| 摘要 簡(jiǎn)要介紹鍵盤的工作原理,分析鍵盤的信息泄漏問題;提出預(yù)防信息泄漏鍵盤的設(shè)計(jì);重點(diǎn)介紹我們研制的紅黑分離式防信息泄漏鍵盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 TEMPEST 紅黑分離 鍵盤加密 防信息泄漏鍵盤 1 鍵盤工作原理概述 鍵盤是計(jì)算機(jī)中最通用的設(shè)備,也是除顯示器外信息最容易被截獲并被復(fù)現(xiàn)的設(shè)備。按照紅黑分離式防信息泄漏原理,我們成功地開發(fā)了紅黑分離式防信息泄漏鍵盤。 首先分析一下鍵盤的工作原理�，F(xiàn)在的鍵盤主芯片只有1個(gè)。1個(gè)鍵盤由專用芯片、按鍵和接口3部分組成。其中專用芯片提供主機(jī)接口、行線、列線及鍵盤分系統(tǒng)控制微程序;按鍵被安排在行列線的交叉點(diǎn)上;主機(jī)接口共4根線：電源、地、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)。工作原理如下。 �、� 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線在主機(jī)方和鍵盤方的引腳都是OC門,正常時(shí)電平為高。主機(jī)和鍵盤任何一方都可以把這兩根線上的電平拉低。當(dāng)兩根線都為高時(shí),鍵盤可以發(fā)數(shù)據(jù);當(dāng)時(shí)鐘為低時(shí),禁止鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)時(shí)鐘為高、數(shù)據(jù)為低時(shí),表示主機(jī)要發(fā)送命令,鍵盤要準(zhǔn)備接收。 ② 加電后鍵盤開始自檢,如自檢正常,則向主機(jī)發(fā)出AAH,并開始掃描按鍵。 �、� 判斷出有鍵按下后向主機(jī)發(fā)這一鍵的掃描碼并開始計(jì)時(shí),然后繼續(xù)掃描。若0.5 s后,這個(gè)鍵仍未抬起,且沒有新鍵按下的話,就要連續(xù)發(fā)這一鍵的掃描碼：每秒30個(gè)。最多支持3個(gè)鍵同時(shí)按下。在0.5 s內(nèi)若有新鍵按下的話,就為新鍵計(jì)時(shí)。 �、� 待有鍵抬起時(shí)發(fā)這一鍵的結(jié)束碼。 �、� 收到主機(jī)發(fā)來的命令碼后,鍵盤發(fā)FAH以應(yīng)答,并開始執(zhí)行這一命令。 鍵盤與主機(jī)通信的數(shù)據(jù)規(guī)則是：每組數(shù)據(jù)由11位組成：1位啟始位（邏輯0）、8位數(shù)據(jù)位（低位在前）、1位校驗(yàn)位（奇校驗(yàn)）、1位停止位（邏輯1）。 其數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)格式為： 
時(shí)鐘是鍵盤分系統(tǒng)發(fā)出的方波,周期約為80μs下降沿有效,只在發(fā)碼的時(shí)候才有時(shí)鐘。每個(gè)鍵有1個(gè)掃描碼。主機(jī)還會(huì)發(fā)一些命令。表1給出了每個(gè)鍵的掃描碼。 表1 鍵盤掃描
 這是一個(gè)開放式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),PC機(jī)的鍵盤都是這樣的。其與主機(jī)的通信必須按上述標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這為零配件的生產(chǎn)、維修、使用提供了極大的方便,但同時(shí)也使鍵盤按鍵造成信息泄漏成為了可能。 2 鍵盤信息泄漏的分析 為了驗(yàn)證鍵盤信息泄漏的電磁場(chǎng)的特性,進(jìn)行如下試驗(yàn)：當(dāng)鍵盤連續(xù)保持按下“H”鍵時(shí),用頻譜儀測(cè)量鍵盤與主機(jī)連接的信號(hào)線的傳導(dǎo)發(fā)射特性,結(jié)果如圖1所示。 
圖1 鍵盤的傳導(dǎo)發(fā)射特性
當(dāng)按不同的鍵時(shí),頻譜儀接收到的譜線發(fā)生頻移。按信息的相關(guān)原理證明,所得的譜線與按鍵信息相關(guān),說明其中含有鍵盤的掃描碼信息。該信息為鍵盤編碼,并將其定義為紅信號(hào)。 下面具體分析一下鍵盤產(chǎn)生的紅信號(hào)走過的路徑。圖2是普通鍵盤的電路圖,是用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。 
圖2 普通鍵盤電路
圖2中鍵陣列部分的引腳（P0、P2和P1的一部分）流過的是高低變換的電平,用以判斷哪個(gè)鍵按下了,哪個(gè)鍵抬起了。這些信號(hào)即使被截獲也是沒有意義的,因此,將它們定義為黑信號(hào)。此外復(fù)位電平、晶振等也為黑信號(hào)。 鍵盤有2根信號(hào)線與主機(jī)相連,即時(shí)鐘線（KBDCLK）和數(shù)據(jù)線（KBCDATA）。時(shí)鐘線提供鍵盤與主機(jī)通信時(shí)的時(shí)鐘信號(hào),由鍵盤發(fā)出,下降沿有效。也就是說在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿,主機(jī)將鍵盤準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)讀入累加器“ACC”中,讀到有效的“停止位”后送CPU處理。但對(duì)于同一種鍵盤來說,時(shí)鐘的周期、頻率、電平高低都是一樣的;對(duì)于不同鍵盤會(huì)略有不同。在同一個(gè)鍵盤中,發(fā)出的所有數(shù)據(jù)的時(shí)鐘都是相同的。所以這一信號(hào)與按鍵信息無關(guān),也是黑信號(hào)。鍵盤有不同的鍵,它們被依此選通后,將通過數(shù)據(jù)線發(fā)出相應(yīng)的鍵碼數(shù)據(jù)傳送給主機(jī),所以,圖2中只有數(shù)據(jù)線上走的是紅信號(hào)。 下面再分析一下在芯片內(nèi)部的紅信號(hào)的通路情況。圖3為8051的內(nèi)部框圖。 
圖3 8051框圖
圖3中以空心箭頭表示紅信號(hào)的路徑。在8051內(nèi)部,這一部分發(fā)出列掃描電平,讀入行掃描電平,鍵按下后ALU通過計(jì)算將放在累加器ACC中。ACC再一位一位地送到P3的某個(gè)引腳上。在芯片內(nèi)部,這一紅信號(hào)是串行二進(jìn)制碼數(shù)據(jù),其波特率為12.5 Kbps,脈沖寬度為80μs,轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1.4μs,奇校驗(yàn)。具體波形如圖4所示。 
圖4 鍵盤發(fā)“H”的掃描碼波形
通過上述試驗(yàn)可知,鍵盤中紅信號(hào)的路徑是從微處理器中的累加器開始,經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)引腳至主機(jī)數(shù)據(jù)口止的一段電路上。 鍵盤掃描周期諧波的RF輻射有兩種主要的威脅：其一為攻擊鍵盤電纜在其響應(yīng)頻率諧波的輻射;其次是攻擊被非線性交叉效應(yīng)調(diào)制的返回信號(hào)中被檢波的掃描碼。 3 紅黑分離式防信息泄漏鍵盤 3.1 設(shè)計(jì) 為了預(yù)防鍵盤泄密,我們研制了紅黑分離式防信息泄漏鍵盤。這種鍵盤使用光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù),鍵盤與主機(jī)間用塑料光纜連接,鍵盤以電池供電,使其最大限度地減小電磁輻射。 所設(shè)計(jì)的低電壓電路,用2節(jié)5號(hào)電池供電。使用低電壓的8051單片機(jī)作主芯片,實(shí)現(xiàn)鍵選掃并發(fā)送數(shù)據(jù)。為了省電,設(shè)計(jì)中采用一種技術(shù),即在沒有鍵按下時(shí)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)。 普通鍵盤的編碼是固定的標(biāo)準(zhǔn)值,如表1所列。這種明碼如果防御不當(dāng),一旦被截獲將可被復(fù)現(xiàn),造成嚴(yán)重后果。 這里的防御技術(shù)包括可編程的鍵盤微控制器。由于掃描周期是隨機(jī)的,在它們傳送給PC機(jī)前加密掃描碼。當(dāng)按鍵時(shí),在周期內(nèi)鍵掃描次數(shù)將是隨機(jī)的,并且改變了值,而不是原來的常數(shù)。這樣,當(dāng)用戶打印圖案或所有情況下使用時(shí),即使由攻擊者截獲到該值,但給他們的不是該按鍵值的信息。 為此需要修改系統(tǒng),自己設(shè)置密碼。我們改變了鍵盤微控制器的程序,即使對(duì)方能夠探測(cè)到鍵盤在工作中的電磁泄漏信息,對(duì)于截獲的信息也是沒有意義的。因?yàn)殒I盤產(chǎn)生并發(fā)出的光信號(hào)不是通用的掃描碼,如圖3中的紅信號(hào)通路中傳輸?shù)牟辉偈峭ㄓ脪呙璐a,而是密碼,到主機(jī)方有一個(gè)相應(yīng)的單片機(jī)接收密碼,并轉(zhuǎn)換成鍵盤標(biāo)準(zhǔn)碼送往主機(jī)。主機(jī)方的這一機(jī)構(gòu)密封在屏蔽機(jī)箱的內(nèi)部,電磁波不會(huì)泄漏出來。加密編碼還有一個(gè)好處,就是可以經(jīng)常更換編碼方式,這一點(diǎn)對(duì)于機(jī)要部門很有用。 這里只涉及PC 機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,并將其固化在鍵盤微控制器中。 下面主要討論鍵盤的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或者稱為鍵盤微控制器程序算法。 ① 實(shí)現(xiàn)的功能與第1節(jié)中描述的普通鍵盤的功能完全相同。 �、� 鍵盤要連續(xù)掃描每一個(gè)鍵,遇到一個(gè)鍵按下了就要發(fā)出數(shù)據(jù)說明并開始記時(shí)。若在0.5 s之后這個(gè)鍵還沒有松開,就連續(xù)發(fā)這一鍵,每秒30個(gè)。 �、� 在記時(shí)過程和連續(xù)發(fā)碼過程中,還不停頓地監(jiān)視其它鍵。 ④ 在連續(xù)發(fā)一個(gè)鍵時(shí),若有其它鍵按下就停止發(fā)這個(gè)鍵,發(fā)新按下去的那個(gè)鍵并開始為其記時(shí)。 �、� 若有鍵抬起,要發(fā)一個(gè)結(jié)束碼給主機(jī),告之這個(gè)鍵已抬起。 ⑥ 在RAM中的位尋址區(qū)中固定104位,每一位為一個(gè)鍵提供標(biāo)志。掃描到某個(gè)鍵時(shí),先查看相應(yīng)的位。這個(gè)鍵以前按下了,設(shè)這一位是1;這個(gè)鍵以前沒按下,設(shè)這一位是0。然后再看現(xiàn)在按下沒有,現(xiàn)在剛按下發(fā)掃描碼,現(xiàn)在沒按下就去處理下一個(gè)鍵,現(xiàn)在抬起來了就發(fā)結(jié)束碼。 �、� 這104個(gè)鍵要輪流掃描,同時(shí)要計(jì)時(shí)。如有鍵一直按著沒抬起來,要在0.5 s之后連續(xù)發(fā),每秒發(fā)30個(gè)。同時(shí)按下的鍵達(dá)到4個(gè)時(shí),就不再記新的了。 根據(jù)上述算法鍵盤微控制程序編程流程如圖5所示。 
圖5 鍵盤程序流程
3.2 實(shí)現(xiàn) 紅黑分離式防信息泄漏鍵盤中,單片機(jī)選擇了低電壓芯片,光纜選擇了直徑1 mm的塑料光纜。在鍵盤結(jié)構(gòu)上按紅黑分離規(guī)則進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和電路兩部分設(shè)計(jì),做成了樣機(jī),并進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。圖6是我們研制出的紅黑分離式防信息泄漏鍵盤。 
圖6 TEMPEST-111型鍵盤
紅黑分離式防信息泄漏鍵盤可靠性很高,信息安全測(cè)試技術(shù)指標(biāo)可達(dá)A型機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。用頻譜儀測(cè)試該紅黑分離式防信息泄漏鍵盤時(shí),結(jié)果如圖7所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出已沒有電磁輻射了。 
圖7 TEMPEST鍵盤發(fā)“H”時(shí)的頻譜
結(jié)束語 通過紅黑分離式防信息泄漏鍵盤的設(shè)計(jì)使我們體會(huì)到,要設(shè)計(jì)一種防信息泄漏設(shè)備,必須先進(jìn)行電路分析,找出紅信號(hào)的泄漏路徑。通過分析和論證,才能開始進(jìn)行電路的紅黑分離工作和軟件編碼的加密工作。在對(duì)電路紅信號(hào)線的屏蔽、吸收、隔離和接地的設(shè)計(jì)中,一定要避免紅信號(hào)被非線性交叉效應(yīng)調(diào)制,這是本設(shè)計(jì)成功的經(jīng)驗(yàn)之一。 | 
66821730(技術(shù)支持)
