基于TEMPEST的计算机电磁泄漏数据处理平台

1、第29卷第1期2005年2月武汉理工大学学报(交通科学与工程版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 的计算机电磁泄漏数据处理平台3收稿日期:20041009梁军:男,26岁, 硕士生, 主要研究领域为信号传输与处理3国家重点实验室基金项目资助(批准号:514471101(中国船舶重工集团701所武汉430064摘要:针对计算机及其外设的电磁泄漏问题, 分别在GTEM 室和EMC 室进

2、行了相关测量. 应用TDS 7104数字示波器用多种采样率对被测设备的多种状态进行时域测量, 获得了比较全面的时域测量数据. 在此基础上构建了一个基于TEMPEST 的计算机电磁泄漏数据处理平台, 对测量得到的大量数据进行了处理和分析, 提取了时域、频域的特征量, 为信息窃取与反窃取的研究工作奠定了基础.关键词:TEMPEST ; GTEM ; EMC ; 电磁泄漏; 时域; 频域; 数据分析中图法分类号:TN 971. +1计算机电磁泄漏的测量方法有时域法和频域法, 即针对计算机电磁泄漏时域和频域测量的数据, 提出了处理的方法, 编写了处理软件, 构建了一个数据处理平台, 对测量数据进行了特

3、征提取和分析对比, 旨在研究计算机信息泄漏的特点, 为进一步进行计算机信息窃取与反窃取提供前期研究1,2.1测量数据的获取1. 1测量环境和测量对象测量环境有GTEM (吉赫横电磁波 室和EMC 微波暗室. 在GTEM 室进行了计算机电磁泄漏频域测量, 在EMC 微波暗室进行了计算机电磁泄漏时域、频域测量. 测量对象如主机、显示器、整机、路由器、Modem 、打印机、组网计算机等. 为了得到比较全面的计算机电磁泄漏数据, 对每组测量对象在GTEM 室和EMC 微波暗室不同的摆放位置(朝前和朝后 和状态(开机和不开机以及开机后显示什么内容等 进行了测量. 1. 2文中用到的测量数据及处理内容1

4、对某台整机的电磁泄漏测量数据进行时域、频域处理, 提供处理的方案设计, 编写处理及特征提取软件, 构建处理平台.2 由于GTEM 室空间所限, 只能由两台计算机进行组网, 针对组网计算机的特点, 编写了组网计算机间传输字符流的软件, 传输的内容可由用户自己定义, 组网计算机在GTEM 室和EMC 微波暗室中的测量状态分运行网络程序和不运行网络程序, 应用构建的处理平台对组网计算机的电磁泄漏测量数据进行特征提取与分析. 被测计算机具体配置见表1.表1被测计算机配置计算机显示器显卡CPU 主板内存集线器整机A 爱国者770FT 丽台TNT 2P 32333MHz 华硕256MSDRAM 整机B三星

5、763MB七彩虹RV 250P 421.7GHz华硕512MDDR金浪16口HUB 2试验数据处理平台的构成2. 1时域数据处理时域数据处理流程图见图 1.图1时域信号处理流程图由于采集到的时域数据是3. wfm 格式的文件, 需要用专用的格式转换软件ConvertTekWfm 将3. wfm 格式转换为3. txt 格式, 这样才可以用Windows 下的各种文本编辑软件打开. 示波器采样率最高可以达到10GHz , 在实测时用的最低的采样率是2.0GHz , 目的是防止丢失信息, 但是这样的采样率采集到的数据密度很大, 不便于处理与分析, 故而需要编制软件作数据降采样处理, 降采样后数据量

6、适中, 波形不变, 便于后续处理分析. 下面将简要介绍各种数据处理方法的原理3,4.1 数据平稳性检验将计算机电磁泄漏时域数据视为随机信号是因为电磁泄漏信息有随机性, 同时存在噪声, 因而数据更具有随机性. 在进行处理之前, 应先对数据做平稳性检验, 只有平稳的随机信号才具有各态历经性, 可以用一个样本的时间平均取代样本的集总平均4. 因此在进行时域和频域分析之前, 必须进行平稳性检验, 在满足平稳性的前提之下再对其进行特征提取和相关处理. 对于非平稳信号有处理方案如近似按平稳信号处理、采用时频分析等. 2 概率密度函数估计有参数估计和非参数估计(核估计 之分. 所谓参数估计方法是指已知概率密

7、度函数的形式, 而函数的有关参数未知的情况下, 通过估计参数来估计概率密度函数的方法. 非参数估计法是指概率密度函数的形式未知, 即分布不是一些通常遇到的典型分布形式, 而4. 该3. , 、识别与特征提取等. 相关函数是描述随机信号或确定性信号的重要的统计特性, 其特征参数是去相关时间.4 频谱分析频域中关于谱密度与谱分布具有如下特征参数:谱宽; 谱偏度(表示谱曲线的不对称程度 ; 谱峭度(表示谱曲线的扁平程度 . 2. 2频域数据处理直接采集到的频域数据首先进行频谱图的绘制, 然后进行去噪处理、最后进行寻找极值点及其带宽的处理. 频域信号处理流程图见图 2.图2频域信号处理流程图3数据处理

8、结果举例3. 1时域数据处理根据整机电磁泄漏实测时域数据绘制时域波形图, 见图3、图4.整机A 开机状态下测量的时域数据降采样由于原始数据采样率太高(2.0GHz 采样率 , 数据密度大, 从原始波形上看大致有7 个重复周图3整机A 开机时域波形(EMC 室(2.0GHz 采样率48武汉理工大学学报(交通科学与工程版 2005年第29 卷 图4整机A 开机时域波形(EMC 室(90MHz 采样率-软件降采样期, 程序计算有200万个数据, 平均每个周期有约28万个数据, 故需要用程序将采样率降下来. 选择的采样率为90MHz , 降采样后数据量变为每个周期大约1200个数据, 数据量适中, 波

9、形不变, 降采样后的数据波形见图4.整机A 开机状态下测量的时域数据的平稳性检验检验的结果均为平稳, 计算结果见表2, 其中均值是经过归一化处理的. 整机A 开机状态下测量的时域数据的概率密度函数估计, 计算结果见表3. 整机A 关分析, 开机状态下测, 5.第24个4800平稳0.0103180.070388表3整机A 开机状态下时域数据概率密度函数估计测试数据起点数据长度 个分布类型分布参数1第24个3600Weibull 分布形状参数b :1.24尺度参数xm :0.01741822第24个4800Weibull 分布形状参数b :1.24尺度参数xm :0.0173951表4整机A 开

10、机状态下时域数据相关性分析测试数据起点数据长度 个采样率 MHz去自相关时间 s 1第24个3600900.00115582第24个 4800900.0011494表5整机A 开机状态下时域数据频谱分析测试数据起点数据长度 个 采样率 MHz 谱宽 K第24个4800901176.700.899180.687033. 2频域数据处理整机A 在开机状态下, 不管在GTEM 室还是EMC 微波暗室, 频谱变化丰富的区域主要集中在1GHz 内.1GHz 以上电磁泄漏比较微弱. 将GTEM 室和EMC 微波暗室测量的谱线展开后发现在2MHz 以内, 均出现间隔较为均匀的谱线, 谱线间隔为5070kHz

11、 , 单测显示器也有同样的均匀谱线和间隔, 更深入的分析有待进一步的研究.4处理平台完成基于TEMPEST的数据流信息特征提取本项目针对TEMPEST 做了大量相关试验, 如显示器静态全屏显示一个汉字对显示器单独进行测量、对主机进行测量、对整机进行测量、组网计算机间传送字符流测量等. 限于篇幅, 这里仅对组网计算机传送字符流的频域测量数据进行特征提取.下面给出组网计算机在不同状态下在GTEM 室测量的频谱图, 图5、图6分别是组网计算机开机不运行网络程序和运行网络程序频谱图, 图7是两者频谱差异图.从测量的频谱图上可以看到, 频谱变化丰富的区域主要集中在1GHz 内, 对比组网计算机是否运行网

12、络程序测量的频谱数据, 组网计算机在运行网络程序传输字符流“武汉理工大学”测量的频谱有整体减少13dB V 的趋势, 表6给出了图5组网计算机不运行网络程序频谱图58第1期梁军等:基于TEMPEST 的计算机电磁泄漏数据处理平台 图6 组网计算机运行网络程序图7组网计算机运行网络程序时测量的频谱减去不运行网络程序测量的频谱组网计算机开机电磁泄漏的几个极值点的幅度变化情况.表6组网计算机开机电磁泄漏极值点频谱对比频率 MHz76180335.7419431组网计算机开机不运行程序频谱值 dB V42组网计算机运行网络程序频谱值 dB V后绝大部分数据都集中在30MHz 以内(从图7上可以直观看到

13、 . 相减后的数据是两组数据的差异, 有关专家提示, 在这里假设两组测量数据的环境噪声相同成立的条件下, 这样的频谱可以认为是字符流在传输的过程中释放的特征频谱. 这无疑对信息窃取与反窃取有重要的参考价值和研究意义. 更具体的分析有待进一步的探索., 在此表:王海樱、侯冬云、黄琼、魏宏权等同志对测试工作的大力支持! 同时, 文中中涉及的动态链接库程序引用边群玲, 颜南霞的学位论文, 在此表示感谢!参考文献1卢凌, 颜南霞, 王皑等. 计算机的信息泄漏与反信息窃取. 武汉交通科技大学学报,2000,20(52卢凌, 杨杰, 杨春金等. 基于GTEM 的计算机电磁压漏测试方法研究. 武汉交通科技大

14、学学报,2000,24(4 :3413453Lu Ling , Nie Yan , Zhang Hongying . The electroma 2genetic leak ageand protection for computer . IEEEP 2RESS , 北京:电子工业出版社,1997.3783824边群玲. 基于现代信号处理方法的雷达杂波特征提取研究:学位论文.武汉:武汉交通科技大学,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