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2008年，一位叫 Brendan Gregg 的網(wǎng)紅工程師，在油管上發(fā)布了一個(gè)很“鬼畜”的視頻↓↓↓
視頻一開(kāi)始，他在一個(gè)非常嘈雜的數(shù)據(jù)中心里告訴大家，他正在使用一款軟件監(jiān)測(cè)硬盤的 IOPS (Input/Output Per Second)，即每秒的輸入輸出量(或讀寫(xiě)次數(shù))，這在業(yè)內(nèi)是衡量硬盤性能的主要指標(biāo)之一。
隨后，這名滿臉胡茬的工程師走到數(shù)據(jù)中心的硬盤陣列面前，使出洪荒之力對(duì)其大吼，再回到電腦前觀看 IOPS 指標(biāo)，這時(shí)候電腦中呈現(xiàn)出一個(gè)很陡峭的瞬間波峰，隨后的檢查表明，出現(xiàn)變化的硬盤正是被他大叫的那一塊。
這個(gè)10年前的實(shí)驗(yàn)表明，聲音是可以對(duì)硬盤的工作產(chǎn)生影響的。
近年來(lái)，也不斷有此類新聞出現(xiàn)↓↓↓
比如，2016年，羅馬尼亞的 ING 銀行在一次火警演習(xí)中，因?yàn)獒尫艤缁鸲栊詺怏w的巨大聲響使得銀行的數(shù)據(jù)中心關(guān)閉了10小時(shí)，事后查明，這是因?yàn)榫薮蟮穆曇魧?duì)數(shù)據(jù)中心的硬盤產(chǎn)生了影響。
那么，究竟是什么樣的聲音會(huì)嚴(yán)重影響硬盤工作？如果有黑客利用此類聲音發(fā)起攻擊會(huì)產(chǎn)生怎樣的后果？如何避免以上情況的發(fā)生？
在第39屆 IEEE 安全與隱私大會(huì)上，密歇根大學(xué)和浙江大學(xué)徐文淵教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了回答。雷鋒網(wǎng)近日采訪了浙大團(tuán)隊(duì)的研究成員閆琛，聽(tīng)他講述聲波攻擊背后的故事。
閆琛告訴雷鋒網(wǎng)編輯，目前，市面上大體分為兩類硬盤，一類是機(jī)械硬盤，一類是固態(tài)硬盤。
機(jī)械硬盤一般裝在普通筆記本、臺(tái)式機(jī)以及數(shù)據(jù)中心等設(shè)備中，由于其成本低，在需要大的存儲(chǔ)空間時(shí)，往往會(huì)稱為首選。
相較而言，固態(tài)硬盤的優(yōu)勢(shì)是性能好，讀寫(xiě)速度快，一般裝在 MAC 或者一些超級(jí)本等比較輕薄的筆記本中。但它的價(jià)格比較貴，一般 1T 的固態(tài)硬盤成本就需要幾千塊錢。
目前市面上應(yīng)用最廣的是機(jī)械硬盤，也是此次聲波攻擊的對(duì)象，至于為什么選擇它來(lái)“攻擊”，還要從機(jī)械硬盤的工作原理來(lái)講。
上圖就是機(jī)械硬盤的工作狀態(tài)，是不是有點(diǎn)像老式留聲機(jī)？
其實(shí)，他們的工作原理有相似之處，在磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，上面有很多磁道，這時(shí)會(huì)有一個(gè)磁頭靠近磁盤來(lái)讀寫(xiě)磁盤的數(shù)據(jù)，而聲波攻擊，正是發(fā)生在這個(gè)過(guò)程中。
在開(kāi)頭實(shí)驗(yàn)中，巨大的聲音所引發(fā)的震動(dòng)會(huì)影響磁頭的位置，造成在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中產(chǎn)生偏差，讀取不到它本該讀取的數(shù)據(jù)。
更為嚴(yán)重的后果是，它有可能造成磁盤的永久性物理?yè)p傷，這是如何造成的？
我們依然用留聲機(jī)來(lái)舉例。
留聲機(jī)工作時(shí)，也是因?yàn)榇蓬^接觸到磁盤才能放出聲音，但與留聲機(jī)所不同的是，在機(jī)械硬盤中，磁頭其實(shí)是懸浮在磁盤上進(jìn)行高速讀寫(xiě)的，如果不懸浮，在高速的運(yùn)轉(zhuǎn)中就會(huì)劃傷磁盤。
而在這個(gè)過(guò)程中，如果有特定頻段的聲音進(jìn)行干擾，就會(huì)讓磁頭和磁盤產(chǎn)生上下和水平的位移，從而相互碰撞，造成大量的壞道，影響數(shù)據(jù)的讀取。
一般而言，在硬盤開(kāi)始使用的前 500 個(gè)小時(shí)中，發(fā)生壞道是不正常的，但在浙大團(tuán)隊(duì)所做的實(shí)驗(yàn)中，由于聲音的干擾，很多硬盤根本撐不到 500 小時(shí)就無(wú)法讀寫(xiě)了。
還有一種更為嚴(yán)重的情況是，這種聲波“攻擊”，還可以觸發(fā)保護(hù)硬盤驅(qū)動(dòng)器跌落損傷的“震動(dòng)傳感器”，造成硬盤直接“罷工”。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“震動(dòng)傳感器”在檢測(cè)到加速度時(shí) ，會(huì)判斷此刻硬盤正在跌落，然后立刻把磁頭移開(kāi)，以免劃傷磁盤，這本是一個(gè)保護(hù)機(jī)制，但如果聲波攻擊會(huì)觸發(fā)這個(gè)傳感器時(shí)，就會(huì)讓硬盤停止工作。
試想一下，如果有人給你發(fā)了一個(gè)帶有聲波攻擊的音頻釣魚(yú)郵件，你打開(kāi)后電腦會(huì)發(fā)生什么？
在會(huì)議的展示中，研究團(tuán)隊(duì)正是通過(guò)這樣的聲波攻擊，在現(xiàn)場(chǎng)用一首改編了的 Katy Perry（水果姐）的歌曲，讓W(xué)indows 10 筆記本直接藍(lán)屏，提示硬盤出錯(cuò)。
除了個(gè)人電腦上的機(jī)械硬盤，在醫(yī)療以及視頻監(jiān)控領(lǐng)域，機(jī)械硬盤的存儲(chǔ)地位仍很重要，聲波干擾如果被壞人利用，也將造成不可挽回的損失，比如那些干壞事的人，不想被監(jiān)控拍到……
講到這里，宅友們可能覺(jué)得今天講的這個(gè)攻擊料不是很猛，講來(lái)講去不就是聲音擾亂了磁頭和磁盤的接觸造成數(shù)據(jù)讀取異常嗎？不就是觸發(fā)跌落的傳感器讓硬盤罷工嗎？
大家不要走，陪我把故事講完，真正的“猥瑣”操作才剛剛開(kāi)始！
除了人耳可以聽(tīng)到的聲音，其實(shí)聲波攻擊還有一個(gè)更加隱蔽的招式－－超聲波攻擊。
一般來(lái)講，人耳可以聽(tīng)到的聲音在20至20000赫茲之間，但如果聲音在小于20赫茲或者大于20000赫茲，人耳基本聽(tīng)不到（比如海豚的叫聲）。
那這類的超聲波是否也可以觸發(fā)硬盤的連鎖反應(yīng)？
浙大團(tuán)隊(duì)就成功使用射頻矢量信號(hào)發(fā)生器（RF Vector Signal Generator）創(chuàng)建了超聲波信號(hào)，并測(cè)量了各種頻率信號(hào)對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)器的影響，包括存儲(chǔ)損失（loss of throughput），程序崩潰以及硬盤驅(qū)動(dòng)器讀取和寫(xiě)入中斷。
這意味著，別有用心的黑客可以神不知鬼不覺(jué)的對(duì)目標(biāo)發(fā)起攻擊，而受害者完全不知情。
但閆琛強(qiáng)調(diào)，由于各家的機(jī)械硬盤情況不同，所以無(wú)論是聲波攻擊還是超聲波攻擊，都需要依照具體的硬盤情況去定制，比如音量、頻率、傳輸速度等。
這決定了，此類的攻擊要實(shí)現(xiàn)，得滿足多方面的要求，要根據(jù)具體機(jī)械硬盤的品牌和型號(hào)來(lái)，并不是那種用一種聲波或者超聲波就可以開(kāi)展大規(guī)模攻擊的招數(shù)。
文章開(kāi)頭我們就提到，聲音可以影響硬盤工作的視頻是10年前的，在這10年中也不斷新聞曝出，那此次研究團(tuán)隊(duì)做這項(xiàng)研究的獨(dú)特性是什么？
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，閆琛從以下 3 點(diǎn)來(lái)回應(yīng)雷鋒網(wǎng)的問(wèn)題。
第一，此次研究他們主要著重于為什么產(chǎn)生影響以及怎樣產(chǎn)生影響，并對(duì)聲波攻擊進(jìn)行量化，比如哪款硬盤用多少 HZ 的聲波才能實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)錯(cuò)誤？多少 HZ 會(huì)觸發(fā)傳感器等；與此同時(shí)，由于團(tuán)隊(duì)此前在“超聲波攻擊”領(lǐng)域有研究（宅客頻道此前也報(bào)道過(guò)他們團(tuán)隊(duì)研究的海豚攻擊），所以這次除了人耳可以聽(tīng)到的聲音，他們還發(fā)現(xiàn)了超聲波攻擊同樣也是威脅，而且更加隱蔽，這部分他們也做了量化研究。
比如，在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們用一個(gè) 5 kHz的聲波從上方以 120 分貝的聲壓（dB SPL）擊打硬盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)箱。以他們開(kāi)發(fā)的模型估計(jì)，這種攻擊會(huì)產(chǎn)生約33nm水平和156nm垂直的最大磁盤位移，同時(shí)有9nm水平和112nm垂直的最大讀/寫(xiě)磁頭位移。
第二，他們研究了聲波攻擊所對(duì)系統(tǒng)層面的影響，比如對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是放在硬盤里的，當(dāng)沒(méi)辦法讀寫(xiě)和調(diào)用時(shí)，會(huì)造成程序崩潰。
第三，正是在前兩項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，他們給出了軟件升級(jí)和硬件升級(jí)的解決方案。
在軟件層面，浙大團(tuán)隊(duì)建議可以加入一個(gè)檢測(cè)磁頭的程序，如果磁頭沒(méi)在應(yīng)有的位置，就要進(jìn)行反饋控制，讓它回到原有的位置。
在硬件層面，廠商則可以選擇加入多個(gè)傳感器，因?yàn)槁暡看沃荒芄粢粋€(gè)傳感器，如果在n個(gè)傳感器中國(guó)只有一個(gè)進(jìn)行報(bào)警，那就可以判定是“誤報(bào)”，從而避免硬盤“罷工”。
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