CC BY
31УДК 621.391
Распространение информационных и шумовых импульсных сигналов в оптическом волокне при защите информации
Кулдашов О.Х., Мамарозиков Ф.Д., Муминов Ж. Ташкентский университет информационных технологий, Ферганский филиал, Республика Узбекистан
Аннотация: Выявлено, что одним из основных требований, предъявляемых к современным волоконно-оптическим системам передачи информации, является обеспечение их защищенности от несанкционированного доступа. Предложена имитационная модель устройства для защиты информации от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи. Приведены временные диаграммы распространения информационных и шумовых оптических импульсов в оптическом волокне. Обоснована возможность выделения информационных сигналов из суммарного сигнала, полученного путем смешивания шумовых и информационных сигналов.
Ключевые слова: защита информации, несанкционированный доступ, оптическое волокно, оптическое зашумление, модель, временные диаграммы, распространение оптического излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Волоконно-оптические системы связи находят широкое применение для передачи больших объемов информации на значительные расстояния. Одним из основных требований, предъявляемых к современным волоконно-оптическим системам передачи информации, является обеспечение их защищенности от несанкционированного доступа [1, 2].
Методам и средствам защиты информации в ВОЛС посвящены много работ [3-7] , в том числе в работе [8] для защиты информации контролируют величину неоднородности распространения по кабелю электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне, который вводят в волноводный канал с постоянным по длине волновым сопротивлением, выполненный в виде электропроводящей оболочки, охватывающей по крайней мере один электронный проводник, расположенный вдоль волокон, а о наличии несанкционированного доступа к передаваемой по волокнам информации судят по изменению величины неоднородности распространения электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне.
Для защиты информации в волоконно-оптических линиях связи широко применяется метод зашумления оптического сигнала в тракте передатчика, на передающей стороне в нем формируют суммарный сигнал путем смешивания шумовых и информационных сигналов и вводят в волоконно-оптическую линию связи, а на приемной стороне волоконно-оптической линии связи из принятого оптического излучения выделяют информационный сигнал.
1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.2. Моделирование устройства для защиты информации от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи
Нами предложена имитационная модель устройства (Рис. 1.) который состоит из следующих основных элементов:
Источник данных, генератор случайных целых чисел - Random-Integer (Communications Blockset/Random Data Sources), вырабатывающий числа в интервале от 0 до N-1. Выход генератора нужно сделать в виде кадра из K чисел.
Кодер Рида-Соломона - RS encoder (Communications Blockset/Block). Он по сообщению K формирует передаваемый код из N символов.
Декодер Рида-Соломона - RS decoder (Communications Blockset/Block), имеющий два выхода. На верхнем выходе из принятого кода R формируется декодированное сообщение, на нижний выход выводится кратность исправленных ошибок.
Сумматор Sum (Simulink/Math Operation). В нем осуществляется смешивание шумового и информационного сигнала и выделение информационного сигнала.
Блоки Unbuffer (Signal Processing Blockset/Buffers) преобразуют кадры в линейные последовательности, направляемые к виртуальному двухвходовому наблюдателю Scope.
Наблюдатель Scope (Simulink/Sinks) позволяет в общем масштабе времени наблюдать сигналы от блоков Buffer.
Рис. 1. Имитационная модель устройства
ВОЛС по которому передается информационный сигнал со стороны приемника информации облучается шумоподобным оптическим сигналом, который распространяется по всю длину волоконно-оптической лини связи в обратном направлении информационного сигнала. Таким образом, в ВОЛС сформируется смешенный сигнал состоящего из информационного сигнала и шумоподобного
сигнала. Поэтому при
несанкционированном съёме информации из любого участка ВОЛС злоумышленниками полученный сигнал будет смешенным сигналом и не поддается к выделению информационного сигнала из смешанного сигнала из-за неизвестности характера изменения шумоподобного сигнала.
Рис. 2. Сигнал на выходе кодера © AUTOMATICS & SOFTWARE ENGINERY. 201 9, № 1 (27)
В приемной стороне волоконно-оптической линии связи шумоподобный сигнал в смешанном сигнале компенсируется с одним и тем же шумоподобным сигналом, который облучается волоконно-оптической лини связи.
В результате сложения обоих компонентов оптического сигнала, принимаемый сигнал становится практически не распознаваемым, результаты моделирования приведены на Рис. 2.
1.2. Распространение информационных и шумовых импульсных сигналов в оптическом волокне
Передача информационных и шумовых импульсных сигналов в оптическом волокне может быть осуществлена двумя режимами -асинхронным и синхронным. Кроме того, передача информационного и шумового сигнала через оптическое волокно может быть однонаправленным и двунаправленным. При однонаправленной передаче информационные и шумовые оптические сигналы вводятся через один и тот же конец оптического волокна, в котором оба сигнала имеют одинаковое направление распространения в оптическом волокне.
Противоположный режим распространение информационных и шумовых сигналов в волоконно-оптической лини связи,
обеспечивается введением по отдельности информационного и шумового оптического излучения с противоположных концов ВОЛС, в котором информационный и шумовой оптический сигнал имеют противоположное направление распространения по оптическому волокну.
Для этого на противоположных концах оптического волокна, установляется оптический направленный ответвитель.
Блок схема экспериментальной установки для исследования противоположенного режима распространение информационных и шумовых сигналов в оптическом волокне, приведена на Рис. 3. Здесь: 1 - генератор импульсов информационного сигнала; 2 - усилитель информационного сигнала; 3 - лазерный излучатель информационного сигнала; 4 - первый направленный ответвитель; 5 - оптический волокно; 6 - второй направленный ответвитель; 7
- лазерный излучатель шумового сигнала; 8 -усилитель шумового сигнала; 9 - генератор шумового сигнала; 10 - первый усилитель фотоэлектрического сигнала; 11 - первый фотоприемник; 12 - второй фотоприемник; 13 -второй усилитель фотоэлектрического сигнала; 14
- двухлучевой осциллограф.
Принцип действия экспериментальной установки заключается в следующем: Генератор информационных сигналов 1 вырабатывает последовательность информационных
импульсных сигналов, которые усиливаются по амплитуде на усилителе информационных сигналов 2, и подаются на вход лазерного излучателя информационных сигналов 3.
Последний, преобразует импульсные электрические информационные сигналы в пропорциональные ему импульсные оптические излучения. Генератор шумовых сигналов 9, вырабатывает последовательность шумовых импульсных сигналов, которые усиливаются по амплитуде на усилителе шумовых сигналов 8, и подаются на вход лазерного излучателя шумовых сигналов 7. Последний, преобразует импульсные электрические шумовые сигналы в пропорциональные ему импульсные оптические излучения. Сформированное информационное оптическое излучение фокусируется на вход первого порта P11, первого направленного ответвителя 4. Тогда на основе (3) для выходящих оптических излучений из первого направленного ответвителя можно написать:
Р0
= Р0
2 + Р0
или
1
(4)
(5)
P0S P12 - P0S P13--P0S P11,
2
где: P0SP11- мощность оптического излучения информационного сигнала на входе порта P11, первого направленного ответвителя; P0SP12 -мощность оптического излучения
информационного сигнала на выходе порта P12, первого направленного ответвителя; P0SP13 - мощность оптического излучения информационного сигнала на выходе порта P13 первого направленного ответвителя;
Тогда мощность оптического излучения информационного сигнала на входе «А» оптического волокна:
_ 1
Psa - P0S P12--P0S Pii
2
(6)
Поэтому мощность оптического излучения информационного сигнала, поступающая на конец «В» оптического волокно ОВ:
- аЬ
Psb = Psa e"
(7)
При этом мощность оптических излучений информационного сигнала на
соответствующих выходах второго направленного ответвителя согласно с (5)
11
Ps P21 - Ps P24--Psb--Psa e"
2 2
aL
(8)
(9)
или на основе (6)
РзР21 = РзР24 = — РсКР11 е- аЬ , 4
где: РэР21 - мощность оптического излучения информационного сигнала на выходе порта Р21, второго направленного ответвителя; РэР24 - мощность оптического излучения информационного сигнала на выходе порта
Р24, второго направленного ответвителя; РэР22 -мощность оптического излучения
информационного сигнала на входе порта Р22, второго направленного ответвителя; Рэв -мощность оптического излучения информационного сигнала на выходе конца «В» оптического волокна;
Таким образом, на чувствительную площадь второго фотоприемника ФП2 воздействует оптическое излучения информационного сигнала с мощностью
1
- aL
(10)
РэР24--Рс8Р11 е-
4
Аналогично для мощностей оптических излучений шумового сигнала, которые достигают на конец «А» можно написать
Рка= Ркв е- аЬ (11)
где: Р^В - мощность оптического излучения шумового сигнала на входе «В» оптического волокна.
Тогда мощность оптических излучений шумового сигнала на соответствующих выходах
первого направленного ответвителя согласно с (5) ——
РкР11 = РыР14 - —РкР12--РкА (12)
2 2
или на основе (9)
Ркри - Рот14 - — Ркв е- аЬ - — РскР21 е- аЬ (13) 24
где: РкР11 - мощность оптического излучения
шумового сигнала на выходе порта Р11, первого
направленного ответвителя; Рда14 - мощность
оптического излучения шумового сигнала на
выходе порта Р14, первого направленного
ответвителя; Рщга - мощность оптического
излучения шумового сигнала на входе порта Р21,
второго направленного ответвителя.
Таким образом на чувствительную площадь
первого фотоприемника 11 воздействует
оптическое излучение шумового сигнала с
мощностью
1
- aL
(14)
Ркр14--РскР21 е-
4
Из вышеизложенного следует, что в конце «В» оптического волокно уровень информационного сигнала меньше чем уровни шумового сигнала, отношение которых зависит от длины оптического волокно Ь и его коэффициента затухание а. Когда начальные мощности
информационного и шумового сигналов равны т.е. Розрп= Рсот21 и при использование идентичных направленных ответвителей имеем РкВ = РэА. По этому отношение мощностей информационного и шумового сигналов может быт определены как.
Pnb / Psb = e aL
(15)
Известно что для гарантированного зашиты информации при использовании шумоподобного сигнала в конце волоконно-оптической линии связи уровен мощностей информационного и шумового сигналов должно быт одинаковые т.е. Р^в = Рэв. По этому для выполнение этой условии минимальный уровень мощности шумового сигнала в конце «В» оптического волокно должно быт
,аЬ
PminNB - PnB e
(16)
или
Ршт0^21 - 2 Ркв е аЬ - 2 Рза е аЬ -
- РсзРпе аЬ (17)
Таким образом для надежную зашумление информационного сигнала по все длине линейного тракта оптического волокно минимальная мощность начального шумового сигнала должно быт больше на еа^ по сравнению с начальной мощности информационно сигнала.
Соответствующее измерение и наблюдение формы параметров информационного и шумового фотоэлектрических сигналов производилось с помощью двухлучевого осциллографа типа С1-83.
Для одновременного измерение и наблюдение формы информационных и шумовых фотоэлектрических сигналов на выходе первого направленного ответвителя были использованы порты Р14 и Р13, а на выходе второго направленного ответвителя -Р24иР23.
В качестве источника излучений информационного и шумового сигнала был использован лазерный излучатель типа ИЛПН 301-1, в качестве фотоприемников был использован фотодиод на основе кремния ФД-290.
Рис.3. Блок схема экспериментальной установки для исследования противоположного режима распространения информационного и шумового сигнала в оптическом волокне
Осциллограммы формы напряжений фотоэлектрического сигнала соответствующему мощности информационного и шумового сигнала в конце «В» оптического волокно приведены на Рис. 4. Здесь: а) - шумовой фотоэлектрический сигнал; б) - суммарный информационный и шумовой
фотоэлектрический сигнал.
Из осциллограммы формы напряжений фотоэлектрического сигнала видно, что амплитуда шумового фотоэлектрического сигнала иш намного больше чем амплитуды иив информационного фотоэлектрического сигнала. Который обеспечивает надежную зашумление информационного сигнала. На Рис. 5 показан осциллограммы формы напряжений фотоэлектрического сигнала соответствующему мощности информационного и шумового сигнала в конце «А» оптического волокно. Здесь: а) - шумовой фотоэлектрический сигнал; б) - суммарный информационный и шумовой
фотоэлектрический сигнал.
Рис. 4. Осциллограммы фотоэлектрических сигналов информационного и шумового сигнала в конце «В» оптического волокно
Рис. 5. Осциллограммы фотоэлектрических сигналов информационного и шумового сигнала в конце «А» оптического волокно
Из Рис. 5 видно, что амплитуда информационного фотоэлектрического сигнала
иИА намного больше, чем амплитуды шумового фотоэлектрического сигнала Uttta , который снижает надежность зашумление
информационного сигнала. Именно поэтому минимальная мощность начального шумового сигнала в конце «В» оптического волокно должно быть определены из выражения (17).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена имитационная модель устройства для защиты информации от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи.
Разработана блок схема экспериментальной установки для исследования противоположного режима распространения информационных и шумовых сигнала в оптическом волокне.
Приведены временные диаграммы распространения информационных и шумовых оптических импульсов в оптическом волокне.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Jensen T., Skjoldstrap В., 1 OGbit/s Optical Transmission Technology. Teleteknik. 1995, 39, № 2, p. 65-78.
[2] А. В. Корольков, И. А. Кращенко, В. Г. Матюхин, С. Г, Синев. Проблемы защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, от несанкционированного доступа. Информационное Общество, 1997 г., № 1.
[3] А. Манько, В Каток, М. Задорожный. Защита информации на волоконно-оптических линиях связи от несанкционированного доступа. Правовые нормативные материалы обеспечения системы защиты в Украине. вып. 2, 2001.
[4] К.Е.Румянцев, И.Е.Хайров .Защита информации, передаваемой по светодиодным линиям связи. Информационное противодействие угрозам терроризма: научн-практ. Журн. ФГПУ НТЦ, Москва. 2004, № 2. С. 27-32.
[5] .Малюк А.А. Информационная безопасность: Концептуальные и методологические основы защиты информации. М.: Горячая линия Телеком, 2004. - 2766 с.
[6] Корольков, И.А. Кращенко, В.Г. Матюхин, С.Г. Синев Проблемы защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, от несанкционированного доступа. Информационное общество, 1997, вып. 1, с. 7477.
[7] Рахимов Н.Р., Трушинин В.А., Бакушин Д.И., Кнутов В.А. Современные методы разработки информационной безопасности ВОЛС. Автоматика и программная инженерия. 2015, №2. С. 85-88.
[8] А. В. Боос, О. Н. Шухардин. Анализ проблем обеспечения безопасности информации, передаваемой по оптическим каналам связи, и путей их решения. Информационное противодействие угрозам терроризма: научн-практ. журн. ФГПУ НТЦ, Москва. 2005, №5. С. 172180.
Оббозжон Хокимович Кулдашов
— к.т.н, доцент, кафедры Телекоммуникация инжиниринг Ферганского филиала
Ташкентского университета
информационных технологий, Республика Узбекистан,
г.Фергана, ул.Мустакиллик 185. Е-шаД: kuldashov.abbos@mail.ru.
Фозилжон Давронбоевич
Мамарозиков —
ст.преподователь, кафедры
«Языки» Ферганского филиала Ташкентского университета
информационных технологий, Республика Узбекистан,
г.Фергана, ул.Мустакиллик 185.
Жасурбек Мамиржонович
Муминов — ст.преподователь, кафедры «Профессиональное
образование»
филиала
университета
технологий,
Узбекистан,
Ферганского Ташкентского информационных Республика г.Фергана,
ул.Мустакиллик 185.
Статья получена 18.02.2019
UDC 621.391
Distribution of Information and Noise Pulse Signals in the Optical Fiber During
Protection of Information
O.Kh. Kuldashov, , F.D. Mamarozikov, J.Muminov
Fergana branch of the Tashkent University of Information Technologies, Republic of Uzbekistan,
Fergana
Annotation - It was revealed that one of the main requirements for modern fiber-optic information transmission systems is to ensure their protection from unauthorized access. A simulation model of a device for protecting information from unauthorized access in a fiber-optic communication line is proposed. The time diagrams of the propagation of information and noise optical pulses in an optical fiber are given. The possibility of extracting information signals from the total signal obtained by mixing noise and information signals is substantiated.
Key words: information protection, unauthorized access, optical fiber, optical noise, model, timing diagrams, optical radiation propagation.
REFERENCES
[1] Jensen T., Skjoldstrup B., 1 OGbit/s. Optical Transmission Technology. Teleteknik, 1995, 39, N. 2, p. 65-78. '
[2] A. V. Korolkov, I. A. Krashchenko, V. G. Matyukhin, S. G, Sinev. Problems of protecting information transmitted via fiber-optic communication lines from unauthorized access. Information Society, 1997, N 1.
[3] A. Manko, In the Skating Rink, M. Zadorozhny. Information protection on fiber-optic communication lines from unauthorized access. Legal normative materials to ensure the protection system in Ukraine. vol. 2, 2001.
[4] K.Ye. Rumyantsev, I.Ye.Hairov. Protection of information transmitted via LED communication lines. Information countering threats of terrorism: scientific-practical. Log. FGPU NTC, Moscow. 2004, №2. P. 27-32.
[5] Malyuk A.A. Information security: Conceptual and methodological foundations of information security. . - M .: Telecom Hotline, 2004. - 2766 sec.
[6] Korolkov, I.A. Kraschenko, V.G. Matyukhin, S.G. Sinev Problems of protection of information transmitted via fiber-optic communication lines from unauthorized access. Information Society, 1997, no. 1, s. 74-77.
[7] Rakhimov N.R., Trushinin V.A., Bakushin D.I., Knutov V.A. Modern methods of developing
information security fiber optic links. Automatics and software engineery. 2015, №2. P. 85-88.
[8] A. V. Boos, O. N. Shukhardin. Analysis of the problems of ensuring the security of information transmitted via optical communication channels and ways to solve them. Information countering the threats of terrorism: Scientific-practical. Journ. FGPU NTC, Moscow. 2005, №5. Pp. 172180.
Obbozhozhon Khokimovich
Kuldashov - Ph.D., associate professor, department
Telecommunications engineering of the Fergana branch of the Tashkent University of Information Technologies, Republic of Uzbekistan, Fergana, Mustakillik St. 185.
E-mail: kuldashov. abbo s@mail.ru.
Fozilzhon Davronboevich
Mamarozikov - senior lecturer, department "Languages" of the Fergana branch of the Tashkent University of Information Technologies, Republic of Uzbekistan, Fergana, Mustakillik st. 185.
О
ill
iE/ life
Zhasurbek Mamirjonovich
Muminov - senior lecturer, "Professional education"
departments of the Fergana branch of the Tashkent University of Information Technologies, Republic of Uzbekistan, Fergana, Mustakillik 185.
The paper was received on 18.02.2019
