为什么网红工程师大吼一声，硬盘就“挂”了？

2008年，一位叫 Brendan Gregg 的网红工程师，在油管上发布了一个很“鬼畜”的视频↓↓↓

                               
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视频一开始，他在一个非常嘈杂的数据中心里告诉大家，他正在使用一款软件监测硬盘的 IOPS (Input/Output Per Second)，即每秒的输入输出量(或读写次数)，这在业内是衡量硬盘性能的主要指标之一。
随后，这名满脸胡茬的工程师走到数据中心的硬盘阵列面前，使出洪荒之力对其大吼，再回到电脑前观看 IOPS 指标，这时候电脑中呈现出一个很陡峭的瞬间波峰，随后的检查表明，出现变化的硬盘正是被他大叫的那一块。
这个10年前的实验表明，声音是可以对硬盘的工作产生影响的。
近年来，也不断有此类新闻出现↓↓↓

                               
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比如，2016年，罗马尼亚的 ING 银行在一次火警演习中，因为释放灭火惰性气体的巨大声响使得银行的数据中心关闭了10小时，事后查明，这是因为巨大的声音对数据中心的硬盘产生了影响。
那么，究竟是什么样的声音会严重影响硬盘工作？如果有黑客利用此类声音发起攻击会产生怎样的后果？如何避免以上情况的发生？
在第39届 IEEE 安全与隐私大会上，密歇根大学和浙江大学徐文渊教授团队联合发表了一篇论文，对上述问题进行了回答。笔者近日采访了浙大团队的研究成员闫琛，听他讲述声波攻击背后的故事。

声音为什么能影响硬盘工作


闫琛表示，目前，市面上大体分为两类硬盘，一类是机械硬盘，一类是固态硬盘。
机械硬盘一般装在普通笔记本、台式机以及数据中心等设备中，由于其成本低，在需要大的存储空间时，往往会称为首选。
相较而言，固态硬盘的优势是性能好，读写速度快，一般装在 MAC 或者一些超级本等比较轻薄的笔记本中。但它的价格比较贵，一般 1T 的固态硬盘成本就需要几千块钱。
目前市面上应用最广的是机械硬盘，也是此次声波攻击的对象，至于为什么选择它来“攻击”，还要从机械硬盘的工作原理来讲。

                               
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上图就是机械硬盘的工作状态，是不是有点像老式留声机？
其实，他们的工作原理有相似之处，在磁盘旋转时，上面有很多磁道，这时会有一个磁头靠近磁盘来读写磁盘的数据，而声波攻击，正是发生在这个过程中。
在开头实验中，巨大的声音所引发的震动会影响磁头的位置，造成在读写数据的过程中产生偏差，读取不到它本该读取的数据。
更为严重的后果是，它有可能造成磁盘的永久性物理损伤，这是如何造成的？
我们依然用留声机来举例。

                               
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留声机工作时，也是因为磁头接触到磁盘才能放出声音，但与留声机所不同的是，在机械硬盘中，磁头其实是悬浮在磁盘上进行高速读写的，如果不悬浮，在高速的运转中就会划伤磁盘。
而在这个过程中，如果有特定频段的声音进行干扰，就会让磁头和磁盘产生上下和水平的位移，从而相互碰撞，造成大量的坏道，影响数据的读取。
一般而言，在硬盘开始使用的前 500 个小时中，发生坏道是不正常的，但在浙大团队所做的实验中，由于声音的干扰，很多硬盘根本撑不到 500 小时就无法读写了。
还有一种更为严重的情况是，这种声波“攻击”，还可以触发保护硬盘驱动器跌落损伤的“震动传感器”，造成硬盘直接“罢工”。
简单来说，“震动传感器”在检测到加速度时 ，会判断此刻硬盘正在跌落，然后立刻把磁头移开，以免划伤磁盘，这本是一个保护机制，但如果声波攻击会触发这个传感器时，就会让硬盘停止工作。
试想一下，如果有人给你发了一个带有声波攻击的音频钓鱼邮件，你打开后电脑会发生什么？
在会议的展示中，研究团队正是通过这样的声波攻击，在现场用一首改编了的 Katy Perry（水果姐）的歌曲，让Windows 10 笔记本直接蓝屏，提示硬盘出错。
除了个人电脑上的机械硬盘，在医疗以及视频监控领域，机械硬盘的存储地位仍很重要，声波干扰如果被坏人利用，也将造成不可挽回的损失，比如那些干坏事的人，不想被监控拍到……
讲到这里，宅友们可能觉得今天讲的这个攻击料不是很猛，讲来讲去不就是声音扰乱了磁头和磁盘的接触造成数据读取异常吗？不就是触发跌落的传感器让硬盘罢工吗？

神不知鬼不觉的超声波攻击


除了人耳可以听到的声音，其实声波攻击还有一个更加隐蔽的招式－－超声波攻击。
一般来讲，人耳可以听到的声音在20至20000赫兹之间，但如果声音在小于20赫兹或者大于20000赫兹，人耳基本听不到（比如海豚的叫声）。

                               
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那这类的超声波是否也可以触发硬盘的连锁反应？
浙大团队就成功使用射频矢量信号发生器（RF Vector Signal Generator）创建了超声波信号，并测量了各种频率信号对硬盘驱动器的影响，包括存储损失（loss of throughput），程序崩溃以及硬盘驱动器读取和写入中断。
这意味着，别有用心的黑客可以神不知鬼不觉的对目标发起攻击，而受害者完全不知情。
但闫琛强调，由于各家的机械硬盘情况不同，所以无论是声波攻击还是超声波攻击，都需要依照具体的硬盘情况去定制，比如音量、频率、传输速度等。
这决定了，此类的攻击要实现，得满足多方面的要求，要根据具体机械硬盘的品牌和型号来，并不是那种用一种声波或者超声波就可以开展大规模攻击的招数。

这项研究的独特性在哪里


文章开头我们就提到，声音可以影响硬盘工作的视频是10年前的，在这10年中也不断新闻曝出，那此次研究团队做这项研究的独特性是什么？
对于这个问题，闫琛从以下 3 点来回应问题。
第一，此次研究他们主要着重于为什么产生影响以及怎样产生影响，并对声波攻击进行量化，比如哪款硬盘用多少 HZ 的声波才能实现读写错误？多少 HZ 会触发传感器等；与此同时，由于团队此前在“超声波攻击”领域有研究（宅客频道此前也报道过他们团队研究的海豚攻击），所以这次除了人耳可以听到的声音，他们还发现了超声波攻击同样也是威胁，而且更加隐蔽，这部分他们也做了量化研究。
比如，在一项实验中，他们用一个 5 kHz的声波从上方以 120 分贝的声压（dB SPL）击打硬盘驱动器机箱。以他们开发的模型估计，这种攻击会产生约33nm水平和156nm垂直的最大磁盘位移，同时有9nm水平和112nm垂直的最大读/写磁头位移。
第二，他们研究了声波攻击所对系统层面的影响，比如对于一个操作系统来说，它是放在硬盘里的，当没办法读写和调用时，会造成程序崩溃。
第三，正是在前两项研究的基础上，他们给出了软件升级和硬件升级的解决方案。
在软件层面，浙大团队建议可以加入一个检测磁头的程序，如果磁头没在应有的位置，就要进行反馈控制，让它回到原有的位置。
在硬件层面，厂商则可以选择加入多个传感器，因为声波每次只能攻击一个传感器，如果在n个传感器中国只有一个进行报警，那就可以判定是“误报”，从而避免硬盘“罢工”。

  

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