Методы и средства защиты информации
.pdf
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 121
1P(0)
α= L ln P(L)
В единицах дБ/км коэффициент ослабления α может быть выражен, как
10 P(0)
α(дБ/км) = L log P(L) = 4.343α (км–1)
Зависимость коэффициента затухания от длины волны проиллюстрирована на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Зависимость коэффициента затухания от длины волны
Затухание света в ОВ включает в себя потери на поглощение, потери на рассеяние и кабельные потери. В свою очередь, потери на поглощение (αпогл) и на
рассеяние ( αрас) вместе определяются, как собственные потери ( αсобств), а кабельные потери ( αкаб) и потери, связанные с несанкционированным доступом
(НСД), в силу их физической природы, можно назвать дополнительными поте-
рями (αдоп).
Затухание сигнала в ОВ зависит от длины волны и составляет 0,5 дБ/км для 1300 нм и 0,3 дБ/км для 1550 нм стандартного одномодового волокна (сплошная линия). Это волокно имеет пик затухания в области 1400 нм, который является результатом поглощения энергии молекулами воды. Пунктирной линией на рис. 4.9 показано затухание для волокна AllWave®, свободного от воды.
Таким образом, полное затухание в ОВ с учетом НСД можно представить в следующем виде:
α = αсобств + αдоп = αпогл + αрас + αкаб + αНСД
122 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
Потери на поглощение αпогл состоят из потерь в кварцевом стекле, которые определяются, как ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение, а также из
потерь, связанных с поглощением оптической энергии на примесях (αпримеси). Потери в кварцевом стекле вызываются собственным поглощением атомами опти-
ческого материала — кварца ( α ) и поглощением атомными дефектами в стеклянном составе (αдефект)).
αпогл = αс.о.м. + αдефект + αпримеси
Основной реакцией стекловолокна на атомное излучение является увеличение затухания оптической энергии вследствие создания атомных дефектов, или центров ослабления, которые поглощают оптическую энергию.
Поглощение на примесях (загрязнениях) возникает преимущественно от ионов металла и от OH (водяных) ионов. Примеси металла обуславливают потери от 1 до 10 дБ/км.
Ранее ОВ имели высокий уровень содержания OH-ионов, который приводил к большим пикам поглощения на длинах волн 1400, 950 и 725 нм. Путем уменьшения остаточного содержания OH-ионов в волокне (для одномодовых волокон — около 1 части на миллиард), в настоящее время ОВ имеют номинальные затухания 0,5 дБ/км в 1300 нм и 0,3 дБ/км в 1550 нм, как показано сплошной линией на рис. 4.9. Следует обратить внимание на центр примеси в районе 1480 нм, который является примесью OH-ионов в волокне. На этой длине волны всегда присутствует пик поглощения в кварцевом волокне.
Так называемые центры примеси, в зависимости от типа примеси, поглощают световую энергию на определенных, присущих данной примеси, длинах волн и рассеивают ее в виде тепловой энергии.
Собственное поглощение атомами оптического материала включает в себя:
∙поглощение электронов в ультрафиолетовой области;
∙поглощение электронов на границе инфракрасной области.
Ультрафиолетовая граница поглотительных полос электронов, в соответствии с законом Урбача, определяется как:
αуф = С eE/Eo,
где С и E0 — эмпирические постоянные, а E — энергия фотона.
Характерное распределение ультрафиолетового поглощения представлено на рис. 4.10.
Значение затухания в ультрафиолетовой области мало, по сравнению с затуханием в инфракрасной области, для малых значений энергии фотона. Собственные потери на поглощение возрастают при увеличении длины волны излучения и становятся значительными в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Так при длине волны излучения больше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло теряет свойство прозрачности из-за роста потерь, которые связаны с инфракрасным поглощением (рис. 4.11).
Излучателиэлектромагнитныхколебаний |
123 |
Рис. 4.10. Распределение ультрафиолетового и инфракрасного поглощения
Рис. 4.11.Сравнениеинфракрасногопоглощения, вызванногоразличнымипримесями
На рис. 4.12 представлена зависимость потерь от длины волны излучения для ОВ из кварцевого стекла с предельно малыми потерями и многокомпонентных ОВ, изготовленных из различных оптических материалов.
Рассеивание представляет собой процесс удаления части энергии из распространяющейсяволныс последующейэмиссиейнекоторойчасти этой энергии.
124 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
Рис. 4.12. Зависимость потерь от длины волны для различных материалов
Источники возникновения рассеяния в ОВ:
∙маленькие газовые пузырьки;
∙неоднородный состав оптического материала;
∙изгиб ОВ.
Потери на рассеяние становятся определяющим фактором затухания в волокне уже в 1970 г., когда была достигнута чистота ОВ порядка 99,9999%.
Дальнейшему уменьшению затухания препятствовали потери на рассеяние. В общем виде потери на рассеяниеопределяютсяследующим выражением.
αрас = αРел + αМи + αΣизгиб + α + αВКР + αВРБМ
Здесь под αРел подразумеваются потери, обусловленные Релеевским рассеиванием. Причиной Релеевского рассеяния является то, что атомы в стекле (SiO2 ) имеют случайное пространственное распределение, и локальные изменения в составе приводят к локальному изменению индекса преломления, что и вызывает рассеяние оптической энергии. Поэтому волны малой длины должны больше рассеиваться и, следовательно, иметь более высокие потери, чем волны с большей длиной. αМи — потери, обусловленные Ми-рассеянием. Данный тип линейного рассеяния возникает на ионах примеси, размер которых сравним с длиной волны. В высококачественных ОВ такие потери отсутствуют. αΣизгиб — суммар-
ные потери, обусловленные микро- (αмикро) и макро- (αмакро) изгибами ОВ, определяются выражением:
αΣизгиб = αмикро + αмакро
Излучателиэлектромагнитныхколебаний 125
Микроизгибы возникают в процессе изготовления ОВ и при формировании пластикового конверта в процессе изготовления оптического кабеля. Макроизгибы возникают в процессе прокладки оптического кабеля и являются функцией от радиуса изгиба ОВ. Тогда потери на макроизгибах можно представить выражением:
αмакро = 2 αп.п. + αп.и.у. + αп.м.,
где αп.п.— потери, обусловленные переходами от прямого участка световода к изогнутому, а также от изогнутого к прямому участку; αп.и.у. — потери на изогнутом участке ОВ; αп.м. — потери, обусловленные наличием микротрещин.
αΣстык — суммарные потери, обусловленные стыковкой ОВ и определяемые внутренними (αвнутр.) и внешними (αвнеш.) потерями согласно выражения:
αΣстык = αвнутр. + αвнеш.
Внутренние потери определяются трудно контролируемыми факторами — парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов “ сердцевина — оболочка”, концентричностью сердцевины у соединяемых волокон. Можно получить случайные изменения перечисленных факторов, так как они зависят не от конструкции соединителя, а от технологии производства ОВ.
Причинами внешних потерь являются несовершенства конструкции соединителя, а также процесса сборки ОВ и соединителя. Внешние потери зависят от механической нестыковки (угловое, радиальное и осевое смещение), шероховатости на торце сердцевины, чистоты участка и наличия зазора между торцами стыкуемых ОВ. Наличие зазора приводит к появлению френелевского отражения из-за образования среды с показателем преломления, отличным от показателя преломления ОВ.
αвнеш. = αугл. + αрад. + αосевое + αобр.,
где αугл. — потери, вызванные угловым смещением световодов; αрад. — потери,
вызванные радиальным смещением осей ОВ; αосевое — потери, вызванные осевым смещением торцов ОВ; αобр. — потери, обусловленные обратным френе-
левским отражением.
Учитывая изложенное, выражение для αΣстык примет следующий вид:
αΣстык = αвнутр. + αугл. + αрад. + αосевое + αобр.
Суммарные потери, обусловленные стыковкой ОВ, также носят название вно- симых потерь.
αВКР — потери, обусловленные вынужденным комбинационным рассеянием. Это рассеяние называется рассеянием Рамана-Мандельштама и возникает в волокне тогда, когда проходящая в нем оптическая мощность достигает некоторого порога. Порог рассеяния зависит от площади поперечного сечения и длины
126 Глава 4. Каналы несанкционированного получения информации
ОВ, а также от коэффициента потерь. Рассеяние распространяется преимущественно в направлении исходного излучения.
αВРБМ — потери, обусловленные вынужденным рассеянием МандельштамаБриллюэна. Физическая суть рассеяния состоит в том, что при достаточно высоком уровне мощности излучения происходит изменение энергетических квантовых состояний молекул и атомов ОВ, выражающееся в колебательном движении молекул. Это приводит к флуктациям плотности вещества, т.е. к возникновению акустических фононов. На этих фононах происходит нелинейное рассеяние света, заключающееся в том, что фотоны отдают часть энергии акустическим фононам, в результате чего в спектре излучения появляются новые компоненты, называемые стоксовыми.
Для обеспечения работоспособности ВОЛС необходимо, чтобы для полного затухания α сигнала в волоконно-оптическом тракте выполнялись следующие условия:
α = Pпер. – Pпр. – αзап. при Pпр. ³ Pпр. min; Δα £ αзап.
Здесь Pпер. — мощность излучения оптического передатчика ( дБ/м); Pпер. — мощность на входе фотоприемника ( дБ/м); αзап. — эксплуатационный запас (дБ/м); Δα — абсолютное изменение затухания тракта при изменении температуры окружающей среды.
Параметр α определяет длину регенерационного участка.
Таким образом, величина потерь мощности PL в произвольной точке определяются решением системы уравнений:
ì |
+ αΣстык + αВКР + αВРБМ + αНСД)L |
L > 0 |
PL = íïP0e–(αпогл + αРел + αМи + αΣизгиб |
||
îïP0 |
|
L = 0 |
Глава 5
Классификация радиоканалов утечки информации
Образование радиоканалов утечки информации
В современных условиях насыщенности нашей жизни самыми разнообразными техническими, особенно электронными, средствами производственной и трудовой деятельности, различными средствами связи, разного рода вспомогательными системами ( телевидение, радиовещание) крайне необходимо понимать опасность возникновения канала утечки информации с ограниченным доступом именно через технические средства ее обработки. Более того, технические средства относятся едва ли не к наиболее опасным и широко распространенным каналам утечки информации.
Анализ физической природы многочисленных преобразователей и излучателей показывает, что:
∙источниками опасного сигнала являются элементы, узлы и проводники технических средств обеспечения производственной и трудовой деятельности, а также радио- и электронная аппаратура;
∙каждый источник опасного сигнала при определенных условиях может образовать технический канал утечки информации;
∙каждая электронная система, содержащая в себе совокупность элементов, узлов и проводников, обладает некоторым множеством технических каналов утечки информации.
Сопределенной степенью обобщения множество радиоканалов утечки информации можно представить в виде следующей структуры (рис. 5.1).
Каждый из этих каналов, в зависимости от конкретной реализации элементов, узлов и изделий в целом, будет иметь определенное проявление, специфические характеристики и особенности образования, связанные с условиями расположения и исполнения.
Наличие и конкретные характеристики каждого источника образования канала утечки информации изучаются, исследуются и определяются конкретно для каждого образца технических средств на специально оборудованных для этого испытательных стендах и в специальных лабораториях.
128 Глава 5. Классификация радиоканалов утечки информации
Рис. 5.1. Структура радиоканалов утечки информации
Классификация радиоканалов утечки информации по природе образования, диапазону излучения и среде распространения представлена на рис. 5.2.
Оценка электромагнитных полей
Оценка электромагнитных полей полезных и мешающих сигналов в месте приема или оценка собственно радиосигналов на входе приемника (после преобразования электромагнитного поля в радиосигналы антенной приемного устройства) составляет сущность электромагнитной обстановки, которая отражается статической моделью (рис. 5.3).
Модель содержит блоки канала передачи информации и звенья описания состояний информации. Блоки модели соответствуют материальным элементам, обеспечивающим формирование, передачу, распространение и, частично, прием радиосигналов. В соответствии с этим модель электромагнитной обстановки (ЭМО) включает в себя следующие блоки: источник полезных сигналов; источники мешающих сигналов ( непреднамеренных помех); среда распространения электромагнитных колебаний.
Информационное описание процессов формирования ЭМО с учетом наличия непреднамеренных помех осуществляется в звеньях (пространствах): пространстве сообщений Λ, пространстве полезных сигналов S, пространстве ме-
шающих сигналов V и пространстве входных сигналов U.
Образованиерадиоканаловутечки информации 129
Рис. 5.2. Классификация радиоканалов утечки информации
Рис. 5.3. Статическая модель формирования электромагнитной обстановки При этом входные сигналы могут рассматриваться в двух вариантах:
∙на входе приемного устройства в форме электромагнитных полей;
∙на входе приемника в форме радиосигнала.
Начальным в модели является звено, представляемое пространством сообщений Λ. Пространство сообщений объединяет множество всех возможных классов (разновидностей) сообщений. Каждое из сообщений является строго де-
130 Глава 5. Классификация радиоканалов утечки информации
терминированным, но появление того или другого сообщения на приемном конце канала передачи информации для получения сообщения является случайным событием. С учетом этого сообщение будет рассматриваться как случайное событие конечного множества возможных сообщений.
Смысл сообщения и количество классов сообщений зависят от функциональных задач, выполняемых радиоэлектронными средствами.
Множество классов сообщений l = (l0, l1, ..., lm) в любом случае полагается ограниченным (m ¹ ¥). Каждый из li классов сообщений отличается от другого класса сообщения существом информационного содержания. Особый смысл имеет нулевой класс сообщения l0 — он означает отсутствие сообщения. Так, для радиоэлектронных средств (РЭС) радиоэлектронной разведки при решении задачи обнаружения источника излучения множество всех возможных сообщений состоит из двух классов: l0 — излучение отсутствует, l1 — излучение от объекта имеется. Для разносвязных каналов при передаче символов, алфавит которых содержит m различных символов, пространство сообщений состоит из m + 1 класса. Нулевой класс l0 и в этом случае соответствует отсутствию передачи ка- кого-либо из m символов.
Статистическая характеристика пространства сообщений выражается совокупностью априорных вероятностей всех возможных сообщений. Это означает, что каждому классу сообщения приписывается определенная вероятность его появления. Априорные вероятности сообщений полагаются либо заранее известными, либо определяемыми каким-либо известным способом.
Важным свойством сообщений является их классификационная упорядочен- ность, при которой имеется строгое соответствие каждого класса своему классу решения задачи в классификационной схеме задач.
Все многообразие функциональных задач, реализуемых радиоприемными устройствами РЭС может быть сведено к трем основным задачам: обнаружение, распознавание и измерение параметров сигнала.
В свою очередь, три основные задачи могут быть систематизированы и объединены единой схемой классификации (рис. 5.4).
Схема классификационных задач имеет иерархическую структуру. Верхний уровень схемы отвечает двухвариантной задаче обнаружения, все последующие ниже расположенные уровни соответствуют многовариантным задачам распознавания и измерения. Каждому ниже расположенному уровню соответствует более детальное распознавание и, соответственно, большее число классов решений. Нижний уровень отражает задачу измерения, которая представлена набором дискретов значений измеряемого параметра.
Это означает, что сообщениям, как и возможным решениям задач РЭС, свойственна единая иерархическая структура классификационной схемы с горизонтальной несовместимостью и вертикальной совместимостью классов сообщений как случайных событий. Отметим, что с учетом нулевого класса сообщений, сумма вероятностей классов сообщений по горизонталям классификационной