Методы и средства защиты информации
.pdf
Сигнал и его описание 111
называемая переносчиком. Величины a, b, c, ... представляют собой в отсутствие модуляции постоянные параметры.
Сущность модуляции состоит в том, что один из параметров получает приращение, пропорциональное передаваемому сообщению, например
a = a0 + δa = a0 + a m(t) = a0 (1 + ( |
a/a0) m(t)), |
где δa — переменное приращение, |
a — постоянная величина, выражающая |
степень изменения параметра. Если |m(t)| ≤ 1, то отношение a/a0 есть наибольшее относительное изменение параметра a, или глубина модуляции.
Таким же образом может изменяться и любой другой параметр. Если изменяется (модулируется) параметр a, то мы имеем a-модуляцию, если параметр b — b-модуляцию и т.д. Количество возможных видов модуляции при данном переносчике равно количеству его параметров. Так, например, если в качестве переносчика выбрано синусоидальное колебание
f(t) = A sin (ωt + ψ),
то параметрами являются амплитуда A, частота ω и начальная фаза ψ. Каждый из этих параметров можно модулировать, в результате чего получается, соответственно, амплитудная(АМ), частотная (ЧС) и фазовая модуляцияФМ.
Если переносчиком является периодическая последовательность импульсов определенной формы, параметрами являются: амплитуда, длительность, частота следования и фаза. Это дает четыре основные вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсная ( АИМ), длительностно-импульсная ( ДИМ), частотноимпульсная (ЧИМ) и фазово-импульсная (ФИМ). Переход от видеоимпульсов к радиоимпульсам позволяет получить еще два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.
Возможны, в принципе, многочисленные виды модуляции по параметрам, определяющим форму видеоимпульсов; однако на практике такие виды модуляции пока не применяются.
В качестве переносчика можно воспользоваться не только периодической функцией, но и стационарным случайным процессом. В этом случае в каче-
стве модулируемого параметра можно взять любую числовую характеристику, которая в силу стационарности является, по определению, постоянной ( т.е. не зависящей от начала отсчета времени) величиной. Таковы, например, моменты распределения или их Фурье-преобразования. Первый момент, т.е. среднее значение, обычно равен нулю. Второй момент есть функция корреляции, зависящая от временного сдвига τ. Фурье-преобразование функции корреляции есть спектр мощности. Второй момент при τ = 0 есть просто мощность. Модуляция по мощности представляет собой аналогию амплитудной модуляции. Модуляция по положению спектра на шкале частот в чем-то подобна частотной модуляции. Аналога фазовой модуляции для случайного процесса не существует.
112 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
Следует иметь в виду, что мощность, определенная для конечного отрезка реализации случайного процесса, есть случайная величина, флуктуирующая около среднего значения. Тоже относится и к любым другим моментам или их преобразованиям. Поэтому при использовании случайного процесса в качестве переносчика в сигнал с самого начала примешивается специфическая помеха, хотя и не устранимая, но с известными статистическими характеристиками.
Сигналы с помехами
Наряду с полезным сигналом на вход приемника, как правило, действует помеха. Обычно сигнал и помеха взаимодействуют между собой аддитивно, т.е. суммируются. Иногда между ними имеет место и мультипликативноевзаимодействие. Таким образом, при достаточно сильных помехах прием полезного сигнала может значительно затруднится или вообще стать невозможным. Поэтому для обеспечения необходимогокачества приема необходимо каким-то образом устранить или ослабить воздействиепомехи на средство приема.
Исследуем влияние помехи на основные характеристики сигнала при аддитивном их взаимодействии в трех основных случаях.
1.Если сигнал х(t) и помеха хп(t) являются квазидетерминированными, то суммарный сигнал хΣ(t) = х(t) + хп(t). Предположим, что х(t) и хп(t) — импульсы. Тогда спектр суммарного сигнала
SΣ(iω) = S(iω) + Sп(iω),
где S(iω) и Sп(iω) спектры соответственно х(t) и хп(t).
Энергия суммарного сигнала будет описываться следующим выражением:
+∞ |
|
|
|
+∞ |
+∞ |
+∞ |
EΣ = óх2 |
(t) dt = Ex + Ex + 2Exx |
= óх2 |
(t) dt + óх2п(t) dt + 2óх(t)xп(t) dt , |
|||
õ |
Σ |
п |
п |
õ |
õ |
õ |
–∞ |
|
|
|
–∞ |
–∞ |
–∞ |
где Exxп — энергия взаимодействия сигнала и помехи.
Если Exxп= 0 , то сигнал и помеха ортогональны. Корреляционная функция суммарного сигнала в этом случае имеет следующий вид:
+∞ |
|
|
|
|
|
RΣ(τ) = óх |
(t) х |
(t – τ)dt = Rxx(τ) + Rx x (τ) + Rxx (τ) + Rx x(τ) |
|||
õ |
Σ |
Σ |
п п |
п |
п |
–∞
Rxxп(0) + Rxпx(0) = Exxп
2.Если сигнал является квазидетерминированным, а помеха случайной, то
суммарный сигнал, описываемый выражением хΣ(t) = х(t) + хп(t), может рассматриваться, как нестационарный сигнал, у которого математическое ожидание является функцией времени. Сигнал и помеха в этом случае взаимонезависимы, поэтом корреляционная функция суммарного сигнала
RΣ(τ) = Rx(τ) + Rxп(τ)
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 113
Если сигнал периодический, то Rx(τ) является периодической функцией, а Rxп(∞) = 0. Это используется для выделения периодического сигнала из случайной помехи.
3.Если сигнал и помеха являются случайными, то XΣ(t) = X(t) + X п(t). В этом случае плотность вероятности pΣ(x) сигнала XΣ(t) будет равна свертке распределений p(x) и p(хп).
Корреляционная функция суммарного сигнала:
RΣ(τ) = Rxx(τ) + Rxпxп(τ) + Rxxп(τ) + Rxпx(τ) + …
Если X(t) и Xп(t) некоррелированы, то
Rxxп(τ) = 0 и Rxпx(τ) = 0
Тогда
RΣ(τ) = Rxx(τ) + Rxпxп(τ)
Энергетический спектр суммарного сигнала
+∞
GΣ(ω) = óRΣ(τ) e–jωτ dτ = Gxx(ω) + Gx x (ω) + Gxx (ω) + Gx x(ω) + … |
|||
õ |
п п |
п |
п |
–∞
Если X(t) и Xп(t) некоррелированы, то
Gxxп(ω) = Gxпx(ω) = 0
Способы борьбы с помехами в значительной мере зависят от их спектра. По относительному спектральному составу различают следующие три вида помех:
∙высокочастотная с периодом повторений Тп значительно меньше времени измерения Тизм;
∙с периодом повторения, близким к Тизм;
∙низкочастотная с периодом повторения Тп, значительно превышающим Тизм.
Высокочастотную составляющую наиболее целесообразно уменьшать усреднением, если при этом обеспечивается необходимое быстродействие приема информации.
Составляющая с периодом Тп ≈ Tизм часто представляет собой помехи с частотой сети. В этом случае помехи уменьшают, применяя фильтры, интегрирование за время, кратное периоду помехи, и осуществляя синфазирование моментов получения информации и перехода помехи через нулевое значение.
Низкочастотная составляющая устраняется обычно способами, разработанными для систематических погрешностей.
Излучатели электромагнитных колебаний
114 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
Источниками опасного сигнала являются элементы, узлы и проводящие цепи технических средств с токами и напряжениями опасных сигналов, а также голосовой аппарат человека и элементы технических средств, создающие акустические поля опасных сигналов.
К основным техническим системам и средствам относятся средства, предназначенные для передачи, приема, обработки и хранения информации с ограниченным доступом (ИсОД):
∙электронно-вычислительные машины ( ЭВМ), в том числе персональные (ПЭВМ);
∙аппаратура звукозаписи, звуковоспроизведения и звукоусиления;
∙системы оперативно-командной и громкоговорящей связи;
∙системы внутреннего телевидения;
∙средства изготовления и размножения документов.
Вспомогательные технические системы и средства не предназначены для обработки ИсОД, но при совместной установке с основными техническими системами и средствами или при установке в служебных помещениях, где ведутся переговоры или работы, связанные с ИсОД, они могут способствовать утечке информации или образовывать “самостоятельные” системы утечки.
К вспомогательныем техническим системам и средствам относятся:
∙системы открытой телефонной связи;
∙системы радиотрансляции;
∙системы электропитания;
∙системы охранной и пожарной сигнализации.
Вспомогательныетехнические средства, а также различного рода цепи, распо-
ложенные в непосредственной близости от основных технических систем и средств, могут обладать антенным эффектом. Этот эффект заключается в преобразовании энергии приходящей от основных технических систем и средств электромагнитной волны в энергию электрических токов. Вторичные технические системы и средства, а также образовываемые ими цепи, называются также случай-
ными приемными антеннами. К сосредоточенным случайными приемным антеннам относятся телефонные аппараты, электрические звонки, датчики охранной и пожарной сигнализациии т.п. К распределеннымслучайным антеннам относятся различного рода кабели, провода систем сигнализации, ретрансляционные сети, трубы, металлическиеконструкциии т.п.
При прохождении опасных сигналов по элементам и цепям технических средств, соединительным линиям, в окружающем пространстве возникает электромагнитное поле. Поэтому такие средства и линии можно считать излучате- лями. Все источники опасного сигнала принято рассматривать как излучатели, условно подразделяемые на три типа: точечные, линейные (распределенные) и площадные.
Точечные излучатели — это технические средства или излучающие элементы их электрических схем, размеры которых значительно меньше длины
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 115
волны опасного сигнала, обрабатываемого технической системой и средством, и расстояния до границы контролируемой зоны.
К распределенным излучателям относят кабельные и соединительные проводные линии.
Площадные излучатели — это совокупность технических средств, равномерно распределенных на некоторой площади и обтекаемых одним и тем же током.
Технические средства, для которых характерна большая амплитуда напряжения опасного сигнала и малая амплитуда тока, относятся к электрическим излучателям. Технические средства с большой амплитудой тока и малой амплитудой напряжения рассматриваются, как магнитные излучатели.
Кроме того, электромагнитные излучения радиоэлектронного оборудования (РЭО) можно разделить на основные и нежелательные.
Основные радиоизлучения характеризуются:
∙несущей частотой;
∙мощностью (напряженностью) поля;
∙широкой полосой излучаемых частот;
∙параметрами модуляции.
Нежелательные излучения подразделяются на побочные, внеполосные и шумовые.
Наиболее опасными, с точки зрения образования каналов утечки информации, являются побочные излучения.
Побочные излучения — это радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в радиоэлектронном устройстве, кроме процессов модуляции. Побочные излучения возникают как на основной частоте, так и на гармониках, а также в виде их взаимодействия. Радиоизлучение на гармонике — это излучение на частоте (частотах), в целое число раз большей частоты основного излучения. Радиоизлучение на субгармониках — это излучение на частотах, в целое число раз меньших частоты основного излучения. Комбинационное излучение — это излучение, возникающее в результате взаимодействия на линейных элементах радиоэлектронных устройств колебаний несущей (основной) частоты и их гармонических составляющих.
Отмечая многообразие форм электромагнитных излучений, следует подчеркнуть, что имеется и так называемое интермодуляционное излучение, возникающее в результате воздействия на нелинейный элемент высокочастотного ( ВЧ) тракта радиоэлектронной системы ( РЭС) генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля.
Каждое электронное устройство является источником магнитных и электромагнитных полей широкого частотного спектра, характер которых определяется назначением и схемными решениями, мощностью устройства, материалами, из которых оно изготовлено, и его конструкцией.
116 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
Известно, что характер поля изменяется в зависимости от расстояния до приемного устройства. Если это расстояние значительно меньше длины волны электромагнитного сигнала (r<<λ), поле имеет ярко выраженный магнитный (или электрический) характер, а в дальней зоне (r>>λ) поле носит явный электромагнитный характер и распространяется в виде полосной волны, энергия которой делится поровну между электрической и магнитной компонентами.
Коль скоро длина волны определяет расстояние и тем более назначение, устройство, принцип работы и другие характеристики правомерно подразделять излучатели электромагнитных сигналов на низкочастотные, высокочастотные и оптические.
Низкочастотные излучатели
Низкочастотными(НЧ) излучателями электромагнитныхколебаний в основном являются звукоусилительныеустройстваразличного функциональногоназначения и конструктивногоисполнения. В ближней зоне таких устройств наиболее мощным выступаетмагнитноеполе опасногосигнала. Такое поле усилительныхсистем достаточно легко обнаруживается и принимается посредством магнитной антенны и селективногоусилителязвуковыхчастот (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Прием НЧ сигналов
Высокочастотные излучатели
К группе высокочастотных ( ВЧ) излучателей относятся ВЧ автогенераторы, модуляторы ВЧ колебаний и устройства, генерирующие паразитные ВЧ колебания по различным причинам и условиям (рис. 4.4).
Источниками опасного сигнала являются ВЧ генераторы радиоприемников, телевизоров, измерительных генераторов, мониторы ЭВМ.
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 117
Рис. 4.4. Классификация излучателей ВЧ сигналов
Модуляторы ВЧ колебаний как элементы, обладающие нелинейными характеристиками ( диоды, транзисторы, микросхемы), образуют нежелательные составляющие ВЧ характера.
Довольно опасными источниками ВЧ колебаний могут быть усилители и другие активные элементы технических средств, работающие в режиме паразитной генерации за счет нежелательной положительной обратной связи.
Источниками излучения ВЧ колебаний в различной аппаратуре являются встроенные в них генераторы, частота которых по тем или иным причинам может быть промодулирована речевым сигналом.
В радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, трехпрограммных громкоговорителях и в ряде электроизмерительных приборов всегда имеются встроенные генераторы (гетеродины). К ним примыкают различные усилительные системы — усилители НЧ, системы звукоусиления, способные по тем или иным причинам войти в режим самовозбуждения ( т.е. по существу стать неконтролируемым гетеродином).
Основным элементом гетеродина является колебательный контур с конденсатором переменной емкости. Под воздействием акустического давления будет меняться расстояние между пластинами переменного воздушного конденсатора гетеродина. Изменениерасстоянияприведетк изменениюемкости, а последнее— к изменению значения частоты гетеродина (ωo = 1/
LC) по закону акустического давления, т.е. к частотной модуляции гетеродина акустическим сигналом.
Кроме конденсаторов, акустическому воздействию подвержены катушки индуктивности с подстроечными сердечниками, монтажные провода значительной длины.
Практика показала, что акустическая реакция гетеродина возможна на расстоянии до нескольких метров, особенно в помещениях с хорошей акустикой. В зависимости от типа приемника, прием такого сигнала возможен на значительном расстоянии, иногда достигающем порядка 1–2 км. Источником излучения ВЧ колебаний в аппаратуре звукозаписи является генератор стиранияподмагничивания, частота которого может быть промодулирована речевым сиг-
118 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
налом за счет нелинейных элементов в усилителе записи, головки записи и др. из-за наличия общих цепей электропитания взаимного проникновения в тракты усиления.
В цепях технических средств, находящихся в зоне воздействия мощных ВЧ излучений, напряжение наведенных сигналов может составлять от нескольких до десятков вольт. Если в указанных цепях имеются элементы, параметры которых (индуктивность, емкость или сопротивление) изменяются под действием НЧ сигналов, то в окружающем пространстве будет создаваться вторичное поле ВЧ излучения, модулированное НЧ сигналом (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Классификация излучателей ВЧ сигналов
Роль нелинейного элемента могут играть:
∙телефоны, различные датчики (ВЧ навязывание по проводам);
∙приемники, магнитофоны (ВЧ навязывание по эфиру).
Как правило, причиной излучения кабелей является плохое состояние:
∙соединителей;
∙направленных ответвлений и т.п.
Теоретически, если нет дефектов в экранирующей оплетке ( экране) кабеля, его экран ослабляет излучение более чем в 100 дБ. Этого более чем достаточно для предотвращения любого излучения кабеля, которое можно зарегистрировать. Для того чтобы сигнал был зарегистрирован приемником, его максимальный уровень в кабеле не превышает 100 мкВ, а минимальный на поверхности кабеля — не более 1 мкВ.
Тепловой шум на входе приемника ограничивает прием сигнала. Это подтверждается расчетными значениями уровня шума в широкополосном кабеле
(табл. 4.1).
Таблица 4.1. Уровни шума в широкополосном кабеле
Скорость передачи |
Требуемая полоса |
Среднеквадратическое значение |
данных, Мбит/с |
пропускания, МГц |
шума в полосе приемника, мкВ |
5 |
6 |
2,68 |
0,1 |
0,3 |
0,6 |
0,01 |
0,03 |
0,2 |
Из табл. 4.1 видно, что среднеквадратическое значение теплового шума на поверхности кабеля выше 1 мкВ для кабеля с высокой скоростью передачи дан-
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 119
ных ( отношение сигнал/шум больше 1). При таких значениях вполне возможен перехват данных по излучению кабеля. С увеличением расстояния между кабелем и приемником эта возможность уменьшается, т.к. затухание излучения равно
А = 20 log(4πd/λ),
где d — расстояние до кабеля, λ — длина волны излучения кабеля.
Таким образом, при исправном кабеле перехватитьинформациюпо излучению очень трудно. Однако на практике кабели не всегда экранированы. Это приводит к тому, что неисправныеили покрытые коррозиейсоединителимогут быть причиной значительных излучений. Сигнал в 1 мкВ может быть обнаружен на расстоянии3 м от кабеля, а в 1 мВ — на расстоянии300 м.
Оптические излучатели
В волоконно-оптических линиях связи ( ВОЛС) существуют волны
трех типов: направляемые, вытекающие и излучаемые (рис. 4.6).
Направляемые волны — это основной тип волны, распространяющейся по ВОЛС.
Излучаемые волны возникают при вводе света в волновод. Здесь определенная часть энергии уже в
начале линии излучается в окружающее пространство и не распространяется вдоль световода. Это связано с дополнительнымипотерями энергии и приводит к возможностиприема излучаемыхв пространствосигналов.
Вытекающие волны частично распространяются вдоль волновода, а частично переходят в оболочку и распространяются в ней или выходят наружу.
Причины возникновения излучения (утечки световой информации) в разъемных соединениях ВОЛС представлены на рис. 4.7.
Все эти причины приводят к излучению световых сигналов в окружающее пространство, что приводит к затуханию, или потере, полезного сигнала в воло- конно-оптических линиях связи (ВОЛС).
Исходя из особенностей оптического волокна (ОВ), модель затухания сигнала в ВОЛС должна включать в себя две части:
∙затухание оптического сигнала (ОС), обусловленное физическими особенностями ОВ;
∙затухание ОС, обусловленное преднамеренными действиями на ОВ потенциального нарушителя.
120 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
а) радиальная несогласованность стыкуемых волокон;
б) угловая несогласованность осей световодов;
в) наличие зазора между торцами световода;
г) наличие взаимной непараллельности торцов волокон;
д) разница в диаметрах сердечников стыкуемых волокон.
Рис. 4.7. Причины возникновения излучения в ВОЛС
Затухание ОС за счет физических особенностей ОВ обусловлено существованием потерь при передаче информации.
При распространении оптического импульса вдоль однородного волокна мощность P и энергия W импульса уменьшаются из-за потерь энергии, вызванных рассеянием и поглощением по экспоненциальному закону ( закон Бугера, рис. 4.8) и определяется, как
P(L) = P(0) e–αL, W(L) = W(0) e–αL |
Рис. 4.8. Закон Бугера. Зависимость мощностей световых импульсов от расстояния вдоль волокна на длинах волн 1550 нм, 1300 нм и 985 нм
Здесь P(L) — мощность излучения на расстоянии L; P(0) — мощность излучения в начальной точке; α — коэффициент затухания, определяемый выражением: