Kanály úniku informací přenášené přes optické komunikační linky

Komunikace z optických vláken , která byla vyvinuta po vynálezu v roce 1960 laseru - vysoce koherentního zdroje záření v optickém rozsahu, a demonstrace v roce 1970 optických vláken s nízkými ztrátami [1] (20 dB/km), které umožnil přenášet informace na střední vzdálenosti, dnes je hlavním typem vysokorychlostní komunikace na dlouhé a extra dlouhé vzdálenosti. Použití krátkých infračervených laserových pulsů (~200 THz) jako nosičů informací poskytuje přenosovou rychlost několik desítek Gbit/s, která překračuje maximální rychlosti rádiové komunikace a komunikace po elektrických kabelech. Výsledkem bylo vytvoření zaoceánských a transkontinentálních komunikačních linek o délce desítek tisíc kilometrů. Dá se očekávat, že v nadcházejících letech optické komunikační linky (FOCL) nahradí všechny ostatní typy páteřních informačních přenosových linek. V tomto ohledu vyvstává otázka bezpečnosti FOCL.

Optické vlákno je dielektrický vrstvený válcový vlnovod kruhového průřezu, obvykle umístěný uvnitř ochranného pláště. Index lomu jádra vlákna ( n 1 ) je větší než index lomu pláště ( n 2 ). Vlastnosti vlnovodu vlákna jsou založeny na jevu úplného vnitřního odrazu . Pokud úhel dopadu světla na rozhraní jádro-plášť (φ 1 ) splňuje podmínku

{\displaystyle n_{1}sin\left(\phi _{1}\right)>n_{2))

pak světlo nemůže opustit jádro vlnovodu.

Přenosové linky z optických vláken jsou vysoce bezpečné díky tomu, že:

Elektromagnetické pole vedené vlny je lokalizováno v blízkosti jádra vlákna v měřítku desítek mikrometrů, což ve srovnání s mikrovlnnými vlnovody a navíc rádiovými signály ztěžuje přístup k informacím.
Poškození vlnovodu ve většině případů vede k přerušení spojení a okamžité detekci neoprávněného přístupu
Společnosti pro přenos optických vláken poskytují kabelům vysokou fyzickou bezpečnost. Například zaoceánské komunikační linky na polici jsou pokryty tlustým kovovým pláštěm.
Optické komunikační kanály se vyznačují vysokou rychlostí přenosu dat (stovky Gbit/s), které je dosaženo využitím krátkých světelných pulzů (desítky a stovky pikosekund). V tomto ohledu jsou vyžadovány vysoce citlivé a rychlé detektory pro zachycení informací, což činí neoprávněný přístup extrémně drahým.
Komunikační kabel obvykle obsahuje značný počet jednotlivých vláken, což velmi ztěžuje přístup ke každému z vlnovodů jednotlivě.
FOCL jsou chráněny před rušením generovaným zdroji elektromagnetického záření, odolné vůči kolísání teploty a vlhkosti.

Dříve se věřilo, že FOCL mají zvýšené utajení [2] , nicméně vždy existuje základní možnost získat informace přenášené prostřednictvím optických komunikačních kanálů. Existují však metody, které potenciálně umožňují zachycení informací. FOCL se skládají ze stacionárních zařízení umístěných v certifikovaných zařízeních a lineární trasy, což jsou kabely z optických vláken a zesilovače optického signálu, které jsou instalovány každých 50-80 km. Ochrana první složky je zajištěna stejným způsobem jako ochrana jakéhokoli podobného objektu a má málo funkcí, zatímco druhá komponenta nemůže být chráněna v celé její délce z důvodu nemožnosti urazit desítky tisíc kilometrů.

Samozřejmým způsobem, jak zvýšit bezpečnost FOCL, je snížení úrovně přenášeného signálu až po použití jednoho nebo více fotonů pro zakódování jednoho bitu informace, tato metoda však spočívá na fyzických omezeních zdrojů signálu a detektorů, jakož i na odolnosti proti šumu a nezajistí zásadní zlepšení v zabezpečení optických spojů v blízké budoucnosti.

Metody shromažďování informací

Základní fyzikální principy tvorby kanálů úniku informací ve FOCL lze rozdělit do následujících typů [3] :

pasivní metody (založené na registraci záření z bočního povrchu vlákna);
aktivní metody (založené na registraci výstupu záření boční plochou vlákna pomocí speciálních nástrojů);
kompenzační metody (založené na registraci výstupu záření boční plochou pomocí speciálních prostředků s následným vznikem záření a jeho vstupem do vlákna, které kompenzuje výkonové ztráty při výstupu záření).

Metody prvního typu jsou založeny na skutečnosti, že i ve stacionárním režimu za normálních podmínek malá část rozptýleného záření stále proniká vláknem [3] (tj. je emitována) a může být kanálem úniku informací. . Hlavní myšlenkou je zvýšení intenzity tohoto záření. Pro neoprávněný přístup k informacím pomocí takových metod je nutné použít místa se zvýšeným bočním zářením, to znamená, že záření by mělo být odstraněno v ohybech, stejně jako ve svarových spojích a spojeních vláken se zesilovači. Významný radiační výkon je však pozorován pouze v místech odpojitelných spojů, to znamená ve spojovacích centrech, což značně komplikuje neoprávněný přístup.

Metody druhého typu obvykle vydávají větší výkon, ale v tomto případě se mění parametry vlny šířící se ve vlnovodu (výrazně klesá tok energie, objevuje se odražená vlna, mění se vidová struktura vlny atd.), může vést k odhalení neoprávněného přístupu. Takovými metodami jsou např.: mechanické ohýbání vlákna, spojení fotodetektoru se spojkou, zalisování sond do pláště, bezkontaktní spojení vlákna, broušení a rozpuštění pláště.

Přirozenou touhou je spojit nenápadnost a efektivitu. Metody třetího typu jsou navrženy tak, aby ztělesňovaly tuto myšlenku. Jejich implementace je však poměrně komplikovaná kvůli přítomnosti zásadních omezení. Takže například výstup záření z bočního povrchu vlákna, vznik a zpětný vstup vlny, která kompenzuje výstupní výkon, by měl být proveden s vysokou účinností na jednotu, nicméně rozložení parametrů vlákna je pravděpodobnostní, což ztěžuje dosažení požadovaného utajení. Technické realizace zařízení tohoto druhu, umožňující v praxi využívat kompenzační metody vyhledávání informací, nejsou v současnosti známy [3] .

Způsoby ochrany

Vzhledem k přítomnosti potenciální hrozby neoprávněného odstranění informací probíhají práce na ochraně optických linek po celém světě. Existují tři hlavní oblasti [4] :

vývoj technických prostředků ochrany před neoprávněným přístupem k informačním signálům;
vývoj technických prostředků pro kontrolu neoprávněného přístupu k informačnímu optickému záření.

První a druhý směr zahrnují způsob založený na použití "kódového šumu" vysílaných signálů. Princip fungování metody spočívá v tom, že při již mírném poklesu výkonu detekovaného signálu, který může být způsoben připojením snímacího zařízení informace k lince, se počet chyb v digitálním signálu detekovaný na jedné konců vlákna se výrazně zvětší, pak je buď přenos informace přerušen, nebo je rychle odhalen pachatel [4] .

Systém IDOC (Intrusion Detection Optical Communications System) je jednou z nejúčinnějších ochranných metod vyvinutých v USA v roce 1991 společností Hughes Aircraft. Metoda byla založena na analýze vidového složení procházejícího optického záření. Systém IDOC umožnil ochranu optických vedení krátkého dosahu. Ochranný systém se skládal ze speciálních vláken vyvinutých společností a dvou modemů FAM-131 (Fiber Alarmed Modem) [5] . Systém IDOC snadno detekuje neoprávněná připojení a okamžitě zastaví přenos informací. IDOC byl první nekryptografický systém pro tajnou komunikaci, který byl certifikován americkou Národní bezpečnostní agenturou . Jedinou nevýhodou byla nepoužitelnost systému pro přenos informací na velké vzdálenosti, protože nebylo použito jednovidové vlákno.

Probíhá vývoj k zavádění metod využívajících režim dynamického chaosu , který umožňuje přenos informačních signálů ve formě pseudo-chaotických oscilací frekvence a amplitudy optické nosné [4] . Překrývání šumového signálu, který bude nutně přítomen, na takovém signálu odebraném z bočního povrchu vlákna, značně komplikuje neoprávněný přístup.

Mechanická ochrana vlákna je stále aktuální. Lze tedy použít např. ochranu proti ohybu (vlákno se při silném ohnutí přetrhne [4] ). Optické kabely jsou baleny ve speciálním plášti, který v případě poškození signalizuje náraz.

Metody kvantové kryptografie mohou poskytnout vysoký stupeň ochrany před neoprávněným přístupem k informacím, dosažený přenosem signálů ve formě jednotlivých fotonů. Takové schéma umožňuje detekovat skutečnost zachycení fotonů změnou pravděpodobnostních charakteristik sekvence fotonů na výstupu.

V roce 1993 předvedla laboratoř British Telecom jednu z prvních implementací praktického kvantového kanálového schématu založeného na vláknu o délce 10 km, které bylo založeno na principu fázové modulace [6] [7] . Bylo dosaženo efektivní přenosové rychlosti 60 kbit/s.

V 90. letech 20. století došlo k pokusům vytvořit FOCL pomocí optických solitonů jako nosičů signálu . Solitony mají tu vlastnost, že při šíření podél vlákna zachovávají tvar obálky impulsu. Solitoni do sebe elasticky narážejí, aniž by ztratili energii, jinými slovy, dokážou procházet jinými solitony, aniž by si jich všimli. Pokud energie solitonového pulsu klesne pod určitou prahovou hodnotu, pak se „rozpadne“. Pokud je tedy energie vyvedena přes boční povrch vlákna (provádí se neoprávněný přístup), pak přijímač na jednom z konců vlákna může detekovat porušení důvěrnosti přenášených informací změnou tvaru optických impulsů. nebo jejich úplná absence. Solitonové informační přenosové linky však nenašly široké uplatnění kvůli omezení rychlosti přenosu informací a vývoji rychlejších optických linek.

Neoprávněné metody přístupu

Teoretický základ

Režimy válcového vlnovodu

Optické vlákno je dielektrický vrstvený válcový vlnovod, jehož index lomu jádra ( n 1 ) je větší než index lomu pláště ( n 2 ). Dále použijeme válcový souřadnicový systém ( r , φ , z) a předpokládáme, že poloměr jádra vlnovodu je roven a . Pokud n 2 a n 1 nezávisí na souřadnicích, pak lze v důsledku válcové symetrie snadno dojít k rovnicím pro podélná pole E z a H z tvaru

{{\partial ^{2}\Psi } \over {\partial r^{2))}+{1 \over r}({\partial \Psi } \over {\partial r))+{ 1 \přes r^{2}}{\částečný ^{2}\Psi \přes \částečný \phi ^{2}}+K_{j}^{2}\Psi =0

\left(j=1,2\right)

kde a je vlnové číslo světla ve vakuu , je konstanta šíření vlny ve vlnovodu [8] . Řešení rovnice dává [8] pro r < a : pro mód s y - polarizací (tj. příčné elektrické pole směřuje podél osy y ) $K_{j}^{2}=n_{j}^{2}k^{2}-\beta ^{2}$ $k$ $\left(k=2\pi /\lambda \right)$ $\beta$

E_{z}={{iA\kappa } \over {2\beta _{\nu }}}\left[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin (\nu +1)\phi \\-\cos(\nu +1)\phi \end{Bmatrix}}+J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\ nu -1)\phi \\-\cos(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right]

H_{z}=-{{iA\kappa } \over {2k}}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{0}}\right)}^{1 \over 2}\left[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu +1)\phi \\\sin(\nu +1)\phi \end{Bmatrix} }-J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu -1)\phi \\\sin(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right ]

\left(\kappa =K_{1}\right)

E_{y}=AJ_{\nu }(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix))

H_{x}=-nA{\beta _{\nu } \over \left|\beta _{\nu }\right|}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _ {0}}\right)}^{1 \over 2}J_{\nu }(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix} }

pro mód s x - polarizací (tj. příčné elektrické pole je směrováno podél osy x )

E_{z}={{iA\kappa } \over {2\beta _{\nu }}}\left[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos (\nu +1)\phi \\\sin(\nu +1)\phi \end{Bmatrix}}-J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu -1)\phi \\\sin(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right]

H_{z}={{iA\kappa } \over {2k}}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{0}}\right)}^{1 \over 2 }\left[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\nu +1)\phi \\-\cos(\nu +1)\phi \end{Bmatrix} }+J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\nu -1)\phi \\-\cos(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\ že jo]

\left(\kappa =K_{1}\right)

E_{x}=AJ_{\nu }(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix))

H_{y}=nA{\beta _{\nu } \over \left|\beta _{\nu }\right|}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{ 0}}\right)}^{1 \over 2}J_{\nu }(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix}}

Vlákna lze rozdělit do dvou typů: single-mode a multimode. V jednovidovém vláknu se může šířit pouze jeden mód (HE 11 ), takže nedochází k inter-módové interakci, což zlepšuje disperzní charakteristiky nezbytné pro přenos signálu na velké vzdálenosti.

Ztráta ohybem vlákna

Kvalitativní posouzení problému naznačuje, že pokud se úhel dopadu světla na rozhraní mezi jádrem vlákna a pláštěm zmenší a stane se menším než kritický úhel, pak světlo začne opouštět jádro a bude vyzařováno v ohybu. Správnější vysvětlení je, že nehomogenity v geometrii vlákna způsobují spojení nezářivých (řízených a radiačních (zářících) režimů. V důsledku toho řízený režim ztrácí energii a signál je zeslaben. Vyzařovaný signál pak lze detekovat. Jeden z možností implementace této metody je ohýbání vláken Analytické řešení tohoto problému poprvé publikoval D. Marcuse v roce 1976 [9] Nechť R je poloměr ohybu vlákna a a je poloměr jádra vlákna, potom bude vzorec vypadat takto

2\alpha ={{\pi ^{1 \over 2}\kappa ^{2}\exp \left[-{2 \over 3}\left(\gamma ^{3}/\beta ^{ 2}\vpravo)R\vpravo]} \přes {e_{\nu }\gamma ^{3 \přes 2}V^{2}R^{1 \přes 2}K_{\nu -1}(\gamma a)K_{\nu +1}(\gamma a)))

levá strana se rovná poměru výkonu vyzařovaného v ohybu ΔP na jednotku délky vlákna k celkovému toku výkonu přenášenému vláknem, P :

{\displaystyle 2\alpha ={{\Delta P} \over P))

Parametry V, e ν , γ jsou určeny následujícími výrazy:

V^{2}=k^{2}a^{2}(n_{1}^{2}-n_{2}^{2})

e_{\nu }={\begin{cases}2,&\nu =0\\1,&\nu \neq 0\end{cases))

{\gamma ^{2}=-K_{2}^{2}}

$K_{\nu }(\gamma a)$ je upravená funkce Henkel

KS Kaufman, R. Terras a RF Mathis vyvinuli Marcuseho metodu a použili ji k výpočtu ztráty ohybem vícevidového vlákna [10] . Podrobnější úvaha o ohybových ztrátách byla uvedena v článcích [11] .

Poznámky

↑ FP Kapron, DB Keck a RD Maurer, Ztráty záření ve skleněných optických vlnovodech, Appl. Phys. Lett. , 17, 423, 1970.
↑ Ookoshi T. Optoelektronika a optická komunikace, Per. z japonštiny., M.: Mir, 1988.
↑ 1 2 3 A. V. Boos, O. N. Shukhardin, Analýza problémů zajištění bezpečnosti informací přenášených optickými komunikačními kanály a způsoby jejich řešení, Informační boj proti teroristickým hrozbám, 5, 162, 2007.
↑ 1 2 3 4 Korolkov A. V., Kraschenko I. A., Matyukhin V. G., Sinev S. G., Problémy ochrany informací přenášených přes optické komunikační linky před neoprávněným přístupem, Informační společnost, 1, 74, 1997.
↑ https://web.archive.org/web/20100805144650/http://cryptome.org/nstissi-3015.pdf
↑ PD Townsend, JG Rarity, PR and Tapster, Jednofotonová interference v 10 km dlouhém interferometru s optickým vláknem, Electronics Letters, 29, 634, 1993.
↑ PD Townsend, JG Rarity a PR Tapster, Vylepšená viditelnost jednotlivých fotonových okrajů v 10 km dlouhém prototypu kvantového kryptografického kanálu, Electronics Letters, 29, 1291, 1993.
↑ 1 2 Dietrich Marcuse, Teorie dielektrických optických vlnovodů , 2. vydání, Academic, New York, 1991.
↑ D. Marcuse, Vzorec ztráty zakřivení pro optická vlákna, J. Opt. soc. Am., 66(3), 216,1976.
↑ KS Kaufman, R. Terras a RF Mathis, Ztráta křivosti u vícevidových optických vláken, JOSA, 71, 1513, 2007.
↑ D. Marcuse, Deformace pole a ztráty způsobené zakřivením optických vláken, J. Opt. soc. Am., 66(3), 311, 1976.
R. Ulrich a kol., Ohybem indukovaný dvojlom u jednovidových vláken, Opt. Lett., 5 (6), 273, 1980.
D. Marcuse, Vliv zakřivení na ztráty dvojitě plátovaných vláken, Appl. Opt. 21 (23), 4208, 1982.
SJ Garth, Dvojlom v ohnutých jednovidových vláknech, J. Lightwave Technol., 6, 445, 1988.
L. Faustini a G. Martini, Ztráta ohybu u jednovidových vláken, J. Lightwave Technol., 15(4), 671, 1997.
RW Smink a kol., Ztráta ohybem v optických vláknech – celovlnný přístup, J. Opt. soc. Dopoledne. B. 24 (10), 2610, 2007.
RT Schermer, Škálovatelnost režimu v ohnutých optických vláknech, Opt. Express 15 (24), 15674, 2007.
A. Argyros a kol., Ztráta ohybem ve vysoce multimodových vláknech, Opt. Express 16(23), 18590, 2008.