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“看不見聽不到”并不能保證信息安全，比如，電磁波和超聲波作為信息的載體，在攻擊竊密中常被廣泛使用，這種竊密方式已經(jīng)引起大家關(guān)注。光信號(hào)因?yàn)槟軌虮徽趽?，通常認(rèn)為不存在視線的情況下是安全的，實(shí)際上，遠(yuǎn)距離的和非視線的光信息泄漏（non–line-of-sightopticalemanations）隱患同樣嚴(yán)重，美國(guó)政府正在積極支持類似攻擊竊密的技術(shù)研究。因此，這種泄密隱患也應(yīng)得到高度重視。
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視線范圍內(nèi)的光信息泄漏
LED指示燈信息泄漏
光泄漏發(fā)射包括直接的視覺信息和可能的承載信息的指示燈。洛克馬丁公司Loughry等人研究了機(jī)器設(shè)備上的LED狀態(tài)指示燈的信息泄漏風(fēng)險(xiǎn)。LED指示燈承載了數(shù)據(jù)通信設(shè)備的信號(hào)，與設(shè)備傳輸處理的信息可能相關(guān)，如果被接收處理將導(dǎo)致信息泄漏。
圖1通信設(shè)備上的LED指示燈
Loughry將LED指示燈泄漏發(fā)射分為三級(jí)，由低到高，安全風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，如表1所示。
表1LED指示燈光泄漏發(fā)射分級(jí)
—ClassIindicators，涉及到設(shè)備的狀態(tài)，光信號(hào)未被調(diào)制，指示燈與設(shè)備和通信信道狀態(tài)有關(guān)，至少泄漏1bit信息。比如設(shè)備開關(guān)指示燈。
—ClassIIindicators，涉及到設(shè)備運(yùn)行的不同工作水平，光信號(hào)在時(shí)間上與設(shè)備和通信信道的活動(dòng)相關(guān)，提供對(duì)手的信息比ClassI指示燈要多。雖然設(shè)備處理的內(nèi)容未知，但可知曉正在傳輸?shù)氖聦?shí)、地點(diǎn)和數(shù)量多少，可以被用來進(jìn)行目標(biāo)的流量分析。比如臺(tái)式機(jī)上網(wǎng)卡接口指示燈、路由器面板指示燈，可能被對(duì)手作為計(jì)時(shí)隱藏信道（coverttimingchannel）利用。
—ClassIIIindicators，涉及到設(shè)備傳輸處理的信息內(nèi)容，存在與接收發(fā)送數(shù)據(jù)密切相關(guān)的調(diào)制光信號(hào)，通過分析可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)流。比如調(diào)制解調(diào)器上“發(fā)送指示燈”和“接收指示燈”。
望遠(yuǎn)鏡直接監(jiān)視
圖2望遠(yuǎn)鏡及幾何原理
望遠(yuǎn)鏡監(jiān)視距離受限的重要原因是在鏡頭孔徑確定情況下的角分辨率（Angularresolution）。光學(xué)系統(tǒng)的有限孔徑引起的衍射圖樣，使得目標(biāo)像素不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)稱為艾瑞斑(Airydisc)的光斑，這就使光學(xué)系統(tǒng)的性能受到限制，只具有有限的分辨率。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則（Rayleighcriterion），望遠(yuǎn)鏡能獲得的角分辨率由光圈（孔徑）和光的波長(zhǎng)決定。
如圖2右圖所示，對(duì)于500nm的光波，典型辦公計(jì)算機(jī)顯示器32cmⅹ24cm顯示區(qū)域（16in），1280ⅹ1024像素，像素半徑r=0.25nm，如果從距離顯示器d位置上，偏離垂直方向a，則可計(jì)算出能分辨相鄰像素的最遠(yuǎn)距離。對(duì)于業(yè)余天文望遠(yuǎn)鏡D=300mm，在α<60°時(shí)，距離d可以超過60米，可以觀察到非常小的字體。
另外，所謂的肩窺（shouldersurfing）也可以通過使用雙筒望遠(yuǎn)鏡或者其它視覺增強(qiáng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息竊取。在擁擠的地方，肩窺是獲取信息的有效方法，如在別人填表、在ATM機(jī)輸入PIN碼或者在公共付費(fèi)電話亭使用電話卡時(shí)，比較容易站在他旁邊觀察。美國(guó)北卡大學(xué)學(xué)者Raguram等人通過利用普通攝像機(jī)分析輸入動(dòng)作自動(dòng)獲取手機(jī)輸入信息，距離可達(dá)61米[2]。如圖3所示為北卡學(xué)者利用錄像視頻自動(dòng)重構(gòu)手機(jī)輸入的分析方法。
圖3北卡學(xué)者利用錄像視頻自動(dòng)重構(gòu)手機(jī)輸入的分析方法
非視線范圍內(nèi)的光信息獲取
真正具有攻擊威脅的是非視線的光信息獲取，此種攻擊方法具有隱蔽不易被發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，容易被大家忽視。
光反射信息泄漏
光的鏡面反射是信息泄漏的一種重要方式。而通過微小物體的光反射則很少被注意。德國(guó)學(xué)者Backes等人用望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)對(duì)眼球、眼鏡和茶壺等小目標(biāo)的光反射進(jìn)行了分析研究，得到驚人的研究成果[3]。如圖4所示，在10米遠(yuǎn)處獲取到的人眼睛正在瀏覽的文件信息；圖5和圖6分別是在10米外和30米外獲取的茶壺表面反射的文件信息。
圖4在10米外捕獲眼睛反射信息
圖5在10米外獲取茶壺表面反射的文件信息
圖6在30米外獲取茶壺表面反射的文件信息
墻面漫反射的光泄漏
劍橋大學(xué)Kuhn博士研究了墻面漫反射光泄漏的恢復(fù)問題[4]。對(duì)于如圖7所示的情況，如果墻面是鏡面或玻璃，人眼可以直接觀察到鏡面反射，而墻面屬于漫反射，人眼識(shí)別已經(jīng)無能為力，但可以借助光電倍增管（photomultipliertube）獲取微弱光線，經(jīng)過信號(hào)處理恢復(fù)出顯示器投射到墻面的屏幕信息。如圖8所示，Kuhn利用光電倍增管從墻面漫反射獲取顯示器屏幕信息。通過分析，這種方法的理論接收距離可達(dá)80米。
圖7墻面漫反射信息恢復(fù)示意圖
圖8Kuhn利用光電倍增管從墻面漫反射獲取顯示器屏幕信息
小孔成像的光泄漏
麻省理工學(xué)院Torralba等學(xué)者利用小孔成像原理（pinhole和pinspeck）研究了室內(nèi)墻面窗外光線的信號(hào)恢復(fù)問題。
圖9窗口和室內(nèi)墻面的光線
如圖9所示，房間內(nèi)墻面顯現(xiàn)的是被窗外光線投射的模糊不清的影子，這些影子隱藏了窗外的環(huán)境信息。Torralba等學(xué)者借助小孔成像模型成功恢復(fù)了窗外環(huán)境的輪廓，如圖10所示。
圖10窗外真實(shí)環(huán)境和從屋內(nèi)墻面光線恢復(fù)的窗外環(huán)境輪廓
墻角的光泄漏（Cornercamera）
2011年，麻省理工學(xué)院Kirmani等人研究了基于圖11所示場(chǎng)景的仿真實(shí)驗(yàn)研究[6]，在實(shí)驗(yàn)室搭建了小型實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證其所謂瞬時(shí)圖像（UltrafastTransientImaging）恢復(fù)的設(shè)想，但論文沒有給出真實(shí)場(chǎng)景檢測(cè)的實(shí)例。
圖11觀察記錄墻角光反射獲取房間內(nèi)部信息示意圖
2017年，麻省理工學(xué)院和谷歌研究院的學(xué)者Bouman等人利用攝像機(jī)觀察墻角處地面反射的光線，揭示視線看不到范圍的人員活動(dòng)信息[7]。示意圖如圖12所示，在攝像機(jī)位置觀察不到穿紅色衣服和藍(lán)色衣服的人，而在墻角位置的A處可以觀察到穿紅色衣服的人，在A+B處可以同時(shí)看到兩個(gè)人。借助攝像機(jī)對(duì)A處、A+B處的圖像記錄和分析，可以獲取到攝像機(jī)位置看不到的人員活動(dòng)情況。如圖13所示，上圖是各種位置觀察到的照片，下圖為利用攝像機(jī)獲取到的墻角地面漫反射，經(jīng)分析處理恢復(fù)的隱藏在墻后的紅色和藍(lán)色物體角位置變化信息。
圖12攝像機(jī)、墻角和墻后場(chǎng)景位置示意圖
圖13攝像機(jī)通過墻角處的圖像獲取隱藏在墻后面的人員活動(dòng)信息
激光的應(yīng)用
根據(jù)多普勒效應(yīng)，利用激光照射遠(yuǎn)距離房間玻璃或細(xì)小物體，通過接收反射波可以拾取房間內(nèi)的聲音，這是一種常見的竊聽手段。如圖14所示激光竊聽原理，激光照射選擇的目標(biāo)可以是隱藏在房間角落的微小物體，因此能夠避開人的視線，增加隱蔽性。
圖14激光竊聽原理圖
同時(shí)，通過激光照射也可以拾取圖像信息。麻省理工學(xué)院和谷歌研究院的學(xué)者Thrampoulidis等人在美國(guó)DARPA和NSF的支持下，利用激光照射獲取隱藏目標(biāo)信息[8]。如圖15所示，紅線是激光漫反射的路徑，激光束經(jīng)漫反射照射到隱藏物體S表面X點(diǎn)，從l‘處發(fā)射的光束被物體遮擋，X點(diǎn)漫反射光在C處被攝像機(jī)獲取。實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備和布置如圖16所示。
圖15激光獲取隱藏目標(biāo)的位置示意圖
圖16實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，a圖和b圖示意物體被放置在隱藏墻的左上角，c圖和d圖是原始測(cè)量結(jié)果，e圖和f圖是重建結(jié)果。
圖17隱藏目標(biāo)獲取的試驗(yàn)結(jié)果
小結(jié)
近年來，隱藏目標(biāo)和漫反射的信息恢復(fù)得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并取得了一些實(shí)質(zhì)性突破，研究的主要?jiǎng)恿碓从诿绹?guó)軍方的需求。美國(guó)DARPA資助了一項(xiàng)為期四年的“REVEAL”項(xiàng)目，預(yù)計(jì)總資金為487萬美元，一期投入220萬美元，二期267萬美元，從2018開始執(zhí)行[9]。該項(xiàng)目由南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)（SMU）牽頭，聯(lián)合萊斯大學(xué)、西北大學(xué)和哈佛大學(xué)等院校聯(lián)合攻關(guān)。該項(xiàng)目希望能夠創(chuàng)建一個(gè)藏在角落或墻后物體圖像的理論框架，主要開發(fā)計(jì)算機(jī)算法，解讀從不規(guī)則表面反射光線，重建隱藏物體的全息圖像。就像斯諾登所披露的那些攻擊武器一樣，這些研究成果也將會(huì)成為美國(guó)情報(bào)部門的攻擊和竊密手段，對(duì)世界各國(guó)造成嚴(yán)重威脅。
【本文為專欄作者“中國(guó)保密協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)分會(huì)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】
名稱欄目：人眼睛看不到，但對(duì)手能看到-遠(yuǎn)距離和非視線光泄漏的泄密隱患簡(jiǎn)介
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