吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 畢海嘉

0.前言

硬件與軟件都是計(jì)算機(jī)運(yùn)行與計(jì)算機(jī)功能發(fā)揮的重要組成部分，近來(lái)，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件與硬件都已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，相比逐漸走向高端的軟件設(shè)計(jì)，在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)方面卻存在一定的滯后性，硬件安全問(wèn)題依舊是影響信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用安全的重要限制性因素，就需要就網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)與維護(hù)兩個(gè)層面的安全保障進(jìn)行探討。

1.計(jì)算機(jī)硬件安全問(wèn)題

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的計(jì)算機(jī)硬件而言，其運(yùn)行性能與運(yùn)行效率與計(jì)算機(jī)能否發(fā)揮其功能性與服務(wù)性直接相關(guān)。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)與物理裝置的總稱(chēng)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，計(jì)算機(jī)硬件安全受到一定的威脅與挑戰(zhàn)，會(huì)給信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)相應(yīng)的安全威脅。在信息社會(huì)，網(wǎng)絡(luò)是一把雙刃劍，可以在很大程度上提高我們的生活質(zhì)量與工作便捷性，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很大的安全漏洞，造成一定的安全隱患。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如何保障信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效運(yùn)行，如何保障計(jì)算機(jī)硬件可以有效運(yùn)行，并且切實(shí)有效地發(fā)揮其重要作用就成為值得考量的問(wèn)題了。

計(jì)算機(jī)硬件在運(yùn)行過(guò)程中，所產(chǎn)生的安全問(wèn)題主要集中在存儲(chǔ)介質(zhì)、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備中。比如存儲(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備并不具備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攻擊的低于能力，一旦存在影響系統(tǒng)安全的外界攻擊與非法入侵等行為，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遭受較為嚴(yán)重的損壞，影響數(shù)據(jù)信息的安全性。另外，外部因素也會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的安全運(yùn)行造成影響。比如，環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、電磁干擾等都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)硬件受到影響，一旦計(jì)算機(jī)所處環(huán)境中的空氣濕度超過(guò)80%，則有可能造成計(jì)算機(jī)內(nèi)部硬件金屬表面銹蝕，導(dǎo)致短路現(xiàn)象的產(chǎn)生。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件所面臨的安全威脅，需要從硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)與維護(hù)兩個(gè)層面入手加以處理[1]。

2.計(jì)算機(jī)硬件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全保障及維護(hù)策略

2.1 從計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的層面探討

2.1.1 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全

對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件所面臨的安全威脅，從計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的層面進(jìn)行分析與探討。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件安全防護(hù)技術(shù)，從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行研究包括硬件木馬檢測(cè)、基本不可信工具、新型安全原語(yǔ)設(shè)置、安全原語(yǔ)構(gòu)件芯片、版權(quán)集成電路等內(nèi)容。其中，硬件木馬會(huì)在很大程度上影響計(jì)算機(jī)硬件的安全性，通過(guò)隨意篡改計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)致計(jì)算機(jī)芯片受到極大的損害。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)硬件原有電路中，一旦被加入門(mén)電路，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)在進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)時(shí)，并不能有效識(shí)別計(jì)算機(jī)硬件的安全攻擊，就會(huì)進(jìn)一步提高對(duì)于硬件木馬的檢測(cè)難度，影響硬件安全。

一般來(lái)說(shuō)，硬件木馬需要在電路運(yùn)行到相應(yīng)的狀態(tài)下，才能夠被擊毀并發(fā)揮作用，影響硬件安全，包括改變硬件功能、搶占硬件資源、泄露硬件信息等。舉例來(lái)說(shuō)，硬件木馬A是由簡(jiǎn)單的電流信號(hào)觸發(fā)，分別包括AND門(mén)1個(gè)、NAND門(mén)1個(gè)、電容1個(gè)，還包括2個(gè)XOR門(mén)。如果長(zhǎng)期處在充電條件充足的環(huán)境下，該硬件木馬的電容就會(huì)在較短的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入高電平區(qū)，從事觸發(fā)木馬功能，改變信號(hào)。針對(duì)這種情況，可以采用反向解剖檢測(cè)技術(shù)、專(zhuān)門(mén)性檢測(cè)技術(shù)與以功能測(cè)試為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)。例如，以功能測(cè)試為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，就是運(yùn)用故障測(cè)試ATPG，向芯片中輸入激勵(lì)電流，對(duì)其電流輸出進(jìn)行檢測(cè)以明確其中是否存在硬件木馬。

圖1 硬件木馬A電路

2.1.2 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案

其一，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)置安全的防護(hù)措施?？梢圆捎肊PIC技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件電路中增加相應(yīng)密鑰，進(jìn)一步機(jī)會(huì)電路，并且在電路總線中增加加鎖與解鎖方式。以EPIC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合PUF技術(shù)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)置安全設(shè)計(jì)方案加以設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)方案為：首先運(yùn)用EDA工具對(duì)HDL與C格式的IC原始設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯，獲得相應(yīng)的物理版圖，并且利用PUF技術(shù)對(duì)原始設(shè)計(jì)芯片進(jìn)行調(diào)整，以獲取相應(yīng)的ID，結(jié)合IC所有權(quán)信息，利用AES技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲取相應(yīng)密鑰。而該物理版圖在關(guān)鍵與重點(diǎn)位置，會(huì)通過(guò)密鑰形成相應(yīng)的驗(yàn)證模塊。

其二，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件外置安全的防護(hù)措施。硬件外置安全防護(hù)一般都是一種輔助性質(zhì)的安全保護(hù)機(jī)制，本質(zhì)上是一種對(duì)于硬件安全的檢測(cè)措施，一般采用的是一種RAS機(jī)制進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)密鑰管理技術(shù)形成可供私人使用與公開(kāi)使用的兩種密鑰，并且設(shè)置相應(yīng)的加密芯片，通過(guò)集成電路進(jìn)行存儲(chǔ)，共同形成信息回路。計(jì)算機(jī)通過(guò)外置安全檢測(cè)裝置，來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)安全驗(yàn)證芯片與存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行安全檢測(cè)，以對(duì)私人密鑰提供相應(yīng)的安全保障[2]。

2.2 計(jì)算機(jī)硬件安全維護(hù)策略

2.2.1 對(duì)于處理器的維護(hù)

考慮到計(jì)算機(jī)硬件在外部因素的影響下同樣會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題，影響處理器安全，針對(duì)這種現(xiàn)象，就需要對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的處理器采取合理的維護(hù)措施。通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的處理器會(huì)受到高溫環(huán)境的影響，當(dāng)夏季到來(lái)，計(jì)算機(jī)處理器的散熱就會(huì)受到影響，一旦燃熱能力不足，就有可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)處理器在高溫環(huán)境下使用壽命受到影響，或者直接造成損壞。一旦計(jì)算機(jī)的使用具有特殊要求，或者硬件配置較高，則其處理器會(huì)承擔(dān)比較重的運(yùn)行任務(wù)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行速度受到影響。針對(duì)這種現(xiàn)象，就必須保證其散熱系統(tǒng)的良好，可以采用水冷散熱方式，這種散熱方式相較于其他散熱方法，在系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)程中，所產(chǎn)生的噪音較小，并且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)散熱，同時(shí)滿(mǎn)足多種散熱設(shè)備的運(yùn)行，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)硬件的散熱效果。另外，計(jì)算機(jī)處理器在電壓環(huán)境下，遭受損毀的可能性較大，并且較為容易受到雷電天氣的影響，為此還需要做好對(duì)于計(jì)算機(jī)設(shè)備的雷電防護(hù)措施，所配置的不間斷電源也要保證電壓的穩(wěn)定性，維持系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2.2.2 對(duì)于主板的維護(hù)

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，計(jì)算機(jī)硬件中的主板也面臨著較為嚴(yán)重的安全威脅，針對(duì)這種情況，首先需要對(duì)計(jì)算機(jī)主板的重要性有明確的認(rèn)知。實(shí)際上，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其主板是溝通計(jì)算機(jī)硬件的重要橋梁，也是構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其硬件之間的指令交換。就目前而言，計(jì)算機(jī)主板所面臨的安全威脅，主要是由于靜電現(xiàn)象與形變問(wèn)題所導(dǎo)致的。計(jì)算機(jī)主板的構(gòu)成，包括電路板、芯片與晶體管，通過(guò)主板的接口與其他硬件設(shè)備相互連接。在運(yùn)行過(guò)程中，主板可能會(huì)產(chǎn)生一定的靜電，會(huì)對(duì)主板運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響，甚至?xí)?dǎo)致主板和運(yùn)行的穩(wěn)定性受到影響，導(dǎo)致主板的電路元件被損壞。針對(duì)這種情況，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件主板接地措施來(lái)減少靜電對(duì)于主板運(yùn)行的影響。在外力作用的影響下，計(jì)算機(jī)主板可能發(fā)生形變現(xiàn)象，其物理結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到影響，針對(duì)這種情況，就需要將主板在主體機(jī)箱上加以固定，避免主體機(jī)箱在嚴(yán)重的振動(dòng)下，其主動(dòng)性受到影響。

除了主板之外，計(jì)算機(jī)硬件中的硬盤(pán)、內(nèi)存與網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備也有可能在外部因素的影響下產(chǎn)生安全問(wèn)題，為此在對(duì)計(jì)算機(jī)硬件安全加以保障與維護(hù)時(shí)，還需要針對(duì)硬盤(pán)等硬件設(shè)施采取不同的保障措施，比如針對(duì)硬盤(pán)要通過(guò)防靜電措施減少靜電對(duì)于電路元件的影響；針對(duì)內(nèi)存需要避免物理性損傷、避免由于計(jì)算機(jī)散熱效果較差而對(duì)其內(nèi)存造成的影響；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，可以通過(guò)對(duì)存在安全問(wèn)題的軟件進(jìn)行重新安裝與覆蓋就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全問(wèn)題的解決[3]。

3.結(jié)語(yǔ)

針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備所面臨的安全威脅，需要從計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)與安全防護(hù)兩方面著手加以維護(hù)，需要根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備可能會(huì)面臨的安全威脅采取合理的設(shè)計(jì)方法，并且有針對(duì)性地就內(nèi)存、主板、處理器等計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行安全防護(hù)。

[1]鮑靜.計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題分析[J].中國(guó)安全防范認(rèn)證,2017(04):50-54.

[2]聶廷遠(yuǎn),賈蕭,周立儉,李言勝.計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全,2012(10):17-19.

[3]高江華.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)硬件安全保障和維護(hù)策略探討[J].電子世界,2014(10):236.