2. Лабораторная работа №2 Тема: Методы защиты речевой конфиденциальной информации от утечки по виброакустическому каналу

Занятие: Использование активных методов защиты защищаемого помещения от утечки речевой информации, образуемых за счет возбуждения структурных волн в инженерно - строительных конструкциях здания

2.1. Цели и учебные вопросы:

Цели лабораторной работы:

1. Ознакомиться с возможностью перехвата конфиденциальной речевой информации из помещений по виброакустическому (структурному) каналу утечки информации.

2. Изучить критерии защиты защищаемого помещения от утечки информации по виброакустическому (структурному) каналу.

3. Ознакомиться с возможными типами помех, используемых в активных способах защиты.

4. Изучить способы создания помех с помощью фонемного клонера.

5. Получить практические навыки:

• по работе с измерителем шума и вибраций типа ВШВ-003-М2 при определении параметров акустических и виброакустических сигналов;

• по проведению анализа полученных результатов и разработке предложений по повышению уровня защищенности защищаемого помещения с использованием активных методов.

• по практическому использованию комплекса виброакустической защиты «Фазан».

Учебные вопросы:

1. Исследование возможности утечки речевой информации из защищаемого помещения по виброакустическому каналу.

2. Изучение критериев защиты ЗП от утечки информации по виброакустическому (структурному) каналу.

3. Активные методы защиты речевой информации от утечки по виброакустическому каналу.

Учебная группа: студенты 4 курса - 0,5 учебной группы (12-15 человек).

Время: 2 учебных часа.

Место: Лаборатория «Технические средства обеспечения безопасности»

Учебное и материальное обеспечение:

А) Используемые технические средства:

• магнитофон с записанными шумовыми сигналами;

• активный акустический излучатель;

• измеритель шума и вибраций типа ВШВ-003-М2;

• преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-3-М1;

• магнитофон с записанным речевым тестом;

• комплекс активной защиты «Фазан»;

• персональный компьютер и LCD - проектор.

Б) Литература:

• Халяпин Д.Б. «Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь», М., Изд-во Школа охраны «Баярд», 2004г.

• Покровский Н.Б. «Расчёт и измерение разборчивости», М., Связьиздат, 1962г.

• Бузов Г. Б., Калинин С.В., Кондратьев А.В. « Защита от утечки информации по техническим каналам», М. Изд. Горячая линия-Телеком. 2005г.

• Акустика. Справочник. Под общей редакцией Сапожкова А.М., М., Радио и связь 1989г. 336с.

• Материалы лекции по теме.

2.2. Краткие теоретические сведения

Структурные волны

Одним из широко используемых способов несанкционированного получения речевой конфиденциальной информации из защищаемого помещения является съем информации с внешних сторон несущих конструкций защищаемого помещения (стен, пола, потолка, окон), а также инженерно-технических систем помещении. Схематично образование подобного технического канала утечки информации показано на рис.1.

Получение информации таким способом возможно в случае несоответствия величин виброизоляции элементов несущей конструкции ЗП в октавной полосе требованиям нормативных документов.

Рис.1. Образование технического канала утечки конфиденциальной

речевой информации по виброакустическому каналу

Под структурным (акустовибрационным) звуком понимают механические колебания в твердом теле с частотой в диапазоне 16 Гц ÷ 20 кГц.

Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов и т.п. передаются на значительные расстояния, почти не затухая, и хорошо воспринимаются приемными устройствами типа стетоскоп, акселерометр.

Структурные (акустовибрационные) 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).

Вибрация характеризуется амплитудой смещения, скоростью или ускорением колеблющегося объекта исследования. Применяются и логарифмические шкалы. При измерениях колебательной скорости используют уровни скорости:

L_v=20 lg (v_rms/v₀), дБ, (1)

где: v_rms - среднеквадратичное значение скорости колеблющегося объекта;

v₀ = 5^.10^-8 м/с – эффективное значение колебательной скорости в плоской волне в воздухе с эффективным значением звукового давления р₀ = 2^.10^-5 Па, соответствующего порогу слышимости.

Уровень вибрационного ускорения определяется формулой 2

L_а=20 lg (а_rms/а₀), (2)

где: а_rms - среднеквадратичное значение ускорения;

а₀ = 3,14^.10^-4 м/с².

Аналогичным образом определяется и уровень вибрационного смещения:

L_у=20 lg (у_rms/у₀), (3)

Где: у_rms - среднеквадратичное значение смещения;

у₀ = 8^.10^-12 м;

значения а₀ и у₀ соответствуют ускорению и смещению на частоте 1000 Гц при значении колебательной скорости v₀ =5^.10^-8 м/с.

Между уровнями L_v, L_а и L_у существуют следующие соотношения:

L_у= L_v + 60 - 20lgf, (4)

L_a= L_v -60+20lgf,

где: f – частота в Гц.

В некоторых случаях в качестве v₀ используют значение v₀=10^-8 м/с, а в качестве а₀ - ускорение свободного падения.

Степень проникновения акустической энергии информатив­ного сигнала из воздушной среды в несущие конструкции зави­сит от отношений акустических сопротивлений этих сред:

N = r₁^.C₁/ r₂^.C₂ , (5)

где: r₁ и r₂ - плотность строительного материала несущей конструкции и воздуха соответственно;

C₁ и C₂ - скорость звука в материале несущей конструкции и в воздухе соответственно.

Примечание: В воздухе при нормальных условиях (температура окружающей среды 20°С и атмосферное давление 760 мм pт.cт.) скорость звука составляет 331,46 м/с, а в твёрдых телах – 2000-6000 м/с.

Столь значительное расхождение значений скорости звука в различных средах нашло выражение в так называемом «законе массы», который может быть сформулирован следующим образом: чем больше масса единицы площади поверхности конструкции, тем меньше вибрационные колебания, вызванные звуком, или, проще говоря, чем толще стена, тем выше звукоизоляция.

Опасность виброакустического канала утечки речевой информации состоит в большой и сложно измеряемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в структурные волны инженерных коммуникаций, которые могут быть перехвачены помощью специальных технических средств.

Экспериментальные исследования показали возможность качественного перехвата речевой информации в железобетонных зданиях в пределах одного-двух этажей, по трубопроводам – в пределах двух-трех этажей.

Так, например, под воздействием звукового сигнала с уровнем 70 dB кирпичная стена толщиной 0,5 метра совершает вибрационные колебания с ускорением 3^.10^-5g. При использовании современных средств измерения виброколебаний подобный сигнал может быть реально прослушан.

Учитывая, что пространственная ориентация строительных и инженерно - технических конструкций здания является многомерной, различают утечку речевой информации:

• в одномерной плоскости, например, по трубам отопления и вентиляционным коробам, в пределах этажа здания;

• в двухмерной плоскости, например, по стеновым перекрытиям смежных помещения и этажей;

• в трехмерном пространстве, например, по инженерным коммуникациям и строительным конструкциям, распределенным по всему объему здания.

Опасность данного канала утечки речевой информации заключается в том, что, несмотря на затухание преобразованного сигнала и наличие внешних помех, неконтролируемое распространение структурных колебаний по зданию создает реальные предпосылки к подслушиванию информации техническими средствами из близлежащих помещений.

Для оценки акустической защищенности защищаемого помещения могут быть использованы следующие методы:

- оценка защищенности по величине коэффициентов виброизоляции ограждающих конструкций ЗП в октавной полосе;

- оценка защищенности по величине словесной разборчивости - W.

В данной лабораторной работе используется второй метод.

Поскольку важнейшая функция нашего органа слуха состоит в обеспечении общения людей между собой с помощью речи и получения при этом максимального объема информации, введено понятие «разборчивость речи». Решение задачи защиты информации, таким образом состоит в обеспечении минимальной «разборчивости речи» в местах, где может проводиться перехват переговоров, ведущихся в ЗП.

Основные характеристики речевого сигнала

Основу речи составляют звуки, которые, распространяясь в упругих средах, например, в воздухе или твердых материалах строительных и инженерно - технических конструкций здания, переносят информацию, воспринимаемую органами слуха и техническими средствами приема акустических сигналов, на некоторые расстояния [1,2].

В таблице 2.1. приведены характеристики звуковых поддиапазонов, составляющих звуковой частотный диапазон человеческой речи.

Звуковые колебания характеризуются следующими параметрами:

• звуковым давлением;

• интенсивностью звука;

• громкостью звука;

• мощностью звука.

Таблица 2.1

Основные характеристики частотного диапазона речи

Номер полосы	Частотные границы полосы fн…..fв Гц	Среднегеометрическая частота полосы fi , Гц	Весовой коэффициент полосы, ki
1	90…175	125	0,01
2	175…355	250	0,03
3	355…710	500	0,12
4	710…1400	1000	0,20
5	1400…2800	2000	0,30
6	2800…5600	4000	0,26
7	5600…11200	8000	0,07

Примечание. Весовой коэффициент определяет вклад полосы в разборчивость речевого сигнала.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука, которая зависит от амплитуды звукового давления, свойств среды распространения и формы волны.

Одной из характеристик любой произвольной точки звукового поля является звуковое давление, вызываемое переменной составляющей звуковой волны.

Звуковое давление - это переменная часть давления, возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения. Оно представляет собой силу, воздействующую на единицу площади, измеряется в паскалях (Па).

Звуковое давление в воздухе изменяется от 10^-5Па вблизи порога слышимости до 10³Па при самых громких звуках, например шум реактивного самолета. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления составляет примерно 0,1Па.

Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления, выраженный в децибелах (дБ), как отношение величины данного звукового давления Р к пороговому значению звукового давления, равного

Р₀ = 2 * 10^-5 Па, (6)

Р_дБ = 20 lg(P_Па/P₀), дБ.

В таблице 2.2 приведены ориентировочные значения уровня громкости некоторых характерных звуков

Таблица 2.2

Ориентировочные значения уровня громкости различных звуков

Звук	Уровень громкости, дБ
Тиканье часов Шепот на расстоянии 1м Тихий разговор Речь средней громкости Громкая речь Крик Шум самолетного мотора: - на расстоянии 5м - на расстоянии 3м	20 30 40 60 70 80 120 130

Речевой тракт человека представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансных полостей, создаваемых артикуляционными органами речи, поэтому выходной сигнал, т.е. произносимая речь, имеет спектр с огибающей сложной волнообразной формы, показанной на рис.2.

Максимумы концентрации энергии в спектре звука речи называются формантами.

Объективные измерительные и расчетные оценки разборчивости речи проводятся с помощью вычисления разборчивости формант. Доказано, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности, т.е. каждый участок речевого диапазона вносит свой вклад в общую разборчивость речи. Формантная разборчивость (А) равна:

, (7)

где: q - вклад i-ой полосы частот в разборчивость,

p - коэффициент восприятия форманты, который зависит от отношения сигнал/помеха в i-ой полосе (S/N),

k - число полос речевого диапазона.

Деление речевого диапазона на 20 полос, вносящих в разборчивость одинаковые вклады, на практике неудобно, т.к. получающиеся частотные полосы нестандартны. В акустических измерениях используют октавные и третьоктавные частотные полосы.

Рис.2. Формантное распределение энергии звукового сигнала

Для октавного анализа используются вклады различных частотных полос русской речи, которые приведены в таблице 2.1.

Формантную разборчивость русской речи в этом случае можно определить на основе этих данных из следующего соотношения:

А_ф=0,05(1,34W₁+2,5W₂+4,24W₃+5,88W₄+5W₅+1,04W₆), (8)

где: W₁ … W₆ – коэффициенты разборчивости на средних октавных частотах.

Суммарная разборчивость зависит от качественного приема каждой частотной полосы.

Минимальная формантная разборчивость А_ф, при которой еще возможно понимание смысла речевого сообщения (суммарная вероятность приема формант) равна 15%.

Существует определенная связь между формантной, слоговой, словесной и фразовой разборчивостью (рис. 2.3 и 2.4).

Рис.2.3. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости формант

Рис.2.4. Зависимость понятности от разборчивости слогов

Разборчивость речи тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи». Количественное соотношение понятности и разборчивости речи показано в табл.2.3.

При проведении данной лабораторной работы студенту необходимо научиться определять понятность и разборчивость речевого сигнала при преобразовании его из воздушного в структурный, а также определять на основе полученных результатов степень опасности утечки речевой информации из защищаемого помещения и необходимый уровень активной защиты.

Возможная дальность распространения речевого сигнала связана с «мощностью» его источника, например - тихая речь, громкая речь, речь со средним уровнем громкости, речь, усиленная техническими средствами.

Понятность и разборчивость речи как критерии защищенности

Понятность речи – основная характеристика, определяющая пригодность канала как для передачи, так и для перехвата речи. Непосредственное определение этой характеристики может быть осуществлено статистическим методом с привлечением диктора и определенного числа слушателей. Разработан также косвенный метод количественного определения понятности через ее разборчивость.

Разборчивость – это отношение числа правильно принятых элементов речи (слогов, слов, фраз) к общему числу элементов речи (слогов, звуков, слов, фраз и т.п.), переданных по каналу связи. Так как в качестве элементов речи применяют звуки, слоги, слова и фразы, соответственно различают звуковую, слоговую, словесную, фразовую, смысловую и формантную разборчивость.

Таблица 2.3

Соотношение понятности и разборчивости речи

Понятность	Разборчивость %
	Аф	S	W	I
Предельно допустимая	15÷22	25÷40	75÷87	91÷96
Удовлетворительная	22÷31	40÷50	87÷93	96÷98
Хорошая	31÷50	50÷80	93÷98	98÷99
Отличная	> 50	> 80	>98	>99

Между понятностью и разборчивостью речи существует статистическая взаимосвязь, показанная в таблице 2.3 и на рис.2.3 и 2.4. Разборчивость измеряют при помощи специальной тренированной бригады слушателей путем проведения объективно - статистических экспертиз.

Приведенные в таблице 2.3 соотношения между разборчивостью и понятностью речи справедливы при приеме разнообразной информации.

По формантной разборчивости А_ф определяют слоговую S, словесную W, фразовую разборчивость и понятность речи.

Понятность речи является фонетической характеристикой разборчивости и определяется в процессе обычных телефонных переговоров для нетренированных абонентов.

Градации понятности:

• отличная (о) - понятность полная, без переспросов;

• хорошая (х) - возникает необходимость в отдельных переспросах редко встречающихся слов или названий;

• удовлетворительная (у) - трудно разговаривать, необходимы переспросы;

• предельно допустимая (пд) - требуются многократные переспросы одного и того же материала с передачей отдельных слов по буквам при полном напряжении слуха.

Определить требования к величине W, необходимой для выбранной степени защиты акустической информации, можно также используя методы оценки качества, понимаемости, разборчивости и узнаваемости речи.

Так, в соответствии с ГОСТ Р 50840–95 понимание передаваемой по каналам связи речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями наблюдается при слоговой разборчивости 25–40%. Значение слоговой разборчивости менее 25% свидетельствует о неразборчивости связного текста (срыве связи). Учитывая взаимосвязь словесной и слоговой разборчивости, можно рассчитать, что срыв связи будет наблюдаться при словесной разборчивости менее 71%.

Оценка канала утечки речевой информации как раз и сводится к измерению, например, методом артикуляции или вычислению разборчивости речи и сравнению полученного значения с требуемым.

В качестве используемых элементов речи могут выступать слоги и слова, определяющие соответственно слоговую и словесную разборчивость. При этом, понятность речи напрямую зависит от количественных критериев словесной разборчивости (W).

Эксперименты показали, что при словесной разборчивости:

- менее 60-70% невозможно получение полного представления о содержании разговора;

- менее 40-60% невозможно получение обобщенного представления о содержании разговора;

- менее 20-40% затруднено установление темы ведущегося разговора;

- менее 10-20% теряется смысловая составляющая речевого сигнала.

В реальных условиях в месте приема звукового сигнала всегда присутствуют внешние шумы, ухудшающие качество принимаемого сигнала.

Исходя из изложенного выше, для создания условий, неблагоприятных для приема акустических сигналов, в целях обеспечения конфиденциальности речевой информации (например, в защищаемых помещениях) необходимо применение организационно-технических, и/или конструктивных решений, позволяющих уменьшить уровень принимаемого полезного звукового сигнала или увеличить уровень акустического шума.

Математически подобное требование можно выразить следующим образом:

(Р_{сигнала} /Р_шума ) < (Р_{сигнала} /Р_шума)_пред. , (9)

где: Р_{сигнала} - мощность информативного речевого сигнала в месте возможного перехвата;

Р_шума - мощность маскирующего шумового сигнала в месте возможного перехвата;

(Р_{сигнала} /Р_шума) _пред – предельно допустимое соотношение уровня акустического речевого сигнала к уровню маскирующего шумового сигнала.

Использование активных методов в настоящей лабораторной работе предполагает создание в потенциально уязвимых инженерно - технических и строительных конструкциях защищаемого помещения шумовой маскирующей помехи.

Учитывая, что условие 9 должно выполняться во всем частотном спектре, с учетом формантного распределения речевого сигнала, для создания маскирующей помехи применяют максимально некоррелированные шумовые сигналы.

Виды сигналов, используемых для защиты речевых сигналов

В настоящее время для акустической и виброакустической маскировки речевого сигнала применяют шумоподобные, речеподобные и комбинированные помехи (рис.2.4).

Наиболее широко используются:

• «белый шум» - шум с постоянной спектральной плотностью в речевом диапазоне частот;

• «розовый шум» - шум со спадом спектральной плотности на 3 dB на октаву в сторону высоких частот;

• «коричневый шум» - шум со спадом спектральной плотности на 6 dB на октаву в сторону высоких частот;

• шумовая «речеподобная» помеха - шум с огибающей амплитудного спектра, подобной речевому сигналу.

1 - «белый» шум; 2 - «розовый» шум; 3 - «коричневый» шум; 4 - шумовая «речеподобная» помеха.

Рис.2.4. Зависимость словесной разборчивости W от интегрального

отношения сигнал/шум q в полосе частот 1805600 Гц

«Речеподобные» помехи формируются из наложения нескольких речевых сигналов.

Характерным представителем помех, формируемых из речевых фрагментов, некоррелированных со скрываемым сигналом, является помеха типа «речевой хор». Такая помеха формируется путем смешения фрагментов речи нескольких человек (дикторов).

Таблица 2.4

Классификация помещений, в которых происходит обработка речевой (акустической) конфиденциальной информации, в зависимости от качества перехваченного речевого сообщения

Категория защищённости помещения от утечки речевой информации, маскируемой системой виброакустической защиты, по техническим каналам.	Значение словесной разборчивости речи W,%	Характеристика качества перехваченного сообщения
Первая	0-20%	При прослушивании фонограммы сообщения можно установить факт наличия речи, но нельзя установить предмет разговора
Вторая	20-40%	Сообщение содержит отдельно правильно понятные слова, позволяющие установить предмет разговора
Третья	40-60%	Сообщение содержит некоторое количество правильно понятых слов, достаточное для составления краткой справки-аннотации, отражающей предмет, проблему, цель и общий смысл разговора
Четвёртая	Свыше 60%	Сообщение содержит такое количество правильно понятых слов, которое достаточное для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора.

Для создания помехи можно использовать сам защищаемый сигнал, преобразованный с помощью синтезатора речеподобных помех (фонемного клонера). Формирование такого помехового сигнала происходит в 2 этапа – на первом этапе с помощью специального программного обеспечения из записи защищаемого разговора синтезируется «псевдоречь» путём клонирования основных фонемных составляющих. На втором этапе синтезатор помехи, в памяти которого содержится «псевдоречь», по случайному закону берёт из этой последовательности сигналов случайные куски, которые поступают на вход тракта помехового сигнала. Среди помех, формируемых из скрываемого сигнала, можно выделить два типа – «речеподобную» реверберационную помеху и «речеподобную» инверсионную.

«Речеподобная» реверберационная помеха формируется из фрагментов скрываемого сигнала путём многократного их наложения с различными уровнями.

«Речеподобная» инверсионная помеха формируется из скрываемого речевого сигнала путём сложения инверсии его спектра.