CC BY
250
УДК 534.782.001
Ю. Г. Горшков
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ ИЗ ПОМЕЩЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-ТЕХНОЛОГИЙ
Представлены результаты многоуровневого вейвлет-анализа аудиозаписей, выполненных в помещениях с различной акустической обстановкой. Выявлен низкочастотный канал утечки речевой и биометрической информации. Показано, что используемые сертифицированные средства виброакустической защиты не обеспечивают «перекрытия» низкочастотного акустического канала — фона сети питания и биометрических сигналов. Сформулированы предложения по модернизации и дополнительному тестированию используемой аппаратуры защиты помещений от утечки речевой информации.
E-mail: ygorshkov@rambler.ru
Ключевые слова: акустический канал утечки информации, вейвлет-
анализ, виброакустическая защита.
Защита речевых данных от возможной утечки по техническим акустическим каналам является одной из наиболее важных задач обеспечения информационной безопасности как в государственных, так и коммерческих структурах. Постоянное совершенствование технологий акустической (речевой) разведки противника и новых цифровых методов обработки сигналов требует новых подходов по реальной оценке используемых средств виброакустической защиты помещений.
Методика эффективности защиты речевой информации от утечки по техническим каналам. При решении задач защиты выделенных помещений от утечки информации по техническим каналам вводятся показатели и критерии оценки возможностей средств акустической разведки противника. В качестве показателя оценки возможностей акустической разведки используют словесную разборчивость речи, под которой понимают относительное количество (в процентах) правильно понятых оператором слов из перехваченного разговора.
В [1] приведены методика оценки словесной разборчивости речи и аналитические выражения, позволяющие рассчитать отношение сигнал/шум в местах возможного размещения датчиков средств акустической разведки. Для оценки защиты выделенных помещений введены критерии эффективности их защиты [2].
При акустической экспертизе помещений используют методы расчета и измерения разборчивости речи, основанные на оценке ее фор-
мантной структуры. По спектральному составу звуки речи различаются числом формант и их расположением в частотной области. Следовательно, разборчивость речи зависит прежде всего от того, какая часть формант восстановлена при перехвате акустического сигнала без искажений. Форманта может характеризоваться как занимаемой ею частотной полосой, так и средней частотой, соответствующей максимуму амплитуды или энергии составляющих в формантной полосе, а также средним уровнем этой энергии и временным интервалом своего развития. Форманты звуков речи расположены в области частот 150...8 600 Гц. Таким образом, речевой сигнал — процесс, развивающийся во времени и по частоте, можно рассматривать как взаимное наложение его гармонической и формантной структуры.
Смысловое содержание речевого сообщения определяется динамикой перестройки формантной структуры или огибающей спектра. Процесс речеобразования, связанный с динамикой этой огибающей, часто называемой фонетической функцией Пирогова, удобно исследовать посредством цифрового спектрально-временного анализа спектрограмм [2].
Для оценки разборчивости речи наиболее часто используют инструментально-расчетный метод, суть которого заключается в следующем [3]. Спектр речи разбивается на семь октавных полос со средними значениями частот: 125, 250, 500, 1 000, 2 000, 4 000 и 8 000 Гц. Для каждой октавной частотной полосы экспериментально определяются формантный параметр ДА/, дБ, характеризующий энергетическую избыточность дискретной составляющей речевого сигнала (избыточность обусловлена наличием в речи неформантных составляющих, к которым относятся основные тоны, области частот между формантами и составляющие, зависящие от индивидуальных особенностей говорящих), а также весовой коэффициент, характеризующий вероятность наличия формант речи в данной октавной полосе частот.
Аппаратура защиты речевой информации в помещении. Такая аппаратура предназначена для защиты помещений от утечки речевой информации в выделенных помещениях. Принцип ее действия основан на маскировании виброакустического речевого сигнала в среде его распространения другим, специально сформированным сигналом. В этой аппаратуре формируется сигнал, приближенный по своим спектральным характеристикам к речевому сигналу, что обеспечивает эффект маскирования речи в соответствии с требованиями, т. е. достижение заданной степени маскирования при меньшей среднестатистической мощности маскирующего сигнала.
Далее представлены частотные характеристики аппаратуры защиты выделенных помещений от акустической разведки и анализа защищенности:
Название аппаратуры
«Барон S1»..........................................
«БАРОН DIGITAL»..............................
«Кедр»................................................
«ЛГШ-404»..........................................
«Соната АВ» мод. 1М.............................
«Соната АВ» мод. 3М.............................
«Стена-02»..........................................
«Стена-105».........................................
«Стена-109».........................................
«Шелест-4к»........................................
«Шорох-2М».......................................
ANG-2000 ............................................
ВВ 301 ................................................
SEL SP-51A..........................................
SI-3002 ................................................
SPP-4..................................................
VNG-006D/VNG-012GL...........................
WNG-023 .............................................
Автоматизированная система оценки защищенности выделенных помещений от утечки информации по вибрационному и акустическому каналам «ШЕПОТ»........................
Анализатор виброакустической защиты SI-4000 ................................................
Полоса частот генерируемых сигналов, Гц 60-16 000 150-15 000 200-15 000 90-11 200 175-5 600 90-11 200 200-12 000 100-8 000 75-11 500 170-5 700 100-12 000 250-5 000 250-8 000 100-11 000 250-5 000 200-6 300 175-5 600 100-12 000
100-12 000 250-4 000
Все указанные средства сертифицированы ФСТЭК России.
Для всех типов аппаратуры акустической защиты помещений низкочастотный канал утечки информации фона сети питания и биометрических сигналов (10. 60 Гц) практически не перекрывается возможностями аппаратуры защиты. Распространенная в последние годы автоматизированная система оценки защищенности выделенных помещений от утечки информации по вибрационному и акустическому каналам «ШЕПОТ» также не позволяет анализировать сигналы в области частот менее 100 Гц.
Исследование акустических каналов утечки информации из помещений. За период с 2004 по 2011 г. кафедрой «Информационная безопасность» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ЗАО «НПО «Эшелон» проведены поисковые исследования по оценке акустических каналов утечки речевой информации из помещений с использованием технологии многоуровневого вейвлет-анализа. Выполнена обработка более 500 аудиозаписей, зарегистрированных в различной акустической обстановке 30 различных помещений с целью выявления как дополнительных каналов утечки информации, так и биометрических сигналов акустического поля человека при различной эмоциональной нагрузке [4].
Рис. 1. Микрофон Logitech USB Desktop (100 Гц...16 кГц). Регистрация акустических сигналов с использованием звукового редактора SoundEdit, 8 кГц, 16 бит
Рис. 2. Гном-2М — портативный стереофонический цифровой диктофон (20 Гц...20 кГц). Регистрация акустических сигналов 16 кГц, 16 бит
На рис. 1 и 2 приведены основные технические характеристики средств съема и регистрации акустических сигналов.
В ходе проведенных исследований разработана технология нового поколения обработки сигналов «звуковой микроскоп» на основе многоуровневого вейвлет-анализа (МВА). Отличительная особенность МВА-технологии заключается в повышенной точности обработки сложных нестационарных акустических сигналов малого уровня.
На рис. 3 представлена структура исследовательского комплекса «Фон» обработки акустических сигналов, в состав которого входит специализированное программное обеспечение (СПО) вейвлет-анали-за WaveView-4.
СПО WaveView-4 комплекса «Фон» обеспечивает многоуровневый анализ с использованием материнских вейвлетов Морле, Шеннона и «Мексиканская шляпа».
Существенные преимущества вейвлет-анализа по сравнению с традиционным анализом на основе преобразования Фурье при обработке речевых и биометрических сигналов изложены в работах [5, 6].
На рис. 4 представлена вейвлет-сонограмма, или изображение «видимый звук», акустического сигнала, зарегистрированного в помещении, из которого ведутся переговоры с использованием аппаратуры засекречивания, подключенной к абонентской линии телефонной сети общего пользования.
Телефонный канал сети ТфОП
Телефонный канал стандарта DECT
Сотовый канал стандарта GSM
Устройство
ввода/вывода
STC-H205/4
8,16 кГц; 16 бит; 4 канала
Устройство ввода/вывода STC-H246 «Камертон» 4-200 кГц; 24 бит
ПК
Pentium IV
2 ГГц ОЗУ 1 Гб HDD 1б0 Гб
СПО WaveView-4
Дисплей с разрешением 1280х1024
V-
V
Цифровой микрофон Logitech USB Desktop Micro-
Цифровой стереофонический диктофон Гном-2М
Card reader
Черно-белый лазерный принтер с разрешением
1200 ар1
Рис. 3. Структура исследовательского комплекса «Фон»
0.000000 ;_5.□□□□00 s_10.000000 ?_15.000000 ?_20.000000 s_25.000000 i_30.000000 :_35.000000 ;
0.000000? 41.754308 4Б11 Нг
Рис. 4. Вейвлет-сонограмма сигналов акустического поля помещения при работающем телефонном шифраторе. В нижней части изображения выделен низкочастотный канал утечки информации: фон сети питания 50 Гц, биометрический сигнал частотой 27 Гц, характеризующий эмоциональное состояние человека
Вейвлет-сонограмма низкочастотной части сигналов акустического поля помещения (5.100 Гц), в котором проводятся переговоры, показана на рис. 5.
Файл Правка Вид Преобразования Окно Помощь
ш- У и_ в е 1| jt ^ и а QteteB Л"! □ ►
' 11,. . . - J . 3.200000 s 3.300000 ; 3.400000 ; 3.000000 ; 3.600000 ; 3.700000 s 3.000000 ; 3.300000 ; 4.000000 ;
0.000000 3 4 089753 s. 397 Н.
Рис. 5. Вейвлет-соиограмма фона сети питания 50 Гц со следами паразитной модуляции от речевого сигнала, циркулирующего в защищаемом помещении. В нижней части изображения показан биометрический сигнал
Применение технологии «звуковой микроскоп» позволило выявить наличие новых, не обнаруживаемых ранее низкочастотных акустических каналов утечки информации из защищаемых помещений: фона сети 50 Гц и биометрических сигналов. Используемые сертифицированные средства виброакустической защиты помещений не обеспечивают «перекрытия» низкочастотного акустического канала -фона сети питания и биометрических сигналов.
Маскирование участка низкочастотного диапазона (10___100 Гц) с
целью надежной защиты выделенных помещений, используемая аппаратура виброакустической защиты может обеспечить после соответствующей модернизации и независимой экспертизы.
При разработке аппаратно-программных средств тестирования выделенных помещений 1-, 2- и 3-й категорий необходимо использовать технологию многоуровневого вейвлет-анализа как одну из наиболее перспективных технологий частотно-временного анализа сложных нестационарных сигналов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хорев А. А. Оценка возможностей средств акустической (речевой) разведки // Специальная техника. - 2009. - № 4. - С. 49-63.
2. Дворянкин С. В., Макаров Ю. К., Хорев А. А. Обоснование критериев эффективности защиты речевой информации // Защита информации. Инсайд. -2007. - № 2. - С. 18-25.
3. Железняк В. К., Макаров Ю. К., Хор ев А. А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации // Специальная техника. - 2000. - № 4. - С. 39-45.
4. Горшков Ю. Г. Специализированные технические средства регистрации речевого сигнала при решении задач фоноскопической экспертизы // XIX Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments -2010». Секция «Научно-исследовательские и испытательные стенды», 3-4 декабря 2010 г.: Тез. докл.: Москва. - С. 353 - 355.
5. Горшков Ю. Г., Ж е л т о в Е. А. Аппаратно-программный комплекс вейвлет-анализа фонограмм «Фон-М» // Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы. XIV Всероссийская научно-практическая конференция. -М., 2007. - С. 11.
6. Горшков Ю. Г. Биометрические системы обработки звука с использованием технологии многоуровневого вейвлет-анализа // Биомеханика-2011. Рабочее совещание, 2 - 4 февраля 2011 г., Санкт-Петербург.
Статья поступила в редакцию 19.10.2011
