鍵盤信息泄漏與防泄漏鍵盤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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)。

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。現(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。

① 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。

③ 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)。

④ 待有鍵抬起時(shí)發(fā)這一鍵的結(jié)束碼。

⑤ 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)。