Разработка учебно-лабораторного стенда для изучения волоконно-оптического канала утечки акустической информации

[Введите текст]

РЕФЕРАТ

Ходоркин Дмитрий Олегович. Разработка учебно-лабораторного стенда для изучения волоконно-оптического канала утечки акустической информации.

Для дипломного проекта выбрана актуальная проблема исследования нового канала утечки акустической информации и создания лабораторно-учебного стенда для обучения молодых специалистов. Произведен анализ немногочисленных научных статей по данной проблематике и выделены основные проблемы этой области. Определен минимально необходимый состав оборудования и компонентов, на базе которых разработан план исследования и проведения экспериментов. Описана методика настройки приборов.

Проведен ряд экспериментов с целью выяснения природы возникновения канала утечки и проверки ранее известных результатов. Эксперименты проводились по нарастающей сложности и, в конце концов, завершились этапом создания и проверки учебно-лабораторного стенда. Рассмотрены условия безопасной работы с лазерными установками и уровень допустимого шума. Проведен SWOT-анализ проекта и расчет стоимости проекта.

Ранее считалось, что каналы оптической связи в силу особенностей распространения электромагнитной энергии в оптическом волокне (ОВ), а также ввиду применения узконаправленных передающих антенн в атмосферных каналах оптической связи обладают повышенной скрытностью.

Известно, что волокно представляет собой волновую структуру, в которой оптическое излучение распространяется по закону полного внутреннего отражения. Тем не менее, даже после формирования статического распределения поля в волокне, небольшая часть рассеянного излучения все же проникает за пределы отражающей оболочки и может являться каналом утечки передаваемой информации.

В основе волоконно-оптического канала утечки речевой информации лежит эффект модуляции светового потока внешним акустическим полем. В свою очередь, промодулированный речью световой поток может выйти далеко за пределы конфиденциального помещения по штатным волоконно-оптическим коммуникациям. Злоумышленник, в свою очередь, подключившись к линии связи, может произвести демодуляцию светового потока и получить доступ к конфиденциальной информации. [1]

Световые потоки, протекающие через волоконно-оптическую линию связи, можно разделить на штатные, связанные с физической реализацией протокола передачи данных, и нештатные, специально сформированные нарушителем для несанкционированного съема речевой информации.

Штатные световые потоки, формируемые, например, при цифровых методах передачи информации, позволяют создать канал утечки без нарушения работы всей системы, так как уровень акустического воздействия на штатный световой поток незначительно уменьшает отношение сигнал/шум. Также для съема речевой информации могут быть использованы переменные по интенсивности световые потоки, применяемые для синхронизации на физическом уровне работы приемопередающего активного оборудования и действующие между передачей данных.

К нештатным потокам относятся любые излучения, формируемые источниками света, несанкционированно подключенными к волоконно-оптическим коммуникациям.

Все методы нейтрализации нового канала утечки можно разделить на пассивные (например, звукоизоляция волоконно-оптического канала связи) и активные методы (различные способы фильтрации, зашумления). Эффективность любой защиты зависит от технических возможностей обнаружения угрозы безопасности информации. Технические средства, позволяющие выявить сам факт подслушивания или настройки оборудования для его осуществления, несомненно, повысят надежность системы защиты организаций. Однако в случае волоконно-оптических коммуникаций следует учитывать физические особенности оптического канала связи, такие, как малые размеры, направленность излучения и отсутствие побочных световых потоков, на основе которых можно предложить простой и эффективный способ обнаружения несанкционированного съема информации (подслушивания) путем контроля существующих в канале световых потоков.

Постановка задачи Целью данного дипломного проекта является создание учебно-лабораторного стенда для изучения волоконно-оптического канала утечки акустической информации на базе оборудования кафедры Защиты информации НГТУ, а также разработать учебно-методическую документацию для проведения специализированных лабораторных работ студентами кафедры.

В ходе данной работы будут реализованы следующие задачи:

создание макета стенда;

реализация стенда;

изучение эффекта модуляции светового потока внешним акустическим полем;

Далее рассмотрим подробнее каждую из задач.

Создание макета стенда В ходе решения данной задачи на первом этапе будет построена модель стенда для подбора компонентов и необходимого оборудования. Далее, на втором этапе будет разработан экспериментальный макет стенда для сбора предварительных данных о защищенности волоконно-оптической линии связи. Результаты работы данного этапа в дальнейшем помогут сформировать состав конечного стенда и порядок проведения исследования.

Реализация стенда В ходе решения данной задачи будет реализован стенд, проведены эксперименты и отлажено оборудование для получения объективных данных о защищенности волоконно-оптической линии связи. Конечный стенд в дальнейшем будет использоваться для новых исследований и внедрения в учебный процесс с целью использования его студентами в специализированных лабораторных работах кафедры ЗИ.

1. ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА МОДУЛЯЦИИ СВЕТОВОГО ПОТОКА ВНЕШНИМ АКУСТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

В ходе решения данной задачи на основе экспериментов на макете стенда и конечном стенде будет получен набор данных, описывающих условия формирования канала, выявленные уязвимости штатной коммуникационной линии и возможные способы подключения к линии злоумышленником.

2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Статьи по прослушиванию оптоволокна достаточно редки в силу определенной специфики такого рода коммуникаций. По мере удешевления оборудования и стоимости организации каналов связи на основе оптоволокна, оно все чаще применяется в коммерческой практике. Специалистам ИТ, отвечающим за вопросы безопасности коммуникаций, стоит знать об основных источниках угроз и методах противодействия. Весь спектр угроз, реализуемых для данной линии связи в данной работе, будет разделен на два вида: хищение штатной (цифровой) информации, проходящей по линии связи, и использование оптоволокна как носителя речевой информации. Именно второй вид угрозы подробно описан в данной работе.

2.1 Хищение цифровой информации

Подробно данная угроза была рассмотрена в статье 2011 года «Скрытное подсоединение к оптоволокну: методы и предосторожности», авторами которой являются М. Зафар Икбал, Хабиб Фатхалла, Незих Белхадж. В статье достаточно подробно и популярно описаны все физические аспекты, причастные к образованию канала утечки. Во многом они аналогичны тем, что могут быть использованы для внешней акустической модуляции, о которой будет рассказано позже.

Для полноты данной работы необходимо тезисно рассмотреть проделанную ими работу и полученные результаты.

Подключение к оптоволокну (fiber tapping) — процесс, при котором безопасность оптического канала компрометируется вставкой или извлечением световой информации. Подключение к оптоволокну может быть интрузивным либо неинтрузивным. По первому методу волокно перерезается и подсоединяется к промежуточному устройству для съема информации, в то время как при использовании второго метода подключение выполняется без нарушения потока данных и перерыва соединения.

В настоящее время сообщается лишь о нескольких зафиксированных случаях подключения к оптоволокну. Это связано с большими сложностями в обнаружении места подключения, в то время как собственно подключение выполняется достаточно просто. Вот список основных инцидентов:

2000 г. — в аэропорту Франкфурта, Германия обнаружено подключение к трем главным линиям компании Deutsche Telekom;

2003 г. — на оптической сети компании Verizone обнаружено подслушивающее устройство;

2005 г. — подводная лодка ВМФ США USS Jimmy Carter модернизирована специальным образом для установки несанкционированных подсоединений к подводным кабелям.

Методы подсоединения к оптоволокну Сгибание волокна. При данном методе подключения кабель разбирается до волокна. Данный способ основан на принципе распространения света через волокно посредством полного внутреннего отражения. Для достижения результата этим способом угол падения света на переход между собственно ядром волокна и его оболочкой должен быть больше, чем критический угол полного внутреннего отражения.

В противном случае, часть света будет излучаться через оболочку ядра. Значение критического угла является функцией показателей отражения ядра и его оболочки и представлено следующим выражением:

иc=cos-1(мcladding/мcore), причем мcladding < мcore

Здесь иc — критический угол, мcladding — показатель преломления оболочки, мcore — показатель преломления ядра.

При сгибании волокно искривляется таким образом, чтобы угол отражения стал меньше критического, и свет начал проникать через оболочку. Очевидно, что могут быть два типа сгибов: микро и макро.

Моделирование Для точной оценки потерь при сгибании оптоволокна типа SMF-28 используется полновекторный частотный решатель Максвелла, основанный на методе конечных элементов высокого порядка и допускающий адаптацию граничных условий — растягивающегося идеально согласованного слоя. Получены векторные расчеты констант распространения и электрических полей мод в изогнутых волноводах. Потери при сгибе рассчитываются на основе мнимой части константы распространения фундаментальной моды. Общие потери получены сложением потерь ортогональной и базовой моды.

Данные для моделирования. Для волокна SMF-28, радиус ядра и показатель преломления представляют собой соответственно:

rc = 4.15 мm и nc = 1.4493.

В оболочке, они соответственно равны:

rcl = 62.25 мm и ncl = 1.444.

Коэффициент преломления воздуха равен 1.

Расчет потери мощности. Радиус изгиба с взят по оси x, мода поляризуется вдоль оси y, а распространение идет по оси z, как показано на следующем рисунке:

Рис. 2.1 — Движение светового потока на сгибе оптоволокна Рисунок 2.2 представляет собой выраженную в числах потерю на сгибе как функцию радиуса изгиба волокна метровой длины. Наблюдается логарифмическая зависимость потерь относительно радиуса изгиба. Для небольших радиусов изгиба (с < 10 mm), потери превышают 40 dB/м. При обычных радиусах изгиба (с > 15 mm) потери составляют меньше, чем 1 dB/м.

Рис. 2.2 — Численная оценка потери на изгибе как функции от радиуса изгиба Эксперимент по подключению к оптоволокну Полностью операция прослушивания может быть реализована с помощью следующих шагов:

получение оптического сигнала с волокна;

детектирование сигнала;

обнаружение механизма передачи (декодирование протокола);

программная обработка обнаружения фреймов/пакетов и извлечение из них необходимых данных.

Эксперимент включал в себя передачу цифрового видеосигнала через оптический Ethernet с одного компьютера на другой. Подсоединяемое волокно было оголено до оболочки и помещено в оптический каплер (coupler), где волокно сгибается, вызывая излучение некоторого количества света, нарушающего принцип полного внутреннего отражения. Это устройство направляет захваченный свет в однонаправленный конвертер Ethernet. В дальнейшем, фреймы Ethernet обрабатываются, и из них реконструируется видеопоток на третьем ПК. Для передачи потока и воспроизведения использовался VLC плеер. Анализатор протоколов WireShark использовался для захвата пакетов, а ПО Chaosreader использовалось для реконструкции видео из захваченных пакетов.

Программное и аппаратное обеспечение соединено, как это показано на рисунке 2.3. Оголенное волокно проходит от источника видео до приемника через зажим каплера. В зажиме часть света отводится и попадает в однонаправленный медиаконвертер, считывающий Ethernet-фреймы, которые затем передаются на третий ПК с установленным WireShark. Анализатор протокола конвертирует фреймы Ethernet и извлекает из них такую информацию, как MAC-адреса источника и приемника. Также он обрабатывает содержимое фреймов и достает из него IP-пакеты. Информация, полученная из пакетов, включает в себя IP-адреса, сообщения сигнальных протоколов и биты служебной загрузки.

Рис. 2.3 — Экспериментальная схема для подсоединения к волокну Пакеты, собранные таким способом, сохраняются в формате файла pcap (packet capture). Затем файл обрабатывается ПО Chaosreader, который реконструирует оригинальные файлы и создает индекс реконструированных файлов. Для обнаружения захваченного видео выбираются *.DAT файлы большого размера из рабочего каталога WireShark. Затем эти файлы открывается в плеере VLC, который показывает перехваченную часть видеопотока.

Защита от подключения Так же в рамках статьи были описаны способы защиты волоконно-оптический линии связи, такие как:

мониторинг сигналов вблизи волокна;

электрические проводники, внедренные под оболочку для отслеживания целостности кабеля;

мониторинг мощности мод;

измерение оптически значимой мощности;

применение оптических рефлектометров.

Последний способ стоит рассмотреть подробней, так как он теоретически применим и для отслеживания наличия модуляции внешним акустическим полем. Подробнее это будет описано в следующих разделах.

Поскольку подсоединение к волокну забирает часть оптического сигнала, для обнаружения подключений могут использоваться оптические рефлектометры. С их помощью можно установить расстояние по трассе, на котором обнаруживается падение уровня сигнала, что показано на следующем рисунке:

Рис. 2.4 — Поиск подключения на оптической трассе Отдельно стоит упомянуть защиту данных шифрованием передаваемого по волоконно-оптической линии потока. Хотя шифрование никак не препятствует подсоединению к волокну, оно все же делает украденную информацию малополезной для злоумышленников. Шифрование обычно классифицируется по уровням 2 и 3.

Пример шифрования третьего уровня — протокол IPSec. Он реализуется на стороне пользователя, так что это вызывает определенные задержки в обработке. Протокол поднимается в начале сессии, и общая реализация может быть весьма сложной, если в работу вовлечено большое количество сетевых элементов. Например, ранее при разработке мультимедийных подсистем связь между различными узлами и элементами была незащищенной, что соответственно не препятствовало интерпретации информации. Существенно позже IPSec был встроен в оригинальный дизайн, так как технологии нижнего уровня не предлагали никакого шифрования вообще.

Шифрование второго уровня освобождает элементы третьего уровня от любого бремени шифрования информации. Один из возможных источников шифрования второго уровня — это оптический CDMA, который считается относительно безопасным. Данное допущение, в основном, базируется на методах расшифровки грубой силой и не учитывает более продвинутые способы. Вероятность успешного перехвата данных является функцией нескольких параметров, включая отношение сигнал/шум и дробление (fraction) доступной системной емкости. Увеличение сложности кода может увеличить отношение сигнал/шум, требуемое для злоумышленника, чтобы «сломать» кодирование всего лишь на несколько dB, в то время как обработка менее чем 100 бит со стороны злоумышленника может уменьшить отношение сигнал/шум на 12 dB. Перепрыгивание по длинам волн и распределение сигнала во времени, в частности, и использование O-CDMA, в общем, обеспечивают достаточный уровень секретности, но он высоко зависит от системного дизайна и параметров реализации.

В качестве заключения по данному разделу стоит еще раз подчеркнуть, что подсоединение к оптоволокну является весьма осязаемой угрозой интересам национальной безопасности, финансовым организациям, а также персональной приватности и свободам. После подключения, получаемая информация может быть использована многими способами в зависимости от мотивации злоумышленника и его технических возможностей. [2]

1.2 Оптоволокно как канал утечки речевой информации

Данный, специфический, канал утечки речевой информации описан в обширной серии статей кандидата физико-математических наук В. В. Гришачева. Помимо оригинальных экспериментов в данной работе ставятся и эксперименты, ранее уже проделанные Гришачевым. Результаты своих экспериментов Гришачев описывает в статье «Практическая оценка эффективности канала утечки акустической (речевой) информации через волоконно-оптические коммуникации». В работе построен стенд для изучения эффекта акустической модуляции светового потока волоконно-оптической линии связи, а также выведены зависимости эффективности канала от конкретных физических параметров оптического излучения в волоконно-оптическом канале связи. Проведенные экспериментальные исследования позволяют дать практические рекомендации по предотвращению прослушивания по штатным волоконно-оптическим коммуникациям. 3]

В своей статье «Количественная оценка эффективности канала утечки информации по техническим параметрам каналов связи» В. В. Гришачев рассматривает методы расчета параметров для практического использования при описании каналов утечки различного вида и природы. В качестве примера проведена оценка характеристик акусто-оптоволоконного канала утечки. Таким образом, на основе представленных им исследований можно провести оценку параметров акусто-оптоволоконного канала утечки речевой информации. Безопасным можно считать канал утечки с коэффициентом модуляции не выше CML = 0,1%, коэффициентом шума не ниже CNL = 100 (20 дБ), тогда эффективность канала утечки не превысит CEL = 40%. Бюджет канала утечки можно принять равным CLL = 20 дБ. Представленные оценочные значения характеристик акусто-оптоволоконного канала утечки показывают его высокую опасность для подслушивания. Надо отметить, что полученные оценки можно экстраполировать и на другие инженерно-технические каналы утечки.

На основе технических параметров канала связи выбраны характеристики, наиболее полно отвечающие оценке параметров канала утечки и адаптированные для практических расчетов. В качестве примера проведена оценка характеристик акусто-оптоволоконного канала утечки. [4]

В рамках данного дипломного проекта для построения учебно-лабораторного стенда используется ряд выявленных В. В. Гришачевым закономерностей. В стенде будет реализован схожий принцип формирования канала утечки, кроме того, будут задействованы и другие технические решения и подходы. Такие, как:

использование октавного генератора тонового сигнала для формирования речеподобного сигнала (по аналогии с общепринятой в России методикой оценки защищенности помещений, предназначенных для проведения конфиденциальных переговоров);

проведение ряда экспериментов с целью лучшего понимания физики явления модуляции светового потока в волоконно-оптической линии связи.

Как и было завялено выше, результатом проделанной работы станет учебно-лабораторный стенд, который в дальнейшем будет использоваться студентами в специализированных лабораторных работах кафедры ЗИ.

3. МАТЕМАТИКО-ФИЗИЧЕСКОЕОБЕСПЕЧЕНИЕ

3.1 Акустическое (речевое) воздействие

Перед изучением волоконно-оптического канала утечки речевой информации следует детально рассмотреть физические принципы формирования и восприятия человеческой речи, известные каналы утечки речевой информации и методики их оценки.

Общие положения Речь человека — определенная последовательность звуков, характерных для данного языка, произносимых, обычно, слитно с паузами после отдельных слов или групп звуков.

Речь создается артикуляционными органами человека и в силу неодинаковости их размера у разных людей речь любого человека индивидуальна.

Речь представляется тремя группами характеристик:

физические;

семантические;

фонетические.

Физические характеристики речи — характеристики речи с точки зрения волновых явлений. В этом смысле звук — колебательные движения частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн.

Звуковые волны в газообразных и жидких средах являются продольными (т.е. такими, в которых направления смещения частиц среды совпадают с направлением распространения волны); в твердых средах кроме продольных могут иметь место поперечные волны и их комбинации (изгибные, крутильные и т. п.).

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются следующие:

* Диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом (Гц) — 16 Гц ч20 кГц (< 16 Гц — инфразвук, > 20кГц — ультразвук).

* Скорость распространения звуковых волн в среде (скорость звука)-V (мс); при неизменных условиях распространения (температура, атмосферное давление и т. п.), Vconst. Так V в воздухе равна 331 мс (при t0 -00С, Р=1 атм); в воде -1490 мс (20оС); в бетоне 4200ч5300 мс.

* Длина волны л:

л = Vf,

где f — частота звука в Гц; для звуковых волн л= 1,65 см ч 20,7 м.

* Звуковое давление (Р) давление звуковой волны, которое она оказывает на среду при распространении в ней. Строго говоря, это переменная часть давления, т. е. разность между мгновенными значениями давления в точке среды при прохождении волны и статическим давлением в этой же точке (Рлинейная характеристика).

Р — сила, действующая на единицу поверхности: Р = F/S. Единицей измерения Р в системе СИ является Паскаль, Па (Ньютон/ метр2). для справки: 1Па в 105 раз меньше 1 атм.

Звуковое давление в воздухе изменяется от 2· 10−5 Па (порог слышимости, Ро) до 105 Па (болевой порог).

Часто Р выражается в дБ:

Р Р (дБ) = 20 lg ————-;

Ро Динамический диапазон Р, воспринимаемый человеческим ухом, равен ~140дБ

* Интенсивность звука или сила звука I (энергетическая характеристика) — количество энергии, проходящей в секунду через единицу площади перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей интенсивности звука (в системе СИ) является Вт/м2

I

I (дб) = 10 lg (—————-), где I0 = 10 -12 Вт/м2

I0

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются также фронт волны (плоская, сферическая, цилиндрическая волна), явления отражения, преломления, дифракции и затухания волн.

Понятие структурных акустических волн (структурный звук) Под структурным звуком понимают механические колебания в твердом теле с частотой f = 16 Гцч20 кГц. Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов и т. п. передаются на значительные расстояния, почти не затухая, и хорошо перехватываются приемными устройствами типа стетоскоп. Структурные (акусто-вибрационные) волны возникают из-за механического воздействия акустических волн на инженерные конструкции. В результате этого воздействия в конструкциях возникают напряжения и деформации, образующие структурные колебания. При этом возникают не только волны сжатия (продольные), но и поперечные их комбинации — изгибные, крутильные, волны Рэлея (поверхностные). Не вдаваясь в физику сложных волновых процессов, стоит отметить, что распространение структурных волн в инженерных конструкциях здания характеризуется:

затуханием волн вследствие их расхождения и поглощения (перехода энергии в тепло);

отражением на границах раздела сред (например, составные стены из разного материала, места разветвления, углы) и т. п.;

преобразованием типов волн (например, изгибных в продольные);

излучением в воздушную среду (в основном, при переходе изгибных волн в продольные).

При этом скорость распространения структурных волн зависит от частоты распространения f.

Опасность виброакустического канала утечки речевой информации состоит в большой и непредсказуемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в структурные колебания элементов инженерных коммуникаций с последующим их преобразованием в звуковые воздушные колебания. Экспериментальные исследования показали возможность перехвата речевой информации с высоким качеством в зданиях из железобетона через один-два этажа, по трубопроводам — через два-три этажа.

* Семантические характеристики речи — характеристики смысла передаваемых понятий.

* Фонетические характеристики — характеристики речи с точки зрения ее звукового состава, т. е. количества и частоты встречаемости, так называемых, фонем — наименьших звуковых единиц, образующих конкретные звуки данного языка. Например, в русской речи 41 фонема: 6 гласных, 3 твердых согласных, 2 мягких, 15 в твердом и мягком виде, 4 составных (я, ю, е, ё). Фонем больше, чем звуков.

Звуки речи неодинаково информативны и по-разному влияют на разборчивость речи. Наиболее информативными являются глухие согласные звуки.

Понятие разборчивости речи Особенности строения речевого тракта человека обуславливают сложную волнообразную форму огибающей спектра произносимых звуков.

Максимумы концентрации энергии в спектре звука называются формантами. Каждый звук имеет несколько формант и свою индивидуальную спектральную огибающую, т. е. расположение формант на частотной оси, соотношение их уровней и характер изменения (рисунок 3.1).

Форманта — ключевое понятие в теории разборчивости речи. Разборчивость речи — основной показатель технической защищенности речевой информации, выражается процентным (или относительным количеством) правильно принятых элементов речи (звуков, слогов, слов, фраз) на выходе технического канала из общего их числа. Соответственно различают звуковую (D), слоговую (S), словесную (W) и фразовую (I) разборчивость. Между ними существует однозначная связь (для данного языка), установленная экспериментальным путем на основе так называемых артикуляционных испытаний.

Рис. 3.1 — Спектр огибающей фонемы «3»

Разборчивость речи тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи», что представлено в таблице ниже:

Таблица 3.1 — Соотношение разборчивости и понятности речи

Экспериментально-расчетный метод оценки разборчивости речи.

Наиболее существенный вклад в развитие отечественной теории разборчивости внесли Покровский Н. Б., Быков Ю. С., Сапожков М. А. В настоящее время для оценки разборчивости речи в задачах защиты информации принят экспериментально-расчетный метод, предложенный Н. Б. Покровским, суть которого заключается в следующем. Весь частотный (речевой) диапазон разделяется на «n» полос, в общем случае произвольных, например, равноартикуляционных, октавных, третьоктавных и т. п. Учитывая, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности (т.е. когда каждая частотная полоса речевого диапазона вносит свой линейный вклад в суммарную разборчивость речи), можно записать:

Аф = У Афi = У gi Pi (1)

где gi — вклад i-той частотной полосы в cуммарную разборчивость Аф;

Pi — коэффициент восприятия формант человеческим ухом в i-той полосе частот.

Вклад gi каждой i-той частотной полосы в суммарную разборчивость формант можно оценить по так называемому формантному распределению (рис. 3.2), математический смысл которого — функция распределения вероятности встречаемости (наличия) формант по частотному диапазону.

Рис. 3.2 — Формантное распределение Так, для принятого на практике октавного разбиения частотного диапазона gi имеют следующие значения (табл.3.2). Необходимо отметить, что в разных источниках значения gi несколько различаются. Кроме того, при использовании только пяти октавных полос, Аф= 0,91?1, т. е. «теряется» 9% формантной разборчивости (табл.3.2).

Таблица 3.2 — Октавное разбиение частот

Далее в экспериментальном разделе для выявления модуляции будет использоваться тональный сигнал с частотой 2кГц. Поиск модулированного сигнала будет также производиться на этой частоте.

Если бы слушающий заведомо принимал все, что передает говорящий, т. е. если бы был идеальный канал «источник речевой информации — приемник», то независимо от числа полос и их ширины формантная разборчивость была бы равна 1:

Аф = У Афi = 1

Однако в реальных условиях часть формант не воспринимается из-за целого ряда причин: недостаточная громкость, искажения в тракте, шум, помехи и т. п. Поэтому всегда Аф? 1. Данное обстоятельство учитывается коэффициентом восприятия формант Pi (по сути Р — вероятность правильного приема формант, 0 < Pi? 1).

Коэффициент восприятия является функцией уровня ощущения формант, т. е. количеством формант, интенсивность которых выше некоторого порогового значения. Для большинства практических случаев уровень ощущения Е определяется по формуле:

Е = Вґр — в — Вш (2)

где Вґр — спектральная плотность формант;

в — коэффициент затухания тракта «источник-приемник»;

Вш — спектральная плотность шума.

На рисунке 3.3 приведены усредненные спектры русской речи Вр и соответствующий спектр формант Вґр, а на рисунке 3.4 разность этих спектров Д В, которая в большинстве случаев считается постоянной, что, вообще говоря, несправедливо для громкой речи.

Рис. 3.3 — Усредненные спектры русской речи и формант Рис. 3.4 — Разница между спектром речи и формант Числовые значения Д В для 5-ти октавных полос даны в табл. 2.

На рисунке 3.5 приведена зависимость коэффициента восприятия Р от уровня ощущений E.

Рис. 3.5 — Зависимость коэффициента восприятия от уровня ощущений Нетрудно показать, что формулу (2) можно представить в следующем виде:

Eґ= (ВрД В) — Вш — в = (Вр — Вш) -Д Вв (3)

Рассмотрев принципы формирования речевого канала утечки в уже хорошо изученных ситуациях и методику их оценки, можно перейти к рассмотрению волоконно-оптического канала утечки речевой информации.

3.2 Структура оптоволокна

Оптоволокно состоит из сердцевины, оболочки и защитной оболочки. По типу конструкции, вернее, по размеру сердцевины оптические волокна делятся на одномодовые и многомодовые. Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины. Многомодовое волокно имеет диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно «размазан» по времени. Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон с постоянным коэффициентом преломления по всему сечению сердечника, уже давно не используется по причине большой модовой дисперсии, низкой пропускной способности и относительно большего затухания, вызванного дисперсией сигналов с различными модами.

Рис. 3.6 — Многомодовое оптоволокно Одномодовое оптоволокно представляет собой сердцевину диаметром 9 мкм и оболочку диаметром 125 мкм. Такой кабель позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с без регенерации.

Рис. 3.7 — Одномодовое оптоволокно По сравнению с другими линиями связи, ВОЛС имеет ряд достоинств и недостатков:

Достоинства:

Высокая пропускная способность, обусловленная большой частотой несущей (порядка 1 ТГц);

Очень малое затухание (линии вплоть до 100 км могут обойтись без регенерации сигнала);

Устойчивость к электромагнитным помехам;

Электробезопасность (оптоволокно искробезопасно и не представляет опасность взрывои пожарообразования);

Сравнительная дешевизна (по сравнению с медными проводами, кварц, который составляет ядро оптоволокна, более распространён);

Долговечность (срок службы ВОЛС не менее 25 лет).

Недостатки:

Высокая цена активного оборудования (активное оборудование превращает электрические сигналы в световые и наоборот);

Сварка оптоволокна — дорогой процесс из-за дороговизны оборудования, поэтому восстановление при обрывах оптоволокна гораздо сложнее, чем при обрывах меди.

3.3 Структура канала утечки и явление полного внутреннего

Ключевым принципом, на котором основана передача данных по ВОЛС, является эффект полного внутреннего отражения. Эффективность канала утечки информации по ВОЛС пропорциональна степени нарушения полного внутреннего отражения. Эффект полного внутреннего отражения заключается в том, что волна, при определённом угле падения (больше критического) полностью отражается от границы среды при переходе из более плотной среды в менее плотную, как показано на рисунке ниже:

Рис. 3.8 — Полное внутренне отражение Если угол падения будет меньше критического угла полного внутреннего отражения, то произойдёт неполное внутреннее отражение: луч разделится на два, один отразится, другой выйдет из среды. Критический угол может быть рассчитан по формуле (4). В формуле (4) n1 и n2 — коэффициенты преломления сред, первая должна быть больше второй.

(4)

У луча, который перейдёт в оболочку, уменьшится интенсивность, а после того, как он отразится и вернётся в сердцевину, изменится значение фазы относительно изначального луча, а, следовательно, есть вероятность, что он не будет принят принимающим устройством на другом конце кабеля. Но главным эффектом при нарушении полного внутреннего отражения всё же остаётся затухание сигнала в оболочке.

3.4 Структура и принцип формирования канала утечки

Речевой сигнал смешивается с помехой и оказывает давление на оптоволокно, модулируя цифровой сигнал, проходящий по нему. За пределами контролируемой зоны злоумышленник устанавливает техническое средство разведки и снимает модулированный сигнал.

Рис. 3.9 — Схема акусто-оптоволоконного канала утечки речевой информации:1 — акустический источник информации, 2 — помехи, 3 — воздушная среда, 4 — акусто-вибрационное воздействие, 5 — волоконно-оптический кабель, 6 — технические средства разведки конфиденциальной информации Основной эффект, образующий канал утечки — это изменение показателя преломления среды. Однако, если давление будет оказываться кабель напрямую, эффект будет слишком мал, чтобы образовать канал утечки. Существуют методы усиления этого эффекта.

Изгиб кабеля Изменение угла падения может достигаться путём механического воздействия на оптоволокно, например, его изгибом. При изгибе оптического волокна происходит изменение угла падения электромагнитной волны на границе сердцевины и оболочки. Угол падения становится меньше предельного угла, что означает выход части электромагнитного излучения из световода (рисунок 3.10). Изгиб оптического волокна приводит к сильному побочному излучению в месте изгиба, что создаёт возможность несанкционированного съёма информации в локализованной области.

Рис. 3.10 — Изгиб кабеля: R — радиус изгиба с диаметром сердцевины d, 0 — угол падения, 1 — угол преломления Оценим максимальный радиус изгиба R, при котором наблюдается побочное излучение в точке изгиба световода с диаметром сердцевины d, связанное с нарушением полного внутреннего отражения. Максимальный радиус определяется выражением:

здесь n1, n2 — показатели преломления сердцевины и оболочки световода. Интенсивность электромагнитной волны, выходящей из волокна в точке изгиба, определяется по формулам Френеля для pи s-поляризаций, соответственно:

где I0 — интенсивность падающего излучения и Ip, Is — интенсивности прошедшего излучения для pи s-поляризаций. Оценка радиуса изгиба для многомодового волокна с диаметром сердцевины d = 50 мкм и оптической оболочки — D = 125 мкм (n1 = 1,481, n2 = 1,476) показывает, что при R? 3,5 см начинает наблюдаться сильное прохождение излучения в точке изгиба (до 80% значения интенсивности основного светового потока в оптоволокне). Надо отметить, что при оценке изгиба не учитывалась форма светового потока, цилиндрическая форма преломляющей поверхности и другие эффекты, изменяющие показатель преломления оптоволокна, например, фотоупругий эффект. Их вклад значительно меньше.

Нарушение полного внутреннего отражения при механическом воздействии возможно не только при изгибе волокна, но и при локальном давлении на оптоволокно, что вызывает неконтролируемое рассеяние (в отличие от изгиба) в точке деформации.

Растяжение кабеля Другим внешним воздействием, изменяющим отношение показателя преломления оболочки к показателю преломления сердцевины оптоволокна (n2/n1), является механическое воздействие без изменения формы волокна, например, растяжение.

При растяжении оптического волокна происходит изменение показателей преломления сердцевины и оболочки оптического волокна на? n1 и? n2. При этом увеличивается значение угла полного внутреннего отражения от цr до ц’r. Значения углов связаны выражением:

Выражение для отношения (?n/n) определяется фотоупругим эффектом так, что:

где p, е — эффективные составляющие тензоров фотоупругости и деформации, это связано с анизотропией оптического волокна возникающей при растяжении. С учётом того, что плавленый кварц выдерживает большие напряжения (до 106 Па в идеальном состоянии), то, прикладывая большие механические напряжения к оптоволокну, можно добиться изменения предельного угла на величину ц’r — цr? 10−6 sinцr, чего может оказаться достаточно для вывода части интенсивности основного информационного потока за пределы оптического волокна.

Рис 3.11 — Растяжение кабеля Акустическое воздействие на оптоволокно Изменения угла падения можно добиться не только изменением формы оптоволокна при механическом воздействии, но и акустическим воздействием на оптическое волокно. В сердцевине оптоволокна создаётся дифракционная решётка периодического изменения показателя преломления, которая вызвана воздействием звуковой волны. Электромагнитная волна отклоняется от своего первоначального направления, и часть её выходит за пределы канала распространения. Физическим явлением, с помощью которого возможно решить поставленную задачу, является дифракция Брэгга на высокочастотном звуке (>10 МГц), длина волны Л которого удовлетворяет условию: (лL/Л2), где л — длина волны электромагнитного излучения, L — ширина области распространения звуковой волны. Деформации, создаваемые упругой волной, формируют периодическое изменение показателя преломления внутри оптоволокна для света являющейся дифракционной решёткой, что показано на следующем рисунке:

Рис. 3.12 — Акустическое воздействие Максимальный угол отклонения единственного наблюдаемого дифракционного максимума равен двум углам Брэгга (2ИB). Частота отклонённой электромагнитной волны приблизительно равна частоте основного информационного потока. Интенсивность дифракционного максимума может быть определена по формуле:

где J0 — интенсивность звуковой волны, M2=1,51Ч10−15 сек3/кг — акустооптическое качество кварца.

Вычисления показывают, что для многомодового оптоволокна с параметрами (d/D)=(50/125) при акустическом воздействии с длиной волны звука Л=10 мкм и длине взаимодействия L=10−3 м, максимальный угол отклонения от первоначального направления распространения составляет 5 градусов. График зависимости интенсивности первого дифракционного максимума от интенсивности звуковой волны представлен на рисунке 3.13. Из графика видно, что даже при невысоких интенсивностях звуковой волны выводимое электромагнитное излучение достаточно велико для регистрации его современными фотоприёмниками. При фиксированной интенсивности звука, путём изменения области озвучивания L можно добиться максимального значения интенсивности в дифракционном максимуме, тем самым увеличить интенсивность света отводимого в канал утечки.

Рис. 3.13 — Зависимость интенсивности дифракционного максимума от интенсивности звуковой волны Расчет глубины модуляции Для расчета глубины модуляции используются показания цифрового осциллографа в режиме математической обработки сигнала — быстрое преобразование Фурье (БПФ). Это алгоритм вычисления преобразования Фурье для дискретного случая. В отличие от простейшего алгоритма, который имеет сложность порядка O (N2), БПФ имеет сложность всего лишь O (N*log2N). Иногда под БПФ понимается один из быстрых алгоритмов, называемый алгоритмом прореживания по частоте/времени или алгоритмом по основанию 2, имеющего сложность O (N*log (N)).

Физический смысл дискретного преобразования Фурье состоит в том, чтобы представить некоторый дискретный сигнал в виде суммы гармоник. Параметры каждой гармоники вычисляются прямым преобразованием, а сумма гармоник — обратным.

Таким образом, на осциллографе получается график зависимости мощности сигнала от частоты. Согласно описанной выше методике мы наблюдаем изменение мощности сигнала на частоте 2кГц. При проведении описанных далее экспериментах результаты заносятся сводные таблицы, и для каждой группы измерений вычисляется среднее значение. Подробно результаты представлены в следующих разделах и приложениях.

4. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

4.1 Описание используемых приборов

Для проведения исследования были задействован ряд специализированных приборов.

Оптический рефлектометр FOD-7005. Прибор предназначен для измерения неоднородностей, затухания и длины волоконно-оптического кабеля, для определения потерь в местах сварок, в оптических разъемах и для измерения отражений от оптических разъемов. Рефлектометр имеет визуализатор повреждений на длине волны 650±10 нанометров, выходная импульсная мощность которого в одномодовом оптическом волокне от минус 2 до минус 1 дБм.

Цифровой осциллограф LeCroy WR 204Xi.

Нановольтметр селективный UNIPAN-237. Прибор предназначен для селективного измерения очень малых значений напряжений переменного тока в диапазоне 1Гц — 100кГц.

Селективный нановольтметр может быть использован:

для измерения малых значений напряжений переменного тока на фоне шума помех;

для спектрального анализа гармонических и шумовых процессов;

как высокочувствительный индикатор баланса различных мостовых схем переменного тока; как измерительный усилитель с полосой 0,3Гц-300кГц (погрешность 3дБ);

для фотометрических и спектрофотометрических измерений;

в качестве широкополосного микровольтметра в диапазоне 1Гц — 100кГц.

Unipan 237 применяется при проведении электроакустических измерений.

4.2 Структура и принцип работы «Фотометра»

Как было показано выше, для анализа модулированного оптического сигнала используется устройство, условно названное «Фотометр».

Рис. 4.1 — Схема подключения фотометра:1 — волоконно-оптический кабель, 2 -адаптер, 3 — Фотометр на основе фотодиода, 4 — селективный нановольтметр Модулированный звуком световой поток поступает на вход «Фотометра», состоящего из кремниевого фотодиода, селективного и интегрирующего нановольтметра. Оптическое излучение регистрируется фотодиодом, величина напряжения на котором пропорциональна интенсивности светового потока. Полученное напряжение с фотодиода позволит произвести простейшую обработку и анализ полученного оптического сигнала.

Фотометр в собранном виде представлен на рисунке ниже:

Рис. 4.2 — Фотометр

4.3 Проект стенда

В результате проведения вышеописанных экспериментов были получены данные и опыт, позволяющие реализовать проект стенда для изучения волоконно-оптического канала утечки акустической (речевой) информации. Так же был рассмотрен принцип действия прибора — Фотометра — для преобразования светового потока в напряжение, после чего данный прибор был реализован.

Рис. 4.3 — Стенд: 1- переходники типа SC закрепленный на адаптерной планке кросса; 2 — катушка оптоволоконного кабеля Состав и описание стенда:

оптический рефлектометр FOD-7005 — прибор обладает лазерным излучателем на длине волны порядка 650 нанометров и мощностью от минус 2 до минус 1 дБм. Данный порт рефлектометра называется визуализатором повреждений, который в нашем случае будет имитировать сигнал фиксированного уровня, запускаемый в оптоволоконную линию;

штатный металлический оптический кросс, оборудованный адаптерными планками для удобного монтажа оптоволоконных кабелей с различными типами соединительных разъемов, также в кроссе есть фиксатор для кабельной бухты в виде катушки и отверстия для ввода и вывода оптоволокна;

акустический/виброакустический излучатель — оказывает звуковое давление на стенки кросса, тем самым осуществляет модуляцию оптического сигнала проходящего через волокно в кроссе. По аналогии с принятой методикой оценки разборчивости речи, воздействие на оптоволокно будет осуществляться тестовыми сигналами на общепринятых среднегеометрических частотах октавных полос;

модулированный таким образом световой поток поступит на вход Фотометра. Оптическое излучение будет регистрироваться фотодиодом, величина напряжения на котором пропорциональна интенсивности светового потока. Полученное напряжение с фотодиода позволит произвести простейшую обработку и демодуляцию перенесенного звукового сигнала.

4.4 Настройка и калибровка оборудования

Для простоты описания метода настройки применяемых приборов вначале рассмотрим конфигурацию стенда, в которой вместо оптоволоконной линии будет использоваться акселерометр. Так как регистрация виброакустического воздействия — прямая функция акселерометра, то калибровочная настройка при его использовании будет гораздо легче и нагляднее. Изображение калибровочного стенда представлено на рисунке 4.4.

На вход селективного нановольтметра Унипан-237 подключается акселерометр. Сам Унипан настраивается на частоту 2кГц, заданную чувствительность напряжения и усиление выходного сигнала (при необходимости). К выходу Унипана подключается вход цифрового осциллографа Lecroy. Цифровой осциллограф обладает математическим режимом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Данный режим вызывается нажатием кнопки «Math» на панели устройства либо посредством выбора соответствующего пункта меню в категории математической обработки сигналов.

Рис. 4.4 — Конфигурация калибровочного стенда Результатом работы математического режима является график, где по горизонтали отображается частота, а по вертикали мощность сигнала в дБ. В этом режиме мы настраиваемся на просмотр частоты 2кГц и ставим контрольные курсоры на эту отметку. Для большей наглядности следует сочетать стандартный режим отображения с математическим (split-screen). Таким образом, стандартный режим работы осциллографа показывает хронологию работы сигнала, а режим БПФ — изменения мощности сигнала на интересующей нас частоте. Так как две выбранные развертки взаимосвязаны, то, используя органы управления разверткой для стандартного режима, желательно настроить его таким образом, чтобы режим БПФ приобрел высокую разрешающую способность, как показано на рисунке ниже, что дает большую информативность и точность.

Рис. 4.5 — БПФ-режим высокого разрешения Теперь можно перейти к непосредственным измерениям. После включения акустического излучателя в режиме тонального сигнала на частоте 2кГц акселерометр успешно зафиксирует его воздействие, даже с достаточно большой дистанции (порядка 10 метров). При этом Унипан показывает заметное отклонение стрелки. Усиленный и переданный им на цифровой осциллограф сигнал хорошо виден: математический режим показывает прибавление мощности на частоте 2кГц на несколько дБ, а стандартный режим показывает четкое увеличение напряжения в хронологическом порядке.

Полученная таким образом конфигурация приборов наглядно демонстрирует свою эффективность при обнаружении изменения сигнала после некоторого его преобразования на заданных частотах. Для дальнейшего исследования модуляций светового потока необходимо только подобрать более высокий уровень чувствительности к изменению напряжения и степень усиления выходного сигнала для передачи цифровому осциллографу. Фрагменты результатов данного тестового прогона в двух соответствующих состояниях продемонстрированы на следующих рисунках.

Рис. 4.6 — Вариант стенда с акселерометром до облучения тональным сигналом Рис. 4.7 — Вариант стенда с акселерометром при облучении тональным сигналом

4.5 Реализация стенда при использовании метода рефлектографии

Для выявления эффекта акустической модуляции в волоконно-оптической линии, в теории, можно использовать основное функциональное назначение оптического рефлектометра FOD-7005.

Для этого необходимо использовать режим «Обзор», реализованный в данном приборе. В это режиме прибор строит динамическую рефлекторамму изучаемого участка волоконно-оптического тракта. В данном и аналогичных режимах, прибор показывает затухание во всей линии и различные дефекты, в том числе и стыки волокон, реализованные с помощью переходников-коннекторов, так как это показано на следующем рисунке:

Рис. 4.8 — Пример рефлектограммы Для регистрации модуляций в режиме на отражение необходимо настроить «драйвер» устройства, чтобы его частота зондирования соответствовала ~2 кГц или более и последующей настройке на конкретный дефект — в нашем случае это коннектор. При достаточном звуковом воздействии показатель изменения сигнала должен заметно меняться. Работая в таком режиме, можно получить больший эффект, т.к. глубина модуляции в отраженном сигнале будет больше, а засветка меньше.

К сожалению, в рамках данной работы не было найдено решение для перестройки драйвера на нужную частоту зондирования. Официальная тех-поддержка «ФОД» не смогла предложить такое решение.

4.6 Эксперимент № 1: «Открытый лазер»

В рамках первого эксперимента будет изучена возможность модуляции открытого лазера акустическим давлением тонального сигнала на частоте 2 кГц.

Конфигурация узлов для первого эксперимента представляет собой два взаимонесвязанных стола, на первом из которых расположен акустический излучатель тонального сигнала, второй стол расположен таким образом, что линия лазера расположена по нормали к направлению излучателя. Таким образом, все лазерное оборудование расположено на втором столе.

Оно включает в себя:

источник лазерного излучения (в дальнейшем для ряда экспериментов будет использоваться два лазера: зеленый с длиной волны ~530 нано метров и красный с длиной волны ~650нм);

фотоприемное устройство на основе фотодиода ФД-10К.

Конфигурация с двумя типами лазеров должна помочь выявить зависимость длины волны лазера на чувствительность к внешнему акустическому воздействию. Таким образом, лазер прицеливается и фокусируется в точке приема фоточувствительного устройства, выход которого подключается к мультиметру (для простого измерения уровня сигнала) или к связке «нановольтметр-осциллограф» (для детального анализа сигнала). Описанная схема приведена на рисунке 4.9.

Здесь и далее под фотоприемным устройством понимается набор приборов, состоящий из фотодиода, подключенного к селективному нановольтметру, к выходу которого, в свою очередь, подключен вход цифрового осциллографа.

Для текущего и последующих экспериментов составлены сводные таблицы результатов измерений, которые в полном объеме представлены в приложении. Кратко их можно охарактеризовать следующим образом: учитывается расстояние от источника излучения до фотоприемника, максимальное напряжение, которое удалось получить в результате фокусировки на выходе фотоприемника, и, соответственно два ряда чисел (без звукового воздействия и при воздействии тональным сигналом), описывающих десять измерений уровня дБм, снятых с цифрового осциллографа. Следующей строкой идет среднее арифметическое значение этих десяти измерений для каждого случая. Последняя строка содержит название файла с изображением, полученным с цифрового осциллографа.