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1、键盘信息泄漏与防泄漏键盘设计http:/ 来源：net 发布时间：2007-12-12 18:37:56摘 要:简要介绍键盘的工作原理，分析键盘的信息泄漏问题；提出预防信息泄 漏键盘的设计；重点介绍我们研制的红黑分离式防信息泄漏键盘的设计与实现。关键词:TEMPEST 红黑分离 键盘加密 防信息泄漏键盘1 1 键盘工作原理概述键盘工作原理概述键盘是计算机中最通用的设备，也是除显示器外信息最容 易被截获并被复现的设备。按照红黑分离式防信息泄漏原理，我们成功地开发 了红黑分离式防信息泄漏键盘。首先分析一下键盘的工作原理。现在的键盘主芯片只有 1 个。1 个键盘由专用 芯片、按键和接口 3 部分组成
2、。其中专用芯片提供主机接口、行线、列线及键 盘分系统控制微程序；按键被安排在行列线的交叉点上；主机接口共 4 根线： 电源、地、时钟、数据。工作原理如下。(1) 时钟和数据线在主机方和键盘方的引脚都是 OC 门，正常时电平为高。主机 和键盘任何一方都可以把这两根线上的电平拉低。当两根线都为高时，键盘可 以发数据；当时钟为低时，禁止键盘发送数据；当时钟为高、数据为低时，表 示主机要发送命令，键盘要准备接收。(2)加电后键盘开始自检，如自检正常， 则向主机发出 AAH，并开始扫描按键。(3)判断出有键按下后向主机发这一键的 扫描码并开始计时，然后继续扫描。若 0.5 s 后，这个键仍未抬起，且没有
3、新 键按下的话，就要连续发这一键的扫描码：每秒 30 个。最多支持 3 个键同时按 下。在 0.5s 内若有新键按下的话，就为新键计时。(4)待有键抬起时发这一键 的结束码。(5)收到主机发来的命令码后，键盘发 FAH 以应答，并开始执行这一 命令。键盘与主机通信的数据规则是：每组数据由 11 位组成：1 位启始位(逻辑 0)、 8 位数据位(低位在前)、1 位校验位(奇校验)、1 位停止位(逻辑 1)。 其数据位 的数据格式为：时钟是键盘分系统发出的方波，周期约为 80us 下降沿有效，只在发码的时候才 有时钟。每个键有 1 个扫描码。主机还会发一些命令。表 1 给出了每个键的扫 描码。这是
4、一个开放式的工业标准，PC 机的键盘都是这样的。其与主机的通信必须按 上述标准执行。这为零配件的生产、维修、使用提供了极大的方便，但同时也 使键盘按键造成信息泄漏成为了可能。2 2 键盘信息泄漏的分析键盘信息泄漏的分析为了验证键盘信息泄漏的电磁场的特性，进行如下试验： 当键盘连续保持按下“H“键时，用频谱仪测量键盘与主机连接的信号线的传导发 射特性，结果如图 1 所示。当按不同的键时，频谱仪接收到的谱线发生频移。按信息的相关原理证明，所 得的谱线与按键信息相关，说明其中含有键盘的扫描码信息。该信息为键盘编 码，并将其定义为红信号。下面具体分析一下键盘产生的红信号走过的路径。图 2 是普通键盘的
5、电路图， 是用 8051 单片机实现的。图 2 中键阵列部分的引脚(P0、P2 和 P1 的一部分)流过的是高低变换的电平，用以判断哪个键按下了，哪个键抬起了。这些信号即使被截获也是没有意义的， 因此，将它们定义为黑信号。此外复位电平、晶振等也为黑信号。键 盘有 2 根信号线与主机相连，即时钟线(KBDCLK)和数据线(KBCDATA)。时钟 线提供键盘与主机通信时的时钟信号，由键盘发出，下降沿有效。也就 是说在 每个时钟的下降沿，主机将键盘准备好的数据读入累加器“ACC“中，读到有效的 “停止位“后送 CPU 处理。但对于同一种键盘来说，时钟的周期、频 率、电平高 低都是一样的；对于不同键盘
6、会略有不同。在同一个键盘中，发出的所有数据 的时钟都是相同的。所以这一信号与按键信息无关，也是黑信号。键盘有不 同 的键，它们被依此选通后，将通过数据线发出相应的键码数据传送给主机，所 以，图 2 中只有数据线上走的是红信号。下面再分析一下在芯片内部的红信号的通路情况。图 3 为 8051 的内部框图。图 3 中以空心箭头表示红信号的路径。在 8051 内 部，这一部分发出列扫描电 平，读入行扫描电平，键按下后 ALU 通过计算将放在累加器 ACC 中。ACC 再一 位一位地送到 P3 的某个引脚上。在芯片内部，这一 红信号是串行二进制码数 据，其波特率为 12.5 Kbps，脉冲宽度为 80
7、us，转换时间为 1.4us，奇校验。 具体波形如图 4 所示。通过上述试验可知，键盘中红信号的路径是从微处理器中的累加器开始，经一 个数据引脚至主机数据口止的一段电路上。键盘扫描周期谐波的 RF 辐射有两种主要的威胁：其一为攻击键盘电缆在其响应 频率谐波的辐射；其次是攻击被非线性交叉效应调制的返回信号中被检波的扫 描码。3 3 红黑分离式防信息泄漏键盘红黑分离式防信息泄漏键盘 3.13.1 设计设计为了预防键盘泄密，我们研制了红黑分 离式防信息泄漏键盘。这种键盘使用光信号传输数据，键盘与主机间用塑料光 缆连接，键盘以电池供电，使其最大限度地减小电磁辐射。所设计的低电压电路，用 2 节 5 号
8、电池供电。使用低电压的 8051 单片机作主芯片，实现键选扫并发送数据。为了省电，设计中采用一种技术，即在没有键按 下时单片机处于休眠状态。普通键盘的编码是固定的标准值，如表 1 所列。这种明码如果防御不当，一旦 被截获将可被复现，造成严重后果。这 里的防御技术包括可编程的键盘微控制器。由于扫描周期是随机的，在它们 传送给 PC 机前加密扫描码。当按键时，在周期内键扫描次数将是随机的，并且 改变了 值，而不是原来的常数。这样，当用户打印图案或所有情况下使用时， 即使由攻击者截获到该值，但给他们的不是该按键值的信息。为 此需要修改系统，自己设置密码。我们改变了键盘微控制器的程序，即使对 方能够探
9、测到键盘在工作中的电磁泄漏信息，对于截获的信息也是没有意义的。 因为键盘 产生并发出的光信号不是通用的扫描码，如图 3 中的红信号通路中传 输的不再是通用扫描码，而是密码，到主机方有一个相应的单片机接收密码， 并转换成键盘标准 码送往主机。主机方的这一机构密封在屏蔽机箱的内部，电 磁波不会泄漏出来。加密编码还有一个好处，就是可以经常更换编码方式，这 一点对于机要部门很有用。这里只涉及 PC 机的设备驱动程序，并将其固化在键盘微控制器中。下面主要讨论键盘的设备驱动程序或者称为键盘微控制器程序算法。(1) 实现的功能与第 1 节中描述的普通键盘的功能完全相同。(2)键盘要连续扫 描每一个键，遇到一
10、个键按下了就要发出数据说明并开始记时。若在 0.5 s 之 后这个键还没有松开，就连续发这一键，每秒 30 个。(3)在记时过程和连续发 码过程中，还不停顿地监视其它键。(4)在连续发一个键时，若有其它键按 下 就停止发这个键，发新按下去的那个键并开始为其记时。(5)若有键抬起，要发 一个结束码给主机，告之这个键已抬起。(6)在 RAM 中的位寻址区中固定 104 位，每一位为一个键提供标志。扫描到某个键时，先查看相应的位。这个键以 前按下了，设这一位是 1；这个键以前没按下，设这一位是 0。然后再看现在按 下没有，现在刚按下发扫描码，现在没按下就去处理下一个键，现在抬起来了 就发结束码。(7
11、)这 104 个键要轮流扫描，同时要计时。如有键一直按着没抬起 来，要在 0.5 s 之后连续发，每秒发 30 个。同时按下的键达到 4 个时，就不再 记新的了。根据上述算法键盘微控制程序编程流程如图 5 所示。3.23.2 实现实现红黑分离式防信息泄漏键盘中，单片机选择了低电压芯片，光缆选择了直径 1 mm 的塑料光缆。在键盘结构上按红黑分离规则进行了结构和电路两部分设计， 做成了样机,并进行了小批量生产。图 6 是我们研制出的红黑分离式防信息泄漏 键盘。红黑分离式防信息泄漏键盘可靠性很高，信息安全测试技术指标可达 A 型机标 准。用频谱仪测试该红黑分离式防信息泄漏键盘时，结果如图 7 所示。由测试 结果可以看出已没有电磁辐射了。结束语结束语通 过红黑分离式防信息泄漏键盘的设计使我们体会到，要设计一种防信 息泄漏设备，必须先进行电路分析，找出红信号的泄漏路径。通过分析和论证， 才能开始进行电 路的红黑分离工作和软件编码的加密工作。在对电路红信号线 的屏蔽、吸收、隔离和接地的设计中，一定要避免红信号被非线性交叉效应调 制，这是本设计成功的经 验之一。
