eng
Выпуск #6/2025
В. В. Гришачев
Утечка речевой информации через волоконно-оптические технические каналы офиса: борьба с шумами (шумоподавление)
Утечка речевой информации через волоконно-оптические технические каналы офиса: борьба с шумами (шумоподавление)
Просмотры: 939
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.6.486.499
Эффективность функционирования и нейтрализации каналов утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации во многом определяется зашумлением оптического канала в структурированных кабельных системах объекта. Адаптирование известных методов борьбы с шумами в волоконно-оптических каналах утечки речевой информации позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум и, следовательно, эффективность перехвата. В частности, волоконно-оптическую подсистему в структурированных кабельных системах объекта с распределенными измерительными свойствами можно представить в виде фазированной акустической волоконно-оптической решетки и, применяя метод накопления при многоканальном измерении, провести выделение информативного сигнала на фоне шума. Еще один метод борьбы с шумами состоит в сравнении двух несимметричных по акустической чувствительности оптических каналов (дифференциальный метод), что возможно осуществить вследствие размещения в кабельных каналах объектов дуплексных кабелей. Дифференциальный метод шумоподавления проверен на модельной установке по исследованию канала утечки речевой информации, который показал существенное повышение отношения сигнал/шум даже на малых длинах кабеля. Реализация дифференциального метода возможна вследствие коррелированности низкочастотного зашумления оптического канала в течение длительного времени (0,1 мсек) и значительного светового пути в оптоволокне (20 км). Представленные теоретические и практические исследования показывают высокий уровень опасности акустических волоконно-оптических каналов утечки речевой информации и возможностям противодействия им.
Эффективность функционирования и нейтрализации каналов утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации во многом определяется зашумлением оптического канала в структурированных кабельных системах объекта. Адаптирование известных методов борьбы с шумами в волоконно-оптических каналах утечки речевой информации позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум и, следовательно, эффективность перехвата. В частности, волоконно-оптическую подсистему в структурированных кабельных системах объекта с распределенными измерительными свойствами можно представить в виде фазированной акустической волоконно-оптической решетки и, применяя метод накопления при многоканальном измерении, провести выделение информативного сигнала на фоне шума. Еще один метод борьбы с шумами состоит в сравнении двух несимметричных по акустической чувствительности оптических каналов (дифференциальный метод), что возможно осуществить вследствие размещения в кабельных каналах объектов дуплексных кабелей. Дифференциальный метод шумоподавления проверен на модельной установке по исследованию канала утечки речевой информации, который показал существенное повышение отношения сигнал/шум даже на малых длинах кабеля. Реализация дифференциального метода возможна вследствие коррелированности низкочастотного зашумления оптического канала в течение длительного времени (0,1 мсек) и значительного светового пути в оптоволокне (20 км). Представленные теоретические и практические исследования показывают высокий уровень опасности акустических волоконно-оптических каналов утечки речевой информации и возможностям противодействия им.
Теги: acoustic fiber-optic arrays in the leakage channel fiber-optic channel noise pollution low-frequency noise suppression in a fiber-optic channel noise reduction by differential measurements phased array noise reduction speech information interception through the fiber-optic communi акустические волоконно-оптические решетки в канале утечки зашумление волоконно-оптического канала информационная безопасность волоконно-оптических технологий перехват речевой информации через волоконно-оптические коммуник подавление низкочастотного шума в волоконно-оптическом канале шумоподавление дифференциальными измерениями.keywords: informati шумоподавление фазированными распределенными измерениями
Утечка речевой информации через волоконно-оптические технические каналы офиса: борьба с шумами (шумоподавление)
В. В. Гришачев
Российский государственный гуманитарный университет, Институт информационных наук и технологий безопасности, Москва, Россия
Эффективность функционирования и нейтрализации каналов утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации во многом определяется зашумлением оптического канала в структурированных кабельных системах объекта. Адаптирование известных методов борьбы с шумами в волоконно-оптических каналах утечки речевой информации позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум и, следовательно, эффективность перехвата. В частности, волоконно-оптическую подсистему в структурированных кабельных системах объекта с распределенными измерительными свойствами можно представить в виде фазированной акустической волоконно-оптической решетки и, применяя метод накопления при многоканальном измерении, провести выделение информативного сигнала на фоне шума. Еще один метод борьбы с шумами состоит в сравнении двух несимметричных по акустической чувствительности оптических каналов (дифференциальный метод), что возможно осуществить вследствие размещения в кабельных каналах объектов дуплексных кабелей. Дифференциальный метод шумоподавления проверен на модельной установке по исследованию канала утечки речевой информации, который показал существенное повышение отношения сигнал/шум даже на малых длинах кабеля. Реализация дифференциального метода возможна вследствие коррелированности низкочастотного зашумления оптического канала в течение длительного времени (0,1 мсек) и значительного светового пути в оптоволокне (20 км). Представленные теоретические и практические исследования показывают высокий уровень опасности акустических волоконно-оптических каналов утечки речевой информации и возможностям противодействия им.
Ключевые слова: информационная безопасность волоконно-оптических технологий, перехват речевой информации через волоконно-оптические коммуникации, зашумление волоконно-оптического канала, подавление низкочастотного шума в волоконно-оптическом канале, шумоподавление фазированными распределенными измерениями, акустические волоконно-оптические решетки в канале утечки, шумоподавление дифференциальными измерениями.
Статья поступила:14.08.2025
Статья принята: 02.09.2025
Введение
Методы повышения/ухудшения качества речевого сигнала в техническом канале утечки информации (ТКУИ) через волоконно-оптические коммуникации (ВОК) играют важную роль как для перехвата, так и для защиты информации. Построение системы технической защиты информации (ТЗИ) невозможно без знания способов, применяемых нарушителем для повышения эффективности канала утечки [1–5]. В структуре перехвата отдельно выделяются методы обработки полученного речевого сигнала путем шумоподавления или шумоочистки техническими и компьютерными методами, но их возможности определяются качеством перехваченного средствами технической разведки (ТР) речевого сигнала. Если задача сводится исключительно к раскрытию информации в виде словесного отчета полученного сообщения, то качество перехвата может быть достаточно низким. В случае, необходимости получения информации в виде достаточном для публикования аудиосообщения в средствах массовой информации, представления в суд с возможностью определения не только смысла сообщения, но и идентификации, эмоциональной окраски переговорщиков, то требуется более высокое качество.
Для получения речевой информации высокого качества применяются эффективные речевые ТКУИ, в которых повышение качества принимаемого аудиосигнала достигается техническими средствами путем уменьшения вклада в общий сигнал шума относительно полезного сигнала (SNR). Существует достаточно большое число таких методов, среди которых выделяются методы накопления во времени или по множеству многоканальных измерений, автокорреляционные методы, фильтрация шумов и другие методы борьбы с шумами [6,7]. Применение конкретного метода связано с особенностями формирования, распространения и регистрации информативного сигнала.
Структура и средства ТР для перехвата речевой информации методами акустического волоконно-оптического ТКУИ во многом совпадает со структурой и техникой волоконно-оптических систем охраны периметра (ВОСОП), но они имеют существенные различия [8,9]. Среди которых можно выделить следующие основные отличительные особенности функционирования акустических волоконно-оптических ТКУИ и ВОСОП:
1. Шумоподавление
(борьба с шумами) методами фазированных распределенных измерений [10]
Один из наиболее эффективных и широко используемых методов борьбы с шумами состоит в накоплении полезного сигнала, реализуемый различным образом [6]. К методам накопления в случае акустических измерений относится метод фазированных акустических решеток, в котором сигнал измеряется упорядочено расположенными акустическими датчиками и суммируется с фазовыми весовыми коэффициентами. Адаптация данного метода к речевому ТКУИ через ВОК определяется стационарностью размещения штатной волоконно-оптической СКС относительно источника акустического сигнала. Элементы СКС обладают высокой акустической чувствительностью, а использование пассивных волоконно-оптических закладок в виде оптических неоднородностей СКС значительно повышает значение полезного сигнала на фоне шума [11]. В структурированной кабельной системе защищаемого объекта существует большое число пассивных волоконно-оптических элементов, которые могут быть использованы для регистрации рефлектометром речевого сигнала в режиме реального времени. Хотя расположение акустических преобразователей в волокне имеет случайный характер, но стационарность их расположения в здании позволяет определить фазовый весовой коэффициент каждого преобразователя. Также, на эффективность метода влияет число используемых в зондировании оптических волокон, число внедренных/выявленных волоконно-оптических закладок высокочувствительных к воздушному и структурному звуку. Но опасность реализации метода носит во многом индивидуальный характер и определяется акустической характеристикой объекта, волоконно-оптической СКС [10].
Штатная волоконно-оптическая СКС защищаемого объекта фактически является фазированной антенной решеткой со случайным стационарным пространственным расположением акустических преобразователей на основе распределенных волоконно-оптических измерительных систем (рис. 1). Акустические волоконно-оптические преобразователи в виде локализованных неоднородностей волокон кабеля размещены стационарно случайным образом на объекте, который является единым источником информативного сигнала в виде воздушного и структурного звука, что позволяет провести настройку всей измерительной системы с определением весового множителя каждого преобразователя по уровню регистрируемого сигнала и фазовым соотношениям задержки звука от источника (помещения). Число N акустических преобразователей в измерительной системе зависит от характеристик волоконно-оптической СКС – числа оптических неоднородностей чувствительных к акустическому воздействию, а также от чувствительности применяемых средств ТР. Реализация ТКУИ позволит повысить отношение сигнал/шум в N раз относительно некоторого среднего значения [6], а при определенных условиях до N3/2 раз [10].
2. Шумоподавление
(борьба с шумами) методами дифференциальных измерений
Еще один способ понижения уровня шумов информативного сигнала связан со сравнением сигнала прошедшего канал утечки с контрольным каналом, отличающихся между собой неодинаковыми условиями взаимодействия с защищаемым речевым сигналом при совпадении взаимодействий с фоновыми полями окружающей среды. Формируемые модуляции оптического излучения остаются коррелированными между собой по прохождении некоторого расстояния в течение времени автокорреляции (рис. 2). Основной особенностью аналогового речевого информативного сигнала является низкая верхняя граница спектра порядка 10 кГц, что позволяет определить время автокорреляции в 10−4 сек. при прохождении оптическим излучением расстояния 20 000 м.
В оптоволокне (1) при распространении оптического излучения (2) от фонового источника низкочастотных колебаний (3), воздействующих на оптическую неоднородность (4), формируется модуляционные искажения (шумы) оптического излучения (4), которые остаются когерентными в течение времени автокорреляции τ (5). Оптический поток проходит по волокну с показателем преломления n расстояние L. Продолжительная автокорреляция низкочастотных модуляций оптического излучения позволяет подавить шум на выходе канала утечки путем сравнения измеряемых параметров зондирующего оптического излучения от близко располагаемых по оптоволокну участков. Задача эффективного отделения информативного от шумового сигнала сводится к выделению тестового участка волокна в одном от контрольного в другом сигнале, реализация которой может проведена различными способами, но общие физические принципы связываются с значительным временем автокорреляции [7].
Пусть в схеме зондирования (рис. 3) по оптоволокну (1) оптическим импульсом (2) участков волокна (4, 5) акустический сигнал от источника звука (3) вызывает формирование информативного оптического сигнала в виде паразитных модуляции параметров оптического излучений. Если один участок (4) обладает повышенной чувствительностью относительно близлежащих участков (5), то раздельная регистрация параметров оптического излучения от них формирует информативные сигналы с коррелируемыми шумами n(t) от участка (5) и с задержкой по τ времени шумом n(t + τ) от участка (4), на котором формируется полезный сигнал s(t + τ). Сравнение сигналов путем вычитания позволяет выделить полезный сигнал
s(t + τ) + n(t + τ) − n(t).
Среднеквадратичные мощности полезного сигнала S и шума N в общей мощности равна
S + 2N(1 − k),
здесь k( τ) – коэффициент автокорреляции шума, зависимый от времени задержки τ между основным и вспомогательным измерениями. Если задержка между измерениями будет меньше времени корреляции 10−4 сек., то k > 0 и стремится к 1 при приближении контрольного к тестовому измерению, что в пределе позволяет полностью подавить шум канала на малых расстояниях (в нашем случае менее 20 км).
Реализация механизма дифференциальных измерений путем вычитания из информативного сигнала шумов может быть произведена многими способами, эффективность которых, главным образом, зависит от дальности и глубины акустической модуляции оптического излучения в волоконно-оптической закладке при формировании полезной составляющей в информативном сигнале относительно фоновых паразитных модуляций по длине волоконно-оптического канала утечки, а также возможности выделения шумовой составляющей в сигнале.
2.1. Дифференциальное зондирование методами оптической рефлектометрии
Требованиям формирования двух коррелируемых по шумам тестового и контрольного сигналам наилучшим образом отвечают методы оптической рефлектометрии (рис. 4), в которых возможна разделение информативного сигнала и шумов канала утечки во времени [9]. Рефлектометр (A) посылает зондирующие импульсы в оптоволокно (B) и принимает в реальном времени обратнорассеянное излучение. В результате формируется рефлектограмма (C). В рефлектометре производится сравнение сигналов в реальном времени с выводом интегрального акустического сигнала, используя временное разделение отклика (D) от соседних точек оптоволокна (1) и (2).
Дифференциальное зондирование в рефлектометрической схеме возможно проводить не только путем обработки рефлектограмм программными методами в реальном времени, но и путем прямого сравнения оптических откликов от выделенных участков оптоволокна путем разделения сигналов с помощью интерферометра Маха-Цендера на входе системы регистрации. В этом случае, реализуется устройство аналогового вычисления коэффициента корреляции с временем равным времени задержки между плечами интерферометра. При определенных условиях данная оптическая схема позволяет реализовать зондирование непрерывным излучением. Еще один метод состоит в двух импульсной рефлектометрии, который также позволяет разделить два сравниваемых сигналов.
2.2.Дифференциальное зондирование в проходящем свете дуплексного кабеля с несимметричной оптической неоднородностью
Хотя рефлектометрическая схема зондирования предпочтительнее для зондирования на больших расстояниях, но на небольших расстояниях с выделенной волоконно-оптической закладкой, обладающей повышенной акустической чувствительностью относительно других частей оптического волокна, возможна эффективная реализация зондирования в прямом (проходящем) излучении. Одна из возможных схем связана с инсталляцией волоконно-оптических СКС из кабеля с несколькими оптическими волокнами. Например (рис. 5), волокна дуплексного оптического кабеля (2) между трансиверами (1), проходя по одним и тем же кабельным каналам, подвергаются одним и тем же воздействиям (4, 5) с размером однородности, превышающей расстояние между волокнами в дуплексном кабеле, поэтому шумовые составляющие информативного сигнала коррелируют между собой. В данной системе, формируя волоконно-оптические закладки (3) на одном оптоволокне и не изменяя состояния другого, достигаются несимметричные условия распространения оптического излучения. Проводя зондирование в прямом потоке одновременно по двум волокнам независимо от направления распространения оптического излучения и сравнивая их, можно повысить отношение сигнал/шум для речевого сигнала сравнением двух сигналов.
Обсуждаемые методы дифференциального зондирования с целью повышения качества разведываемого речевого сигнала не единственны. Их реализация зависит от конкретной СКС здания: ее размещения, используемого кабеля, фрагментированности, применения систем защиты и других условий.
3. Экспериментальные исследования шумоподавления дифференциальными измерениями
В функционировании канала утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации большое значение имеет оптические неоднородности с высокой акустической чувствительностью (волоконно-оптические закладки), на которых формируется информативный сигнал. Одним из таких элементов являются разъемные оптические соединения, фактически являющиеся по конструкции аналогом волоконно-оптического микрофона. Манипуляциями с ними можно довести глубину модуляции на них прямых и обратных оптических излучений до 100%, что может незначительно сказаться на передаваемый трафик вследствие низкой модуляционной частоты. Это один из наиболее опасных элементов в модели угроз, что подтверждается практическими исследованиями [12, 13], поэтому практическое тестирование эффективности шумоподавления дифференциальными методами проводились на разъемном соединении.
Экспериментальные исследования дифференциальных методов шумоподавления проводились на модифицированной лабораторной установке, ранее использовавшийся для исследований воздействия звука на разъемные соединения [12, 13]. Установка (рис. 6) включает управляющий мультимедийный компьютер (1), воспроизводящий звуковой файл с записью речи, генератор шума и тоновых сигналов. Оптическое зондирование проводилось высокостабильным гелий-неоновым лазером (2) с волоконно-оптическим выходом на разъем FC мощностью несколько мВт на длине волны 632 нм, к которому подключался волоконно-оптический сплиттер 50/50 (5). Одна часть равно поделенного излучения направлялось в тестируемый канал с исследуемым разъемным соединением SC-SC (4) на фотодиод (6), а друга часть в контрольный канал на фотодиод (7). Исследуемый волоконно-оптический разъем SC-SC находился в малогабаритной камере (3) с звукоизоляцией от окружающей среды не более 20 дБ, где создавалось однородное диффузное акустическое поле с помощью акустической системы и контролировалось микрофоном подсоединенными управляющему компьютеру (1). Фотодиоды (6) и (7) работали в фотогальваническом режиме и подключались через дифференциальный усилитель 10 дБ (8) к приборам контроля: селективному нановольтметру типа UNIPAN (9) с выходом на накладные наушники (10), цифровому осциллографу (11) и компьютеру с программным анализатором звукового спектра (12). Приборы контроля (11) и (12) подключались напрямую к дифференциальному усилителю (8) или через селективный нановольтметр (9) вместо наушников (10) и использовались для качественных оценок и настройки измерительной системы. Волоконно-оптическая система имела общую длину порядка 5 м после делителя (5). Все волоконно-оптические элементы (лазер, кабель, делитель, разъемные соединения, звукоизолирующая камера), измерительные приборы размещались компактно на одном столе в три уровня, что создавало условия для однородного воздействия фоновых звуков на все элементы за исключением исследуемого разъемного соединения в звукоизолирующей камере.
Исследования проводились двумя методами, которые состояли:
в субъективных артикуляционных измерениях в виде прослушивания через измерительную систему информативных речевых сигналов и качественной оценки речи на слух, для чего через акустическую систему в малогабаритной камере на разъемное соединение воздействовал речевой сигнал, с помощью усилителя с селективностью 0 дБ/октаву достигался уровень звукового давления достаточный для прослушивания через наушники перехваченного текста; следующим шагом оптически разрывался контрольный канал и последующим повторением разрыва-восстановления оптического канала проводилось сравнение качества речи при фиксированном уровне звукового давления в малогабаритной камере;
в объективных измерениях отношения сигнал/шум использовалось воздействие тональных звуков, для чего через акустическую систему в малогабаритной камере на разъемное соединение воздействовал тональный сигнал на частоте 1 016 Гц фиксированной мощности, с помощью усилителя с максимальной селективностью 54 дБ/октаву измерялся уровень звукового давления сигнала в мкВ, при сохранении настроек тоновый сигнал отключался и измерялся уровень звукового давления шума в мкВ; следующим шагом оптически разрывался контрольный канал и последующим повторением разрыва-восстановления оптического канала проводилось измерение уровня звукового давления сигнала и шума в малогабаритной камере;
При настройке системы контролировалось звуковое поле в малогабаритной камере по спектру для фонового, речевого и тоновых сигналов, а также на выходе нановольтрметра.
Экспериментальные измерения путем сравнения сигналов при прямом измерении по одному каналу и при дифференциальном измерении двух каналов показали:
4. Применение дифференциальных технологий зондирования
Возможности подавления низкочастотного шума в оптическом канале может быть использовано для повышения эффективности акустического волоконно-оптического ТКУИ. Принципиальная структура канала утечки с дифференциальным подавлением шума может строиться на основе штатной оптической сети объекта (рис. 7). Для соединения двух рабочих станций (3) могут использоваться дуплексный оптический кабель (4) со встречным направлением информационных потоков (5). Кабель размещается в кабельных каналах волоконно-оптических подсистем СКС, один канал которого имеет оптическую неоднородность (2) с акустическим через воздух или виброакустический через стены контакт с источником речевой информации (1). Нарушитель (6), контролируя среднюю оптическую мощность штатных встречных информационных потоков с разрешением по времени с частотой 10 кГц и по величине в динамическом диапазоне 8 бит, получает два сигнала с одинаковым зашумлением в каждом, но несимметричным значением относительно информативного сигнала. Данные контроля передаются нарушителю с рабочих станций в реальном времени и обрабатываются на основе дифференциальных методов подавления шума.
Структура канала утечки зависит от топологии оптической сети. Если топология представляется в виде звезда, дерево или шина, кабельные каналы которых проложены через контролируемую зону, то внешний нарушитель может провести перехват через собственные компьютеры. Для оптической сети внутри контролируемой зоны требуются внутренний нарушитель с несанкционированным доступом к рабочим станциям объекта. Задача перехвата конфиденциальной информации значительно упрощается при топологии сети типа кольцо, тогда возможно совмещение все трех компьютеров в одном средстве ТР, который может размещаться как внутри контролируемой зоны (внутренний нарушитель), так и вне контролируемой зоны (внешний нарушитель).
Кроме речевых ТКУИ на основе ВОК, дифференциальный метод подавления низкочастотного шума в оптическом канале может быть использован в других волоконно-оптических технологиях. Например, для увеличения длины защищаемого периметра одним рефлектометром в ВОСОП без промежуточных оптических усилителей [8, 9]. В этом случае используя схему дифференциального зондирования рефлектометром (рис. 4) можно на порядок увеличить длину контролируемого периметра, так как основным контролируемым параметром является виброакустические источники с частотой до 1 кГц, что соответствует времени корреляции 1 мсек или длина по волокну 200 км. Также, технология может быть использована для увеличения длины волоконно-оптического кабеля в волоконно-оптических микрофонах [4], путем использования дуплексного кабеля с одним волокном преобразователя и другим контрольным без преобразователя (РИС.5). В этом случае длину кабеля микрофона можно увеличить на любую требуемую величину до 20 км.
Заключение
Существующие прозрачные волоконно-оптические подсистемы СКС с возможностью конвергенцией функций передачи и измерения информации представляют высокую угрозу для циркулирующей на объекте речевой информации вследствие распространения информативных акустических полей по всему объекту (зданию), которое полностью охватывается стационарной волоконно-оптической СКС с высокой акустической чувствительностью. Использование методов шумоподавления нарушитель может осуществить перехват со многих позиций, но знание каналов утечки может значительно улучшить систему технической защиты информации путем установки несимметричных систем генерации в оптических кабелях индуцированного шума.
Список литературы
Бузов Г. А. Защита информации ограниченного доступа от утечки по техническим каналам. – М.: Горячая линия – Телеком, 2024. 586 с. ISBN 978‑5‑9912‑0424‑8.
Каторин Ю. Ф., Разумовский А. В., Спивак А. И. Защита информации техническими средствами. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. 416 с.
Зайцев А. П., Шелупанов А. А., Мещеряков Р. В. и др. Технические средства и методы защиты информации. – М.: ООО «Издательство Машиностроение», 2009. 508 с. ISBN 978‑5‑94275‑454‑9.
Хорев А. А. Техническая защита информации. Том 1. Технические каналы утечки информации. – М.: НПЦ «Аналитика», 2008. 436 с.
Халяпин Д. Б. Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь! – М.: НОУ ШО «Баярд», 2004. 432 с.
Харкевич А. А. Борьба с помехами. – М.: Либроком. Ленанд.2018–280 с. – ISBN 978‑5‑9710‑5339‑2, 978–5–397–03458–6
Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. – М.: Мир, 1989. 540 с.
Кульчин Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 272 с. – ISBN 978‑5‑9221‑0072‑4.
Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон. – ЛЕСАРарт, 2005. 208 с. ISBN 5‑902367‑03‑4.
Гришачев В. В., Казарин О. В., Калинина Ю. Д. Физическая модель угрозы утечки акустической (речевой) информации через волоконно-оптические коммуникации. Вопросы защиты информации. 2018; 3: 35–51.
Гришачев В. В., Заболоцкая А. Д. Проблема информационной безопасности волоконно-оптических технологий. Фотоника. 2022; 16(6): 484–500. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2022.16.6.484.500.
Гришачев В. В., Калинина Ю. Д., Тарасов А. А. Оценка глубины паразитной модуляции света в оптической кабельной системе с неоднородностями. Вопросы защиты информации. 2016; 1: 62–73.
Гришачев В. В., Казарин О. В., Калинина Ю. Д. Паразитные акустические модуляции световых потоков в разъемных соединениях оптической сети объекта информатизации. Вопросы защиты информации. 2018; 4: 47–56.
АВТОР
Гришачев Владимир Васильевич, к. ф.‑ м. н., доцент, Институт информационных наук и технологий безопасности (ИИНиТБ), Российский государственный гуманитарный университет (РГГУ), e-mail: grishachev@mail.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-7585-7282
В. В. Гришачев
Российский государственный гуманитарный университет, Институт информационных наук и технологий безопасности, Москва, Россия
Эффективность функционирования и нейтрализации каналов утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации во многом определяется зашумлением оптического канала в структурированных кабельных системах объекта. Адаптирование известных методов борьбы с шумами в волоконно-оптических каналах утечки речевой информации позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум и, следовательно, эффективность перехвата. В частности, волоконно-оптическую подсистему в структурированных кабельных системах объекта с распределенными измерительными свойствами можно представить в виде фазированной акустической волоконно-оптической решетки и, применяя метод накопления при многоканальном измерении, провести выделение информативного сигнала на фоне шума. Еще один метод борьбы с шумами состоит в сравнении двух несимметричных по акустической чувствительности оптических каналов (дифференциальный метод), что возможно осуществить вследствие размещения в кабельных каналах объектов дуплексных кабелей. Дифференциальный метод шумоподавления проверен на модельной установке по исследованию канала утечки речевой информации, который показал существенное повышение отношения сигнал/шум даже на малых длинах кабеля. Реализация дифференциального метода возможна вследствие коррелированности низкочастотного зашумления оптического канала в течение длительного времени (0,1 мсек) и значительного светового пути в оптоволокне (20 км). Представленные теоретические и практические исследования показывают высокий уровень опасности акустических волоконно-оптических каналов утечки речевой информации и возможностям противодействия им.
Ключевые слова: информационная безопасность волоконно-оптических технологий, перехват речевой информации через волоконно-оптические коммуникации, зашумление волоконно-оптического канала, подавление низкочастотного шума в волоконно-оптическом канале, шумоподавление фазированными распределенными измерениями, акустические волоконно-оптические решетки в канале утечки, шумоподавление дифференциальными измерениями.
Статья поступила:14.08.2025
Статья принята: 02.09.2025
Введение
Методы повышения/ухудшения качества речевого сигнала в техническом канале утечки информации (ТКУИ) через волоконно-оптические коммуникации (ВОК) играют важную роль как для перехвата, так и для защиты информации. Построение системы технической защиты информации (ТЗИ) невозможно без знания способов, применяемых нарушителем для повышения эффективности канала утечки [1–5]. В структуре перехвата отдельно выделяются методы обработки полученного речевого сигнала путем шумоподавления или шумоочистки техническими и компьютерными методами, но их возможности определяются качеством перехваченного средствами технической разведки (ТР) речевого сигнала. Если задача сводится исключительно к раскрытию информации в виде словесного отчета полученного сообщения, то качество перехвата может быть достаточно низким. В случае, необходимости получения информации в виде достаточном для публикования аудиосообщения в средствах массовой информации, представления в суд с возможностью определения не только смысла сообщения, но и идентификации, эмоциональной окраски переговорщиков, то требуется более высокое качество.
Для получения речевой информации высокого качества применяются эффективные речевые ТКУИ, в которых повышение качества принимаемого аудиосигнала достигается техническими средствами путем уменьшения вклада в общий сигнал шума относительно полезного сигнала (SNR). Существует достаточно большое число таких методов, среди которых выделяются методы накопления во времени или по множеству многоканальных измерений, автокорреляционные методы, фильтрация шумов и другие методы борьбы с шумами [6,7]. Применение конкретного метода связано с особенностями формирования, распространения и регистрации информативного сигнала.
Структура и средства ТР для перехвата речевой информации методами акустического волоконно-оптического ТКУИ во многом совпадает со структурой и техникой волоконно-оптических систем охраны периметра (ВОСОП), но они имеют существенные различия [8,9]. Среди которых можно выделить следующие основные отличительные особенности функционирования акустических волоконно-оптических ТКУИ и ВОСОП:
- источник речевого сигнала в канале утечки распределяется в виде диффузного воздушного звука по всему выделенному помещении, в отличие от охранных систем, где источником является точечные виброакустические колебания грунта или ограждений;
- первичной средой распространения в канале утечки является окружающий воздух помещения и стены здания с естественными волноводными свойствами, в отличие от охранных систем, где среда распространения свободное пространство окружающей среды (грунт, ограждения, воздух) без волноводных свойств;
- структуру канала утечки образуют штатные прозрачные волоконно-оптические структурированные кабельные системы (СКС), охватывающие все здание с выходом за его пределы, в отличие от охранных систем, где волоконно-оптический кабель размещен по периметру объекта и пересекается с виброакустической волной от источника, как правило, только в одном месте.
1. Шумоподавление
(борьба с шумами) методами фазированных распределенных измерений [10]
Один из наиболее эффективных и широко используемых методов борьбы с шумами состоит в накоплении полезного сигнала, реализуемый различным образом [6]. К методам накопления в случае акустических измерений относится метод фазированных акустических решеток, в котором сигнал измеряется упорядочено расположенными акустическими датчиками и суммируется с фазовыми весовыми коэффициентами. Адаптация данного метода к речевому ТКУИ через ВОК определяется стационарностью размещения штатной волоконно-оптической СКС относительно источника акустического сигнала. Элементы СКС обладают высокой акустической чувствительностью, а использование пассивных волоконно-оптических закладок в виде оптических неоднородностей СКС значительно повышает значение полезного сигнала на фоне шума [11]. В структурированной кабельной системе защищаемого объекта существует большое число пассивных волоконно-оптических элементов, которые могут быть использованы для регистрации рефлектометром речевого сигнала в режиме реального времени. Хотя расположение акустических преобразователей в волокне имеет случайный характер, но стационарность их расположения в здании позволяет определить фазовый весовой коэффициент каждого преобразователя. Также, на эффективность метода влияет число используемых в зондировании оптических волокон, число внедренных/выявленных волоконно-оптических закладок высокочувствительных к воздушному и структурному звуку. Но опасность реализации метода носит во многом индивидуальный характер и определяется акустической характеристикой объекта, волоконно-оптической СКС [10].
Штатная волоконно-оптическая СКС защищаемого объекта фактически является фазированной антенной решеткой со случайным стационарным пространственным расположением акустических преобразователей на основе распределенных волоконно-оптических измерительных систем (рис. 1). Акустические волоконно-оптические преобразователи в виде локализованных неоднородностей волокон кабеля размещены стационарно случайным образом на объекте, который является единым источником информативного сигнала в виде воздушного и структурного звука, что позволяет провести настройку всей измерительной системы с определением весового множителя каждого преобразователя по уровню регистрируемого сигнала и фазовым соотношениям задержки звука от источника (помещения). Число N акустических преобразователей в измерительной системе зависит от характеристик волоконно-оптической СКС – числа оптических неоднородностей чувствительных к акустическому воздействию, а также от чувствительности применяемых средств ТР. Реализация ТКУИ позволит повысить отношение сигнал/шум в N раз относительно некоторого среднего значения [6], а при определенных условиях до N3/2 раз [10].
2. Шумоподавление
(борьба с шумами) методами дифференциальных измерений
Еще один способ понижения уровня шумов информативного сигнала связан со сравнением сигнала прошедшего канал утечки с контрольным каналом, отличающихся между собой неодинаковыми условиями взаимодействия с защищаемым речевым сигналом при совпадении взаимодействий с фоновыми полями окружающей среды. Формируемые модуляции оптического излучения остаются коррелированными между собой по прохождении некоторого расстояния в течение времени автокорреляции (рис. 2). Основной особенностью аналогового речевого информативного сигнала является низкая верхняя граница спектра порядка 10 кГц, что позволяет определить время автокорреляции в 10−4 сек. при прохождении оптическим излучением расстояния 20 000 м.
В оптоволокне (1) при распространении оптического излучения (2) от фонового источника низкочастотных колебаний (3), воздействующих на оптическую неоднородность (4), формируется модуляционные искажения (шумы) оптического излучения (4), которые остаются когерентными в течение времени автокорреляции τ (5). Оптический поток проходит по волокну с показателем преломления n расстояние L. Продолжительная автокорреляция низкочастотных модуляций оптического излучения позволяет подавить шум на выходе канала утечки путем сравнения измеряемых параметров зондирующего оптического излучения от близко располагаемых по оптоволокну участков. Задача эффективного отделения информативного от шумового сигнала сводится к выделению тестового участка волокна в одном от контрольного в другом сигнале, реализация которой может проведена различными способами, но общие физические принципы связываются с значительным временем автокорреляции [7].
Пусть в схеме зондирования (рис. 3) по оптоволокну (1) оптическим импульсом (2) участков волокна (4, 5) акустический сигнал от источника звука (3) вызывает формирование информативного оптического сигнала в виде паразитных модуляции параметров оптического излучений. Если один участок (4) обладает повышенной чувствительностью относительно близлежащих участков (5), то раздельная регистрация параметров оптического излучения от них формирует информативные сигналы с коррелируемыми шумами n(t) от участка (5) и с задержкой по τ времени шумом n(t + τ) от участка (4), на котором формируется полезный сигнал s(t + τ). Сравнение сигналов путем вычитания позволяет выделить полезный сигнал
s(t + τ) + n(t + τ) − n(t).
Среднеквадратичные мощности полезного сигнала S и шума N в общей мощности равна
S + 2N(1 − k),
здесь k( τ) – коэффициент автокорреляции шума, зависимый от времени задержки τ между основным и вспомогательным измерениями. Если задержка между измерениями будет меньше времени корреляции 10−4 сек., то k > 0 и стремится к 1 при приближении контрольного к тестовому измерению, что в пределе позволяет полностью подавить шум канала на малых расстояниях (в нашем случае менее 20 км).
Реализация механизма дифференциальных измерений путем вычитания из информативного сигнала шумов может быть произведена многими способами, эффективность которых, главным образом, зависит от дальности и глубины акустической модуляции оптического излучения в волоконно-оптической закладке при формировании полезной составляющей в информативном сигнале относительно фоновых паразитных модуляций по длине волоконно-оптического канала утечки, а также возможности выделения шумовой составляющей в сигнале.
2.1. Дифференциальное зондирование методами оптической рефлектометрии
Требованиям формирования двух коррелируемых по шумам тестового и контрольного сигналам наилучшим образом отвечают методы оптической рефлектометрии (рис. 4), в которых возможна разделение информативного сигнала и шумов канала утечки во времени [9]. Рефлектометр (A) посылает зондирующие импульсы в оптоволокно (B) и принимает в реальном времени обратнорассеянное излучение. В результате формируется рефлектограмма (C). В рефлектометре производится сравнение сигналов в реальном времени с выводом интегрального акустического сигнала, используя временное разделение отклика (D) от соседних точек оптоволокна (1) и (2).
Дифференциальное зондирование в рефлектометрической схеме возможно проводить не только путем обработки рефлектограмм программными методами в реальном времени, но и путем прямого сравнения оптических откликов от выделенных участков оптоволокна путем разделения сигналов с помощью интерферометра Маха-Цендера на входе системы регистрации. В этом случае, реализуется устройство аналогового вычисления коэффициента корреляции с временем равным времени задержки между плечами интерферометра. При определенных условиях данная оптическая схема позволяет реализовать зондирование непрерывным излучением. Еще один метод состоит в двух импульсной рефлектометрии, который также позволяет разделить два сравниваемых сигналов.
2.2.Дифференциальное зондирование в проходящем свете дуплексного кабеля с несимметричной оптической неоднородностью
Хотя рефлектометрическая схема зондирования предпочтительнее для зондирования на больших расстояниях, но на небольших расстояниях с выделенной волоконно-оптической закладкой, обладающей повышенной акустической чувствительностью относительно других частей оптического волокна, возможна эффективная реализация зондирования в прямом (проходящем) излучении. Одна из возможных схем связана с инсталляцией волоконно-оптических СКС из кабеля с несколькими оптическими волокнами. Например (рис. 5), волокна дуплексного оптического кабеля (2) между трансиверами (1), проходя по одним и тем же кабельным каналам, подвергаются одним и тем же воздействиям (4, 5) с размером однородности, превышающей расстояние между волокнами в дуплексном кабеле, поэтому шумовые составляющие информативного сигнала коррелируют между собой. В данной системе, формируя волоконно-оптические закладки (3) на одном оптоволокне и не изменяя состояния другого, достигаются несимметричные условия распространения оптического излучения. Проводя зондирование в прямом потоке одновременно по двум волокнам независимо от направления распространения оптического излучения и сравнивая их, можно повысить отношение сигнал/шум для речевого сигнала сравнением двух сигналов.
Обсуждаемые методы дифференциального зондирования с целью повышения качества разведываемого речевого сигнала не единственны. Их реализация зависит от конкретной СКС здания: ее размещения, используемого кабеля, фрагментированности, применения систем защиты и других условий.
3. Экспериментальные исследования шумоподавления дифференциальными измерениями
В функционировании канала утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации большое значение имеет оптические неоднородности с высокой акустической чувствительностью (волоконно-оптические закладки), на которых формируется информативный сигнал. Одним из таких элементов являются разъемные оптические соединения, фактически являющиеся по конструкции аналогом волоконно-оптического микрофона. Манипуляциями с ними можно довести глубину модуляции на них прямых и обратных оптических излучений до 100%, что может незначительно сказаться на передаваемый трафик вследствие низкой модуляционной частоты. Это один из наиболее опасных элементов в модели угроз, что подтверждается практическими исследованиями [12, 13], поэтому практическое тестирование эффективности шумоподавления дифференциальными методами проводились на разъемном соединении.
Экспериментальные исследования дифференциальных методов шумоподавления проводились на модифицированной лабораторной установке, ранее использовавшийся для исследований воздействия звука на разъемные соединения [12, 13]. Установка (рис. 6) включает управляющий мультимедийный компьютер (1), воспроизводящий звуковой файл с записью речи, генератор шума и тоновых сигналов. Оптическое зондирование проводилось высокостабильным гелий-неоновым лазером (2) с волоконно-оптическим выходом на разъем FC мощностью несколько мВт на длине волны 632 нм, к которому подключался волоконно-оптический сплиттер 50/50 (5). Одна часть равно поделенного излучения направлялось в тестируемый канал с исследуемым разъемным соединением SC-SC (4) на фотодиод (6), а друга часть в контрольный канал на фотодиод (7). Исследуемый волоконно-оптический разъем SC-SC находился в малогабаритной камере (3) с звукоизоляцией от окружающей среды не более 20 дБ, где создавалось однородное диффузное акустическое поле с помощью акустической системы и контролировалось микрофоном подсоединенными управляющему компьютеру (1). Фотодиоды (6) и (7) работали в фотогальваническом режиме и подключались через дифференциальный усилитель 10 дБ (8) к приборам контроля: селективному нановольтметру типа UNIPAN (9) с выходом на накладные наушники (10), цифровому осциллографу (11) и компьютеру с программным анализатором звукового спектра (12). Приборы контроля (11) и (12) подключались напрямую к дифференциальному усилителю (8) или через селективный нановольтметр (9) вместо наушников (10) и использовались для качественных оценок и настройки измерительной системы. Волоконно-оптическая система имела общую длину порядка 5 м после делителя (5). Все волоконно-оптические элементы (лазер, кабель, делитель, разъемные соединения, звукоизолирующая камера), измерительные приборы размещались компактно на одном столе в три уровня, что создавало условия для однородного воздействия фоновых звуков на все элементы за исключением исследуемого разъемного соединения в звукоизолирующей камере.
Исследования проводились двумя методами, которые состояли:
в субъективных артикуляционных измерениях в виде прослушивания через измерительную систему информативных речевых сигналов и качественной оценки речи на слух, для чего через акустическую систему в малогабаритной камере на разъемное соединение воздействовал речевой сигнал, с помощью усилителя с селективностью 0 дБ/октаву достигался уровень звукового давления достаточный для прослушивания через наушники перехваченного текста; следующим шагом оптически разрывался контрольный канал и последующим повторением разрыва-восстановления оптического канала проводилось сравнение качества речи при фиксированном уровне звукового давления в малогабаритной камере;
в объективных измерениях отношения сигнал/шум использовалось воздействие тональных звуков, для чего через акустическую систему в малогабаритной камере на разъемное соединение воздействовал тональный сигнал на частоте 1 016 Гц фиксированной мощности, с помощью усилителя с максимальной селективностью 54 дБ/октаву измерялся уровень звукового давления сигнала в мкВ, при сохранении настроек тоновый сигнал отключался и измерялся уровень звукового давления шума в мкВ; следующим шагом оптически разрывался контрольный канал и последующим повторением разрыва-восстановления оптического канала проводилось измерение уровня звукового давления сигнала и шума в малогабаритной камере;
При настройке системы контролировалось звуковое поле в малогабаритной камере по спектру для фонового, речевого и тоновых сигналов, а также на выходе нановольтрметра.
Экспериментальные измерения путем сравнения сигналов при прямом измерении по одному каналу и при дифференциальном измерении двух каналов показали:
- артикуляционные измерения (сравнение на слух в наушниках) дифференциального и прямого соединения показывает преимущество дифференциальной схемы измерения, проявляющееся в том что прямая схема дает шум, приблизительно совпадающий с речью, при дифференциальной схеме уровень шума меньше уровня речи;
- исследование шумовых характеристик разных режимов включения при воздействии тонального сигнала на частоте 1 016 Гц и селективности 54 дБ/октаву дает дифференциальный режим: тон 3,3 мкВ, фон 0,17 мкВ, SNR = 19,4; прямое включение (разрыв контрольного канала): тон 2,5 мкВ; фон 0,20 мкВ, SNR = 12,5;
4. Применение дифференциальных технологий зондирования
Возможности подавления низкочастотного шума в оптическом канале может быть использовано для повышения эффективности акустического волоконно-оптического ТКУИ. Принципиальная структура канала утечки с дифференциальным подавлением шума может строиться на основе штатной оптической сети объекта (рис. 7). Для соединения двух рабочих станций (3) могут использоваться дуплексный оптический кабель (4) со встречным направлением информационных потоков (5). Кабель размещается в кабельных каналах волоконно-оптических подсистем СКС, один канал которого имеет оптическую неоднородность (2) с акустическим через воздух или виброакустический через стены контакт с источником речевой информации (1). Нарушитель (6), контролируя среднюю оптическую мощность штатных встречных информационных потоков с разрешением по времени с частотой 10 кГц и по величине в динамическом диапазоне 8 бит, получает два сигнала с одинаковым зашумлением в каждом, но несимметричным значением относительно информативного сигнала. Данные контроля передаются нарушителю с рабочих станций в реальном времени и обрабатываются на основе дифференциальных методов подавления шума.
Структура канала утечки зависит от топологии оптической сети. Если топология представляется в виде звезда, дерево или шина, кабельные каналы которых проложены через контролируемую зону, то внешний нарушитель может провести перехват через собственные компьютеры. Для оптической сети внутри контролируемой зоны требуются внутренний нарушитель с несанкционированным доступом к рабочим станциям объекта. Задача перехвата конфиденциальной информации значительно упрощается при топологии сети типа кольцо, тогда возможно совмещение все трех компьютеров в одном средстве ТР, который может размещаться как внутри контролируемой зоны (внутренний нарушитель), так и вне контролируемой зоны (внешний нарушитель).
Кроме речевых ТКУИ на основе ВОК, дифференциальный метод подавления низкочастотного шума в оптическом канале может быть использован в других волоконно-оптических технологиях. Например, для увеличения длины защищаемого периметра одним рефлектометром в ВОСОП без промежуточных оптических усилителей [8, 9]. В этом случае используя схему дифференциального зондирования рефлектометром (рис. 4) можно на порядок увеличить длину контролируемого периметра, так как основным контролируемым параметром является виброакустические источники с частотой до 1 кГц, что соответствует времени корреляции 1 мсек или длина по волокну 200 км. Также, технология может быть использована для увеличения длины волоконно-оптического кабеля в волоконно-оптических микрофонах [4], путем использования дуплексного кабеля с одним волокном преобразователя и другим контрольным без преобразователя (РИС.5). В этом случае длину кабеля микрофона можно увеличить на любую требуемую величину до 20 км.
Заключение
Существующие прозрачные волоконно-оптические подсистемы СКС с возможностью конвергенцией функций передачи и измерения информации представляют высокую угрозу для циркулирующей на объекте речевой информации вследствие распространения информативных акустических полей по всему объекту (зданию), которое полностью охватывается стационарной волоконно-оптической СКС с высокой акустической чувствительностью. Использование методов шумоподавления нарушитель может осуществить перехват со многих позиций, но знание каналов утечки может значительно улучшить систему технической защиты информации путем установки несимметричных систем генерации в оптических кабелях индуцированного шума.
Список литературы
Бузов Г. А. Защита информации ограниченного доступа от утечки по техническим каналам. – М.: Горячая линия – Телеком, 2024. 586 с. ISBN 978‑5‑9912‑0424‑8.
Каторин Ю. Ф., Разумовский А. В., Спивак А. И. Защита информации техническими средствами. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. 416 с.
Зайцев А. П., Шелупанов А. А., Мещеряков Р. В. и др. Технические средства и методы защиты информации. – М.: ООО «Издательство Машиностроение», 2009. 508 с. ISBN 978‑5‑94275‑454‑9.
Хорев А. А. Техническая защита информации. Том 1. Технические каналы утечки информации. – М.: НПЦ «Аналитика», 2008. 436 с.
Халяпин Д. Б. Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь! – М.: НОУ ШО «Баярд», 2004. 432 с.
Харкевич А. А. Борьба с помехами. – М.: Либроком. Ленанд.2018–280 с. – ISBN 978‑5‑9710‑5339‑2, 978–5–397–03458–6
Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. – М.: Мир, 1989. 540 с.
Кульчин Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 272 с. – ISBN 978‑5‑9221‑0072‑4.
Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон. – ЛЕСАРарт, 2005. 208 с. ISBN 5‑902367‑03‑4.
Гришачев В. В., Казарин О. В., Калинина Ю. Д. Физическая модель угрозы утечки акустической (речевой) информации через волоконно-оптические коммуникации. Вопросы защиты информации. 2018; 3: 35–51.
Гришачев В. В., Заболоцкая А. Д. Проблема информационной безопасности волоконно-оптических технологий. Фотоника. 2022; 16(6): 484–500. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2022.16.6.484.500.
Гришачев В. В., Калинина Ю. Д., Тарасов А. А. Оценка глубины паразитной модуляции света в оптической кабельной системе с неоднородностями. Вопросы защиты информации. 2016; 1: 62–73.
Гришачев В. В., Казарин О. В., Калинина Ю. Д. Паразитные акустические модуляции световых потоков в разъемных соединениях оптической сети объекта информатизации. Вопросы защиты информации. 2018; 4: 47–56.
АВТОР
Гришачев Владимир Васильевич, к. ф.‑ м. н., доцент, Институт информационных наук и технологий безопасности (ИИНиТБ), Российский государственный гуманитарный университет (РГГУ), e-mail: grishachev@mail.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-7585-7282
Отзывы читателей
