CC BY
629
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА БЕСПРОВОДНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Жук
Александр Павлович,
к.т.н., профессор, профессор Северо-Кавказкого федерального университета, г. Ставрополь, Россия, alekszhuk@mail.ru
Осипов
Дмитрий Леонидович,
к.т.н., доцент Северо-Кавказкого федерального университета, г. Ставрополь, Россия, dmtrosipov@ya.ru
Гавришев
Алексей Андреевич,
аспирант Северо-Кавказкого федерального университета, г. Ставрополь, Россия, alexxx.2008@inbox.ru
Бурмистров,
Владимир Александрович
аспирант Северо-Кавказкого федерального университета, г. Ставрополь, Россия, vladalburmistrov@mail.ru
?
О л л С
Ключевые слова:
беспроводной канал связи; робототехнические системы; защита; несанкционированный доступ; хаотические широкополосные сигналы.
В настоящее время для решения задач охраны территорий и объектов, решения специальных задач, а также задач ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, проведения медицинских операций все чаще находят применение роботы, оснащенные различными датчиками, средствами наблюдения, навигации и связи. В наземной робототехнике специального назначения одними из наиболее востребованных направлений являются: построение автономных роботов и дистанционное управление роботом (группой роботов) посредством оператора или при помощи запрограммированных команд, поступающих с управляющего сервера. Построение автономных роботов является достаточно сложной задачей. Дистанционное управление осуществляется за счет беспроводной системы связи, которая является одним из наиболее уязвимых элементов робототехнического комплекса, подверженных различным угрозам. К таким угрозам относятся просмотр, подмена, перехват и подавление помехами передаваемой управляющей информации. Целью статьи является обоснование необходимости применения для беспроводного канала управления робототехническим комплексом специального назначения перспективных систем связи с широкополосными сигналами. В результате анализа установлено, что наиболее распространенными методами защиты информации в беспроводных системах являются: криптографические методы защиты, VPN (виртуальные частные сети), широкополосные сигналы, изменение параметров радиосигналов (частота, мощность) и смешанные методы. Встроенные системы защиты информации (криптография, широкополосные сигналы), используемые в наиболее распространенных стандартах беспроводной связи IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11, IEEE 802.16, GSM, 3G, хорошо описаны и исследованы. Однако существующий современный арсенал средств радиоэлектронного подавления данных систем беспроводной связи позволяет эффективно дестабилизировать их работу. Использование криптографических методов защиты обеспечивает защиту от просмотра и подмены информации, однако не является эффективным против перехвата информации и подавления информационного сигнала помехами. Установлено, что предпочтительным методом, обеспечивающим одновременно защиту конфиденциальности, целостности и доступности передаваемого трафика, а также повышающим защищённость информации от воздействия помех, является применение широкополосных сигналов. В качестве перспективного направления предлагается использование хаотических широкополосных сигналов. Предлагаемый подход основан на использовании перезаписываемых накопителей хаотических последовательностей, позволяющих использовать уникальные наборы хаотических сигналов. Данный подход позволит значительно увеличить защищенность беспроводного канала управления робототехническими комплексами специального назначения от дестабилизирующих факторов.
Введение
В настоящее время для решения задач охраны территорий и объектов, решения специальных задач, а также задач ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, проведения медицинских операций все чаще находят применение роботы, оснащенные различными датчиками, средствами наблюдения, навигации и связи. В наземной робототехнике специального назначения одними из наиболее востребованных направлений являются [3]: построение автономных роботов и дистанционное управление роботом (группой роботов) посредством оператора или при помощи запрограммированных команд, поступающих с управляющего сервера.
Построение автономных роботов - это достаточно сложная задача, которая включает в себя такие области знания, как нечеткую логику, искусственный интеллект, нейронные сети и некоторые другие виды. Дистанционное управление роботом на сегодняшний день осуществляется в основном за счет использования беспроводной связи.
Беспроводной канал связи является одним из наиболее уязвимых элементов робототехнического комплекса. Несанкционированный доступ (просмотр, подмена, перехват и подавление помехами), направленный на нарушение работы робота, может привести к критическим последствиям. По этой причине анализ методов защиты от угроз информационного обмена в беспроводном канале управления робототехнических систем специального назначения является актуальной задачей.
Целью статьи является обоснование необходимости применения для беспроводного канала управления робототехническим комплексом специального назначения перспективных систем связи с широкополосными сигналами.
Задачами статьи являются:
- анализ методов защиты беспроводного канала управления робототехническим комплексом специального назначения от дестабилизирующих факторов;
- разработка предложений по повышению защищенности беспроводного канала связи робототехнического комплекса от воздействия дестабилизирующих факторов.
Основная часть
Анализ источников показал, что в настоящее время методы защиты каналов беспроводной связи робо-тотехнических систем специального назначения целесообразно разделить на следующие группы:
- криптографические;
- VPN (виртуальные частные сети);
- широкополосные сигналы;
- изменение параметров радиосигнала (частота, мощность);
- смешанные методы.
Проведем анализ отмеченных методов с точки зрения целесообразности их использования при управлении робототехническими комплексами специального назначения.
Рассмотрим криптографические методы защиты информации. Известна методика защиты управляющего оптического канала группы роботов с помощью алгоритмов вычисления многозначно-логических функций, задаваемых в рамках дискретной k-значной алгебры Ал-лена-Живона. Кроме того, данная методика применяется для защиты памяти робота от несанкционированного доступа в случае взлома аппаратного устройства. Данный подход мало проработан, поэтому он может при соответствующей проработке использоваться в рассматриваемой предметной области1. Известен метод улучшения стандартной системы безопасности беспроводной сети стандарта IEEE 802.11, основанный на алгоритме WEP и алгоритме SPEKE, позволяющий одновременно производить шифрование данных, аутентификацию сторон и обмен ключами. Отличительной чертой данного усовершенствованного способа является распространение защиты радиоканала на охранных роботов, основными атаками на которые являются просмотр и подмена трафика, и которым предлагаемый способ успешно может противостоять2. В работе [4] описывается роботизированная транспортная платформа, предназначенная для дистанционной работы в условиях боевых действий. Защита радиоканала осуществляется с помощью криптографических преобразований. В работе [7] предлагается использовать метод преобразования информационных потоков, основанный на матричном умножении в поле GF(2) для защиты радиоканала робототехнического комплекса. Реализация данного преобразования не требует перестройки оборудования и программного обеспечения, хорошо согласуется с кодированием и декодированием сообщений, обеспечивает обнаружение и исправление ошибок, возникающих в канале связи, а также решение задач распределенного доступа. Известен способ удаленного управления роботом для диагностики ядерных объектов на атомных электростанциях в условиях повышенной радиационной опасности через IEEE 802.11. Данный способ направлен, в первую очередь, на решение проблемы замирания и многолучевого распространения сигнала в изогнутых туннелях3. В работе [10] рассматривается промышленный робот, применяемый в тяжелых условиях, например, Крайнего Севера или Арктики для действий, которые несут потенциальный вред для человека (ликвидация чрезвычайных последствий, разбор завалов, сложные погодные условия). В качестве каналов связи могут использоваться распространенные стандарты связи IEEE 802.15.1, IEEE 802.11, IEEE 802.15.4.
Общим недостатком применения криптографических методов защиты является сложность аппаратной реализации при увеличении размерности ключа,
1 Разработаны новые методы защищенного кодирования информации // АНИ «ФИАН-информ». URL: http://www.flan-inform.ru/priborostroenie/item/323-raz-rabotany-novye-metody-zashchishchennogo-kodirovaniya-informatsii
2 Успенский А.Ю. Защита информации в радиоканалах мобильных робототех-нических комплексов: автореферат дис. ... канд. тех. наук. Москва, 2006. 29 с.
3 Ramviyas Nattanmai Parasuraman Wireless communication enhancement methods
for mobile robots in radiation environments, PhD Thesis, The Technical University of
Madrid, Spain, 2014, 194 p.
а также значительная задержка по времени, возникающая при реализации процедуры шифрования-расшифрования сообщений.
Рассмотрим использование VPN (виртуальные частные сети) для решения задачи защиты беспроводных каналов связи. Известно использование роботов для решения медицинских задач, в которых для защиты радиоканалов управления от несанкционированного доступа (НСД) предлагается использовать защищенное VPN соединение4.
Основным недостатком использования VPN является его дороговизна. Кроме того, VPN присущи недостатки аналогичные криптографическим методам защиты.
Рассмотрим использование широкополосных сигналов (ШПС). В работе [1] исследуется задача удаленного управления наземными роботами в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 гг.». В результате исследований было установлено, что использование универсальных радиомодемов УКВ-диапазона для передачи данных с использованием сигнально-кодовых конструкций на основе OFDM-модуляции, работающих в диапазоне частот 100500 МГц, обеспечивает надежную защищенную передачу информации в экстремальных условиях (многолучевое распространение сигнала, эффект Доплера, замирание сигнала) с возможностью увеличения зоны покрытия за счет ретрансляторов сигнала. Однако, влияние преднамеренных помех и НСД к радиоканалу пока исследовано не было. Известен мобильный робот-разведчик «Инженер», который обладает стереозрением и может поднимать видеокамеру на уровень 130 см. Данный робот использует псевдослучайную перестройку частоты (ППРЧ) радиоканала для защиты сжатых видеоданных от перехвата и подавления преднамеренными помехами. В настоящее время данный робот проходит полевые испытания5. В работе [8] предлагается использовать шифрование пакетов с использованием нелинейных динамических систем (НДС) с хаотической динамикой. Шифрование данных на стороне сервера осуществляется их сложением с хаотическим сигналом. На стороне робота производится обратная операция. В том случае, когда хаотические сигналы, вырабатываемые на обеих сторонах, синхронизированы, происходит восстановление зашифрованной информации. Ключом к защищенным пакетам будет служить набор управляющих параметров, при которых выполнялось формирование хаотической последовательности. В качестве недостатка можно указать недостаточную защищенность от НСД, так как набор используемых хаотических сигналов ограничен и может стать известным третьи лицам в результате наблюдений за радиоканалом. Известно применение мобильного робота для функционирования
4To make a robot secure: anexperimental analysis ofcybersecuritythreats against teleoperated surgical robots // Cornell University library. URL: http://arxiv.org/abs/1504.04339. 5 Сжатие видеопотока для ППРЧ связи мобильных роботов. URL: http://vpk. name/news/128791_szhatie_videopotoka_dlya_pprch_svyazi_mobilnyih_robot-ov.html#prettyPhoto.
в экстремальных условиях при локализации чрезвычайных происшествий. В системе управления в качестве сигналов используются фазоманипулированные сигналы. Отличительной чертой данного подхода является использование в качестве приемного устройства шумоподобно-го сигнала спинового эхо-процессора, обеспечивающего помехоустойчивую связь робота с оператором. За счет использования данной системы передачи информации повышается защищенность радиоканала от НСД6.
ШПС обладают следующими общими преимуществами: высокой помехоустойчивостью и защищенностью от НСД, возможностью борьбы с многолучево-стью и интерференцией сигнала. К общим недостаткам систем передачи информации с ШПС можно отнести сложность приемо-передающей аппаратуры, необходимость наличия устойчивой синхронизации, малый объем используемых последовательностей, а также наличие внутрисистемных помех.
Рассмотрим использование изменения параметров радиосигнала (частота, мощность) как метода защиты беспроводного канала от НСД. В работе [6] описывается система управления боевой роботизированной платформой. Указывается, что благодаря данному способу, в том числе, возможно, перестраивать параметры радиоканала (частота, режим канала), мощность излучения и параметры маскировки данных. Перестройка параметров радиоканала и мощности излучения без дополнительных средств защиты не является эффективным методом защиты от НСД и помех.
Рассмотрим смешанные методы защиты. Известен подход для удаленного управления роботом через беспроводное подключение 3G с помощью специально разработанного программного обеспечения, которое позволяет снизить количество передаваемой информации для устойчивости канала связи с роботом. В качестве метода защиты применяются криптография и широкополосные сигналы7. В работе [9] предлагается для повышения защищенности радиоканала робото-технических средств использовать мобильные ретран-сляторные центры (МРЦ). МРЦ позволяют создавать защищенные VPN соединения с использованием ресурсов спутниковой связи, систем сотовой связи (GPRS/ GSM, 3G) и систем беспроводной передачи данных IEEE 802.16. В качестве метода защиты применяются VPN, криптография и широкополосные сигналы.
К характерным недостаткам для криптографических методов, методов VPN и методов применения широкополосных сигналов следует добавить изначальное предназначение сетей IEEE 802.16, GSM, 3G для решения задач информационного обмена широкого круга пользователей, что может вызывать сложности их применения в специальных целях.
6 Страхолис А.А., Олейников В.Т., Петренко А.Н. Прием сигналов ВИМ-ШПС в системе дистанционного управления роботом-оператором. URL: http://conf. mirea.ru/CD2013/pdf/p4/1.pdf.
7 «Ортоног» продемонстрировали ученым. URL: http://vpk.name/news/97774_ ortonog_prodemonstrirovali_uchenyim.html.
Результаты анализа
Как видно из приведенного анализа, широкое распространение в качестве каналов беспроводной связи наземных роботов специального назначения получили стандарты передачи информации IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11, IEEE 802.16, GSM, 3G. Встроенные системы защиты информации (криптография, широкополосные сигналы), используемые в упомянутых стандартах, хорошо описаны и исследованы, но в специальных целях их применение неэффективно, поскольку связано с появлением существенных недостатков.
Для повышения защищенности информационного обмена в роботизированных комплексах необходима разработка принципиально новых систем связи оператора (сервера) с роботом, обеспечивающих скрытые и поме-хозащищённые режимы приема и передачи сигналов [3].
Применение криптографии, как способа защиты, обеспечивает защиту от просмотра и подмены трафика, однако данный метод неэффективен при перехвате информации и подавлении информационного канала преднамеренными помехами.
Эффективным методом, обеспечивающим одновременно защиту от просмотра, подмены, перехвата и наложения помех, выступают широкополосные сигналы. В источнике [5] описано использование широкополосных сигналов для систем связи наземных роботов стран-участниц блока НАТО. Данные системы связи должны отвечать следующим требованиям:
- широкая полоса пропускания;
- скрытность;
- помехозащищенность;
- противодействие несанкционированному доступу.
Рассмотренные выше методы защиты каналов беспроводной связи на основе применения широкополосных сигналов могут быть применены, однако они обладают следующими недостатками: незначительное количество последовательностей, отсутствие возможности периодической смены используемых сигналов.
По мнению авторов, перспективным направлением в защите беспроводного канала управления от НСД является использование хаотических широкополосных сигналов. Предлагаемый подход основан на использовании перезаписываемых накопителей хаотических последовательностей, позволяющих использовать уникальные наборы хаотических сигналов [2]. Данный подход позволит значительно увеличить защищенность беспроводного канала управления робототехническими комплексами специального назначения, как от несанкционированного доступа, так и от воздействия помех.
Выводы
Таким образом, в данной статье был проведен анализ методов защиты беспроводного канала связи робототехнических систем от несанкционированного доступа, в результате которого было установлено, что:
- широкое распространение в управлении наземными роботами специального назначения получили каналы бес-
проводной связи стандартов IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11, IEEE 802.16, GSM, 3G, которые сравнительно легко подавляются средствами радиоэлектронной борьбы;
- эффективным методом одновременной защиты как от НСД, так и от помех, является применение широкополосных сигналов;
- основными недостатками ШПС являются незначительное количество последовательностей и отсутствие возможности периодической смены используемых сигналов;
- в качестве перспективного направления, позволяющего уменьшить недостатки систем с ШПС, предлагается использование перезаписываемых накопителей хаотических последовательностей, позволяющих использовать уникальные наборы хаотических сигналов.
Литература
1. Гугалов К.Г. Оборудование беспроводной передачи информации для наземных робототехнических комплексов ff Технологии и средства связи. 2013. № 3. С. 14-15.
2. Патент РФ 2326500. Когерентная система передачи информации хаотическими сигналами f Барке-тов С.В., Жук А.П., Сазонов В.В., Авдеенко С.И., Жук Е.П., Лохов В.И., Голубь Ю.С. Заявл. 16.08.2006. Опубл. 10.06.2008. Бюл. № 16. 6 с.
3. Корсунский В.А., Наумов В.Н. Перспективы развития военных мобильных робототехнических комплексов наземного базирования в России ff Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 10. С. 29-37.
4. Патент РФ 2506157. Роботизированная транспортная платформа f Громов В.В., Липсман Д.Л., Мосалев С.М., Рыбкин И.С., Синицын Д.И., Фуфаев Д.А., Хитров В.А. Заявл. 06.11.2012. Опубл. 10.02.2014. Бюл. № 2. 10 с.
5. Сердюк П.Е., Слюсар В.И. Средства связи с наземными роботизированными системами: современное состояние и перспективы ff Электроника: наука, технология, бизнес. 2014. № 7 (139). С. 66-79.
6. Патент РФ 2544740. Система управления боевой роботизированной платформой f Громов В.В., Липсман Д.Л., Мосалев С.М., Рыбкин И.С., Синицын Д.И., Фуфаев Д.А., Хитров В.А. Заявл. 26.11.2013. Опубл. 20.03.2015. Бюл. № 8. 10 с.
7. Скуратов В.В. Матричное умножение над полем GF(2) в защите беспроводных каналов систем управления робототехническим комплексом ff Информационно-управляющие системы. 2013. № 4. С. 88-90.
8. Сычев В.А. Способ централизованного управления группой роботов по общему каналу ff Материалы междунар. науч.-техн. конф. - БГУИР, Минск, 18-19 марта 2014: в 2 ч. Минск: БГУИР, 2014. Ч. 1. С. 304-305.
9. Цариченко С.Г. Экстремальная робототехника в МЧС России - задачи и перспективы ff Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza. 2012. № 4(28). С. 97-105.
10. Patent US9132551. Teleoperated industrial robots f Zhang B., Staab H., Wang J., Zhang G.Q., Boca R., Choi S., Fuhlbrigge T.A., Kock S., Chen H. Declared 08.11.2013. Published 05.06.2014. 6 p.
Для цитирования:
Жук А.П., Осипов Д.Л., Гавришев А.А., Бурмистров В.А. Анализ методов защиты от несанкционированного доступа беспроводных каналов связи робототехнических систем // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 2. С. 38-42.
ANALYSIS METHODS OF PROTECTION AGAINST UNAUTHORIZED ACCESS WIRELESSLY ROBOTIC SYSTEMS
Zhuk Aleksandr Pavlovich,
Stavropol, Russia, alekszhuk@mail.ru
Osipov Dmitrii Leonidovich,
Stavropol, Russia, dmtrosipov@ya.ru
Gavrishev Aleksei Andreevich,
Stavropol, Russia, alexxx.2008@inbox.ru
Burmistrov Vladimir Aleksandrovich,
Stavropol, Russia, vladalburmistrov@mail.ru
Abstrart
Nowadays, to solve the problems of protection of territories and objects, special tasks and tasks of disaster management, conduct medical operations are increasingly being used robots equipped with different sensors, surveillance, navigation and communication. The ground robotics, special purpose among the most popular destinations are: the construction of autonomous robots and remote control robot (a group of robots), by the operator or by means of pre-programmed commands from the control server. The construction of autonomous robots is quite a challenge. Remote control is performed by a wireless communication system, which is one of the most vulnerable elements of the robotic system, subject to various threats. Such threats include viewing, substitution, interception and jamming transmit control information. The aim of the article is to study the need for a wireless control channel robotic system perspective, special purpose communications systems with spread spectrum signals. The analysis found that the most common methods of information security in wireless systems are cryptographic methods of protection, VPN (virtual private network), spread spectrum signals, changing the radio signal (frequency, power) and mixed techniques. Embedded information protection system (cryptography, spread spectrum signals) used in the most common wireless communication standards IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4, IEEE 802.1 1, IEEE 802.16, GSM, 3G, well characterized and studied. However, there are modern arsenal of jamming data wireless communication systems can effectively destabilize their work. The use of cryptographic methods of protection provides protection against spoofing and view information, but is not effective against interception and jamming. It was found that the preferred method of providing at the same time protecting the confidentiality, integrity and availability of data traffic, and increases the security of information on the impact of interference is the use of spread spectrum signals. As a promising area of proposed use of chaotic spread spectrum signals. The proposed approach is based on rewritable drives chaotic sequences, allowing the use of a unique set of random signals. This approach will signifi-
cantly increase the security of the wireless channel control robotic systems, special purpose of destabilizing factors. Keywords: wireless link; robotic systems; protection; unauthorized access; chaotic spread spectrum signals.
References
1. Gugalov K.G. Equipment wireless data transmission for terrestrial robotic systems. Communication Technologies & Equipment. 2013. No. 3. Pp. 14-15. (In Russian).
2. Patent RF 2326500. Kogerentnaja sistema peredachi informacii haoticheskimi signalami [Coherent data transmission system using random signals]. Barketov S.V., Zhuk A.P., Sazonov V.V., Avdeenko S.I., Zhuk E.P., Lokhov V.I., Golub' J.S. Declared 16.08.2006. Published 10.06.2008. Bulletin No. 16. 6 p. (In Russian).
3. Korsunkiy V. A., Naumov V. N. Prospects of development of military mobile robotic ground-based complexes in Russia. Engineering Journal: Science and Innovation. 2012. No. 10. Pp. 29-37. (In Russian).
4. Patent RF 2506157. Robotizirovannaja transportnaja platforma [Robot transport platform]. Gromov V.V., Lipsman D.L., Mosalev S.M., Rybkin I.S., Sinitsyn D.I., Fufaev D.A., Khitrov V.A. Declared 06.11.2012. Published 10.02.2014. Bulletin No. 2. 10 p. (In Russian).
5. Serduk P.E., Slusar V.I. Means of communications with terrestrial robotic systems: state-of-art and future directions. Electronics: science, technology, business. 2014. No. 7. Pp. 66-79. (In Russian).
6. Patent RF 254470. Sistema upravlenija boevoj robotizirovannoj platformoj [Management system of battle robotic platform]. Gromov V.V., Lipsman D.L., Mosalev S.M., Rybkin I.S., Sinitsyn D.I., Fufaev D.A., Khitrov V.A. Declared 26.11.2013. Published 20.03.2015. Bulletin No. 8. 10 p. (In Russian).
7. Skuratov V.V. Matrix multiplication above a GF(2) field to protect wireless channels of robotic complex control systems. Information and Control Systems. 2013. No. 4. Pp. 88-90. (In Russian).
8. Sychev V.A. Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konfer-encija - BGUIR [International Scientific Conference - BGUIR]. In 2 pt. Minsk: BGUIR, 2014. Pt. 2. Pp. 304-305.
9. Carichenko S. G. Extreme robotics in the Russia's Ministry of emergency situations - challenges and perspectives. Safety & Fire technique. 2012. No. 4(28). Pp. 97-105.
10. Patent US 9132551. Teleoperated industrial robots. Zhang B., Staab H., Wang J., Zhang G.Q., Boca R., Choi S., Fuhlbrigge T.A., Kock S., Chen H. Declared 08.11.2013. Published 05.06.2014. 6 p.
Information about authors:
Zhuk A.P., Ph.D., professor, professor of the North-Caucasus Federal University;
Osipov D.L., Ph.D., associate professor of the North-Caucasus Federal University;
Gavrishev A.A., Burmistrov V.A., postgraduate students of the North-Caucasus Federal University.
For citation:
Zhuk A.P., Osipov D.L., Gavrishev A.A., Burmistrov V.A. Analysis methods of protection against unauthorized access wire-lessly robotic systems. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 2. Pp. 38-42.
