CC BY
64УДК 621.391
Способ защиты информации в волс на основе оптического зашумления
Кулдашов О.Х.
Ферганский филиал ТУИТ, Фергана, Республика Узбекистан
Аннотация: Предложен способ защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи на основе оптического зашумления. Показаны особенности распространения и процесс взаимодействия оптического излучения при защите информации в волоконно-оптической линии связи. Разработана блок-схема устройства, реализующий предлагаемый способ защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи.
Ключевые слова: защита информации, несанкционированный доступ, оптическое волокно, оптическое зашумление, способ, устройства, распространение оптического излучения.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время одним из наиболее перспективных и развивающихся направлений построения сети связи в мире являются ВОЛС.
Широкое применение волоконно-оптических телекоммуникационных систем в сетях связи обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с электрически кабельными системами связи.
На основе этого можно выделить следующие основные преимущества волоконно-оптической линии по сравнению с электрическими кабельными системами связи:
- огромная полоса пропускания со скоростями передачи до 40 Гбит/с, действующими уже сегодня, и свыше 100 Гбит/с, ожидающимися в ближайшем будущем. Факторами, ограничивающими рост скоростей передачи, в настоящее время являются инерционные свойства приемников и источников излучения. Однако применение метода спектрального уплотнения (WDM) увеличивает общую скорость передачи по одному волокну до нескольких Отбыт/с;
- на волоконно-оптические кабели совершенно не воздействуют электромагнитные помехи, молнии и скачки высокого напряжения. Они не создают никаких электромагнитных или радиочастотных помех;
- обеспечение полной гальванической развязки между приемником и передатчиком информации, а также отсутствие короткого замыкания в линии передачи;
- расстояние передачи информации для не дорогостоящих волоконно-оптических кабелей между повторителями до 5 км. Для высококачественных коммерческих систем расстояния между повторителями до 300 км. В лабораторных условиях достигнуты расстояния, близкие к 1000 км;
- размер и вес волоконно-оптических кабелей по сравнению со всеми другими кабелями для передачи данных, очень малы в диаметре и чрезвычайно легки. Четырехжильный волоконно-
оптический кабель весит примерно 240 кг/км, а 36-основный оптоволоконный кабель весит лишь на 3 кг больше.
Из выше перечисленного следует, что ВОЛС отвеч ают по всем тре бованиям современным телекоммуникационным системам связи. В связи с этими многие специалисты по телекоммуникационным технологиям
утверждают, что ВОЛС станут в будущем главным средством передачи информации. Однако с ростом применения волоконно-оптических линий передачи информации в телекоммуникационных системах и их развитием, так же развиваются технические системы информационной разведки, с помощью которых производится негласный съём информации из ВОЛС.
Во всем мире для обеспечения информационной безопасности - состояния защищенности информационной среды общества, обеспечивающее ее формирования,
использования и развития в интересах граждан, организаций, государства уделяются большое внимание.
Поэтому разработка эффективных методов и технических средств для защиты информации в ВОЛС является одной из актуальных задач.
1.МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В ВОЛС
Для защиты информации в ВОЛС обычно используется конструкционные, механические и электрические технические средства. Одни из видов средств защиты этой группы построены так, чтобы затруднить механическую разделку кабеля и воспрепятствовать доступу к ОВ [1]. Подобные средства защиты широко используются и в традиционных проводных сетях специальной связи. Также перспективным представляется использование пары продольных силовых элементов ОК, которые представляют собой две стальные проволоки, размещенные симметрично в полиэтиленовой оболочке, и используемые для дистанционного питания и контроля датчиков, установленных в муфтах, и контроля НД.
Целесообразно также применение комплекта для защиты места сварки, который заполняет место сварки непрозрачным затвердевающим гелем. Одним из предложенных методов защиты является использование многослойного оптического волокна со специальной структурой отражающих и защитных оболочек [2]. Конструкция такого волокна представляет собой многослойную структуру с одномодовой сердцевиной. Подобранное соотношение коэффициентов преломления слоев позволяет передавать по кольцевому направляющему слою многомодовый контрольный шумовой оптический сигнал. Связь между контрольным и информационным оптическими сигналами в нормальном состоянии отсутствует. Кольцевая защита позволяет также снизить уровень излучения информационного оптического сигнала через боковую поверхность ОВ (посредством мод утечки, возникающих на изгибах волокна различных участков линии связи). Попытки проникнуть к сердцевине обнаруживаются по изменению уровня контрольного (шумового) сигнала или по смешению его с информационным сигналом. Место НД определяется с высокой точностью с помощью рефлектометра.
Методам и средствам защиты информации в ВОЛС посвящены много работ, в том числе в работе [3-5] 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. Система защиты содержит комбинированный кабель и фиксатор изменения параметров
распространения электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, подключенный к электронному проводнику.
2. СПОСОБ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В ВОЛС НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ЗАШУМЛЕНИЯ
Предложен способ защиты информации от несанкционированного доступа в волоконно-оптических линиях связи и может быть использовано в волоконно-оптических системах передачи конфиденциальной информации.
На рис 1. показана блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ защиты информационного сигнала от
несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи. Устройство, реализующее предлагаемый способ защиты информационного сигнала от
несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи, содержит: на передающей стороне 1 формирователь 2 информационного сигнала, смеситель 3, источник 4 передаваемого оптического излучения, фотодетектор 5 шумового сигнала, направленный ответвитель 6 с входами 6-2 и выходом 6-1, волоконно-оптической линии 7 связи, на приемная 8 стороне направленный 9 ответвитель с входами 9-1 и выходом 9-2, фотодетектор 10 суммарного сигнала, смеситель 11, линии задержки 12, формирователь 13 инверсного шумового сигнала, источник 14 шумового оптического излучения и генератор15 шумового сигнала.
и
вых
13
12
14
11 10
Рис 1. Блок-схема устройства
При осуществлении предлагаемого способа защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи выполняют следующие операции:
- на приемной стороне 8 волоконно-оптической линии 7 связи:
1) формируют с помощью генератора 15 шумовой сигнал,
2) формируют с помощью инвертора 13 инверсный шумовой сигнал,
3) с помощью линии задержки 12 производят задержки инверсного шумового сигнала на
время / = 2Ь / V,
зад
4) модулируют шумовым сигналом передаваемое шумовое оптическое излучение в источнике 14 оптического излучения,
5) вводят через вход 9-1 направленного ответвителя 9, в волоконно-оптическую линию 7 связи передаваемое шумовое оптическое излучение,
- на передающей стороне 1 волоконно-оптической линии 7 связи:
1) формируют с помощью формирователя 2 передаваемый информационный сигнал,
2) выводят через выход 6-1 направленного ответвителя 6, из волоконно-оптической линии
7 связи принятого шумового оптического излучения,
3) из принятого шумового оптического излучения с помощью фотодетектора 5 формируют шумовой сигнал,
4) формируют суммарный сигнал путем смешения с помощью смесителя 3 информационного и шумового сигнала,
5) модулируют суммарным сигналом передаваемое оптическое излучение в источнике 4 передаваемого оптического излучения,
6) вводят через вход 6-2 направленного ответвителя 6, в волоконно-оптическую линию 7 связи передаваемое оптическое излучение,
- на приемной стороне 8 волоконно-оптической линии 7 связи:
1) выводят через выход 9-2 направленного ответвителя 9 из волоконно-оптической линии 7 связи принятое оптическое излучение,
2) из принятого оптического излучения с помощью фотодетектора 10 формируют суммарный сигнал,
3) смесителем 11 путем смещения с суммарным сигналом задержанного инверсного шумового сигнала выделяют информационный сигнал.
При использовании предлагаемого способа защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи, в котором до формирования суммарного сигнала на приемной стороне формируется шумовой сигнал, который передается к передающей стороне волоконно-оптической линии связи для смешивания к информационного сигнала.
На приемной стороне в процессе смещения с суммарным сигналом задержанного инверсного шумового сигнала происходит полного фазового совпадении шумового и его инверсного сигнала. В результате этого шумовой сигнал полностью компенсируется, выделяется информационный сигнал и обеспечивается защита информации в волоконно-оптической линии связи от несанкционированного доступа.
Способ защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптической линии связи, заключающийся в том, что на передающей стороне волоконно-оптической линии связи формируют информационный сигнал, формируют суммарный сигнал путем смешивания шумового и информационного сигнала, формируют путем модуляции суммарным сигналом подлежащего передаче оптического излучения и вводят в волоконно-оптическую линию связи, а на приемной стороне волоконно-оптической линии связи выводят из нее принимаемое оптическое излучение, из принятого оптического излучения формируют суммарный сигнал из которого выделяют информационный сигнал отличающийся тем, что до формирования суммарного сигнала на приемной стороне формируют исходный и инверсный шумовой сигнал, модулируют исходным шумовым сигналом оптического излучения и вводят в волоконно-оптическую линию связи, а на передающей стороне волоконно-оптической линии связи выводят из нее принимаемое оптическое излучение, из принятого оптического излучения формируют шумовой сигнал который подлежит к смещению информационного сигнала, а выделения информационного сигнала на приемной стороне производят путем смешение задержанного инверсного шумового сигнала к суммарным сигналом причем время задержки инверсного шумового сигнала определяется выражением I = 2Ь /V, где: Ь-длина оптического волокна;
зад
v-скорость оптического излучения в оптическом волокне.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ
Передача информационных и шумовые 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 информационный и шумовой оптические сигналы вводятся через один и тот же конец оптического волокна, в котором оба сигнала имеют одинаковое направление распространения в оптическом волокне (рис.2). При двунаправленной
передаче информационный и шумовой оптические сигналы вводятся из
противоположных концов оптического
волокна, в котором сигналы имеют противоположное направление распространения в оптическом волокне (рис 3).
При однонаправленном асинхронном режиме передачи в оптическом волокне информационный и шумовой оптические сигналы между собой не синхронизированы. Поэтому расположение по времени импульсов информационного и шумового сигналов относительно друг друга является переменным, и изменяется случайным образом.
Рассмотрим следующие основные
случаи:
1. Случай когда длительность импульса информационного сигнала намного больше по сравнению с длительностью импульса шумового сигнала т.е. tm<! >> t^ причем передний фронт первого импульса шумового сигнала соответствует переднему фронту импульса информационного сигнала, а задний фронт последнего импульса шумового сигнала соответствует заднему фронту импульса информационного сигнала (см. рис.4 промежуток времени t1 - t6). При этом в промежутке времени t1- t2, t3- t4, t5-t6, где длительность импульса шумового сигнала лежит в пределах длительности импульса информационного сигнала, интенсивность излучений информацион-ного и шумового сигналов в оптическом волокне суммируется по амплитуде. Поэтому суммарная мощность потоков излучений на входе оптического волокна в промежутке времени t1- t2, t3- t4, t5- t6, определяется как:
P0S - Р0ис + Р0шс (1)
где: Р0ис - оптическая мощность информационного сигнала на входе оптического волокна; Р0шс - оптическая мощность шумового сигнала на входе оптического волокна.
P
0ис А
P
Б ис
0шс <<Т-
L-
Рис.2. Однонаправленный режим работы информационного и шумового сигнала в оптическом волокне.
P
0ис А
Б Рис
Ршс
-L-
Рис.3. Двунаправленный режим работы информационного и шумового сигнала в оптическом волокне.
Рис.4. Временные диаграммы распространения информационного и шумового оптических импульсов в оптическом волокне при асинхронном режиме.
Тогда суммарная мощность оптических излучений на выходе оптического волокна:
Ps = Рис + Рп
(2)
где: Рис - оптическая мощность информационного сигнала на выходе оптического волокна; Ршс - оптическая мощность шумового сигнала на выходе оптического волокна.
Мощность оптических излучений на выходе оптического волокна для каждых составляющих в выражение (2) согласно закону Бугера - Бера определяется как:
Рис = Роис в~аЬ (3)
Ршс = Рошс е( (4)
где: Х- коэффициент затухания оптического волокна; Ь - длина оптического волокна.
Тогда суммарная мощность оптических излучений на выходе оптического волокна определяется как:
Рх =Роис е~аь + Рошс е ( (5) Если интенсивности оптических излучений информационного и шумового сигналов на выходе оптического волокна одинаковы (Рис = Ршс), то выражение (2) имеет вид:
Ps - 2Р„„ - 2Р„
(6)
или
~-aL = о ID л-aL
Рх = 2 Роис е~аь = 2 Рошс е~аь (7) Надо отметить, что из за 1иис >> 1ишс в промежутках времени 12- 13, 14- 15, где отсутствует импульс шумового сигнала, по оптическому волокну распространяется только оптическое излучение информационного сигнала. Тогда мощность оптического излучения на выходе оптического волокна Рх = Рис (8)
или
Рх = Роис е~аь (9)
Таким образом в пределах где полностью соответствуют по времени длительности импульсов информационного и шумового
t1 \ 13 t4 t5t 6 t7 18 19 t 10 t 11 t 12 t13 t14 t 15 t 16 t иУ» t 20 t 21 t 22
^ шс
P
сигналов (в промежутках времени 1^- 1;2, 13- 114, 115116,), по оптическому волокну распространяется оптический сигнал с удвоенной мощностью, а в пределах где отсутствует импульс шумового сигнала (в промежутках времени 1;2- 13, V 1;5,) по оптическому волокну распространяется оптическое излучение с мощностью равной мощности оптического излучения
информационного сигнала. Форма суммарного оптического сигнала в оптическом волокне показана на рис.4.(промежуток времени ^ - 116).
2. Случай когда длительность импульса информационного сигнал намного больше по сравнению с длительностью импульса шумового сигнала т.е. ^ >> ;ишс и передний фронт импульса информационного сигнала соответствует заднему фронту одного из импульсов шумового сигнала, а задний фронт -соответствует переднему фронту одного из последующих импульсов шумового сигнала.
При этом длительность импульса шумового сигнала лежит в пределах длительности импульса информационного сигнала, интенсивность оптических излучений суммируется по амплитуде, а суммарная мощность оптического излучения на выходе оптического волокна может быть определена с помощью выражения (5).
Когда длительность импульса шумового сигнала лежит за пределами длительности импульса информационного сигнала, передний фронт импульса информационного сигнала соответствует заднему фронту одного из импульсов шумового сигнала, а задний фронт -соответствует переднему фронту одного из последующих импульсов шумового сигнала, оптические импульсы в волокне суммируются не по амплитуде, а по времени т. е.
^ = 1иис + ^ишс (10)
Таким образом в этом случае суммарный оптический сигнал в оптическом волокне имеет вид показанный на рис3.3 (промежуток времени 17 - 112).
3. Случай когда длительность импульса информационного сигнала равна длительности паузы импульса шумового сигнала т.е. ^ = 1пшс и длительность импульса информационного сигнала соответствует по времени длительности паузы импульса шумового сигнала.
В этом случае длительность импульса информационного сигнала соответствует по фазе с длительностью паузы импульса шумового сигнала. Поэтому в оптическом волокне сигналы суммируются только по времени в результате которого длительность суммарного оптического сигнала расширяется. Максимально возможная длительность суммарного оптического импульсного сигнала в оптическом волокне может быть определена как:
= 1иис + 21ишс (11)
или
^ 1пшс + 21ишс (12)
Таким образом в этом случае в оптическом волокне распространяются оптические импульсы информационного и шумового сигналов с одинаковыми мощностями и с расширенной длительностью суммарного оптического импульса.
4. Случай когда длительность импульса информационного сигнала намного больше по сравнению с длительностью импульса шумового сигнала т.е. 1иис >> 1ишс и часть длительности импульса шумового сигнала совпадает по времени с некоторой частью длительности импульса информационного сигнала (рис 4. промежуток времени 117 - 119).
При этом импульсные сигналы частично совпадают по длительности (промежуток времени 118- 119) и суммируются по амплитуде, а мощность суммарного оптического излучения на выходе оптического волокна может быть определена с помощью выражения (5). Импульсные сигналы, несовпадающие по длительности (промежуток времени 117- 118,) суммируются по времени. При этом суммарная длительность оптического импульсного сигнала в оптическом волокне определяется следующим выражением.
1иис + ^ишс - А1-иис (13)
или
^ 1-иис + ^ишс - А11ишс (14)
где: А1иис - промежуток времени, в котором часть длительности импульса информационного сигнала совпадает по времени с некоторой частью длительности импульса шумового сигнала;
А1ишс - промежуток времени в котором часть длительности импульса шумового сигнала совпадает по времени с некоторой частью длительности импульса информационного сигнала.
Надо отметить, что из за асинхронного режима распространения информационного и шумового сигналов в оптическом волокне, относительное положение импульсов информационного и шумового сигналов по времени меняется случайным образом, которое приводит к случайному изменению значения промежутков времени А^ и А1ишс. Таким образом получается, что А^ = уаг и А1ишс= уаг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложен способ защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в волоконно-оптических линиях связи на основе оптического зашумления, в котором ранее формирования суммарного сигнала на приемной стороне формируется шумоподобный сигнал, который поступает на передающее усройство волоконно-оптической линии связи для смешивания с информационным сигналом.
Исследование распространения
информационных и шумовых оптических импульсов в оптическом волокне показали, что использование шумовых оптических сигналов для защиты информации не снижает качества принимаемой информации в волоконно-оптических линиях связи.
ЛИТЕРАТУРА
[1] 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. 74-77
[2] 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. ФГПУ НТЦ, Москва. 2оо5, №5. С. 172-18о.
[3] К.Е.Румянцев, И.Е.Хайров. Защита информации, передаваемой по светодиодным линиям связи. Информационное противодействие угрозам терроризма: научн-практ. ФГПУ НТЦ, Москва. 2оо4, №2. С. 27-32.
[4] Рахимов Н.Р. Рефлектометрический метод определения каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи. Сборник материалов VII Международного научного конгресса ГЕО-СИБИРЬ-2о11. Т.4.
[5] Рахимов Н.Р., Трушинин В.А., Бакушин Д.И., Кнутов В.А. Современные методы разработки информационной безопасности ВОЛС. Автоматика и программная инженерия. 2о15, №2. С. 85-88.
Оббозжон Хокимович Кулда-шов - к.т.н, доцент, кафедры Телекоммуникация инжиниринг Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий, Республика Узбекистан, г.Фергана, ул.Мустакиллик 185,
kuldashov.abbos@mail.ru.
Статья поступила 20.11.2018.
Method for Protecting Information in a Hair on a Based Optical Lushing
O.Kh. Kuldashov Fergana Branch of TUIT, Fergana, Republic of Uzbekistan
Abstract: A method for protecting an information signal from unauthorized access in a fiber-optic communication line based on optical noise is proposed. The features of propagation and the process of interaction of optical radiation in the protection of information in a fiber-optic communication line are shown. A block diagram of a device that implements the proposed method of protecting an information signal from unauthorized access to a fiber-optic communication line has been developed.
Key words: information protection, unauthorized access, optical fiber, optical noise, method, device, the propagation of optical radiation.
REFERENCES
[1] Korolkov, I.A. Kraschenko, V.G. Matyukhin, S.G. The blue. Problems of protecting information transmitted via fiber-optic communication lines from unauthorized access. Information Society, 1997, no. 1, P. 74-77
[2] 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. Log / FGPU NTC, Moscow. 2005, №5. P. 172-180.
[3] K.E.Rumyantsev, I.E.Hairov. Protection of information transmitted via LED communication lines. Information countering the threat of terrorism: scientific-practical. FGPU NTC, Moscow. 2004, №2. P. 27-32.
[4] Rahimov N.R. Reflectometric method for determining information leakage channels in fiber-optic communication lines. Collection of materials of the VII International Scientific Congress GE0-SIBERIA-2011. T.4.
[5] Rakhimov N.R., Trushinin V.A., Bakushin D.I., Knutov V.A. Modern methods of developing information security fiber optic links. Automatics & Software Engineery. 2015, №2. P. 85-88 .
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 kuldashov.abbos@mail.ru.
The paper has been received 20.11.2018.
