可信计算技术标准与应用(吴秋新20100908)
可信计算技术在网络安全中的应用
从解决单个 主机 的安全防护 问题是不可能的，必须结合 网 络 的管理 ，实现对用户 网络行为 的审计和监控 （ 见图 １ 。 ）
可信计算 的概念并没有一个严格 、明确 的定义，所谓 的 可信计算就是：参与计算的组件 、操作或过程在任意的条件 下是可预测的，并能够抵御病毒和物 理干扰 。其主要思路是
这样的网络环境 中，任何终端出现 问题 ，都能保证取证 ，也 方便监控和管理。其具体思路是 ：在 Ｐ Ｃ机硬件平台上引入 ＴＭ （ Ｐ 可信平台模块）的安全芯片架构 ，通过提供的安全特 性来提高终端系统的安全性 。Ｔ Ｍ （ Ｐ 可信平台模块）的安全 芯片实际上是一个含有密码运算部件和存储部件 的小型芯片 系统，以密码技术为支持、安全操作系统为核心，并涉及到
32基于可信计算机的解决方案采用具有可信技术的计算机对内网用户终端进行安全防护能够确保网络终端用户的合法性和资源的一致性使网络终端用户只能按照规定的权限和访问控制规则进行操作能做到只能做与其身份规定相符的访问操作只要控制规则是合理的那么整个信息系统资源访问过程就是安全的
维普资讯
用
来 自用户终端的安全威胁主要有 以下几种表现形式：１ ．
不 经 网管 同意 ， 随 意更 改 Ｉ 址 ， 冒充 合 法 用 户 ；２ Ｐ地 ．使用
可信计算机大都具有 以下的安全 功能：基 于智能卡和 口
２ ０世纪 ８ 年代 中期 ，美 国国防部 国家计算机安全中心 ０ 制定并 出版 了 “ 可信计算机 安全评价标准”（Ｃ Ｅ ） Ｔ Ｓ Ｃ，对信 息系统 的几个关键环节 ：计算机操作系统 、数据库 、计算机 网络的安全性均提出了可信 安全评价准则 。形成 了安全信 息
系统体系结构 的最早原则。到 ２ 世 纪 ９ ０ ０年代，惠普、ｍＭ、 Ｉｔｌ ｎｅ和微软牵头成立了 “ 可信计算平 台联盟” Ｔ Ｐ 。 Ｃ Ａ （ Ｃ Ａ） Ｔ Ｐ 定义 了具有安全存储和加密功能的可信 平台模块 （Ｐ ， Ｔ Ｍ） 并 于 ２０ 年 １ ０１ 月发布了基于硬件 系统 的 “ 可信 计算平 台规范” （１ ） ０ ３年 ３月 Ｔ Ｐ 改组为 Ｔ Ｇ （ｍ￣ ｄ ｏ ｐ ｔ ｇ ｖ ． 。２０ ０ ＣＡ Ｃ Ｔ ｅＣ ｍ ｕｉ － ｎ Ｇ ｏ ｐ，同年 １ ｒｕ ） ０月发布了 Ｔ Ｍ 主规 范 （１ ） Ｐ ｖ ． 。其 目的是在 ２ 计算和通信系统中能够广泛使用基于硬件安全模块支持下的 可信计算平 台，以提高整体 的安全性 。 ２ 可信计算的概念
可信计算技术标准
• 加载密封的数据块和授权信息，使用存储密钥 • 解密密封的数据块 • 核对PCR值是否和配置中的值相同 • 如果PCR值相匹配，则返回数据 • 否则返回失败
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可信计算平台架构
安全应用
计
算
平台完整性度量与报告
机
系
统
TCM服 务模块
运行时平台
(TSM)
防护
信
可信计 算密码
任 链
操作系统
支撑平 台
CRTM与主板 1-1连接
CRTM
Supporting H/W CPU
BIOS/EFI
Main Memory
可信性连接 关系需用户 物理现场明
确指示
由用户控制 Platform
Reset
硬盘
键盘/鼠标
Graphics / output
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以TCM为核心建立平台信任链
TCM
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由TCM构建身份标识表征平台身份
提供密码学机制，保护TCM的放置外部的数据信 息(Provides cryptographic mechanism to protect information held outside of the TCM)
RTM
可信度量根(Root of Trust for Measurement--RTM)
中国可信计算 缔造安全价值
可信计算技术、标准与应用
吴秋新 中国可信计算工作组
2010年9月17日
内容提纲
可信计算概念与技术原理 自主可信计算标准体系 可信计算产业与应用 自主可信计算产业未来发展
内容提纲
可信计算概念与技术原理 自主可信计算标准体系 可信计算产业与应用 自主可信计算产业未来发展
江苏省高职高专院校重点专业群
申报表
学校名称
健雄职业技术学院
专业群名称
信息技术服务外包专业群
专业群 所涵专业（代码）
核心专业（代码） 填报日期
软件技术（590108） 计算机应用技术（590101） 计算机网络技术（590102） 信息安全技术（590208）
软件技术（590108）
2012 年 6 月 8 日
3
(二)现设专业核心课程与专业群平台课程
专业 名称
课程一 1
各专业现设专业核心课程(可根据实际情况增减)
课程二 1
课程三 1
课程四 1
课程五 1
软件 技术
C#程序设计 软件测试技术
动态 Web 开 .NET 企业 级应用
发技术
开发
JAVA 程序设计
JSP 动态 Web 开发技术
BPO 业务流程处理 软件外包实务
校内实验实训（室）基地 1
专
各专业主要的专用
专业群内各专业主要共享
专业名称
各专业专任教师 职称构成(人数)
高中 级级 职职 称称
初 级 职 称
双 师 型
专业 群内 专任 教师 总数
专业 群内 校内 兼课 教师 总数
业 群 内 兼 职 教 师 总 数
实验实训室(基地)
主要设备台
套数与设备
实验实训室(基 地)一 名称 2
江苏省教育厅 江苏省财政厅制 二○一二年五月
填写说明
1. 本表各项内容要实事求是，真实可靠。文字表达要明确、简 洁。所在学校应严格审核，对所填内容的真实性负责。
2．所有申报、建设内容均填入本表，无须另附建设方案。 3．“专业群所涵专业（代码）”以及“核心专业（代码）”请按照
可信计算技术的发展与应用
可信计算技术的发展与应用随着科技的不断发展，人们对计算机技术的要求越来越高。
安全和可信是计算机技术的核心问题之一。
在这个背景下，可信计算技术应运而生。
那么，什么是可信计算技术呢？它的发展现状和应用前景又是什么？一、可信计算技术是什么？可信计算技术是指在开发、应用和维护计算机系统时，通过软硬件、系统和人员等多种因素的相互协调，确保该计算机系统完整、可靠、安全、保密、稳定并符合法律法规等要求的一种技术。
即使在面对黑客攻击或无意中的系统故障时，也能保持系统的正常运行。
二、可信计算技术的发展现状近年来，随着技术的发展和安全问题的凸显，可信计算技术得到了快速发展。
可信计算技术的关键在于保证可信环境的安全性和保密性，并确保对所涉及的各种系统、软件、硬件等的安全性进行全方位的评估。
目前，可信计算技术已经形成了一整套系统的理论和技术体系，其中包括了自主创新的软、硬件安全技术和相关的评测和认证技术。
例如，华为公司提出了“全文深度学习”的技术，采用深度学习、人工智能等策略，可以对恶意软件进行精准预测和拦截。
还有像Trusted Execution Environment（TEE）等技术，通过硬件安全区域来保证硬件的安全和可信。
同时，各大国家和地区也在积极推进可信计算技术的发展。
例如，中国政府在电子政务、大数据、物联网等领域推广可信计算技术，并且出台了相关的政策和法规，提高可信计算技术的应用水平。
三、可信计算技术的应用前景随着可信计算技术的不断成熟，其应用前景也越来越广阔。
其中，可信计算技术在云计算、物联网、大数据等领域的应用越来越被人们所重视。
1. 云计算与传统本地计算不同，云计算更加便捷，节省了大量的人力物力成本。
但是云计算安全问题一直困扰着人们。
可信计算技术的应用，通过对数据和应用程序的安全性检测和认证，能够保障云计算的安全性，为用户提供更加可靠的云计算服务，鼓励企业和政府采用云计算解决方案。
2. 物联网物联网技术在物联网智能家居、智能交通、智能医疗等领域得到了广泛的应用。
可信计算技术标准与应用
隐私控制
密码模块证书
平台身份证书
由TCM建立“数据密封”保护形式
TCM
SMK(存储主密钥) 存储密钥(SK) PCR
数据 本地存储器 密封的 数据 • 把数据和存储密钥的授权信息发送给TCM • 同时包含启封过程要使用的PCR值 • TCM 对数据加密并密封成一数据块
包含要求的PCR值 选择
安全应用
可信计算平台 密码应用接口
CryptoAPI
CNG -API
PKCS-API
TSPI TSM CSP CNG PKCS11
TCM
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终端计算机等保技术要求使用TCM
基于自主可信计算技术，构建
了终端计算机系统的安全功能
体系 GA/T671-2006 要求三级及以 上PC系统必须嵌入和使用可信 硬件模块(TCM)
安全芯片与CRTM 1-1连接
CRTM
CRTM与主板 1-1连接
由用户控制 Platform Reset CPU
Supporting H/W BIOS/EFI
Main Memory
硬盘
键盘/鼠标
Graphics / output Page 8
以TCM为核心建立平台信任链
TCM
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由TCM构建身份标识表征平台身份
平台
TCM
密码模块密钥EK
Endorsement Key
每一个TCM的密码模块密钥EK是唯一的
– 可由…创建: • TCM 厂商 • 平台厂商 • 最终用户 – 方法: • 事先产生 • EK绝不能暴露在TCM外
平台身份密钥
Platform ID Key
其它密钥
PCRs
可信技术及其应用
可信技术及其应用11 引言综观全球信息产业，安全问题已经引发了用户群体乃至行业厂商的普遍性忧虑和不满，传统的安全保护方法无论从构架还是从强度上来看已经不能完全满足要求。
日益复杂的计算环境中层出不穷的安全威胁使得可信技术以及相似概念备受推崇。
本文首先阐述可信计算所遵循的TCG（Trusted Computing Group）规范与传统安全方案的区别，然后对其核心部件TPM（Trusted Platform Module）进行详细的剖析，包括它的结构、原理和工作流程。
本文对TCG及TPM的详细介绍主要为了下一步工作——即对可信存储的研究，所以本文还阐述了TCG针对存储方面的有关协议，然后又通过几个实例介绍了国内外可信技术应用的现状。
在本文的最后，总结了可信技术的前景和仍然存在的问题，为进一步对可信存储的研究做好了铺垫。
2TCG (Trusted Computing Group）规范与传统安全方案的区别TCG规范与传统安全方案的区别主要体现在理念和各自采取的主要技术两方面上。
2.1 理念上的区别传统安全解决方案往往侧重于先防外后防内、先防服务设施后防终端设施，而可信计算则反其道而行之，首先保证所有终端的安全性，也即通过确保安全的组件来组建更大的安全系统。
可信计算平台在更底层进行更高级别防护，通过可信赖的硬件对软件层次的攻击进行保护可以使用户获得更强的保护能力和选择空间。
2.2 主要技术区别传统的安全保护基本是以软件为基础附以密钥技术，事实证明这种保护并不是非常可靠而且存在着被篡改的可能性。
可信计算平台将加密、解密、认证等基本的安全功能写入硬件芯片，并确保芯片中的信息不能在外部通过软件随意获取。
在这种情况下除非将硬件芯片从系统中移除，否则理论上是无法突破这层防护的，这也是构建可信的计算机设备以及建立可信的计算机通信的基础。
在硬件层执行保护的另外一个优势是能够获得独立于软件环境的安全保护，这使得可以设计出具有更高安全限制能力的硬件系统。
数据安全中的可信计算技术与应用
数据安全中的可信计算技术与应用随着信息技术的不断发展，我们的生活、工作、交流等等都离不开数据的支持与应用。
然而，数据安全问题也成为了当今社会中无法避免的难点。
为了维护数据的安全性，可信计算技术应运而生，并在数据领域中有着越来越广泛的应用。
本文将会从可信计算技术的概念、特点和应用方面进行探讨。
一、可信计算技术的概念可信计算技术（Trusted Computing）是计算机安全领域中的一种技术，它旨在保证计算过程及其结果的可靠性、安全性和隐私性。
为了达到这个目的，可信计算技术在处理器、操作系统、应用程序等层面上均有不同的技术手段来保障安全性。
其中，可信平台模块（TPM）是可信计算的核心技术之一，它的主要作用是验证系统软硬件的可信性，并提供安全数据存储和加密功能。
二、可信计算技术的特点1. 安全性可信计算技术通过对系统软硬件进行验证、认证和加密，确保了计算过程及其结果的安全性。
它采用了多种技术手段，如数字签名、加密算法等，来保障数据的安全性。
2. 可信性可信计算技术具有高度的可信性，这是由于它所采用的安全机制是经过多次验证、认证、测试和审计的。
这些验证和认证过程确保了系统的可信度，并提高了系统的安全性。
3. 隐私性可信计算技术通过加密算法等技术手段来保护用户的隐私数据，确保用户的隐私不被泄露。
它采用了多种隐私保护技术，如哈希函数、加密算法、访问控制等，来保障隐私数据的安全性。
三、可信计算技术的应用1. 数据安全领域可信计算技术在数据安全领域中有着广泛的应用。
它可以保护计算机的硬件和软件平台，并防止恶意软件及黑客攻击。
同时，它可以对用户私密数据进行加密和保护，确保数据的安全性。
2. 云计算领域云计算作为一种新兴的计算模式，可信计算技术在其中也有着重要的应用。
它可以确保云计算平台的安全性，保护云计算中用户的数据和应用程序的安全。
此外，它可以监控云计算中的虚拟机，确保虚拟机的安全执行。
3. 移动设备领域随着移动设备的普及，可信计算技术在移动设备领域也有着广泛的应用。
浅谈可信计算技术及其在银行业中的应用
浅谈可信计算技术及其在银行业中的应用作者：魏兴等来源：《中国金融电脑》 2018年第11期近几年，随着网络安全事件的不断涌现，攻击手段的不断变化和升级，企业面临的网络安全形势更为严峻。
可信计算技术及可信计算系统产业的出现，颠覆了人们以往对网络安全防护的认知，将安全防护从“被动防御”变为“主动防御”。
在不依赖病毒样本特征、不安装系统补丁、不关闭网络端口、不升级杀毒软件的情况下，可信计算技术使用主动防御手段能够识别勒索病毒，阻止恶意程序执行，具有对操作系统漏洞及非预知病毒木马的防御能力。
在防范未知恶意程序、0day 攻击等方面较传统被动式防御具有一定的优势。
一、可信计算的概述1. 定义可信计算概念最早可以追溯到美国国防部颁布的TCSEC 准则。
1983 年，美国国防部制定了世界上第一个《可信计算机系统评价标准》（TCSEC），第一次提出了可信计算机和可信计算基（Trusted ComputingBase,TCB）的概念，并把TCB 作为系统安全的基础。
对于可信的定义目前存在以下几种说法。
ISO/IEC15408 标准定义：指参与计算的组件，其操作或者过程在任意的条件下是可以预测的，并且能够抵御病毒和物理干扰；IEEE 可信计算技术委员会认为，可信是指计算机系统所提供的服务是可信赖的，而且这种可信赖是可论证的；我国沈昌祥院士认为，可信计算系统是能够提供系统的可靠性、可用性、信息和行为安全性的计算机系统。
系统的可靠性和安全性是现阶段可信计算最主要的两个属性。
因此，可信可简单表述为可信≈可靠+安全。
2. 发展可信计算发展至今，从最初的可信1.0 开始，以计算机可靠性为主，以故障排除和冗余备份为手段是基于容错方法的安全防护措施。
之后可信2.0，以可信计算组织（Trusted Computing Group,TCG）出台的TPM1.0为标志，主要以硬件芯片作为信任根，以可信度量、可信存储、可信报告等为手段，实现计算机的单机保护。
可信计算技术研究-.ppt
2）完整性存储 完整性存储包括了存储完整性测量值的日志和
在PCR中存储这些测量值的信息摘要。 3）完整性报告 完整性报告用于证实完整性存储的内容。
完整性测量、存储和报告的基本原理是：一个 平台可能会被允许进入任何状态，但是平台不 能对其是否进入或退出了这种状态进行隐瞒和 修改。一个独立的进程可以对完整性的状态进 行评估并据此作出正确的响应。
具有以下功能：
确保用户唯一身份、权限、工作空间的 完置、操作系统内核、服 务及应用程序的完整性
确保密钥操作和存储的安全
确保系统具有免疫能力，从根本上阻止 病毒和黑客等软件的攻击
可信计算平台特性：
定义了TPM
– TPM = Trusted Platform Module可信平台模块；
定义了访问者与TPM交互机制
– 通过协议和消息机制来使用TPM的功能；
限定了TPM与计算平台之间的关系
– 必须绑定在固定计算平台上，不能移走；
TPM应包含
– 密码算法引擎 – 受保护的存储区域
可信计算终端基于可信赖平台模块 （TPM）,以密码技术为支持、安全操作 系统为核心（如图所示）
安全应用组件
对应用数据和信息签名。 2）存储密钥(SK-Storage Key)：非对称密钥，用
于对数据或其他密钥进行加密。存储根密钥 (SRK-Storage Root Key)是存储密钥的一个特 例。 3）平台身份认证密钥(AIK-Attestation Identity Key)：专用于对TPM产生的数据（如TPM功 能、PCR寄存器的值等）进行签名的不可迁移 的密钥。
Credential)
二、TCG的动态
2000年12月美国卡内基梅隆大学与美国国家 宇航总署（NASA）的艾姆斯（Ames）研究 中心牵头，联合大公司成立TCPA。
可信计算
摘要：可信计算是信息安全领域的一个新分支。
本文论述了可信计算技术与理论的最新研究进展。
通过分析可信计算技术的发展历史与研究现状，指出了目前可信计算领域存在理论研究滞后于技术发展，部分关键技术尚未攻克，缺乏配套的可信软件系统等问题，提出了值得研究的理论与技术方向，包括：以可信计算平台体系结构、可信网络、可信软件工程，软件信任度量技术等为代表的可信计算关键技术，以可信计算模型、信任理论等为代表的可信理论基础。
一、引言信息技术的高速发展，带来了信息产业的空前繁荣；但危害信息安全的事件也不断发生，信息安全形势日益严峻。
目前信息安全问题的技术原因主要包括:■微机的安全结构过于简单。
最初，微机被认为是个人使用的计算机，许多安全措施不再需要，为了降低成本，许多有效的安全措施被去掉。
■信息技术的发展使计算机变成网络中的一部份，突破了计算机机房的地理隔离，信息的I/O遍及整个网络世界，网络协议缺少安全设计，存在安全缺陷。
网络协议的复杂性使得对其进行安全证明和验证十分困难。
■操作系统过于庞大，软件故障与安全缺陷不可避免。
硬件结构的安全和操作系统的安全是信息系统安全的基础，密码、网络安全等技术是关键技术。
只有从信息系统的硬件和软件的底层采取安全措施，从整体上采取措施，才能有效地确保信息系统的安全。
对于最常用的微机，只有从芯片、主板等硬件和BIOS、操作系统等底层软件综合采取措施，才能有效地提高其安全性。
正是基于这一思想催生了可信计算的迅速发展。
可信计算的基本思想是在计算机系统中首先建立一个信任根，再建立一条信任链，一级测量认证一级，一级信任一级，把信任关系扩大到整个计算机系统，从而确保计算机系统的可信。
在技术领域, 1983年美国国防部就制定了《可信计算机系统评价准则》。
1999年TCPA组织成立，2003年改组为可信计算组织TCG。
TCPA和TCG制定了关于可信计算平台、可信存储和可信网络连接等一系列技术规范。
目前已有200多个企业加入了TCG，可信计算机已进入实际应用。
可信计算应用技术
主 要 的系统 软件 ，是信息 安全 的基 础之一 。然而 ，因为 操
作 系统 太庞 大 （ ，Ｗ ｉ ｄ ｗｓ ＸＰ操作 系统 就 有几千 万 如 ｎｏ
行程序 ） ，致 使 操 作 系统 都 不 可 能 做 到 完 全 正 确 。 操 作
境 ，微 机的安 全 防御能 力就 显得薄 弱 了 。
（） ６ 确保 信 息 安 全 要从 微 机 源头 做 起 。据 美 国 安 全杂
志 （Ｅ （ ＣＵＲＥ Ｃ Ｅ Ｐ Ｓ ＹＢ ＲＳ ＡＣＥ 调 查 ，８ ％的用 户安装 ９
Ａｂｓｒｃｔ ： ｕｔ ｄ ｏ ｕ ｉｇ ｓ ｔｅ ｄ ｆ ｎ ｏｍａ ｉｎ ｅ ｕｉｙ ｒｓ ｒｈ ｇ．ｏ ｓｈ ｌｒ ｏ ｏ ｒ ｏｎ ｒ ｈ ｖ ｃｎ ｅｔａ ｅ ｏ ｔ ｉ ｐ＆ ｍｏｅ ｔａ ｏｒ Ｔｒｓ ｅ ｃｍｐ ｔ ｉ ｎ ａ ｒｎ ｏ ｉｆｒ ｔ ｓ ｃｒ ｅｅ ｃｉ ｓｍｅ ｃ ｏ ｓ ｆ ｕ ｃ ｕ ｔｙ ａ ｅ ｏ ｃｎ ｒｔｄ ｎ ｈｓ ｏ ｔ ｎ ａ ａｅ ｒ
速 发展 ，呈现 出空 前 繁荣 的景 象。 另…方 面 ，危害 信息 安 全 的事件 不 断发生 ，形 势是 严峻 的 。信息 安全 事关 国家 安
全 ，社会 稳 定 。因此 ，必 须 采取措 施确 保我 国 的信息 安全 。 为什 么通信 息 安全 的 问题 如 此严重 呢 ？从 技术 角度 来
７ ０年 代 的小 型 和 中 型计 算 机 。在 应 用 上 ，微 机 已 不再 是
以 了。但 是 ，如果 操作 系统 的缺 陷被攻 击 者利 用 ，所 造成
单纯 的 个人计 算机 ，而 变成 了办 公室 或家 庭的 公用计 算 机。 的 安全后 果却 不能 忽略 。
可信计算不再雾里看花
682008.08早在1995年，法国的Jean-Claude Laprie和美国Algirdas Avizienis就提出可信计算（Dependable Computing）的概念。
其思路是：在PC机硬件平台上引入安全芯片架构，通过安全特性来提高终端系统的安全性。
可信计算平台基于可信平台模块（TPM)，以密码技术为支持、安全操作系统为核心，涉及到身份认证、软硬件配置、应用程序、平台间验证和管理等内容。
2003、04年间，可信计算在我国网络安全业界掀起一股股热浪，一度被称作信息安全的济世良方，国家有关部门也就可信计算技术的研究与推广给予扶持和投入，沈昌祥、卿斯汉、赵战生、曲成义等信息安全界知名专家多次在发言中提到可信计算，为此项技术的应用和推广谋划发展之路。
一批知名的信息安全厂商也迅速参与了相关产品/技术的研发、生产和推广工作。
数年过去了，可信计算已经从前几年的大造舆论、广泛宣传，转入到实现阶段。
国家可信计算标准工作小组也已成立，“十一五”期间，可信计算列入了国家发改委的信息安全专项，“863计划”也正在启动可信计算专项，国家自然科学基金也有对可信计算的支持，这都说明可信计算已经有了实质性进展。
一个信息安全的重要理念由于国内网络系统中使用的CPU、操作系统大多来自国外，安全不可控性较强。
由老三样（防火墙、入侵监测和病毒防范）为主要构成的传统信息安全系统以防外为重点，把过多的注意力放在对服务器和网络设备的保护上，而忽略了对终端的保护。
有别于传统的安全技术，可信计算技术从终端开始防范攻击，它通过在计算机硬件平台上引入安全芯片架构来提高系统的安全性。
其目的主要是通过增强现有的PC终端体系结构的安全性来保证整个计算机网络的安全，意义就是在计算机网络中搭建一个诚信体系，每个终端都具有合法的网络身份，并能够被认可，而且终端具有对恶意代码，如病毒、木马等有免疫能力。
在这样的可信计算环境中，任何终端出现问题，都能保证合理取证，方便监控和管理。
一种适用于胶囊机器人的肠道几何参数感知方法
计算机测量与控制!"#"$!$%!&"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!!#""$!#收稿日期 "#"$#"""$!修回日期 "#"$#""&%基金项目 国家自然科学基金!*""'*#$)&&")"$$,'"$先进制造技术山西省重点实验室开放基金!<+^^"#"%#%"$山西省重点研发计划!"#%(#$-$"%%&,"$中北大学校内人才支持计划!c<"#%)#)"%作者简介 周锦山!%((("&男&山西运城人&硕士研究生&主要从事胶囊机器人及其无线供能方向的研究%引用格式 周锦山&高晋阳!一种适用于胶囊机器人的肠道几何参数感知方法'+(!计算机测量与控制&"#"$&$%!&")""$"$#!文章编号 %&'%,*() "#"$ #&#""$#)!!-./ %#!%&*"& 0!1234!%%5,'&" 67!"#"$!#&!#$,!!中图分类号 8;"%"!(!!文献标识码 :一种适用于胶囊机器人的肠道几何参数感知方法周锦山% 高晋阳% "!%`中北大学动态测试技术国家重点实验室&太原!#$##*%$"`中北大学山西省先进制造技术重点实验室&太原!#$##*%"摘要 胶囊机器人被认为是实现肠道疾病微创诊查最具前景的器件&肠道的几何参数!即半径和厚度"感知对于机器人在未知的肠道环境中实现主动运动具有重要意义&然而现阶段胶囊机器人均不具备这一感知功能$为此提出一种基于扩张机构和薄膜压力传感器的肠道几何参数感知方法$通过在扩张机构末端安装薄膜压力传感器&测量不同扩张半径下肠道的收缩压力&并基于压力值和以本构方程为核心构建的感知模型&实现对肠道初始半径及厚度的感知$搭建实验平台对该感知方法测试发现)针对五段具有不同几何参数的离体猪肠道&可在%*G内完成对肠道几何参数感知&对于初始厚度的感知误差范围为#`#),!#`"$(P P&初始半径的感知误差范围为#`%)&!#`$$(P P%关键词 肠道几何参数$感知方法$胶囊机器人$扩张机构$薄膜压力传感器<,3,&'+&0,*.U'"#'&(0:G*(*#'&'(+5',+0,1)'&H"24"(*!*$+%.'8"="&^A.=+42G J D2%&N:.+42X D2I%&"!%`>6D6K[K X C D T H O D6H O X H L-X2D P41@K D G F O K P K268K1J2H S H I X&8D4X F D2!#$##*%&R J42D$"`>J D2W4[K X C D T H O D6H O X H L:Q U D21K Q@D2F L D16F O42I8K1J2H S H I X&8D4X F D2!#$##*%&R J42D"<=+&(*:&)R D7G F S K O H T H6G D O K1H2G4Q K O K Q6J KP H G67O H P4G42I P K Q41D S42G6O F P K26L H O O K D S4B42I P424P D S S X42U D G4U KQ4D I2H G4GH L6J K 426K G642D S Q4G K D G K G!>K2G42I6J K426K G642D S I K H P K6O417D O D P K6K O G H L O D Q4F G D2Q6J4132K G G4G H L I O K D6G4I24L41D21K L H O O H T H6k G D164U K S H1H V P H64H2426J K F232H Z2426K G642D S K2U4O H2P K26!?F6G H L D O&1D7G F S K O H T H6G Q H2H6J D U K6J4G G K2G42I L F2164H2!_H O6J4G O K D G H2&T D G K Q H2 6J K K W7D2Q42I P K1J D24G PD2Q6J42V L4S P7O K G G F O K G K2G H O G&D2426K G642D S I K H P K6O417D O D P K6K O G K2G42I P K6J H Q4G7O H7H G K Q!?X42G6D S S42I 6J42V L4S P7O K G G F O K G K2G H O G H26J K647G H L6J K K W7D2Q42I P K1J D24G P&6J K1H26O D164H27O K G G F O K H L426K G642K G42Q4L L K O K26K W7D2Q K Q O D Q4F G 1D2T KP K D G F O K Q!:2Q6J K7O K G G F O K D2Q G K2G42I P H Q K S D O K6D3K2D G6J K1H O K H L1H2G646F64U K K Y F D64H2&6J K42464D S O D Q4F G D2Q6J4132K G G H L 426K G642K G1D2T K G K2G K Q!:2K W7K O4P K26D S7S D6L H O P4G G K6F76H U K O4L X6J K7O H7H G K QP K6J H Q42L4U K K W V U4U H74I426K G642K GZ46JQ4L L K O K26I K H P K6O417D O D P K6K O G&D2Q6J K O K G F S6G G J H Z6J D66J K426K G642D S I K H P K6O417D O D P K6K O G1D2T K G K2G K Q H F6Z46J42%*G&D2Q6J K G K2G42I K O VO H O G H L426K G642D S O D Q4F G D2Q6J4132K G G D O K426J K O D2I K G H L!#`#),P P&#`"$(P P"D2Q!#`%)&P P&#`$$(P P"&O K G7K164U K S X!>'7?"(2+)426K G642D S I K H P K6O417D O D P K6K O G$G K2G42I P K6J H Q$1D7G F S K O H T H6$K W7D2Q42I P K1J D24G P$6J42V L4S P7O K G G F O K G K2G H O@!引言肠道疾病如溃疡*炎症*结直肠癌等是严重危害人类的顽症&据估计全球每年约新增一百八十万结直肠癌患者&这些疾病给个人和医疗系统带来了严重的负担'%(%早期筛查和诊治是降低治疗费用*提高患者生存质量的重要手段'"$(%目前用于辅助肠道诊查和治疗的主要医疗器械是插入式肠镜&然而检查时给患者带来的严重不适和多种并发症使其并不适合用于肠道疾病的普查',*(%微型胶囊机器人作为肠镜的替代品&有望应用于肠道的微创诊查&以克服肠镜检查时带来的不适和风险%现有的胶囊机器人通常具备两种功能模块)运动模块以及肠道环境感知模块%运动模块用于帮助机器人在湿滑黏弹的肠道环境中实现主动运动&目前可大致分为腿式*履带式*磁控式和仿尺蠖式四种类型)腿式机器人'&)(依靠机体四周的超弹性腿与肠壁之间的相互作用实现有效运动&但由于超弹性腿通常较细&在与肠壁接触时存在一定安全问题%履带式机器人'(%%(依靠花纹履带与肠壁之间的静摩擦力实现运动&但由于其尺寸固定&在面临管径变化的肠道环境时&会因为履带与肠壁间的接触压力不足&出现运动失效的问题%磁控式胶囊机器人'%"%,(依靠外部磁场的牵引实现主动运动&但由于磁牵引力较小&常常无法克服肠道中的摩擦阻力&另外&在诊查前需要灌肠使肠道处于液体充盈状态%仅尺蠖式机器人'%*%((在具备双向运动功能和肠道扩张功能的同时&又不存在安全问题%它的运动模块通常包括两个扩张机构以及一个平移机构&其中平移机构用于使机器人在肠道中实现双向运动&扩张机构用于扩张塌陷的肠道%!投稿网址 Z Z Z!0G01S X3B!1H PCopyright©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#"",!#当胶囊机器人在肠道中进行病灶检查*施药*活检等工作时&往往需要扩张肠道&抵抗肠蠕动力'"#(&以稳定驻留在当前位置%并且由于肠道的半径变化范围较大!成人大肠半径变化范围为%*!$#P P &且从直肠到盲肠半径逐渐增大"&机器人还需要扩张肠道以获得足够的牵引力%因此&扩张机构是胶囊机器人获得与插入式肠镜相同诊查效果的必要机构%肠道环境感知模块用于感知肠道内的各种生理信息&是对胶囊机器人进行控制和进行疾病检查的基础%文献'"%(中&E![!N F 等人研制的一种可搭载在胶囊机器人上的&摄像机模块&其拍摄照片对肠道的覆盖率高达()g &且单次照片无线传输功耗仅为'`%PM %文献'""(中&;!!C 4等人通过在胶囊上集成一种压力传感器模块&能够有效监测到小肠的收缩速率和收缩压力%文献'"$(中&[`:S K W D 2Q O H G 等人通过在胶囊表面安装一种轮式里程计&依靠滚轮与小肠之间的相对滚动&使得胶囊能够实时提供从十二指肠到小肠的实际距离信息&以帮助病灶定位%文献'",(中&R !@!R D L L O K X 等人通过在胶囊上集成一个多电极电子舌传感器&能够有效监测肠道液体特性&以辅助诊断胃肠道疾病%肠道几何参数!即半径和厚度"的感知对于机器人在未知肠道环境中实现主动运动*病灶定位等功能均有重要意义%例如&结合前置摄像头&胶囊机器人可以基于几何参数对患者的肠道三维模型进行构建&标记出病灶位置&为后续的治疗和复查的等提供参考%同时&肠道半径和厚度的异常还能够反映出多种肠道疾病&如梗阻性病变*炎症性肠病和肿瘤等'"*(%然而&现有胶囊机器人均无法实现对肠道几何参数的感知%因此&本文提出了一种基于扩张机构和薄膜压力传感器的肠道环境感知方法&通过在胶囊机器人的扩张机构末端集成薄膜压力传感器&测量不同扩张半径下肠道产生的环向收缩力&结合本文构建的感知模型&可以实现对肠道几何参数的感知%其中&薄膜压力传感器尺寸仅为#*P Pi #`"P P %在$`$a 的额定工作电压下&传感器整体电路的功耗小于*PM &而胶囊机器人的工作功耗通常大于,##PM &因此该方法几乎不会增加胶囊机器人的整体尺寸和功耗%全文的整体结构如下)第一章对感知方法的原理进行了详细的介绍%第二章搭建了实验平台&测量了不同扩张半径下猪肠道产生的收缩力%第三章中&基于测量数据&对该感知进行了验证%并基于感知结果&对感知方法进行了优化%第四章总结%A !感知方法原理图%中展示了一种典型尺蠖式胶囊机器人的扩张机构'%((%扩张机构通常由一组丝杠螺母机构和三组多连杆机构构成%当丝杠在电机驱动下转动时&螺母沿丝杠轴线作直线运动%三组多连杆机构以等角度的方式铰接在螺母上&在螺母的带动下&可沿径向扩张%扩张机构的顶端安装有一枚接触装置&以增大与肠道的接触面积&保证安全%从扩张机构的结构可以看出&通过控制电机的转动圈数&可以对其扩张半径进行精准的控制%通过在接触装置中安装一枚薄膜压力传感器&能够有效测量出肠道的环向收缩压力%图%!一种典型的扩张机构图%的左上角展示了薄膜压力传感器的具体安装方法%接触装置可分为上中下三层&下端为底座&用于与多连杆机构的末端相连$上端为盖板&用于与肠道接触$薄膜压力传感器压在二者中间&通常还会在压力传感器力敏区域表面覆盖软膜&以确保传感器受力均匀&提高测量数据的准确性%通过测量多组肠道同一位置在不同扩张半径下的环向收缩压力&可以计算出当前的位置肠道的初始半径和厚度&实现对肠道几何参数的感知&具体感知原理如下)当机器人进入肠道后&控制扩张机构扩张&接触装置与肠道的接触状态如图"所示%接触装置总共会受到来自:*?和R 三个区域肠道的环向收缩压力&根据拉普拉斯定律&:区域肠道产生的环向收缩压强41可表示为)图"!扩张机构与肠道接触状态示意图41#"#($=!%"式中&=为被扩张后肠道的半径&"为此时肠道的厚度&($为肠道的环向应力%($可通过本构方程'"&(计算得到)($!4$"#E $4$"-A $4$!""!投稿网址 Z Z Z!0G 01S X3B !1H P Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期周锦山&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""一种适用于胶囊机器人的肠道几何参数感知方法#""*!#式中&E $和A $是与肠道相关的常数&可通过单轴拉伸实验测得'"'(&4$为肠道的应变比&可计算为)4$#!=%=#"=#!$"式中&=#为肠道的初始半径%因此&式!%"可改写为以下形式)41#"#($=%=#=!"#=!,"式中&41*"和=可以通过扩张机构的半径=G 和所有压力传感器的测量值之和2计算得到&因此式!,"是关于初始半径=#和初始厚度"#的二元函数&并可改写成如下方程组)41%#"%#($=%%=#=!"#=%41"#""#($="%=#=!"#=>@"!*"!!通过采集多组同一位置肠道在不同扩张半径下的环向收缩压力&依次代入到关于=#和"#二元方程组中并求取平均值&便可以计算得到当前位置肠道的初始半径和厚度%关于=*"和41的具体计算过程将分别在章节%`%*%`"和%`$中给出%这一感知方法在实际场景中的具体应用流程如图$所示)首先&医生控制机器人运动到肠道中的指定位置并驻留$然后&通过电脑或上位机发出指令控制扩张机构扩张$接着&机器人的内置电路将对压力传感器的数据进行采集&并记录相应的扩张机构半径$之后&数据将通过无线传输芯片发送至体外的接收器&接收器将数据上传至电脑进行解算和显示$最后命令机器人移动至下一位置&并重复上述流程&从而完成对整个肠道几何参数的感知%图$!感知方法流程图A C A !被扩张肠道半径计算原理由于扩张机构特殊的形状&被扩张肠道的横截面并非一个标准的圆形&其形状主要与扩张机构中多连杆机构的数量有关%当前&胶囊机器人主流的扩张机构大多都具有三组多连杆机构&因此&被扩张肠道的横截面可看为一个六边形%而根据式!%"&在计算肠道环向收缩压力时&需要将其等效为一个圆形&如图,所示%图,左侧中&被扩张肠道横截面内圈周长(可计算为)(#$!M %-A "M %#槡$=G %A >@"!&"图,!被扩张肠道半径计算示意图式中&A 为接触装置的宽度&=G 为扩张机构的半径&M %已在图注进行标注%保持肠道的内圈周长(不变&将其转换为一个圆形&如图,右侧所示&则被扩张肠道的半径可计算为)=#("##槡$$=G -$A""#!'"A C B !被扩张肠道厚度计算原理由于含水量较高&肠壁组织具有准不可压缩性'")(&因此在计算过程中&假设肠壁的整体体积不发生变化&即扩张过程中肠壁的横截面面积不发生变化%由章节%`%可知&被扩张肠壁的横截面可等效为一个圆环&如图*所示&则初始状态下&该圆环的横截面积!可计算为)!###!=#-"#""%#="#!)"图*!被扩张肠道厚度计算示意图当肠道半径有初始状态=#扩张至=时&其横截面!并不会发生变化&此时具有以下等式关系)##!=-"""%#="#!!("!!因此&被扩张肠道的厚度"可计算为)"#%=-="-""#-"=槡#"!%#"A C D !被扩张肠道<区域环向收缩压力计算原理接触装置中的薄膜压力传感器一共会受到来自:*?和R 三个区域的环向收缩压力&如图&所示%其中:区域直接与接触装置接触&其产生的环向收缩压强会直接作用在接触装置上%:区域产生的环向收缩压力可计算为)2:#/:#!:#/:#"#=@!%%"式中&!:为:区域肠道的面积&@为接触装置长度&即:区域的长度%4:的方向为垂直于肠壁的切线并指向肠道的中轴线&但相较于肠壁的横截面周长&接触装置的宽度较小&4:的方向可等效为垂直于接触装置&因此&2:的方向也为垂于接触装置&如图&所示%由于肠道变形所产生的过渡区域和R &会通过:区域将压力作用在接触装置上%在计算过程中&可将这两个区域等效为一个等径的圆环&如图&左侧所示&等效圆环!投稿网址 Z Z Z!0G 01S X3B !1H P Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#""&!#图&!接触装置受力示意图的半径为*R 区域的最大半径&等效轴向长度M K Y 为$P P '"((%由于接触装置通常较薄!约为%!"P P "&?*R 区域的等效半径可看作与:区域的半径相等&因此&?*R 区域产生的环向收缩压强4和4R 约等于4:%?*R 区域产生的环向收缩压力2?!R "可计算为)2?!R "#/:#"#=#M K Y!%""式中&2!R "的方向同2:相同&因此&所有接触装置中&薄膜压力传感器所感受到的压力总值2计算为)2#2:-2?-2R !%$"!!则:区域产生的环向收缩压强4:与压力传感器的测量值2之间的关系可表示为)4:#2"#=#!@-"M K Y "!%,"B !实验设计B C A !实验装置实验转置总体可分为三个部分&如图'所示&其中)扩张装置用于采集不同扩张半径下肠道的环向收缩压力%所采集到的压力数据通过单片机:-R 外设采集并通过串口上传至电脑%最后使用@D 6S D T 对数据进行解算和显示%图'!实验装置整体设计"`%`%!扩张装置的设计如图)!D "所示&该扩张机构的结构与胶囊机器人的扩张机构类似&包含一组丝杠螺母对以及四组连杆机构!在实验过程中发现&相较于采用三组连杆机构&四连杆机构能够使肠道被扩张得更加均匀&因此在这里四组连杆机构"%丝杠两端使用轴承固定在亚克力板中&丝杠长度为$*1P &外径)P P &两端螺纹旋向相反&螺纹间距为"P P %丝杠顶端紧配有一枚转轮&用于控制丝杠转动%螺母直径约""P P &表面设置有铰接点&用于铰接连杆%连杆装置中的每支连杆长*,P P &每个连杆装置的末端都安装有一枚接触装置%一个法兰被固定在顶端的亚克力板上&与丝杠同心&用于固定猪肠道%扩张装置的扩张半径=f 可通过转轮进行精确控制&其完全收缩状态下半径约为%"`&P P &完全扩张后半径超过,*P P &完全能够满足实验需求%图)!扩张装置设计图"`%`"!接触装置设计接触装置如图)!T "所示&从外到内依次为;f 板*;a R 软垫*薄膜压力传感器以及底座%;f 板直接与肠道进行接触&其主要功能为增大接触装置与肠道的接触面积&使传感器能够感受到更大的肠环向收缩压力%;a R 软垫粘贴在;f 板与传感器之间&面积与传感器的力敏区域相同&其主要目的是使压力传感器受力更加均匀&提高测量的准确性%本次实验所选用的薄膜压力传感器为单点压阻型传感器&内阻随着受力的增大而减小&量程为#`#$!"`*9&内阻变化范围约为")#!$`*3%%底座用于与连杆机构连接%"`%`$!实验装置整体电路设计实验装置整体电路设计如下)由于所使用的薄膜压力传感器为压阻型&因此采用一枚%#3%的电阻进行分压&并且并联了一枚#`%)_的电容用以过滤掉高频干扰%压力传感器的输出电压使用>8@$"_%#$]R 8&单片机的%"位:-R 外设进行采集&采集后的数据进行编码后通过单片机的]>"$"串口上传至电脑并进行记录%整个电路采用稳压芯片:@>%%%'提供$`$a 的稳压直流电%B C B !薄膜压力传感的标定由于每一枚薄膜压力传感器的特性都不相同&因此在实验前搭建了装置对传感器进行标定&如图(所示%标定装置可分为两个部分)圆杆和支架%圆杆上端的圆台用于放置砝码&圆杆下端与薄膜压力传感器的力敏区域接触&支架则用于帮助圆杆定位%在传感器的上下两侧均铺有;a R 软垫&以保证传感器受力均匀&提高标定结果的准确性%标定装置的整体电路与"`%章节中实验装置的相同&传感器的输出电阻最终上传至电脑记录%四枚传感器的标定结果如图%#所示&使用单项;H Z K O 函数对传感器内阻'和压力2进行拟合&及拟合结果为)!投稿网址 Z Z Z!0G 01S X3B !1H P Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期周锦山&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""一种适用于胶囊机器人的肠道几何参数感知方法#""'!#图(!标定装置设计'%#%"`'$#2%%`#$''"#%"`&##2%%`%*"'$#%#`(##2%%`"%$',#%"`'*#2%%`>@#('!%*"四个拟合式的决定系数分别为#`(()(*#`(((&*#`(()%和#`(($*&拟合效果较好&保证了实验的准确性%图%#!压力传感器标定及拟合结果B C D !实验过程及数据实验选取的猪肠道来自一头重约%,#3I 的猪'$#(&猪在宰杀后立刻将肠道取出并放入冷藏的生理盐水中&直至实验时取出%实验前&猪肠道本构方程中的参数E $和A $通过单轴拉伸法确定&具体流程如下)选取多段肠组织样本&组织表面标记四个墨点&两端使用拉钩固定&并可在其径向方向上施加拉力%在拉伸肠组织的过程中&通过墨点的位移记录肠组织的形变量%最后将拉力值与形变量进行拟合得到参数E $和A $%实验分别测得)E $d%#&`,3;D &A $d%$`(%3;D%具体实验过程如下)首先&截取一段约"*1P 猪肠道并使用游标卡尺测量肠道的初始半径=#与初始厚度"#$然后&将其一端用扎带固定在扩张装置的法兰上&另一端自然下垂$接着&转动转轮扩张肠道&每转动八分之一圈停止约*G以记录此时传感器的压力数值&四枚传感器的测量值之和即为当前肠道的环向收缩压力2&每次共转动%`*圈&即采集%"组数据$最后&更换具有不同初始半径和厚度的肠道并重复上述过程&首次实验过测量了三段具有不同几何参数的猪肠道&对其分别编号为;/%*;/"和;/$&具体测量数据见表%%表%!三组猪肠道实验数据肠道几何参数;/%;/";/$=#d %)!%*P P &"#d $!"#P P =#d %(!%%P P &"#d "!"*P P =#d %'!%(P P &"#d"!*#P P 实验数据编号=+P P 2+9=+P P 2+9=+P P 2+9%%(!%&#!$$"#!&'#!"(%'!"##!%*""#!&'#!($"%!(*#!*,%(!%&#!&$$"%!(*%!)$"$!#'#!)#"#!&'%!$*,"$!#'"!&#",!#'%!"%"%!(*"!%**",!#'$!"$"*!##%!)&"$!#'"!(*&"*!##,!","*!)&"!""",!#'$!)#'"*!)&,!(""&!&&"!'%"*!##,!,*)"&!&&*!)*"'!,%$!#%"*!)&*!$%("'!,%&!&(")!%$$!*$"&!&&*!),%#")!%$'!,#")!)%$!)&"'!,%&!'(%%")!)%)!#%"(!,&,!,(")!%$'!*,%""(!,&)!&($#!#'*!%"")!)%)!"#值得注意的是&由于实验所选用的扩张装置装有四组连杆机构&因此&被扩张肠道的横截面积为八边形&式!'"应改写为)=#槡""!=G %A ""-"A #!%&"D !感知方案验证及优化D C A !感知方法验证基于表%的实验数据对感知方法进行验证&将每段肠道所测量得到的%"组数据&依次两两代入至方程组式!*"中&然后将所得结果再求取平均值%%"组数据一共可以解算得到%%组肠道的初始半径=#和厚度"#%感知结果如图%%所示&其中横坐标8表示参与解算的数据组数&G =和G "分别代表初始半径和厚度的感知误差%%"当仅有两组数据参与解算时&对肠道初始半径的感知误差都较大&三段肠道初始半径的感知误差G =分别为#`$()P P *#`)%"P P 以及#`(&)P P %而随着参与解算数据量的增加&感知误差有了明显的下降&当数据量8从"组增加至&组后&感知误差G =明显下降&分别为#`#&,P P *#`#%)P P 以及#`%""P P %""由于肠道厚度较薄&因此该感知方法对于肠道初始厚度的结算误差相对较大&当仅有两组数据参与解算时&三段肠道初始厚度的感知误差G "较大&分比为%`#$#P P *!投稿网址 Z Z Z!0G 01S X3B !1H P Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#"")!#图%%!三组猪肠道初始半径和厚度的感知结果以及感知误图%"!三组猪肠道环向收缩力理论值与测量值%`"(#P P 以及%`$,#P P %同样随着参与解算数据量的增加&感知误差有了明显的下降&当数据量8从"组增加至&组后&感知误差G "明显下降&分别为#`,%)P P *#`*&#P P 以及#`"&"P P %$"进一步对结算结果观察发现&随着参与数据量8的增加&感知误差G =和G "并没有稳定下降&甚至还有所增加%当8从&组增加至%%组时&;/%的初始半径感知误差G =和初始厚度感知误差G "分别从#`#&,P P 和#`,%)P P 增大至#`"*$P P 和#`*%$P P $当8从&组增加至%"组时&;/"的初始半径感知误差从#`#%)P P 增加至#`*#*P P $当8从&组增加至(组时&;/$的初始半径感知误差G =和初始厚度感知误差G "分别从#`%""P P 和#`"&"P P 增大至#`,#*P P 和#`$&,P P %D C B !感知误差分析基于上一节中的结算结果&对感知误差的主要来源进行分析%如图%"所示&其中&2表示通过薄膜压力传感器所测得的肠道环向收缩压力&2D 为通过本构方程&即式!""&计算得到的理论上肠道的环向收缩压力%观察发现)随着测量数据的增多&2逐渐小于2D &最大偏差分别为%`,("9*%`,#"9以及%`"&$9%出现这一偏差的主要原因是)该感知方案为降低运算量&提高感知速度&所采用的本构方程为与时间参量无关的应变能本构方程'$%(&而肠道环向收缩力具有应力松弛效应&即随着被扩张时间的增加&肠道施加在接触装置上的环向收缩压力会随着时间的增加而逐渐减小&最终导致测量值2逐渐小于理论值2D %因此&为保证感知结果的准确性&需要尽可能减短环向收缩压力的测量时间%图%$展示了;/%在测量过程中&环向收缩压力2随测量时间"的变化关系%可以看到&每次转动转轮扩张肠道&肠道环向收缩压力的变化可分为$个阶段)阶段D 表示转动转轮&肠道受到扩张&环向收缩压力增大&这一阶段耗时约为#`)!%`,G %阶段T 和阶段1表示转轮转动至指定位置&压力数据逐渐稳定&可进行数据采集%其中阶段T 中的数据还未稳定&这一阶段耗时约为#`&!!投稿网址 Z Z Z!0G 01S X3B !1H P Copyright ©博看网. 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可信计算3 0工程初步
4.3多重封装实例： AIK生成过程
4.4可信密钥管理
4.5可信密码服 务方式
4.6结论
5.2节点静态可信 扩展过程
5.1节点可信计算 环境概况
5.3节点主动可信 监控机制
5.4策略的可信 报告与可信校 验
5.5结论
6.1可信网络连接架 构
6.2三元三层架构的 部署思路
6.3可信网络连接架 构设计方法
6.4结论
7.2新型信息系统 中的可信计算
7.1可信纵深防御 体系
7.3结论
作者介绍
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读书笔记
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精彩摘录
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目录分析
1.2可信计算简史
1.1什么是可信计 算
1.3可信3.0的应用 模式
2.1可信根和可信链 2.2可信密码服务
2.3可信部件 2.4可信体系架构
3.1可信软件 1
基框架Cube介 绍
2
3.2建议开发 流程
3
3.3节点Cube 实例
4 3.4基于Cube
的密码算法演 示系统
5
3.5结论
4.1可信密码服务工 程实现方法
谢谢观看
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人工智能中的信任计算技术研究
人工智能中的信任计算技术研究一、引言随着人工智能技术的不断发展，越来越多的应用场景涉及到人工智能与人类之间的信任问题，而信任计算技术的出现为解决这一问题提供了有效的工具。
本文将重点探讨人工智能中的信任计算技术研究，分析其背景、现状、应用以及未来发展趋势。
二、信任计算技术的背景与现状1. 信任计算技术的起源和发展信任计算技术的起源可以追溯到20世纪80年代，由于当时密码技术的发展使得人们开始意识到网络安全、通讯安全等问题的重要性，因此出现了一系列新的技术手段来解决这些问题。
其中，信任计算技术在这个过程中得以发展。
2. 信任计算技术的现状随着人工智能技术的不断进步，信任计算技术也得到了很大的发展。
目前，信任计算技术主要包括三个方面：信任评价、信任管理和信任推理。
信任评价主要是对实体的信任进行评分，信任管理主要是对实体的行为进行管理，信任推理主要是利用已有信息推断未知信任信息。
三、人工智能中的信任计算技术应用1. 人工智能安全方面的应用随着人工智能技术在安全领域的应用，对于建立安全可信的信息基础设施也提出了新的要求。
信任计算技术可以用于评价、管理和推理人工智能实体的信任，进而实现对人工智能系统的安全控制。
2. 人工智能辅助医疗方面的应用在医疗领域，人工智能的应用使医疗设备、系统、算法、病人和医护人员之间产生了相互依赖和相互影响。
针对这种情况，信任计算技术可以实现对人工智能算法和医疗设备的信任评估，确保人工智能技术在医疗应用中的安全性和可靠性。
3. 人工智能交互方面的应用在人工智能与人的交互中，信任计算技术同样具有重要的作用。
通过对人工智能实体的信任评估和管理，可以增强人与人工智能实体之间的信任。
四、人工智能中的信任计算技术未来发展趋势1. 数据隐私保护方向未来的信任计算技术将更加注重对数据隐私的保护。
随着大数据和人工智能的深入发展，对数据隐私保护的需求将与日俱增，因此，在以后的研究中，如何更好地保护隐私数据将成为重要的研究方向。
探究可信计算机技术与应用
随 着科 学 技 术 的不 断发 展 ，我 们 逐 步走 向信 息化 的 时 代 ，各 种 技 术 在 不 断 发 展 的 同 时 ， 也 对 其 信 息 的 安 全 性 造 成 了 定程 度 的破坏 ，这种情况 愈演 愈劣 ，严重影 响到国家 的安全 和 社 会 的 稳 定 ， 因 此 ， 我 们 必 须 采 取 相 应 的措 施 维 护 我 们 信 息 的安全性 。现如今 ，人 们 以慢慢 开始认识到产 生这种 问题 的原 因 ，下 面 就 让 我 们 简 单 来 说 明一 下 。
程度 上得到提高 。但是这项 工作必须在用 户正常使用 机器 的状 态 下进行 ，我们利 用可信计算机 的相关技 术就可 以解 决这项 问 题 ， 它 能 够 对 输 入 输 出设 备 的 接 口进 行 安 全 控 制 ，避 免 其 工 作 过 程 中 受 到病 毒 的侵 害 。 ３ ） 可 以提 供 安 全 性 的操 作系 统 。 目前 我 国 广 泛 使 用Ｌ Ｉ Ｎ Ｕ Ｘ 系统 的计算机 ，由于可信 的计算机与传统 计算机相 比增加 了很 多 功 能 ， 这 就 需 要 我 们 对 传 统 的 操 作 系 统 进 行 修 改 ，增 加 其 安 全 性 ，符 合 可 信 计 算 机 发 展 及 应 用 的需 要 。 ４ ） 提高Ｂ Ｉ Ｏ Ｓ 的安全 性。Ｂ Ｉ Ｏ Ｓ 在整个计 算机系统 中占据 着重 要 的地位 ，是维持整个 系统安全 的重要部件之 一 ，由于可 信计 算 机 发 展 及 应 用 的需 要 ， 要 求 我 们 对 其 进 行 修 改 ， 使 其 满 足 可 信 计 算 机 的 需 要 ，所 以我 们 必 须 提 高Ｂ Ｉ Ｏ Ｓ 的 安全 性 。 ５ ） 识别性高 。相 比较传统的计算机而 言，可信计算机 在识 别性上得 到了很大 的提 高，它采用一 些智能技 术降低 了在 该过
可信计算技术及其应用
2、可信计算技术框架
（1）概况
可信是安全的基础。可信计算技术的主要思路是在
硬件平台上引入安全芯片架构，通过其提供的安全特 性，并结合安全操作系统来提高系统安全性的保障能 力。 可信平台模块TPM（TCM）提供了一个“可信根”， 相当于在计算机系统内部设置了一个可信第三方，通 过它对系统的度量和约束来保证系统的可信。
• 身份认证：包括用户身份、机器身份、及其互 认证，并确保认证机制的安全，保证用户和机器 是预期可信的。另外，针对移动计算环境，还可 以确保只有经过认证的用户/机器组合才能访问受 保护的资源。
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• 数据保护：依靠软件保护数据的致命缺陷是其 秘密密钥存放在寄存器或硬盘中，无论以何种杂 乱模式存放，这些密钥都可能通过软件工具获得。 但是通过TPM/TCM的保护能力，秘密密钥可以安全 地存放在TPM中，除非所有者本人，否则不可能获 得这些密钥或秘密（如口令）。 其次，可以通过密封（Sealing）存储可以将 被保护数据和特定的平台配置、状态联系在一起， 这样即使将存储介质转移到其它平台上（以绕开 访问控制机制）也不可能获得其中的信息，如果 将密封存储和用户身份绑定在一起，那么信息只 可能被适当的用户所访问。
Non-Volatile Storage Certificate KEY RAM PCR Execution Engine Program Code Sha-1
USB 总线
Security Sensor and Protection Unit
Random Number Generator (RNG)
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• 应用管理：通过可信操作系统，应用可以运行 在一个满足“最小特权”的环境中，应用的运行
区域受到保护，防止网络攻击等潜在威胁。应用 代码也可以通过系统分区并将应用运行在高特权 等级的安全区域内加以保护。 这种操作系统可以通过基于安全硬件和TCG 规范来实现，通过认证、数据保护和平台证明可 以提高系统虚拟分区的安全性，这样就可以保证 应用的逻辑安全和物理安全。
可信计算机技术与应用综述
可信计算机技术与应用综述武汉大学计算机学院 张焕国 罗 捷 金 刚 朱智强摘 要 可信计算是当前信息安全领域的一个新潮流。
该文综合介绍国内外可信计算机技术与应用的发展。
关键词 计算机 可信计算 可信计算机 信息安全一、从确保源头微机的安全做起２１世纪是信息时代。
一方面，信息技术和产业高速发展，呈现出空前繁荣的景象；另一方面，危害信息安全的事件不断发生，形势是严峻的。
信息安全事关国家安全、社会稳定。
因此，必须采取措施确保我国的信息安全。
确保信息安全要从微机源头做起。
据美国安全杂志“ＳＥＣＵＲＥ ＣＹＢＥＲＳＰＡＣＥ”调查，８９％的用户安装了防火墙，６０％的用户安装了入侵检测系统，但其中仍有９０％用户的系统安全受到破坏。
另据统计，８０％的信息安全事故为内部人员或内外勾结所为，其中很多问题都是微机结构和操作系统不安全引起的。
人们已经认识到，大多数安全隐患来自于微机终端，因此确保源头微机的安全是重要的，必须从微机的结构和操作系统上解决安全问题。
这样，绝大多数不安全因素将从终端源头被控制。
众所周知，硬件结构的安全和操作系统的安全是信息系统安全的基础，密码、网络安全等技术是关键技术。
只有从信息系统的硬件和软件的底层采取安全措施，从信息系统的整体上采取措施，才能比较有效地确保信息系统的安全。
对于应用最广泛的微机系统，只有从芯片、主板等硬件结构和ＢＩＯＳ、操作系统等底层软件做起，综合采取措施，才能比较有效地提高微机系统的安全性。
二、可信计算机技术的发展１、可信计算机技术的发展可信计算机技术已经经历了从初级到高级的发展历程。
（１）初级阶段早在计算机发展的初期，人们就开始重视可信电路（ｄｅｐｅｎｄａｂｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）的研究。
那个时候对计算机安全性的理解主要是硬件设备的安全，而影响计算机安全的主要因素是硬件电路的可靠性，因此研究的重点是电路的可靠性，并把高可靠性的电路称为可信电路。
（２）中级阶段１）彩虹系列的出现１９８３年美国国防部制定了世界上第一个《可信计算机系统评价准则》ＴＣＳＥＣ（Ｔｒｕｓｔｅｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｖａｌｕａ－ｔｉｏｎ Ｃｒｉｔｅｒｉａ）。
可信计算标准
可信计算标准
可信计算，即Trustworthy Computing，是一种新兴的计算概念，它指的是建
立一个安全、可靠、高效的计算机系统，计算结果可以相互一致地被证实。
可信计算的发展以一种全新的计算方式来改进当代计算机系统的安全性、信任性和可靠性，它可以确保计算机系统运行安全、可靠和有效，以增强用户信心。
在安全和隐私保护领域，可信计算也引发了一系列新的声音。
目前，可信计算已经成为保证计算机系统安全性、可用性和可靠性的必要技术
和工具。
为了更好地发挥可信计算的作用，国际上已经制定了一系列可信计算标准，以使系统的功能更稳定、更有效，使其维护费用更低，以及提高信息的安全性更强。
可信计算标准的实施，能够在一定程度上降低人们的操作错误，更有效的利用
有限的资源，在计算机系统中建立一个稳定、可靠、可信的运行环境。
可信计算可以大大提高计算机系统的安全性能，有效预防系统过载和资源管理方面的漏洞，可以有效减少系统故障，降低自动化系统的风险，提高信息的安全性，让用户可以放心地使用软件。
可信计算技术的发展有助于构建安全框架，引进非常有效的信息过滤技术，强
化安全性，实现计算环境更加安全、可靠、可用。
它可以更好地保护计算机系统遭受攻击和受到损害，保障用户数据的安全，实现可信计算模式，构建安全、高效的企业信息系统，以满足不同企业对安全、可靠、高可用的需求。
可信计算是当代计算机领域的一股新的催化剂，在很大程度上推动了计算机信
息安全的发展与进步，将促进风险管理、有效防范系统漏洞、防止数据泄露等实现得更好、更全面，提升网络安全体系的强度，提升信息系统服务的可靠性，为用户提供更加安全的计算环境，促进可信计算领域的更进一步的发展。
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中国可信计算缔造安全价值内容提纲l可信计算概念与技术原理l自主可信计算标准体系l可信计算产业与应用l自主可信计算产业未来发展内容提纲l可信计算概念与技术原理l自主可信计算标准体系l可信计算产业与应用l自主可信计算产业未来发展可信计算的概念计算机硬件系统(主板)计算机软件系统运行时建立可信链建立可信链保护密钥保护密钥定义可信密码模块(TCM)结构与功能目标：建立计算平台安全信任根基核心功能：1)度量平台完整性，建立平台免疫力；2)平台身份唯一性标识；3)提供硬件级密码学计算与密钥保护。
由TCM构建3个信任根n提供密码学机制，签署TCM的状态和数据信息(Provides cryptographic mechanism to digitallysign TCM state and information)n可信存储根(Root of Trust for Storage--RTS)n提供密码学机制，保护TCM的放置外部的数据信息(Provides cryptographic mechanism to protectinformation held outside of the TCM)RTM)n提供密码学机制，有序度量平台的状态(Provided by platform to measureplatform state)平台主板与TCM建立可信绑定关系安全芯片(TCM)BIOS/EFI以TCM为核心建立平台信任链TCMØ每一个TCM 的密码模块密钥EK 是唯一的–可由…创建:•TCM 厂商•平台厂商•最终用户–方法:•事先产生•EK 绝不能暴露在TCM 外Ø密码模块证书(EK 证书)是由可信CA 签署的EK 公钥证书Ø平台身份证书是由可信第三方CA 签署的平台身份公钥证书(采用我国双证书机制)，针对隐私保护，可以创建若干个平台身份密钥和证书密码模块证书其它密钥由TCM 构建身份标识表征平台身份由TCM 建立“数据密封”保护形式•把数据和存储密钥的授权信息发送给TCM •同时包含启封过程要使用的PCR 值•TCM 对数据加密并密封成一数据块ü包含要求的PCR 值•密封后的数据块存储到TCM 之外数据授权信息数据配置•加载密封的数据块和授权信息，使用存储密钥•解密密封的数据块•核对PCR 值是否和配置中的值相同•如果PCR 值相匹配，则返回数据•否则返回失败授权信息数据数据整性度量平台身份可信据安全保护可信计算平台架构以TCM 为核心，构建平台安全功能体系：ü平台完整性保护ü平台可信身份标识与证实ü平台数据密封与绑定技术架构TNC 客户端TNC 服务器AAA 平台信任服务TSM TCMIF4基于TCM 构建平台可信网络接入(TNC)可信计算整体架构内容提纲l可信计算概念与技术原理l自主可信计算标准体系l可信计算产业与应用l自主可信计算产业未来发展TCG 影响力应用软件•软件协议栈(Software Stack)存储系统手机平台器PC 平台安全硬件模块(TPM )可信网络接入及应用中间件自主可信计算发展背景TCG 产业趋势笔记本台式机单位：千台联盟标准产业自主可信计算标准发展总体思路中国可信计算工作组(TCMU)国密局江南所软件所同方长城国民技术发改委工信部科技部财政部公安/保密/安全中天一维同方微电子北信源多思构建自主可信计算核心模块--TCMØ使用自主密码算法：SM2/SM3/SMS4/RNGØ构建3个维度安全功能体系ü构建信任链确保平台完整性ü通过身份密钥和数字签名实现平台身份可信ü通过“密封”和“绑定”确保平台数据安全整性度量平台身份可信据安全保护自主可信计算平台架构以TCM 为核心，构建平台安全功能体系：ü平台完整性保护ü平台可信身份标识与证实ü平台数据密封与绑定可信密码模块TCM安全芯片驱动可信密码服务模块TSM TCM 信任链技术架构产品架构自主可信计算技术规范体系为推进现有安全应用平滑移植至TCM 上，启动制定通用性的TCM 应用接口标准《可信计算平台密码应用接口规范》，使安全应用以CryptoAPI 、CNG-API 、PKCS-API 接口形式直接实现TCM 功能调用，使TCM 成为构建安全应用的信任根。
制定TCM 通用接口标准内容提纲l可信计算概念与技术原理l自主可信计算标准体系l可信计算产业与应用l自主可信计算产业未来发展核心产品：TCM芯片•芯片产品型号：SSX44•芯片性能指标–0.25µmCMOS，数模混合设计工艺–芯片面积25mm2 以下–功耗小于200mw–内置NVRAM–内置真随机数发生器–具备高低电压检测、高低频率检测、总线加扰、关键存储区域加密、版图保护、功耗平滑、开启检测等多种方法来实现芯片的防逻辑攻击、芯片级的防解剖和防物理攻击的能力国民技术TCM Solution核心产品：TCM 芯片核心产品：信任链技术原理BIOS修复(BIOS代码)：在BIOS中添加检查代码，在计算机启动中对BIOS本身和存放在HPA中的自检模块的完整性进行检测。
硬盘信息修复模块：在BIOS引导HPA中修复程序，对硬盘的主引导分区、分区信息和OS引导程序进行完整性检查和修复。
系统内核智能修复：OS启动前，通过LEOS系统对OS启动和运行文件进行完整性检查，并可以从HPA中读取备份进行修复。
系统智能防护：在OS运行中，通过文件截获引擎、注册表截获引擎等底层模块，截获对系统文件的访问、修改行为，自动判断系统文件的完整性，如果发现破坏则自动从HPA中读取正确信息进行修复。
o为可靠有效实现一键恢复功能，硬盘在出厂前已划分出一块约为3G的分区，用以存放硬盘镜像文件以及一键恢复程序文件。
出于安全考虑，该分区是隐含的，在BIOS及操作系统中均不可见。
键盘触发恢复事件3G保留空间信任链系统安全应用可信计算机基于TCM 的可信计算产品体系联想基于TCM的安全应用联想数据盾牌2.0--功能体系文件加/解密文件保险箱安全文件共享个人数据备份个人数据共享U 盘无忧日志和审计集中管理密钥备份/恢复硬盘无忧联想数据盾牌作为随机软件安装在联想可信PC上文件加/解密联想基于TCM 的安全应用•用户可以对电脑上的数据和文件进行加密和解密处理•经过加密的文件只能在本地电脑打开，拷贝到别的电脑则无法打开、处理等•可以在文件上点击右键启动文件加密•芯片级的密钥保护和高强度加密算法•安全，易用文件保险箱联想基于TCM 的安全应用•加密保险箱是本地电脑上特别划出的区域，作为重要文件的保险箱•文件可以任意拷贝进入或移出这个区域，锁定保险箱后，非机主本人都不能打开保险箱•用硬件设防的安全存储区，坚固性超常•保险箱的大小可以调整,灵活满足不同需要，符合用户使用习惯安全文件共享联想基于TCM 的安全应用•将文件进行共享加密，文件以密文形式保存，并可以在指定范围内的机器上解密l 加密文件时，选择“可解密人”ü选择“可解密人”的过程是向加密文件中添加授权信息，添加一个授权信息表明该授权信息所属的计算机能够解密该文件l 被加密文件可以指定“可解密人”机器范围内被解密l 用户可以通过“修改可解密人”，来改变该加密文件的解密范围Ø整个过程安全易用设定的机器集合非设定集合的机器联想基于TCM 的安全应用U 盘无忧(安全移动存储)TCM 芯片•产品特性：–TCM 代表主机身份，USB 设备在主机上使用必须验证USB 身份–不符合授权的USB 不能使用，授权的USB 只能在指定的主机上使用非法USB 设备•用户价值：单位内部移动设备安全管理，保证数据不外泄“U 盘无忧”主要功能l 制作受TCM 保护的安全U 盘：将普通U 盘通过TCM 安全算法“安全格式化”成“受TCM 保护的安全U 盘”，无需依赖特殊USB 设备，成本低、安全性高l 个人安全专用USB ：U 盘绑定本机使用，其他人不得查看其内容l 多人共用安全USB ：U 盘在授权域内安全使用，非授权机器不能查看其内容l C/S 管理架构: 基于服务器-客户端架构管理安全U 盘，采用最简便管理员集中管理方案l TCM 认证绑定：通过TCM 硬件认证保护，保证高安全级别的“U 盘无忧”功能l 终端策略管理：是否允许使用普通U 盘，是否允许卸载客户端不接受服务器管理l 分发和制作管理: 限制“分发和制作”安全U 盘的主机l 孤岛终端管理：支持企业环境内“孤岛”型终端机器加入“U 盘无忧”方案，满足安全共享要求l 审计及日志：所有经安全TCM 认证及加密的操作均进行日志审计记录，并上传到服务器，提供事后审计和监管能力联想基于TCM 的安全应用联想基于TCM 的安全应用U 盘无忧客户价值1---满足“限制内网机密数据传播范围”的用户需求联想基于TCM 的安全应用U 盘无忧客户价值2---满足“禁止外来U 盘在公司范围内使用”需求联想基于TCM 的安全应用U 盘无忧客户价值3 ---满足“低成本、高易用性需求”产品特色Ø采用基于物理扇区级加密方法，能加密硬盘上任何数据，包括操作系统Ø非授权用户不仅看不到硬盘上文件内容，而且也看不到保存在磁盘上的任何文件名称。
由于硬盘上所有数据均处于加密状态，得到加密硬盘的人无法得到任何信息Ø只有计算机正常启动后磁盘数据才可被访问，避免攻击者通过引导另一操作系统或者将硬盘转移到另一台已安装操作系统的PC 上，以便绕过正常启动和用户身份识别过程来访问硬盘数据Ø采用TCM 对加/解密使用的密钥进行保护，利用TCM 防攻击以及完整性度量等特性，可有效防止离线状态下对用户密码的离线攻击联想基于TCM 的安全应用硬盘无忧硬盘无忧技术原理Ø采用自主的硬盘控制程序，以开机后的MBR 跳转到硬盘加密程序解密，同时在Windows下采解密启动联想基于TCM 的安全应用硬盘无忧联想基于TCM的安全应用密钥备份/恢复Ø电脑上的重要信息如密钥需要进行备份，以备电脑硬件损坏情况下的数据恢复和还原Ø周密安排，万无一失可信密码模块方正基于TCM的安全应用ØTCM安全应用中心是对TCM芯片进行管理，为其他应用程序提供使用芯片各种保护服务的软件，同时TCM安全应用中兴还提供TCM一些基本的应用加密和保护功能。
Ø主要功能包括：p芯片管理n TCM芯片使用状态n已被TCM保护的应用n TCM管理员密码更改n TCM芯片信息n导出紧急解密密钥p文件/文件夹加密n加密n解密n日志方正基于TCM的安全应用p文件安全域功能说明n文件安全域为您提供加密个人的私密重要数据方法。