Физические принципы формирования каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи

Физические принципы формирования каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи. Изначально ВОЛС имеют более высокую степень защищенности информации от несанкционированного доступа, чем какие-либо другие линии связи [4]. Это связано с физическими принципами передачи информации, которые основываются на модуляции света, распространяющегося в оптическом волноводе.

Электромагнитное излучение оптического диапазона выходит за пределы волокна на расстояния не более длины волны (менее 2 мкм) при ненарушенном канале связи, поэтому в окружающем волновод пространстве отсутствуют поля на оптических частотах несущие информацию. В современных ВОЛС основной способ передачи информации основан на модуляции интенсивности света. Это наиболее простой способ передачи информации по ВОЛС, поэтому каналы утечки информации напрямую связаны с интенсивностью светового потока.

Волоконно-оптический кабель представляет собой сложную конструкцию с несколькими слоями покрытия оптического волновода. Параметры его таковы, что в окружающем кабель пространстве информативное оптическое излучение практически не создает каких-либо электромагнитных полей диапазона близкого к частоте модуляции. Вследствие этого для формирования канала утечки информации требуется физический контакт с оптическим каналом передачи информации – оптоволокном.

Это требование является одним из главных факторов защищенности информации в волоконно-оптических системах передачи. В дальнейшем мы будем обсуждать только формирование каналов утечки информации, основанное на оптическом контакте с оптоволокном без нарушения канала связи. Также не обсуждаются возможности утечки информации на элементах волоконно-оптической линии связи в местах соединения, разветвления, ретрансляции и других, которые находятся под контролем специальных средств.

Формирование каналов утечки информации из ВОЛС можно разделить на три типа, которые связанны с возможными особенностями распространения света в волоконно-оптических линиях связи [4]. 1. Нарушение полного внутреннего отражения Первый способ несанкционированного доступа связан с отводом части светового потока из оптического волновода при нарушении полного внутреннего отражения.

В идеальном случае свет не выходит из оптического волокна вследствие полного внутреннего отражения на его границах. Любые отклонения в распространении света приводят к выходу части излучения из волновода, которое образует канал утечки информации. Варианты формирования каналов утечки информации из ВОЛС при нарушении полного внутреннего отражения можно разделить по виду воздействия на оптоволокно: – механическое воздействие; Простейший пример механического воздействия на волокно – изгиб.

При изгибе волокна локальная концентрация механических напряжений вызывает уменьшение угла падения света на границе, который может оказаться меньше предельного угла, и как следствие – нарушение полного внутреннего отражения, то есть часть светового потока выходит из оптоволокна. Максимальный радиус изгиба R, при котором наблюдается побочное излучение в точке изгиба световода с диаметром сердцевины d, связанное с нарушением полнового внутреннего отражения, определяется выражением: R  d n2 , (2.1) n1 – n2 здесь n1, n2 – показатели преломления сердцевины и оболочки световода.

Оценка радиуса изгиба для многомодового волокна с диаметром сердцевины d = 50 мкм и оптической оболочки D = 125 мкм (n1 =1,481, n2 = 1,476) показывает, что при R ≤ 3,5 см начинает наблюдаться сильное прохождение излучения в точке изгиба (до 80% значения интенсивности основного светового потока в оптоволокне). Надо отметить, что при оценке изгиба не учитывалось форма светового потока, цилиндрическая форма преломляющей поверхности и другие эффекты, изменяющие показатель преломления оптоволокна, например, фотоупругий эффект.

Их вклад значительно меньше. Кроме рассмотренного случая изгиба волокна, нарушение полного внутреннего отражения при механическом воздействии возможно и при локальном давлении на оптоволокно, что вызывает неконтролируемое рассеяние (в отличие от изгиба) в точке деформации. – акустическое воздействие; Акустическое воздействие на оптическое волокно также изменяет угол падения.

При этом в сердцевине оптоволокна создается дифракционная решетка периодического изменения показателя преломления, которая вызвана воздействием звуковой волны. Электромагнитная волна отклоняется от своего первоначального направления, и часть её выходит за пределы канала распространения. Физическое явление, с помощью которого возможно решить поставленную задачу, является дифракция Брэгга на высокочастотном звуке (f > 10 МГц), длина волны L которого удовлетворяет условию: L > 1, (2.2) 2 где l – длина волны электромагнитного излучения, L – ширина области распространения звуковой волны, Λ – длина волны действующего звукового излучения.

Деформации, создаваемые упругой волной, формируют периодическое изменение показателя преломления внутри оптоволокна, которое для света является дифракционной решеткой. Максимальный угол отклонения единственного наблюдаемого дифракционного максимума равен двум углам Брэгга (2QB). Частота отклоненной электромагнитной волны приблизительно равна частоте основного информационного потока.

Вычисления показывают, что для многомодового оптоволокна с параметрами (d/D)=(50/125) при акустическом воздействии с длиной волны звука Λ = 10 мкм и длине взаимодействия L = 10-3 м максимальный угол отклонения от первоначального направления распространения составляет 5 градусов. Даже при невысоких интенсивностях звуковой волны выводимое электромагнитное излучение достаточно велико для регистрации его современными фотоприемниками. При фиксированной интенсивности звука, путем изменения области озвучивания L можно добиться максимального значения интенсивности в дифракционном максимуме, тем самым увеличить интенсивность света отводимого в канал утечки. – оптическое туннелирование света, т.е. приведение в оптический контакт с волокном другого оптического волокна с показателем преломления равным или большим основного, что приводит к “захвату” части информационного светового потока без обратного рассеянного излучения; Явление оптического туннелирования состоит в прохождении оптического излучения из среды показателем преломления n1 через слой с показателем преломления n2 меньшим n1 в среду с показателем преломления n3 при углах падения больших угла полного внутреннего отражения.

На принципах оптического теннелирования в интегральной и волоконной оптике создаются такие устройства как оптический ответвитель, оптофоны, волоконно-оптические датчики физических величин. Формирование канала утечки оптическим туннелированием; n1, n2 – показатели преломления сердцевины и оболочки оптоволокна, n3 – показатель преломления дополнительного оптоволокна.

Интенсивность излучения переходящего в дополнительный волновод определяется выражением: I = I0 sin 2 (k. S), (2.3) где k – коэффициент связи оптических волокон, S – длина оптического контакта двух волокон.

Максимум значения коэффициента связи достигается при нулевом расстоянии между оболочкой и дополнительным оптоволокном (l=0) и показателе преломления дополнительного волокна n3 = n1. Излучение периодически переходит из одного волновода в другой.

Отличительной особенностью оптического туннелирования является отсутствие обратно рассеянного излучения, что затрудняет детектирование несанкционированного доступа к каналу связи. Этот способ съема информации наиболее скрытный. – специальные напыляемые покрытия и оптические смазки основного оптоволокна, которые приводят к эффекту интерференции света в тонких пленках, что позволяет выводить часть излучения также без обратного рассеяния; – воздействие стационарных электромагнитных полей, что вызывает изменение оптических свойств на границе сердцевина – оболочка оптоволокна, которое приводит к нарушению полного внутреннего отражения.

Надо отметить, несмотря на то, что изменения значения предельного угла, вызываемое как механически напряжениями, так и электрическим полем малы, но комплексное воздействие с другими способами может привести к эффективному способу формирования канала утечки.

Рассмотренные выше методы обладают одним недостатком, который позволяет легко фиксировать каналы утечки, созданные на их основе. Это определяется значительным обратным рассеянием света в местах каналов утечки. С помощью рефлектометрии обратно рассеянного света такие подключения легко детектируются с высоким пространственным и временным разрешением. 2. Нарушение отношения показателей преломления Растяжение представляет собой механическое воздействие без изменения формы волокна.

Растяжение волокна вызывает изменение отношения показателя преломления оболочки к показателю преломления сердцевины оптоволокна. С учетом того, что плавленый кварц выдерживает большие напряжения (до 106 Па в идеальном состоянии), то, прикладывая большие механические напряжения к оптоволокну, можно добиться изменения предельного угла на величину, достаточную для вывода части интенсивности основного информационного потока за пределы оптического волокна.

К способам, вызывающим изменение отношения показателя преломления оболочки к показателю преломления сердцевины оптоволокна путем механического напряжения, также относится и скручивание оптоволокна. 3. Регистрация рассеянного излучения Современные оптические волноводы обладают очень маленькими потерями (вплоть до 0,2 дБ/км и менее на длине волны 1,55 мкм) – это позволяет передавать информацию на значительные расстояния без необходимости усиления сигнала.

Расстояния между участками ретрансляции составляет более 100 км, что требует генерации световых импульсов значительной мощности. Высокие мощности входного светового потока создают значительное по величине рассеяние на ближайших к ретрансляторам участках, которые можно использовать для формирования каналов утечки информации. Современные приемники оптического излучения позволяют регистрировать световые потоки состоящие практически из одного фотона с временным разрешением менее 1 нс, что соответствует регистрации оптической мощности излучения менее 10-10 Вт. Рассеянное излучение позволяет сформировать каналы утечки информации, основанные на следующих физических принципах: – прямое измерение рассеянного излучения на длинах волн носителя информации ; – регистрация рассеянного излучения на комбинационных частотах; – специальная “обработка” оптоволокна внешними полями (тепловым, электромагнитным, радиационным), с целью увеличения интенсивности рассеянного излучения.

С помощью внешнего воздействия можно усилить потери в световоде на локальных участках формирования каналов утечки, что вызовет увеличение сигнала утечки. 4. Параметрические методы регистрации проходящего излучения Оптическое излучение, являющееся носителем информации, при распространении по оптоволокну вызывает изменение его физических свойств.

Модуляцию свойств оптоволокна в зависимости от интенсивности световых импульсов можно регистрировать специальными высокочувствительными устройствами.

Изменение свойств оптоволокна является основой для формирования канала утечки информации. Среди них можно выделить следующие параметры оптоволокна, модулируемые световым потоком: - показатель преломления; - показатель поглощения при прохождении света; - малые изменения геометрических размеров (фотоупругий эффект); - регистрация модуляции свойств поверхности волокна. Существующая техника измерений позволяет регистрировать очень малые изменения свойств волокна. В частности, применение спектроскопии потерь позволяет регистрировать незначительное изменение показателя поглощения, которое вызывается информационным потоком света.

В заключение надо отметить, что существует много других способов несанкционированного доступа и способов съема информации с оптоволокна. Это опровергает утверждение о невозможности формирования канала утечки из оптического волновода, которое прослеживается в повседневной жизни и в российских нормативных документах. В документе закреплено, что при использовании волоконно-оптических линий связи не требуется шифрование конфиденциальной информации, в отличии от других каналов передачи информации.

Особенностью волоконно-оптических телекоммуникаций является необходимость физического контакта с линией связи для формирования канала утечки. 3. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА УЯЗВИМОСТИ ВОЛС Почти все преимущества ВОЛС не вызывают сомнений, но тезис о хорошей защищенности волоконно-оптической линии связи требует разъяснений [2]. Определимся, что применительно к ВОЛС это означает невозможность перехвата информации без физического нарушения целостности волоконно-оптической линии и отсутствие паразитных наводок.

В Центре компетенций компании «ОТ» был собран стенд для исследования возможной уязвимости ВОЛС, представляющий собой модель распределенного центра обработки данных. Оптическая магистраль имитировалась кросс-панелью с петлей из разделанного многожильного оптического кабеля для внешней проводки. В качестве перехватчика использовалось пассивное устройство типа «ответвитель-прищепка» FOD 5503. Такое устройство создает микроизгиб в волокне и ответвляет сигнал, который может быть получен через имеющийся патч-корд. В процессе тестирования удалось перехватить сигнал, передаваемый в одном направлении.

Следует отметить, что описанные действия можно выполнить без применения специализированного дорогостоящего инструмента (приемлемая стоимость средств перехвата позволяет их использовать не только организациям, но и частным лицам) и за сравнительно небольшое время.

Линии связи остались без разрывов: в процессе подготовки стенда кабель был освобожден лишь от внешних защитных оболочек, а волокна находились в защитном цветном буфере толщиной 250 мкм. Из результатов эксперимента следует такой вывод: уязвимость ВОЛС доказана на практике. А потому в связи с возможностью компрометации передаваемых данных или их модификации необходимо использовать средства криптографической защиты информации, передаваемой по ВОЛС. 4. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО ВОЛС 4.1.