第3章 计算机硬件与环境安全

2019/10/2信息安全原理与技术1第3章计算机硬件与环境安全2019/10/2信息安全原理与技术2本章主要内容对计算机硬件的安全威胁计算机硬件安全技术环境安全技术2019/10/2信息安全原理与技术3计算机硬件及其运行环境是计算机网络信息系统运行的基础，它们的安全直接影响着网络信息的安全。由于自然灾害、设备自然损坏和环境干扰等自然因素以及人为的窃取与破坏等原因，计算机设备和其中信息的安全受到很大的威胁。本章讨论计算机设备及其运行环境以及计算机中的信息面临的各种安全威胁和防护方法，并介绍利用硬件技术实现信息安全的一些方法。2019/10/2信息安全原理与技术43.1对计算机硬件的安全威胁3.1.1计算机硬件安全缺陷3.1.2环境对计算机的安全威胁2019/10/2信息安全原理与技术53.1.1计算机硬件安全缺陷重点讨论PC机的安全PC机的一个重要用途是建立个人办公环境，可以放在办公室的办公桌上。这样既提供了方便，也产生了安全方面的问题。与大型计算机相比，大多数PC机无硬件级的保护，他人很容易操纵控制机器。2019/10/2信息安全原理与技术6即使有保护机制也很简单，或者很容易被绕过。例如，CMOS中的口令机制可以通过把CMOS的供电电池短路，使CMOS电路失去记忆功能，而绕过口令的控制。由于PC机的机箱很容易打开（有的机器甚至连螺丝刀也不需要），做到这一点是很容易。2019/10/2信息安全原理与技术7PC机的硬件是很容易安装的，当然也是很容易拆卸的，硬盘是很容易被偷盗的，其中的信息自然也就不安全了。存储在硬盘上的文件几乎没有任何保护措施，DOS的文件系统的存储结构与管理方法几乎是人所皆知的，对文件附加的安全属性，如隐藏、只读、独占等属性，很容易被修改，对磁盘文件目录区的修改既没有软件保护，也没有硬件保护，掌握磁盘管理工具的人，很容易更改磁盘文件目录区，造成整个系统的信息紊乱。2019/10/2信息安全原理与技术8在硬盘或软盘的磁介质表面的残留磁信息也是重要的信息泄漏渠道，文件删除操作仅仅在文件目录中作了一个标记，并没有删除文件本身数据存区，有经验的用户可以很容易恢复被删除的文件。保存在软盘上的数据很容易因不小心划坏、各种硬碰伤或受潮霉变而无法利用。2019/10/2信息安全原理与技术9内存空间之间没有保护机制，即使简单的界限寄存器也没有，也没有只可供操作系统使用的监控程序或特权指令，任何人都可以编制程序访问内存的任何区域，甚至连系统工作区（如系统的中断向量区）也可以修改，用户的数据区得不到硬件提供的安全保障。2019/10/2信息安全原理与技术10有些软件中包含用户身份认证功能，如口令、软件狗等都很容易被有经验的程序员绕过或修改认证数据。有的微机处理器芯片虽然提供硬件保护功能，但这些功能还未被操作系统有效利用。2019/10/2信息安全原理与技术11计算机硬件的尺寸越来越小，容易搬移，尤其是便携机更是如此。这既是优点，也是弱点。这样小的机器并未设计固定装置，使机器能方便地固定在桌面上，盗窃者能够很容易地搬走整个机器，其中的各种文件也就谈不上安全问题了。2019/10/2信息安全原理与技术12计算机的外部设备是不受操作系统安全控制的，任何人都可以利用系统提供的输出命令打印文件内容，输出设备是最容易造成信息泄漏或被窃取的地方。2019/10/2信息安全原理与技术13计算机中的显示器、中央处理器（CPU）和总线等部件在运行过程中能够向外部辐射电磁波，电磁波反映了计算机内部信息的变化。经实际仪器测试，在几百米以外的距离可以接受与复现显示器上显示的信息，计算机屏幕上的信息可以在其所有者毫不知晓的情况下泄漏出去。计算机电磁泄漏是一种很严重的信息泄漏途径。2019/10/2信息安全原理与技术14计算机的中央处理器（CPU）中常常还包括许多未公布的指令代码，例如DOS操作系统中就利用了许多未公开的80X86系列的指令。这些指令常常被厂家用于系统的内部诊断或可能被作为探视系统内部的信息的“陷门”，有的甚至可能被作为破坏整个系统运转的“炸弹”。2019/10/2信息安全原理与技术15计算机硬件故障也会对计算机中的信息造成威胁，硬件故障常常会使正常的信息流中断，在实时控制系统中，这将造成历史信息的永久丢失；磁盘存储器磁介质的磨损或机械故障使磁盘文件遭到损坏。这些情况都会破坏信息的完整性。2019/10/2信息安全原理与技术163.1.2环境对计算机的安全威胁1．温度2．湿度3．灰尘4．电磁干扰2019/10/2信息安全原理与技术17计算机的电子元器件、芯片都密封在机箱中，有的芯片工作时表面温度相当高，例如586CPU芯片需要带一个小风扇散热，电源部件也是一个大的热源，虽然机箱后面有小型排风扇，但计算机工作时，箱内的温度仍然相当的高，如果周边温度也比较高的话，机箱内的温度很难降下来。温度2019/10/2信息安全原理与技术18一般电子元器件的工作温度的范围是0℃~45℃，当环境温度超过60℃时，计算机系统就不能正常工作，温度每升高10℃，电子元器件的可靠性就会降低25%。元器件可靠性降低无疑将影响计算机的正确运算，影响结果的正确性。2019/10/2信息安全原理与技术19温度对磁介质的导磁率影响很大，温度过高或过低都会使导磁率降低，影响磁头读写的正确性。温度还会使磁带、磁盘表面热胀冷缩发生变化，造成数据的读写错误，影响信息的正确性。温度过高会使插头、插座、计算机主版、各种信号线腐蚀速度加快，容易造成接触不良，温度过高也会使显示器各线圈骨架尺寸发生变化，使图象质量下降。温度过低会使绝缘材料变硬、变脆，使漏电流增大，也会使磁记录媒体性能变差，也会影响显示器的正常工作。计算机工作的环境温度最好是可调节的，一般控制在21℃±3℃。2019/10/2信息安全原理与技术20环境的相对湿度若低于40%时，环境相对是干燥的；若相对湿度若高于60%时，环境相对是潮湿的。湿度过高过低对计算机的可靠性与安全性都有影响。当相对湿度超过65%以后，就会在元器件的表面附着一层很薄的水膜，会造成元器件各引脚之间的漏电，甚至可能出现电弧现象。当水膜中含有杂质时，它们会附着在元器件引脚、导线、接头表面，会造成这些表面发霉和触点腐蚀。磁性介质是多孔材料，在相对湿度高的情况下，它会吸收空气中的水分变潮，使其导磁率发生明显变化，造成磁介质上的信息读写错误。湿度2019/10/2信息安全原理与技术21在高湿度的情况下，打印纸会吸潮变厚，也会影响正常的打印操作。当相对湿度低于20%时，空气相当干燥，这种情况下极易产生很高的静电（实验测量可达10kV），如果这时有人去碰MOS器件，会造成这些器件的击穿或产生误动作。过分干燥的空气也会破坏磁介质上的信息，会使纸张变脆、印刷电路板变形。如果对计算机运行环境没有任何控制，温度与湿度高低交替大幅度变化，会加速对计算机中的各种器件与材料腐蚀与破坏作用，严重影响计算机的正常运行与寿命。计算机正常的工作湿度应该是40%与60%之间。2019/10/2信息安全原理与技术22空气中的灰尘对计算机中的精密机械装置，如磁盘、光盘驱动器影响很大，磁盘机与光盘机的读头与盘片之间的距离很小，不到一个微米。在高速旋转过程各种灰尘，其中包括纤维性灰尘会附着在盘片表面，当读头靠近盘片表面读信号的时候，就可能擦伤盘片表面或者磨损读头，造成数据读写错误或数据丢失。放在无防尘措施空气中平滑的光盘表面经常会带有许多看不见的灰尘，即使用干净的布梢微用点力去擦抹，也会在盘面上形成一道道划痕。灰尘2019/10/2信息安全原理与技术23如果灰尘中还包括导电尘埃和腐蚀性尘埃的话，它们会附着在元器件与电子线路的表面，此时机房若空气湿度较大的话，会造成短路或腐蚀裸露的金属表面。灰尘在器件表面的堆积，会降低器件的散热能力。因此，对进入机房的新鲜空气应进行一次或两次过滤，要采取严格的机房卫生制度，降低机房灰尘含量。2019/10/2信息安全原理与技术24电气与电磁干扰是指电网电压和计算机内外的电磁场引起的干扰。常见的电气干扰是指电压的瞬间较大幅度的变化、突发的尖脉冲或电压不足甚至掉电。例如，计算机房内使用较大功率的吸尘器、电钻，机房外使用电锯、电焊机等大用电量设备，这些情况都容易在附近的计算机电源中产生电气噪音信号干扰。电磁干扰2019/10/2信息安全原理与技术25这些干扰一般容易破坏信息的完整性，有时还会损坏计算机设备。防止电气干扰的办法是采用稳压电源或不间断电源，为了防止突发的电源尖脉冲，对电源还要增加滤波和隔离措施。2019/10/2信息安全原理与技术26对计算机正常运转影响较大的电磁干扰是静电干扰与周边环境的强电磁场干扰。由于计算机中的芯片大部分都是MOS器件，静电电压过高会破坏这些MOS器件，据统计50%以上的计算机设备的损害直接或间接与静电有关。2019/10/2信息安全原理与技术27防静电的主要方法有：机房应该按防静电要求装修（如使用防静电地板），整个机房应该有一个独立的和良好的接地系统，机房中各种电气和用电设备都接在统一的地线上。周边环境的强电磁场干扰主要指可能的无线电发射装置、微波线路、高压线路、电气化铁路、大型电机、高频设备等产生的强电磁干扰。这些强电磁干扰轻则会使计算机工作不稳定，重则对计算机造成损坏。2019/10/2信息安全原理与技术283.2计算机硬件安全技术计算机硬件安全技术是指用硬件的手段保障计算机系统或网络系统中的信息安全的各种技术，其中也包括为保障计算机安全可靠运行对机房环境的要求。本小节将介绍用硬件技术实现的访问控制技术和防拷贝技术和防辐射技术。2019/10/2信息安全原理与技术293.2.1硬件访问控制技术访问控制的对象主要是计算机系统的软件与数据资源，这两种资源平时一般都是以文件的形式存放在硬盘或软盘上。所谓访问控制技术主要是保护这些文件不被非法访问的技术。PC机中文件是以整体为单位被保护的，要么可以访问整个文件，要么无权访问。2019/10/2信息安全原理与技术30对PC机文件的保护通常有以下四种形式：计算机资源的访问控制功能；由个人用户对文件进行加密；防止对文件的非法拷贝；对整体环境进行保护，表面对文件不保护，实际上在某种范围内保护。2019/10/2信息安全原理与技术31可能是因为过于考虑PC机的个人特性和使用的方便性的缘故，PC机操作系统没有提供基本的文件访问控制机制。在DOS系统和Windows系统中的文件的隐藏、只读、只执行等属性以及Windows中的文件共享与非共享等机制是一种很弱的文件访问控制机制。2019/10/2信息安全原理与技术321、令牌或智能卡这里讲的令牌是一种能标识其持有人身份的特殊标志。例如，可以利用图章认证一个人的身份，公民身份证也是一种认证令牌。为了起到认证作用，令牌必须与持有人之间是一一对应的，要求令牌是唯一的和不能伪造的。身份证应该是不能伪造的，否则身份证就无意义。2019/10/2信息安全原理与技术33各种磁卡，如邮政储蓄卡、电话磁卡等是用网络通信令牌的一种形式，这种磁卡后面记录了一些磁记录信息，通常磁卡读出器读出磁卡信息后，还要求用户输入通行字以便确认持卡人的身份。因此，如果磁卡丢失，拾到者也无法通过磁卡进入系统。2019/10/2信息安全原理与技术34还有一种更为复杂的信用卡形式——智能卡或芯片卡。这种卡中嵌入了一个微处理器。智能卡不仅可以保存用于辨别持有者的身份信息，还可以保存诸如存款余额的信息。这种卡不仅有存储能力，而且还有计算能力。例如，它可以计算询问—应答系统的回答函数或者实现链路级的加密处理。2019/10/2信息安全原理与技术35智能卡的使用过程大致如下：一个用户在网络终端上输入自己的名字，当系统提示他输入通行字时，把智能卡插入槽中并输入其通行字，通行字不以明文形式回显，也不以明文方式传输，这是因为智能卡对它加密的结果。在接收端对通行字进行解密，身份得到确认后，该用户便可以进行他希望的网上操作了。2019/10/2信息安全原理与技术362、生物特征认证方法一般而言，生物统计学设备