感应现 象和磁致 电阻效应 于是 我们 可 以 通 过对 磁场的检测来达到获取存储信息 的 目的 磁 传感器作为可 实现 获取存储信息的器件 可 以把磁场 电 流等物理要素改变引起的敏感元件磁性能的改变转换为一定的 电信号 并可 以通过这种方式获取该物理要素性质 机械硬盘 里的磁头以及盘片就可看作是一组磁传感器 在传感器构成方 面 最重要 的是磁性物 质的物理特 性效应 比如磁致伸 缩效应 磁致伸缩负效应 巴克豪森效应等 磁盘采用垂直记录和水平记录两种存储方式在磁盘上产生 的磁场 是不一样 的 但不论磁场是怎样 的 我们都可 以利 用磁 传 感器来 探测磁盘表面的磁场性质 借 以来 获取存储 信息 因此 可利用 巨磁 阻抗效应 的传感器进 行探测 巨磁 阻抗 效应 G M I 是指磁 性材料 的交 流阻抗在外加 直流磁场 的作用 下 发 生显 著变 化 的现 象 由于 巨磁 阻抗 传感器磁 阻抗变 化率高 这 使得它对 微弱磁 场很敏感 因此 当这 种传感 器扫描过携 带 有信息的磁性介质后 磁场的特性就会被探测 出来 存储信息也 就可以获知了 巨磁阻抗效应继承了传统磁传感器的优点 并 可 以探测不同性质的磁性材料 这就具有了测量机械硬盘存储 信 息 的特征 并且 新 一代 的传感 器 已经 可 以做 到多达 560 亿 位 平方英寸 的存储密度 为 了实 现无线获 取信息 的 目的 探测距 离就 需达到几厘 米 以上的高度 即脱离盘体 的高度 另 一方 面 由于 巨磁 阻抗传感 器对 微弱磁场 比较敏感 其他 的磁场影 响就不得不考虑 尤其是 地 磁场 因此 在设 计 电路 时还 应考 虑对数 据 的补偿 除此 之 外 为 了提高 传感器 的灵 敏度 就必 须改造 原 电路并 开发新 的 材料 霆 3 一 一 一 蕞 摊 二 根 崩 目 曩 l 羹 鼻 羹 嚣 帅 掌 璺 并 量 B 理 网 蕞 t尝 特 长 摄 瓣 莓 片 船 豁 鼓 缸 幕 量 与 黄 艟 图1类似于机械硬盘存储方式的信息获取方法 2 2 类似 于固态硬盘存储方 式的信 息获取 方法 相对 于 机械 硬 盘 来说 固态 硬盘 存储 信 息 的原 理 比较 简 单 对于单层式存储方式信息体现为电容器 电荷的有无 而对 于多层式存储方式信息则体现为 电容器 电位 的高低 从 固态 硬盘存储 方式来 看 一般 固态 硬盘对 于数据读 取 的 过程就 是通过主控 芯片传 递给 闪存 芯片不 同程度 的电流信 息 进 而改变 其 电位 因而 对 闪存 芯片 内 电位 的测 量可看作 是最 直接获 取存储信 息的方法 然而 对 闪存 芯片 内电位 的测 量绝 下转 第43 页 39 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 旦 量 矍 墨 Q 生箜 塑 垦 箜 箜塑 统本身的安全性 各个检测代理监听网络上的数据流 经过分析归并处理后 分类集 中存放 到统计服 务器 的相 关数据库 中 然后 由管理服 务 器 进行 分析检测 处理并且 向管理 员进行报 警 管理 员通过管 理 服 务器进 行整个 系统 的运 行控制 和监控 必 要时通过 统计服 务 器从数据库中取出数据进行分析 得到检测结果或做进一步的 处理 5结束语 本文首先分析了目前校园网的安全现状 简单介绍了入侵 检 测系 统的相关 知识 然后通 过分析校 园 网的安全现状 和校 园 网的网络拓扑结构 设计 了一种分布 式入侵检测系 统 具体描述 了校园网体系结构 系统总体设计原则 系统功能模块 系统逻 辑结构 物理结构和基本工作原理 系统能够满足类似校园网 等大规模局域网的入侵检测需要 综合应用了现有的入侵检测 技术 并且在以下几个方面有所突破和创新 1 全新分布式结构设计 2 综合应用误用检测和异常检测 3 引入了认证服务器和智能客户端 对攻击源追踪和校园 网管理起 到了支撑作 用 4 检测代 理 统计服务器 管理服 务器 认证服务器相对独 立的设计 不但提高了入侵检测的效率 而且加强了入侵检测系 参考文献 1 韩凌 云 王再见 一种校园 网入侵检测系统模型 的设计 J 科技情报 开发 与经济 2007 05 235 236 2 赵卫国 朱存 良 王利英等 在校园网中实现深度检测和入侵抵御技 术 J 现代机械 2007 03 58 60 3 黄梅珍 邱志宏 分布式入侵检测系统在校园网络的应用 J 柳州职 业技术 学院 2007 06 71 75 4 谢希仁 计算机网络 第五版 M 北京 电子工业出版社 2009 5 Carter E 著 李逢天 刘兴初等译 Ci sc 0 Sec ure Intm si0n D etec ti on Svs tern 安全入侵检测系统 M 北京 人民邮电出版社 2003 6 Bass T Intrusi on Detec ti on System and M uItusens0r Data Fusi on Com m u ni c ati ons ofthe A C M lJ J 2000 43 99 10 5p 7 Si nc lai r C Pi erc e L An Appli c ati on of M ac hi ne Learni ng to Network In trusi on D etec ti on P roc eedi ngs of 15th A nnual Com puter Sec urity A ppli c ati ons Conferec e J 1999 371 377p 18 j G E Li epi ns H S V ac c aro A nom aly D etec ti on P urp ose and Fram ew ork lJ J In Proc eedi ngs of the 12 Nati onal Com puter Sec uri ty Conferenc e 1999 495 504 9 曲祥雯 张弘 分布式入侵检测系统在校园网的研究与应用 J 计算 机安全 2008 08 96 98 上接 第39 页 非 易事 因为 闪存芯 片跟 C PU 类似 不可能像对于磁性颗粒 那样 细致 描述 另一方面 由于 固态硬 盘的特性 无 论是读还 是写 操 作系统本 身甚至 于 电脑本 身都无法 控制 闪存 芯片 并可在 受 到外部某种影响后自动擦除数据 因此 对电位的测量并不是一 种有效 的方 法 图2类似于固态硬盘存储方式的信息获取方法 因此应把单个的存储芯片看作是一个存储单元 来获取存 储单元上整体数据 我们可以采用类似于变压器系统的探测方 式 来获取信 息 首先闪存芯 片与扫描 器看作 是一组变 压器 在 扫 描器靠近 闪存 芯片时 内部 的感应线 圈 由于 闪存 芯片 内代表 信 息的 电压而产生感应 电流 与此 同时 在 线圈的另一端 控制 器获取感应电流并进行电流数据分析 与此类似 控制器也可 以根据用户指令 对扫描器进行操作 其工作区域和灵敏度进行 调控 为了避免信号之间的互相干扰 需要在扫描器和控制器 上 增加信 号 的选 择与处理系 统 这类似 于用磁信 号或 电信 号构 成 无线地址线和 数据 线 最后 将得到 的信 息传给 PC 机来进行 数据的读取和整理 即得到闪存芯片中的存储信息 但 这种 方法对 于其他影 响因素不 敏感 会造 成获取 的数据 量 大而 且混乱 另一方面 扫描 器 中对 于获取 电容器 中电位 的 电路线圈灵敏度要求很高 这就需要有新材料的产生 3结语 本文对 机械硬盘 和 固态硬 盘进行 了全面 的分析 详细 阐述 了两者最主要 的存储 部件 机械硬盘 的磁 头 盘 片和固态硬盘 的 主控芯 片 闪存芯片 对它们 的各个特点进行 了分析 同时 本 文还对 它们存 储和读 写信息 的方 式及特 点进 行 了研 究 说 明了 机械硬 盘存储 的一般 原理磁致 电阻效应 和 固态硬盘 的一般原 理 闪存