1、引言

隨著計算機的廣泛應(yīng)用，我國政府、軍隊、國防、金融等國家特殊行業(yè)和部分民用商業(yè)公司對計算機數(shù)據(jù)的保密性要求越來越高，尤其在地震、火災(zāi)等無法預(yù)測的自然災(zāi)害發(fā)生時或者由于飛機失事等意外事故造成涉密載體丟失的情況下，自動銷毀敏感信息進而安全終止其生命就顯得非常必要了。

本文首先介紹基于IP傳感器的信息載體安全終止系統(tǒng)的設(shè)計思想和系統(tǒng)組成；根據(jù)EEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一種無線IP傳感器，以GPRS網(wǎng)絡(luò)為通信平臺組建了一個分布式無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)銷毀技術(shù)實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)；并對原型系統(tǒng)進行了功能和性能測試實驗。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可對網(wǎng)絡(luò)中的受控設(shè)備進行監(jiān)控，并能實時觸發(fā)數(shù)據(jù)銷毀程序，使受控設(shè)備安全終止，且數(shù)據(jù)銷毀后具有不可恢復(fù)性。最后對全文進行了總結(jié)。

2、ISSTS系統(tǒng)設(shè)計思想及組成

2.1 ISSTS系統(tǒng)的設(shè)計思想

ISSTS系統(tǒng)對受控設(shè)備敏感信息的安全終止采用數(shù)據(jù)銷毀技術(shù)，目前數(shù)據(jù)銷毀技術(shù)主要有軟件覆寫，消磁，化學(xué)腐蝕等。其中后兩種方式需要專門的儀器設(shè)備，且一經(jīng)銷毀信息載體無法再利用，考慮到安全性和經(jīng)濟性相結(jié)合，基于軟件覆寫的數(shù)據(jù)銷毀技術(shù)是目前被普遍采用的方法。對信息載體的監(jiān)控和觸發(fā)通常采用遠(yuǎn)程控制的方法。按照數(shù)據(jù)傳輸媒介的不同，遠(yuǎn)程控制可以劃分為有線方式和無線方式。傳統(tǒng)的有線測控技術(shù)（如現(xiàn)場總線）需要實施網(wǎng)絡(luò)布線，不但增加了系統(tǒng)成本，而且無法對網(wǎng)絡(luò)布線范圍以外的設(shè)備實施監(jiān)控；無線測控技術(shù)利用無線網(wǎng)絡(luò)可尋找到分布在各處的設(shè)備，進行命令傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；另一方面，可根據(jù)布置在設(shè)備周圍的傳感器收集到的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)對設(shè)備周圍環(huán)境的形勢判斷。采用無線測控技術(shù)不僅可降低網(wǎng)絡(luò)布線的成本，同時也增強了系統(tǒng)的靈活性。

2.2 ISSTS系統(tǒng)的組成

ISSTS由一臺監(jiān)控計算機和分布在系統(tǒng)監(jiān)測范圍內(nèi)的多個無線IP傳感器以及與其相連的被控計算機或儀器設(shè)備構(gòu)成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控計算機與IP傳感器之間通過GPRS平臺通信。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 ISSTS系統(tǒng)組成圖

圖1中監(jiān)控計算機使用ADSL方式接入GPRS內(nèi)網(wǎng)。監(jiān)控計算機對由STIM模塊采集并由WNCAP模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否有緊急情況，以便及時發(fā)送數(shù)據(jù)銷毀指令。

被控計算機或儀器設(shè)備中嵌入了數(shù)據(jù)銷毀模塊，該模塊在固定端口循環(huán)監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)銷毀命令到達，一旦接收到銷毀命令便啟動數(shù)據(jù)銷毀程序銷毀敏感信息。

2.3 工作原理

ISSTS系統(tǒng)采用C/S工作模式，IP傳感器為客戶端，監(jiān)控計算機作為服務(wù)器，與被控計算機或儀器設(shè)備相連的IP傳感器在上電后自動檢測并連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，連接成功后終端通過GPRS網(wǎng)關(guān)自動登錄Internet網(wǎng)絡(luò)，并通過TCP協(xié)議連接監(jiān)控中心計算機，此時IP傳感器同監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立。ISSTS系統(tǒng)包括兩種銷毀觸發(fā)機制：1）命令觸發(fā)機制：在連接建立后，安裝在監(jiān)控計算機中的監(jiān)測軟件定時向客戶端發(fā)送請求命令字符串，IP傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)處理后經(jīng)由GPRS發(fā)送到Internet上的監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機對收到的數(shù)據(jù)進行處理，并作出分析，在緊急情況時及時將數(shù)據(jù)銷毀命令發(fā)送給IP傳感器并由它轉(zhuǎn)發(fā)給被控計算機或儀器設(shè)備以啟動數(shù)據(jù)銷毀程序；2）自動觸發(fā)機制，當(dāng)被控計算機或儀器設(shè)備相連的IP傳感器在連接GPRS網(wǎng)絡(luò)重復(fù)失效時，將自動識別為本設(shè)備已遺失，WNCAP模塊發(fā)送數(shù)據(jù)自銷毀命令，數(shù)據(jù)銷毀程序負(fù)責(zé)清除敏感信息，防止系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)外泄。

3、傳感器設(shè)計

3.1 傳感器模型

基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的無線IP傳感器模型如圖2所示。它由WNCAP模塊和STIM模塊構(gòu)成。其中WNCAP采用BENQ M22 GPRS模塊接入無線通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信；STIM模塊中連接了4種傳感器，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)。

圖2 無線IP傳感器模型

3.2 WNCAP

WNCAP模塊是連接STIM模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)的接口，主要包括ARM7嵌入式系統(tǒng)，BENQ-M22 GPRS無線通信模塊以及電源，天線等輔助模塊。

GPRS無線通信模塊中嵌入了TCP/IP協(xié)議棧，由于模塊資源的限制，需對TCP/IP協(xié)議進行裁剪，只保留滿足功能的基本協(xié)議。ARM7通過AT撥號命令接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，并向指定的中心數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)IP發(fā)起TCP/IP連接，實現(xiàn)Internet/Intranet的無線接入。若連接GPRS網(wǎng)絡(luò)失敗，模塊會進行自動重連，且連接計數(shù)器自動加1，當(dāng)計數(shù)器的值超過一定值時，即向命令轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)銷毀命令并轉(zhuǎn)發(fā)給相連的設(shè)備。

ARM7中的Flash存儲器用來存放網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)。為方便對IP傳感器進行管理和維護，F(xiàn)lash中還存放有IP傳感器的Web頁面并創(chuàng)建了動態(tài)Web Server。這樣工作人員可在監(jiān)控計算機上通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問IP傳感器中的Web頁面，實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、配置、診斷和維護等功能。ARM7中還包括命令轉(zhuǎn)發(fā)模塊，負(fù)責(zé)將監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)銷毀命令轉(zhuǎn)發(fā)給被控計算機。

3.3 STIM

STIM模塊以AduC812［7］為MCU，接入了4個傳感器：煙霧傳感器，熱敏傳感器，力平衡加速傳感器和液位傳感器。

煙霧傳感器對煙霧的感應(yīng)主要由光學(xué)迷宮完成，迷宮內(nèi)有一組紅外發(fā)射，接收對管，對射角度約120度。當(dāng)無煙霧時，接收管接收不到紅外發(fā)射管的紅外光，后續(xù)電路無電壓輸出；當(dāng)有煙霧時，煙霧進入迷宮使紅外管發(fā)射的紅外光發(fā)生散射，散射的紅外光被接收管接收，在后續(xù)電路產(chǎn)生電壓輸出，煙霧越大，則散射越強，產(chǎn)生的電壓也越高。

熱敏傳感器的工作原理基于熱電效應(yīng)，將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)兩個導(dǎo)體的執(zhí)行點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，在回路中形成一個電流，熱敏傳感器就是利用這一效應(yīng)來工作的。

差容式力平衡加速度傳感器把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應(yīng)的電壓值，由此可以求得加速度值。

液位傳感器采用紅外光電原理，當(dāng)外界液體接觸到傳感器表面時，改變了光線路徑，紅外接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，從而觸發(fā)反向器翻轉(zhuǎn)，輸出呈低電平吸收電流狀態(tài)。

從以上四種傳感器采集煙霧濃度、溫度、震動加速度和液位等參數(shù)信息。數(shù)據(jù)校正引擎利用特定的數(shù)學(xué)函數(shù)對各個傳感器通道數(shù)據(jù)應(yīng)用存儲的多項式系數(shù)為通道校正出精確的數(shù)據(jù)。

監(jiān)控計算機利用經(jīng)過采集和校正后的數(shù)據(jù)判斷與某IP傳感器相連的被控計算機或儀器是否有緊急情況發(fā)生，例如通過力平衡加速傳感器參數(shù)信息可分析出被控計算機或儀器所處環(huán)境是否有地震發(fā)生。一旦分析得出有緊急情況發(fā)生，監(jiān)控計算機即下達數(shù)據(jù)銷毀命令。

TEDS是STIM內(nèi)部的一個可升級、可擴展的電子數(shù)據(jù)表格，存儲在EEPROM中，它負(fù)責(zé)描述STIM自身以及與之相連接的傳感器的屬性，存儲了諸如傳感器名稱、辨識數(shù)字、設(shè)備類型、序列號、校驗數(shù)據(jù)等信息。

4、數(shù)據(jù)銷毀模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)銷毀模塊內(nèi)嵌在被控計算機或儀器中，包括網(wǎng)絡(luò)通信和軟件覆寫數(shù)據(jù)銷毀兩個子模塊。其流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)銷毀模塊流程圖

被控計算機啟動后自動運行網(wǎng)絡(luò)通信模塊，與相連的IP傳感器建立TCP連接，并在固定端口監(jiān)聽由命令轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送來的網(wǎng)絡(luò)包，當(dāng)收到數(shù)據(jù)銷毀命令后即啟動軟件覆寫數(shù)據(jù)銷毀子模塊。

基于軟件覆寫的數(shù)據(jù)銷毀原理是使用無意義、無規(guī)律的信息來覆蓋硬盤上原先的數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)被成功的完全覆寫之后，將無法知道原先的數(shù)據(jù)是“1”還是“0”，達到了清除數(shù)據(jù)的目的。常用的數(shù)據(jù)覆寫標(biāo)準(zhǔn)有Single Pass，DoD［8］，NSA和Guttman［9］等。各標(biāo)準(zhǔn)采取的覆蓋方案和安全性如表1所示。

表1 常用數(shù)據(jù)覆寫標(biāo)準(zhǔn)

5、實驗

在實驗室搭建包括一臺監(jiān)控計算機，四個無線IP傳感器及相連的被控計算機的實驗環(huán)境，監(jiān)控機和被控機配置均為Pentium? 4 3.00GHz CPU和512M內(nèi)存。

實驗主要分為兩個部分，第一部分對系統(tǒng)的實時性進行了測試。實驗結(jié)果如圖4所示，平均時延以天為周期有一定的規(guī)律。凌晨時段和晚上的網(wǎng)絡(luò)比較空閑，平均時延比較小，數(shù)據(jù)通信流暢；白天上班時間是網(wǎng)絡(luò)通信的高峰期，平均時延變大。實驗的第二部分主要對數(shù)據(jù)銷毀算法進行了測試，圖5顯示了采用DoD，NSA，Guttman數(shù)據(jù)銷毀標(biāo)準(zhǔn)分別對64M、128M、256M和512M大小的數(shù)據(jù)進行覆寫刪除所需要的時間曲線圖，從圖6中可以看出隨著數(shù)據(jù)大小的增大以及方案復(fù)雜性的提高銷毀數(shù)據(jù)所需要的時間也越長。

圖4 平均時延各時刻值

圖5 不同節(jié)點個數(shù)對消息平均響應(yīng)時間的影響

圖6 不同節(jié)點個數(shù)對消息平均響應(yīng)時間的影響

圖7 還原文件的二進制碼

6、結(jié)論

本文研究了一種基于IP傳感器的信息載體安全終止系統(tǒng)ISSTS，介紹了設(shè)計思想及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一種無線IP傳感器，通過GPRS平臺構(gòu)建了一個無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合數(shù)據(jù)銷毀技術(shù)實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有高實時性，且安全終止具有不可恢復(fù)性；以GPRS無線網(wǎng)絡(luò)為通信平臺，增強了系統(tǒng)的靈活性、可維護性和可擴展性；模塊化、開放式的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良好的可移植性。

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