CN105447413A - 一种基于动态信号的安全保护装置、方法和pos机 - Google Patents

一种基于动态信号的安全保护装置、方法和pos机 Download PDF

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Abstract

本发明的技术方案包括一种基于动态信号的安全保护装置、方法和POS机。该装置包括动态信号发生单元、外部保护单元和动态信号比较单元；所述动态信号发生单元连接所述外部保护单元并向其输出动态信号；所述动态信号比较单元分别连接所述动态信号发生单元和所述外部保护单元，通过输出端输出两者传输的动态信号的比较结果。该方法包括步骤：动态信号发生单元提供波形随时间动态变化的动态信号给外部保护单元和动态信号比较单元；动态信号比较单元接收所述动态信号发生单元发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元的动态信号；动态信号比较单元通过输出端输出上述两者动态信号的比较结果。该POS机包括上述一种基于动态信号的安全保护装置。

Description

一种基于动态信号的安全保护装置、方法和POS机
技术领域
本发明涉及一种基于动态信号的安全保护装置、方法和POS机，属于电路防篡改检测领域。
背景技术
目前，国内的众多POS的安全保护均使用静态信号的保护机制，也就是保护信号线上的电平是不变的，如高触发信号，则常态下为低电平，当被拉高之后，则会导致触发事件的发生；低触发信号，常态下为高电平，当被拉低之后，则会导致触发事件的发生。所有的静态的保护信号，都会在末端进行端接，在源端(检测端)进行弱上拉或者弱下拉处理，高触发信号在源端进行弱上拉，末端强下拉端接；低触发信号在源端进行弱下拉，末端进行强上拉端接。中间线路则会串入一些保护开关(斑马条，触点，锅仔片等)，在技术上有很大的设计缺陷，攻击者只需要找到信号源端进行合适的端接即可攻破保护信号线。此外，为了尽量降低安全保护电路的功耗，静态信号的保护信号线的上下拉电阻和必须使用弱上拉，因此保护信号线很容易被干扰，从而导致误触发的现象发生。
发明内容
针对现有技术容易被端接屏蔽和容易受干扰的缺点，本发明采用了将静态保护信号改为动态保护信号，通过在核心保护区构造一个动态信号发生单元，然后将动态信号发生单元通过线路引入到各个需要保护的区域，在返回到核心保护区和原始的动态信号进行比较，通过两个动态信号的比较结果判断POS终端是否操遭受到非法攻击。
根据本发明的技术方案的一个方面，提供了一种基于动态信号的安全保护装置，包括：动态信号发生单元，用于提供波形随时间动态变化的动态信号；外部保护单元，用于保护敏感器件的线路；以及动态信号比较单元；其中，所述动态信号发生单元连接所述外部保护单元，并向其输出动态信号；所述动态信号比较单元分别连接所述动态信号发生单元和所述外部保护单元，接收所述动态信号发生单元发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元的动态信号，并通过输出端输出两者的比较结果。
优选地，所述动态信号发生单元采用固定频率的时钟信号发生电路或者采用频率随时间的变化而动态变化的动态信号发生电路。
优选地，所述动态信号比较单元包括异或门逻辑电路和滤波电路。
优选地，所述外部保护单元包括保护信号线和设置在保护信号线上的安全保护开关。
优选地，在所述动态信号发生单元或外部保护单元任意一者中设有阻容延迟单元，用于使动态信号发生相移。
优选地，所述安全保护开关包括触点开关、斑马条开关、绕线、墙板、霍尔开关或光敏开关中的至少一者。
优选地，所述动态信号发生单元包括放大器电路，用于增强输出的动态信号，从而提高抗干扰能力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于动态信号的安全保护方法，包括以下步骤：
S1，动态信号发生单元提供波形随时间动态变化的动态信号给外部保护单元(U2)和动态信号比较单元；
S2，动态信号比较单元接收所述动态信号发生单元发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元的动态信号；
S3，动态信号比较单元通过输出端输出上述两者动态信号的比较结果。
根据本发明的另一个方面，提供了一种POS机，包括上述一种基于动态信号的安全保护装置。
本发明的有益效果是：针对静态保护信号容易被端接屏蔽和容易受干扰的缺点，将静态保护信号改为动态保护信号，攻击难度增大，而且动态保护信号是由放大器输出，抗干扰能力能够提高。通过设置阻容延迟单元使动态信号转化成多路相同频率不同相位的信号，以实现绕线保护。在输出端增加了逻辑门，从而增加了信号的抗干扰能力。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图1所示为根据传统的基于静态信号的安全保护装置的原理图；
图2所示为根据本发明第一实施例的一种基于动态信号的安全保护装置的结构框图；
图3所示为根据本发明第二实施例的一种基于动态信号的安全保护装置的电路原理图。
具体实施方式
参考图1，根据传统的基于静态信号的安全保护装置，分为核心保护区和非核心(外部)保护区。安全保护装置用于检测对非核心(外部)保护区的篡改。核心保护区内通过在上拉电阻或下拉电阻在保护信号线上提供一个恒定不变的电位信号。安全保护开关设在外部保护区，通过保护信号线一端连接上下拉电阻和CPU，另一端连接高电平点或者接地。安全开关通常采用斑马条、触点开关或锅仔片，当安全保护开关被接通时，保护信号线上就会产生高低电平的变化，进而导致CPU触发事件的发生。基于静态信号的保护装置在技术上有很大的设计缺陷，攻击者只需要找到信号源端进行合适的端接即可攻破保护信号线。对于第一安全保护开关，攻击者只需要找到对于安全保护开关1的左侧信号进行下拉端接即可使第一安全保护开关失效；对于第二安全保护开关，攻击者只需要找到对于安全保护开关2的左侧信号进行上拉端接即可使第二安全保护开关失效。此外，为了尽量降低安全保护电路的功耗，上下拉电阻通常采用弱上拉，因此此类保护信号线很容易受到干扰，从而导致误触发现象的发生。
参考图2，根据本发明第一实施例的一种基于动态信号的安全保护装置的结构框图，虚线框内部为核心保护区，包括动态信号发生单元U1和动态信号比较单元U3。核心保护区以外设有外部保护单元U2，用来保护敏感器件的线路。动态信号发生单元U1用于产生异步动态信号，生成的动态信号的频率随时间的变化而动态变化。动态信号发生单元U1的实现可以通过硬件系统或者软件系统。示例性的，动态信号发生单元U1可以利用存储了作为种子的预设数列的存储器和线性反馈移位寄存器电路，生成频率随时间的变化而动态变化的伪随机序列，再将该序列逐位转化为高低电平信号，作为动态信号输出。此外，动态信号发生单元U1也可以通过软件系统的方式实现，例如在微控制器或微处理器系统中预先写入包含伪随机序列算法的程序，从而生成频率不断变化的动态信号。伪随机序列算法可以是以一组数作为种子，先做移位运算，再将移位结果与与上一次运算的结果逐位相加，从而生成伪随机序列。最后将得到的伪随机序列逐位转化为高低电平信号，作为动态信号输出。另外通过预设特定的种子的数值或利用微控制器或微处理器的定时器中断的方式也可以实现利用软件生成固定频率的动态信号。动态信号发生单元U1输出两路以相同的频率变化且同一时刻相位也相同的动态信号，其中一路作为外部信号输出至核心保护区外的外部保护单元U2，另一路作为基准信号直接输出至动态信号比较单元U3。外部信号经外部保护单元U2后传输至动态信号比较单元U3。动态信号比较单元U3的输出端连接CPU，为CPU提供触发事件信号。示例性的，外部保护单元U2在保护信号线上设置触点开关作为检测外部篡改时的安全保护开关。当外部保护单元U2正常运行时触点开关为连接状态，从而保证输入外部保护单元U2的外部信号能够通过保护信号线输出至动态信号比较单元U3；当外部保护单元U2遭到篡改时，触点开关为断开状态，导致保护信号线断路，输入的外部信号无法再输出至动态信号比较单元U3。假如外部敏感器件的线路上本身具有时延，也可以预先在基准信号的线路上加入相应的时延装置以保证系统在未遭到篡改时输出给动态信号比较单元U3的两路信号是同步的。
本实施例的运行方式如下，安全装置启动后，动态信号发生单元U1输出两路以相同的频率和相位变化的动态方波信号，一路作为外部信号输出至非核心(外部)保护区的外部保护单元U2，另一路作为基准信号直接输出至动态信号比较单元U3，频率为一个随时间动态变化的值。外部保护单元U2与动态信号比较单元U3相连接，通过外部保护单元U2内部的保护信号线和安全保护开关向动态信号比较单元U3输出经过外部保护单元U2的外部信号。动态信号比较单元U3将经过外部保护单元U2的外部信号和基准信号进行比较，如果外部保护单元U2未被篡改，即保护信号线上的安全保护开关没有被断开，则经过外部保护单元U2的外部信号和基准信号在同一时间点电平高低一致，动态信号比较单元U3向CPU输出电压为低，不引发报警触发事件。如果外部保护单元U2遭到篡改，即保护信号线上的安全保护开关被断开，则保护信号线断路，外部保护单元U2将不再向动态信号比较单元U3输出动态信号。动态信号比较单元U3检测两个输入端高低电平不一致，则向CPU输出高电平，从而引发报警触发事件。当攻击者企图通过端接动态信号比较单元U3中的安全保护开关和动态信号比较单元U3之间的保护信号线的方式篡改电路时，端接高电位或低电位，都将向动态信号比较单元U3输出一个静止不变的电平信号，经动态信号比较单元U3与动态变化的基准信号比较后，向CPU输出高电位，从而引发报警触发事件。因此，并不能通过端接的方式绕过基于本发明第一实施例一种基于动态信号的安全保护装置，安全性得到了提升。
参考图3，根据本发明第二实施例的一种基于动态信号的安全保护装置的电路原理图。动态信号发生单元U1和动态信号比较单元U3设置在核心保护区，外部保护单元U2设置在核心保护区以外，用来保护敏感器件的线路。示例性的，动态信号发生单元U1采用了低功耗的运放芯片SGM8707，由电阻和电容的组合控制时钟的周期。运放同相输入端通过分压电阻提供一个偏置电压，输出端通过反馈电阻影响同向输入端的偏置电压，从而引起了同向和反向输入端的电压差，引起震荡，最终产生一个波形随时间动态变化的模拟动态信号。模拟动态信号被分成了两路，其中上路的动态信号直接进入斯密特非门，下路的动态信号先经过由电容和电阻组成的阻容延迟单元U11，从而使动态信号产生相移，形成与上路动态信号频率相同，相位不同的经过相移的下路动态信号，再进入下路的斯密特非门。这种物理实现的相移可以使用在绕线保护中，这样可以保证在不同的时刻，两个相伴绕线上的信号线的电平时钟为相反的，同时每一单根信号线上的电平也是变化的。上路和下路的两个斯密特非门将输入动态信号发生单元U1产生的模拟动态信号转换为数字动态信号并输出，从而提高后续动态信号比较的精度和抗干扰能力，并增强信号驱动能力。上述阻容延迟单元U11和斯密特非门作为动态信号发生单元U1的一部分，设置在核心保护区(如图3所示)以增加安全性。同时也可以将上述阻容延迟单元U11和斯密特非门作为外部保护单元U2的一部分，设置在非核心(外部)保护区。当作为外部保护单元U2的一部分时，可以对经过较长传输距离中衰减的信号进行再增强和整波，提高信号的强度和抗干扰能力。当设置有阻容延迟单元U11时，在阻容延迟单元U11后方设置斯密特非门等对波形进行整形的元件可以起到更好的效果。此外，在动态信号发生单元U1中的运放芯片SGM8707的Vin-端口引入一个动态输入信号后，可以使动态信号发生单元U1产生的动态信号的频率随时间的变化而变化，从而增加破解的难度，增强系统的安全性。
经斯密特非门处理后的数字动态信号再次分为两路，其中一路作为外部信号输出至核心保护区外的外部保护单元U2，另一路作为基准信号直接输出至动态信号比较单元U3。外部保护单元U2用于保护敏感元件，包括保护信号线和设置在保护信号线上的安全保护开关，其中安全保护开关包括触点开关、斑马条开关、绕线、墙板、霍尔开关或光敏开关中的至少一者。示例性的，本实施例采用了4个光敏开关(SW1、SW2、SW3、SW4)作为安全保护开关。当照射在光敏开关上的光照强度达到一个预设值时，就会改变光敏开关的工作状态，最终触发报警。外部信号经过保护信号线和安全开关后，输出至动态信号比较单元U3。此外，采用多种不同类型的安全保护开关可以增强装置的安全性。
动态信号比较单元U3是将经过外部保护单元U2的外部信号和基准信号进行比较，然后将比较结果通过输出端H1和H2输出至外接的CPU(图未示)，CPU根据接收H1和H2的电平信号变化决定是否触发报警信号，进行安全保护。如图3所示，动态信号比较单元U3的核心部件采用异或门，当两个输入端的信号相同则输出低，相异则输出高，为了防止因此线路的寄生参数导致的相移，依次在输出端前通过滤波电路(U31)进行了滤波处理，这样可以有效防止误触发的事件发生。
如上则是基于动态信号的保护机制的介绍，这种保护信号在外部保护单元中的信号是动态变化的，因此无论通过什么样的端接都会导致和基准信号不一致，因此这种保护方案的破解难度更大，同时由于输出端增加了逻辑门，其有一定的输出能力，因此较以前的静态信号的抗干扰能力更强一下，有利于产品的稳定。
根据本发明第二实施例的一种基于动态信号的安全保护装置的具体运行方式与本发明第一实施例基本相同，故在此省略。
根据本发明第三实施例的一种基于动态信号的安全保护方法，包括以下步骤：
S1，动态信号发生单元(U1)提供波形随时间动态变化的动态信号给外部保护单元(U2)和动态信号比较单元(U3)；S2，动态信号比较单元(U3)接收接收所述动态信号发生单元(U1)发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元(U2)的动态信号；S3，动态信号比较单元(U3)通过输出端输出上述两者动态信号的比较结果。具体实施方式与本发明第一实施例的具体运行方式基本相同，故在此省略。
根据本发明第四实施例的一种POS机，其特征在于包括本发明第二实施例的一种基于动态信号的安全保护装置。POS机需要保护的敏感元件，示例性的包括键盘和读卡器，通过上述安全保护装置的外部保护单元进行保护。当有人试图篡改键盘或读卡器电路或者试图端接安全保护装置的外部保护单元时，就会触发安全保护装置向POS的CPU发出报警信号。具体运行方式与本发明第一实施例基本相同，故在此省略。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，包括：
动态信号发生单元(U1)，用于提供波形随时间动态变化的动态信号；
外部保护单元(U2)，用于保护敏感器件的线路；以及
动态信号比较单元(U3)；其中，所述动态信号发生单元(U1)连接所述外部保护单元(U2)，并向其输出动态信号；所述动态信号比较单元(U3)分别连接所述动态信号发生单元(U1)和所述外部保护单元(U2)，接收所述动态信号发生单元(U1)发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元(U2)的动态信号，并通过输出端输出两者的比较结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述动态信号发生单元(U1)采用固定频率的时钟信号发生电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述动态信号发生单元(U1)采用频率随时间的变化而动态变化的动态信号发生电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述动态信号比较单元(U3)包括异或门逻辑电路和滤波电路(U31)。
5.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述外部保护单元(U2)包括保护信号线和设置在保护信号线上的安全保护开关。
6.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，在所述动态信号发生单元(U1)或外部保护单元(U2)任意一者中设有阻容延迟单元(U11)，用于使动态信号发生相移。
7.根据权利要求5所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述安全保护开关包括触点开关、斑马条开关、绕线、墙板、霍尔开关或光敏开关中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的一种基于动态信号的安全保护装置，其特征在于，所述动态信号发生单元(U1)还包括放大器电路，用于增强输出的动态信号，从而提高抗干扰能力。
9.一种基于动态信号的安全保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，动态信号发生单元(U1)提供波形随时间动态变化的动态信号给外部保护单元(U2)和动态信号比较单元(U3)；
S2，动态信号比较单元(U3)接收所述动态信号发生单元(U1)发出的基准动态信号和经过所述外部保护单元(U2)的动态信号；
S3，动态信号比较单元(U3)通过输出端输出上述两者动态信号的比较结果。
10.一种POS机，其特征在于，包括如权1-8任一项所述的一种基于动态信号的安全保护装置。
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