Выводы.

• Злоумышленник имеет в своем распоряжении малые уровни отводимой мощности.

• Повышение отводимой злоумышленником мощности увеличивает шансы на обнаружение НСД.

Глава 3. Разработка общей методики оценки эффективности обнаружения нсд.

Прежде чем приступить к численному анализу эффективности работы системы обнаружения, необходимо понять, какие эффекты и явления возникают в линии связи, среде передачи, фотоприемных устройствах. Для этого требуется провести теоретические изыскания, которые дадут возможность аналитически описать зависимость различных величин. В первой части этой главы изучено явление потерь мощности на изгибе волоконного световода, что необходимо для расчета отведенной из линии мощности. Там же приведены данные, полученные при экспериментальном исследовании данного вопроса. Во второй части рассматривается зависимость вероятности ошибки от уровня отведенной злоумышленником мощности, что позволяет в дальнейшем найти минимальные значения этой мощности. И, наконец, в третьей части исследована зависимость информационных потерь на приемной стороне от уровня отобранной при НСД оптической мощности.

Проведенные теоретические расчеты ориентированы на моделирование реальной линии связи, для которой известны такие параметры, как скорость передачи, уровень оптической мощности, чувствительность приемников. Скорость передачи информации в исследуемой линии составляет 155 Мбит/с, что соответствует первому уровню STM-1 синхронной иерархии. Так как приемное устройство злоумышленника предъявляет повышенные требования к чувствительности, в качестве фотодетектора для него был выбран кремниевый лавинный фотодиод. Что касается конкретного типа прибора, то после изучения характеристик имеющихся образцов был сделан выбор в пользу прибора ФДЛ-311 отечественного производства. К легальному приемнику такие повышенные требования к чувствительности не предъявляются, и поэтому там используется pin-фотодиод ФД-287. Их параметры приведены в таблице.

Таблица 1. Параметры фотоприемников.

Характеристика	ФДЛ-311	ФД-287
Эффективная фоточувствительная площадь, мм2	0,07	0,96
Область спектральной чувствительности, мкм	0,4-1,1	0,4-1,9
Длина волны максимальной чувствительности, мкм	0,8-0,9	1,5
Длина волны, на которую оптимизирован фотоприемник, мкм	0,85	1,55
Токовая чувствительность, А/Вт	18	0,7
Темновой ток, мкА	2	4
Емкость фотоприемника, пФ	20	300
Время нарастания фотосигнала, мкс	0,004	0,01
Рабочее напряжение, В	70-400	10

Исследование явления потерь излучения на изгибе волоконного световода

Одной из важных задач при анализе несанкционированного доступа в ВОЛС является определение оптимального радиуса изгиба волоконного световода. Как уже было сказано в предыдущих главах, злоумышленник путем изгиба должен отвести с волокна такую мощность, которой ему будет достаточно для перехвата информации с заданной вероятностью ошибки. Но, в то же время, если мощность будет достаточно большой, то это создаст лучшие условия для обнаружения НСД. Поэтому волокно необходимо изогнуть так, чтобы отвести с него минимально возможную мощность.

Как известно из теории волноводов, потери на их изгибах, а вместе с ними и отводимая мощность, зависят от радиуса изгиба, а также от длины изогнутой дуги. Теоретическому исследованию этих зависимостей было посвящено множество работ; можно сразу вспомнить работы Д. Маркуса, А. Харриса, В. Шевченко, посвященные этому вопросу. Некоторые исследователи изучали эти зависимости экспериментально. Опираясь на полученные результаты, постараемся проследить, как зависит отводимая мощность от радиуса изгиба волокна.

В первую очередь необходимо заметить, что понятие «потери на изгибе» отнюдь не тождественно понятию «отводимая мощность». Хотелось бы сразу предостеречь читателей от смешения этих понятий, так как совсем не вся мощность, теряемая на изгибе, попадает на фотоприемное устройство злоумышленника. Часть ее рассеивается в оболочке, часть затухает, а часть выходит из волокна под таким углом, что собрать ее не представляется возможным. Поэтому для количественной оценки эффективности сбора мощности вводят такой параметр, как «коэффициент сбора». Тогда величину отводимой мощности можно выразить как:

P_t = K_s * P_L

,где P_t - отведенная мощность, Р_L - мощность, потерянная на изгибе

Коэффициент К_s также называют иногда коэффициентом связи, поскольку он действительно «связывает» нелегальный приемник с линией и в итоге определяет величину отведенной мощности. Коэффициент этот зависит от конструкции устройства сбора мощности, его типа, а также типа волокна.

Перед тем, как приступить к вычислению мощности, потерянной на изгибе, рассмотрим конструкцию современного волоконного световода. Само по себе оптическое волокно состоит из сердцевины, вокруг которой имеется оболочка. Сердцевина и оболочка имеют разные показатели преломления n₁ и n₂ соответственно, причем n₁ > n₂. Распространение света по такому волокну происходит благодаря явлению полного внутреннего отражения.

Рис.5. Распространение света по оптическому волокну.

Основным параметром оптического волокна является значение его числовой апертуры NA, которая определяет, какая часть падающего на торец волокна света может быть введена в него. Числовая апертура находится из выражения:

Нетрудно заметить, что вследствие явления полного внутреннего отражения на границе раздела существует некоторый критический угол _c, распространяясь под которым, свет не претерпевает каких-либо потерь на границе раздела, а полностью возвращается в сердцевину.

Современное оптическое волокно состоит не только из сердцевины и оболочки. Оно имеет еще один, а то и два слоя. Ведь оболочка имеет диаметр всего 125 мкм, да к тому же еще состоит из кварца. Поэтому механическая прочность такой оболочки весьма низка. Чтобы оптическое волокно можно было использовать на практике, его помещают в еще одну, вторую оболочку, называемую «защитным покрытием». Это защитное покрытие выполняется из полимерных материалов и имеет самый разный диаметр от 300 до 600 мкм. Защитное покрытие имеет показатель преломления n₃.

Между оболочкой и защитным покрытием часто прокладывается еще один слой. Он выполняется из мягких резиноподобных материалов и служит для заполнения микротрещин в оболочке. Его показатель преломления стараются сделать равным показателю преломления оболочки.

Оптическое волокно такой конструкции изображено на рисунке 6.

Рис.6. Практическая конструкция оптического волокна.

Изогнутый волоконный световод можно изобразить как сегмент кольца или тора. В таком световоде за счет изгиба нарушается полное внутреннее отражение, и это является основной причиной того, что моды проникают в оболочку, а затем выходят из волокна.

Рис.7. Чертеж изгиба оптического волокна.

На изогнутом таким образом световоде можно выделить три участка. Участки А и С – это места, где происходит переход с прямого участка волокна на изогнутый. А участок B - это участок с постоянным радиусом изгиба R. Входящую в световод мощность обозначим P_i, а выходящую - P_o. Из рисунка видно, что отношение выходящей мощности к входящей для всего изогнутого участка будет равно произведению отношений выходящей и входящей мощностей для каждого из участков:

Выходящая мощность участка А является входящей для участка В, а его выходящая мощность является, в свою очередь, входящей для участка С.

Учитывая это обстоятельство, а также то, что участки А и С симметричны, можно записать:

Известно, что мощность, теряемая на некоторой длине световода, экспериментально зависит от длины и связана с ней коэффициентом потерь :

Теперь, подставив это выражение в предыдущее и прологарифмировав его, получим:

Нахождение коэффициента для изогнутого участка является самой трудной задачей при определении потерь на изгибе. Задача эта решается на основе волновых уравнений Максвелла, описывающих распространение каждой из мод излучения. Такие расчеты были проделаны Д. Маркусом в одной из его работ. Он получил следующее выражение для коэффициента :

,где K₊₁(a) – функция Ханкеля; ; ;  - длина волны в вакууме; ; ; b- коэффициент распространения в сердцевине; ;

При практическом изучении явления потерь на изгибе можно пренебречь слагаемым, отвечающим за переходные участки, так как в случае малых длин эти потери пренебрежимо малы.

Следует также отметить, что линейная зависимость потерь от длины дуги является линейной не на всем своем протяжении. Дело в том, что те моды, для которых наступило нарушение полного внутреннего отражения, выходят из волокна сразу после начала изгиба. Некоторые из них затухают в оболочке, а некоторые выходят наружу. В волокне остаются только такие моды, для которых нарушение ПВО не произошло. Они продолжают распространяться по изогнутому световоду и дальше, и, даже если световод будет изогнут в несколько витков, дополнительных потерь на излучение это не вызовет.

В дальнейшем будем считать, что длина изогнутой дуги составляет 180.