eng
Выпуск #3/2019
В. В. Гришачев
Перехват трафика в оптических сетях: информативные паразитные электромагнитные излучения
Перехват трафика в оптических сетях: информативные паразитные электромагнитные излучения
Просмотры: 3084
В статье проанализированы возможности формирования в оптических сетях информативного сигнала радиодиапазона на основе нелинейно-оптической генерации разностных частот. На основе упрощенной физической модели перехвата трафика в оптических сетях с амплитудной модуляцией получены оценки мощности информативного паразитного электромагнитного излучения. Модель и оценки показывают реалистичность дистанционного перехвата трафика в оптических сетях. Обсуждаются наиболее опасные участки оптической сети и некоторые методы повышения эффективности перехвата. Также предлагаются методы защиты трафика техническими средствами.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.280.294
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.280.294
Теги: informative parasitic electromagnetic radiation technical means of traffic protection traffic intercept in optical network информативные паразитные электромагнитные излучения перехват трафика в оптических сетях технические средства защиты трафика
Переход в кабельных системах связи с медного (электрического) на оптический (диэлектрический) кабель привел к повышению всех характеристик передачи информации: пропускной способности, дальности, надежности, долговечности и защищенности [1–4]. Последнее преимущество связывается с отсутствием побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) при прохождении света по диэлектрическому каналу (оптоволокну), отсутствие которого не исключает возможность перехвата передаваемой информации [4].
Перехват трафика в оптических сетях [4–10]. Основные способы перехвата связаны с формированием оптических информативных сигналов путем вывода части оптического информационного сигнала, например, отвода части излучения при изгибе оптоволокна, регистрации побочных оптических излучений на основе вытекающих мод на начальном участке оптического волокна или рассеянного излучения на других участках оптической сети. Особенности распространения света в волокне, конструкция оптического кабеля ограничивают возможности перехвата на основе оптических информативных сигналов трудностями регистрации быстропротекающих процессов при ограниченности отводимой оптической мощности, развитостью техники мониторинга оптических сетей рефлектометрическими и другими методами.
Теоретический анализ физических особенностей распространения света в волокне и практический поиск технических реализаций существующих волоконно-оптических технологий позволяет предложить новые способы перехвата трафика, в том числе на основе паразитных электромагнитных излучений, генерируемых вследствие нелинейно-оптических преобразований в волокне. Суть данного перехвата сводится к тому, что кодирование информации в оптических сетях производится со скоростями вплоть до C = 100 ГБит / сек и соответствующим частотами модуляции порядка f = 100 ГГц оптической несущей на длинах волн λ = 800–1 600 нм. Детектирование оптического излучения методами нелинейной оптики может привести к формированию паразитных электромагнитных излучений (ПрЭМИ) на частотах модуляции, которые могут быть информативными сигналами для систем перехвата трафика. В работе представлен физический анализ данного вида перехвата.
МОДЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА И ИНФОРМАЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Преимущества оптических кабельных сетей перед электрическими связывается с повышенной частотой несущей и со средой канала передачи информации [3–5]. Основой волоконно-оптического канала связи является оптическое волокно из оптически прозрачного диэлектрика. В телекоммуникациях – это очищенный аморфный кварц (диоксид кремния, SiO2) в виде тонкой гибкой цилиндрической нити диаметром 125 мкм (оболочка) с выделенным внутри по оси нити цилиндром (сердцевина) диаметром менее 10 мкм для одномодового волокна и 62,5 или 50 мкм для многомодового волокна. Геометрические и оптические параметры оболочки и сердцевины выбираются так, что распространяющийся внутри оболочки свет испытывает полное внутреннее отражение от оболочки, для чего показатель преломления сердцевины (nc порядка 1,46) выбирается больше, чем у оболочки (ns) по порядку величины на Δn = nc– ns = 0,01. Управление показателем преломления производится путем внесения небольшого количества добавок для увеличения nc – Ge и P, а для уменьшения ns – B и F. На потери в кварцевых волокнах оказывают влияние примеси Fe, Cu, Cr и, OH- с типичной концентрацией порядка 10–1 000 млн–1. Для оптического усиления в области длин волн 1 060–1300 нм сердцевину допируют Yb, а в области 1500 нм – Er. Пониженное содержание примесей определяет оптические свойства волокна, такие как низкие потери, упругое и неупругое рассеяние, нелинейные преобразования.
Линейные и нелинейные оптические явления в среде волоконно-оптического канала [2–4, 11–13]. Распространение света в диэлектрическом волокне сопровождается потерями, спектр поглощения которых характеризуется снижением потерь при увеличении длины волны от оптических до инфракрасных длин волн порядка 1 600 нм с характерными всплесками величины поглощения на отдельных видах примесей и областями между ними с незначительным изменением коэффициента поглощения (области прозрачности) на длинах волн 850, 1 310 и 1 550 нм. Наименьшее затухание порядка 0,22 дБ / км наблюдается на длинах 1550 нм. Дальнейшее увеличение длины волны вызывает рост поглощения, связанного с колебаниями атомов кристаллической решетки. В области прозрачности основной вклад в ослабление светового потока дает рассеяние Рэлея на оптических неоднородностях много меньших длины волны света, которое характеризуется зависимостью от длины волны ~λ–4. Дополнительные потери вносят структурные неоднородности волокна, сравнимые с длинами волн (рассеяние Ми), плоские протяженные сколы, трещины и др. (отражение Френеля). Эти и другие виды потерь формируют побочные оптические излучения (ПОИ), имеющие характерную индикатрису рассеяния (рис. 1) с направлением максимального рассеяния вдоль оси волокна и квадратичной зависимостью от угла рассеяния θ.
Составляющий основу оптоволокна плавленый кварц SiO2 имеет аморфную структуру при малой доли примесей и оптических неоднородностей, поэтому в волокне с небольшой эффективностью могут наблюдаться нелинейно-оптические преобразования излучения, что связывается с малым размером канала, высокой мощностью вводимого излучения, влиянием внешних факторов. В частности, наблюдаются неупругое комбинационное рассеяние (на колебаниях атомов решетки), рассеяние Мандельштама – Бриллюэна (на акустических фононах), которые приводят к появлению характерных максимумов и уширению спектра оптического излучения. На практике данные эффекты используются для распределенных волоконно-оптических измерений температуры, механических напряжений.
Еще один вид нелинейно-оптических преобразований в оптоволокне связывается с изменением показателя преломления, генерацией гармоник, суммарных и разностных частот. К ним относятся фазовая самомодуляция, четырехволновое смещение, модуляционная нестабильность, формирование солитонов, фазовая кросс-модуляция, которые оказывают существенное влияние на передачу информации в оптических линиях. Например, четырехволновое смешение наблюдается при распространение в волокне сигналов на трех (ωi, ωj, ωk) или более частотах, при этом генерируется сигнал на смешанной частоте (ωijk = ωi + ωj – ωk), близкой к рабочей частоте каналов, что оказывает влияние на передачу. Для эффективного нелинейно-оптического преобразования оптического излучения требуется достижение критических значений интенсивностей, что вполне возможно вследствие малости поперечного сечения волокна и высокой мощности излучения. Эффективность нелинейно-оптических преобразований может значительно повыситься при достижении фазового (волнового) синхронизма, а также при внешних воздействиях, повышающих нелинейность среды.
Нелинейно-оптические преобразования, происходящие при распространении оптического излучения в оптоволокне, определяются тензором нелинейной восприимчивости аморфного кремния с примесями. Наводимая излучением нелинейная поляризация материала оптоволокна происходит на смешанных частотах и равна
,
где – электрическая постоянная, – электрические напряженности взаимодействующих волн на частотах ω1, ω2, при этом нелинейная восприимчивость может зависеть как от электрических полей этих же, так и других волн в оптоволокне, а также она зависит от внешних воздействий электрической или иной природы, например, от механических напряжений, существующих или возникающих при скручивании оптоволокна. В идеальных кристаллах компоненты тензора нелинейной восприимчивости определяются симметрией, так, в материалах с аморфной структурой квадратичная нелинейность равна нулю и проявляются нелинейности третьего порядка и более высокого порядка. В реальных материалах существуют структурные неоднородности, внешние воздействия, которые приводят к тому, что эффективная нелинейная восприимчивость может отличаться от идеальной. Поэтому эффективная квадратичная нелинейность аморфного SiO2 отличается от нулевого значения, а при воздействии внешних полей может принимать значения, достаточные для наблюдения нелинейно-оптических преобразования второго порядка.
Кроме названных явлений в волокне могут проходить и другие процессы, которые не учитываются при эксплуатации оптических сетей, так как не оказывают значительного влияния на передачу информации, но могут быть использованы как источники информативных сигналов для перехвата трафика.
Информационный сигнал [2–4, 12]. Передача информации в оптических сетях производится путем модуляции оптической несущей, в качестве которой применяется излучение на длинах волн из областей прозрачности на частотах ν = ω / 2π · 1014 Гц (λ = 850 нм), 2,3 · 1014 Гц (1 310 нм) и 1,9 · 1014 Гц (1 550 нм). При кодировании информации используется амплитудная, фазовая модуляция на частотах f = Ω / 2π = 108 Гц и выше. Основной способ повышения пропускной способности линии связи связан с волновым мультиплексированием 40 и более длин волн. Мощность информационного сигнала определяется оптическим бюджетом линии (без промежуточного усиления), выраженным в дБ, т. е. общими потерями в пассивных элементах, которые должны быть меньше разности мощности источника и чувствительностью приемника.
ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАЗИТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Исходя из описания информационного сигнала, линии и канала связи в оптических сетях можно предложить упрощенную физическую модель волоконно-оптической системы передачи информации. Среда передачи информации – одномодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления n = 1,46 и диаметром d = 125 / 10 мкм с коэффициентом поглощения α = 0,22 дБ / км (5,1 · 10–5 м–1). Информационный сигнал в виде монохромной оптической несущей на длине волны λ = 1 550 нм (ν = 1,9 · 1014 Гц) мощностью источника P0 = 1 мВт, модулированной синусоидальным сигналом частотой f = 1 ГГц по амплитуде с коэффициентом модуляции m ≤ 1. В оптическом канале присутствуют побочные оптические излучения, формируемые, главным образом, вследствие рассеяния Рэлея, когерентные несущей и имеющее мощность порядка P1 = α λ P0 / 2, где Λ = c / f – длины волны модулирующего сигнала и c – скорость света в вакууме, т. е. порядка пространственной длины бита.
В соответствии с данным приближением, распространяющееся оптическое излучение в оптоволокне состоит в прямом направлении из потока фотонов с энергией и фотонов каждого типа с энергиями и . Число фотонов несущей в потоке убывает с пройденным расстоянием x, так что
,
а модулированных фотонов для каждой энергии
.
Кроме фотонов прямого потока, формирующих информационный оптический сигнал, в оптоволокне присутствует обратнорассеянные фотоны, формирующие побочное оптическое излучение, с энергиями , и . Их число определяется рассеянием Рэлея, Ми, отражением Френеля и равно для несущей на расстоянии x от источника
.
Число модулированных фотонов для каждой энергии
,
где дополнительное уменьшение в два раза связано с симметричностью индикатрисы рассеяния.
Рассеянные от других удаленных участков оптоволокна фотоны не когерентны с информационным оптическим сигналом, поэтому их вклад в нелинейные процессы незначительны и их не учитываем. Длина когерентности информационного оптического сигнала при ширине спектра 2Ω равна
,
т. е. длина когерентности lc сигнала несколько меньше длины бита Λ / 2, следовательно в когерентных процессах могут участвовать практически все фотоны бита информации.
Нелинейно-оптическая демодуляция информационного сигнала может происходить при любом взаимном направлении волновых векторов фотонов [11–13] – коллинеарном, антиколлинеарном и неколлинеарном (рис. 2). При этом должны выполняться законы сохранения энергии и импульса , которые трансформируются в соотношения для частот
для коллинеарного взаимодействия
и ,
отсюда частота генерируемого излучения
;
для антиколлинеарного взаимодействия
и ,
где ω – энергия поляризации вещества на нулевой частоте, отсюда частота генерируемого излучения
;
для неколлинеарного взаимодействия с углом θ между волновыми векторами
и
и для частоты генерируемого излучения
.
При коллинеарном взаимодействии демодуляция возможна только при трехволновом смешении фотонов, вероятность которого ниже двухволнового взаимодействия. При антиколлинеарном и неколлинеарном взаимодействии в приближении близости частот , так как , и малости угла θ, получаем
.
Разностная частота генерируемого излучения определяется типами фотонов, принимающих участие во взаимодействии. Она может принимать значения
,
где первая частота генерируется при взаимодействии фотонов частотой несущей и одной из модулированных волн , а удвоенная при взаимодействии модулированных волн и с противоположным направлением волновых векторов. Демодуляция приводит к генерации излучения на частоте , которое относится к радиодиапазону, и для него диэлектрическое оптоволокно не является волноводом. Это излучение распространяется во все стороны от кабеля, формируя информативный паразитный электромагнитный сигнал.
Оценим мощность излучения на частоте . Исходя из приведенной модели генерации ПрЭМИ, максимальное значение ее мощности определяется условием нелинейно-оптического преобразования всех рассеянных волн как несущей, так и модулированной волны, т.е. включают процессы взаимодействия
несущей в прямом направлении ( фотонов) и обратнорассеянной модулированной волны ( фотонов);
обратнорассеянной несущей ( фотонов) и модулированной волны в прямом направлении ( фотонов)
Таким образом, определяемое по меньшему числу участвующих во взаимодействии фотонов общее максимально возможное число фотонов демодуляции равно
или для мощности информативного сигнала на частоте Ω
.
Мощность информативного сигнала на входе (x = 0) для 100% глубины модуляции равна
= 7,3 · 10–9 Вт,
которая происходит на частоте f = 1 ГГц от участка волокна длиной Λ / 2 = 0,1 м.
В случае регистрации информативного паразитного электромагнитного излучения от оптической неоднородности типа разъемного соединения с возвратными потерями порядка β = –40 дБ, их мощность может достигать
и на входе составлять
= 3 · 10–7 Вт.
Полученные мощности информативных сигналов могут быть надежно приняты и декодированы общедоступными приемниками СВЧ сигнала.
Оценим оптимальное значение эффективной нелинейной восприимчивости для преобразования типа . Так как нелинейная поляризация на частоте
,
то её можно представить в виде связи падающих , и генерируемых потоков фотонов в виде
,
где коэффициент τ, имеющий размерность времени, определяется как
,
где – площадь сечения сердцевины.
Физический смысл коэффициента τ связывается со временем полного преобразования фотонов, ограничиваемое предельным числом фотонов в потоке. Пусть в потоке фотонов выполняется условие , т. е. поток фотонов с энергией превышает поток фотонов с энергией , тогда поток генерируемых фотонов с энергией не может превышать численно меньший поток фотонов, т. е. . Максимально эффективное преобразование наблюдается, когда , т. е. когда все фотоны из меньшего существующего потока преобразуются в формирующий поток . В этом случае требуется, чтобы больший поток фотонов
.
Отсюда можно найти оптимальное значение эффективной нелинейной восприимчивости
для полного преобразования всех фотонов. Таким образом, для 100% нелинейно-оптического преобразования требуется, чтобы значение эффективной нелинейной восприимчивости превышало некоторое критическое значение, которое зависит от интенсивности большего потока и соотношения частот генерируемого и падающего фотонов. Зависимость от соотношения частот приводит к тому, что процесс генерации разностной частоты происходит при нелинейностях меньших на несколько порядков, чем для генерации второй гармоники.
Оценка оптимального значения эффективной нелинейной восприимчивости для генерации разностных частот в оптоволокне дает значение
10–8 м / В,
где принято: частоты взаимодействующих волн приблизительно равны частоте несущей = 3,8 π · 1014 рад / сек, как и показатели преломления = 1,46; частота генерируемой волны равна частоте модуляции = 2 π · 109 рад / сек, а показатель преломления = 1; интенсивность волны на частоте равна интенсивности несущей в оптоволокне = 1,27 · 107 Вт / м2.
Полученное значение вполне достижимо. В плавленом кварце линейная восприимчивость имеет величину порядка 1, квадратичная восприимчивость 10–11–10–13 м / В, кубическая восприимчивость 10–21–10–23 м2 / В2 [11–13]. Так как величина нелинейной восприимчивости в материале бездефектного оптоволокна на 3 порядка меньше требуемой для 100% преобразования, следовательно коэффициент τ меньше на 6 порядков критического значения, т. е. будет преобразовано только 10–6 от максимально возможного числа фотонов. Мощности информативных паразитных электромагнитных излучений примут значения менее 10–13 Вт, что регистрируется в непосредственной близости к источникам. В этом случае, для увеличения эффективности преобразования может быть использовано внешнее воздействие повышающее нелинейность среды.
Особенности перехвата и защиты в оптических сетях
Реализация перехвата трафика в оптических сетях связана с выбором средств технической разведки, его оптимального расположения. Основной элемент – это приемная антенна, конструкция которой зависит от типа прокладки кабельной системы (подземная, подводная, воздушная), конструкции кабеля (диэлектрическими или металлическими защитными / несущими элементами), количества оптических волокон. Для цилиндрической информативной паразитной электромагнитной волны, расходящейся от кабеля, антенна может иметь вид проводящего пленочного или проволочного винтового цилиндра вокруг волокна длиной порядка длины бита Λ / 2, сигнал с которой передается на усилитель и приемник (рис. 3).
Металлические защитные и несущие элементы кабеля могут ослаблять информативный электромагнитный сигнал, поэтому они выполняют функции первого защитного эшелона. На модуляционных частотах Ω = 2 π · 109 рад / сек глубина проникновения электромагнитного излучения порядка 2,5 мкм для железа с удельной проводимостью 107 Ом / м, что много меньше толщины защитных оболочек. Для его преодоления нарушителю необходимо разрушить защитные стальные оболочки кабеля и получить доступ к внутренним поверхностям металлических защитных оболочек, в этом случае сами внутренние поверхности могут выполнять функции антенн.
На мощность информативного сигнала оказывает влияние мощность информационного оптического сигнала (несущей), поэтому наиболее опасными являются участки оптической сети вблизи активных элементов, таких как передатчик / усилитель / ретранслятор, и менее опасными – участки на входе перед приемником / усилителем / ретранслятором. Из этих же соображений, наиболее опасными являются участки оптической сети с оптическими неоднородностями, такие как соединительные муфты (где размещаются соединенные сваркой оптоволокна), распределительные шкафы (где размещаются разъемные соединения волокон), а также любые другие участки волокна с повышенными локальными потерями.
Увеличить мощность информативного сигнала можно, увеличив оптическую нелинейность в волокне путем внешнего воздействия постоянным электрическим, магнитным полями либо механическим воздействием. Величина воздействия может быть определена опытным путем или теоретически по физическим характеристикам оптического волокна, но в любом случае дополнительное воздействие повышает мощность информативных паразитных электромагнитных излучений, так как увеличивает не только оптическую нелинейность, но и увеличивает локальные потери в оптоволокне.
Противодействие угрозам перехвата можно осуществить многими способами. Например, путем подачи в оболочку когерентного шумового сигнала на частотах, отличных от информационного, но с шириной полосы, близкой к ширине полосы информационного сигнала. То же самое можно применить при мультиплексировании информационного и шумового сигналов непосредственно в сердцевине. В этом случае информативный паразитный электромагнитный сигнал, генерируемый от информационного сигнала, будет зашумлен паразитным электромагнитным излучением от шумового сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретический анализ нелинейно-оптических процессов с информационным оптическим сигналом в оптических волокнах сетей связи показывает возможность генерации информационных паразитных электромагнитных сигналов, которые могут быть использованы для дистанционного (т. е. без разрушения защитных оболочек оптического кабеля) перехвата трафика в оптических сетях. Эффективность перехвата определяется расположением средств технической разведки относительно активных элементов, близостью размещения приемной антенны к оптоволокну, внешним воздействием на оптоволокно для увеличения его нелинейной восприимчивости. Выявленные особенности перехвата позволяют сформулировать требования к средствам технической защиты трафика, такие как использование шумового сигнала и другие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Дианов Е. М. Волоконная оптика: сорок лет спустя. Квантовая электроника. 2010; 40(1):1–6.
Dianov E. M. Volokonnaja optika: sorok let spustja. Kvantovaja jelektronika. 2010; 40(1):1–6.
Волоконно-оптическая техника: cовременное состояние и перспективы / Сб. статей под ред. Дмитриева С. А. и Слепова Н. Н. – М.: ООО «Волоконно-оптическая техника», 2005.
Volokonno-opticheskaja tehnika: covremennoe sostojanie i perspektivy / Sb. statej pod red. Dmitrieva S. A. i Slepova N. N. – M.: OOO «Volokonno-opticheskaja tehnika», 2005.
Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи. – СПб.: Изд-во «Лань», 2010.
Skljarov O. K. Volokonno-opticheskie seti i sistemy svjazi. – SPb.: Izd-vo Lan', 2010.
Шубин В. В. Информационная безопасность волоконно-оптических систем. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2015.
Shubin V. V. Informacionnaja bezopasnost» volokonno-opticheskih sistem. – Sarov: RFJaC–VNIIJeF, 2015.
Корольков А. В., Кращенко И. А., Матюхин В. Г., Синев С. Г. Проблемы защиты информации, предаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, от несанкционированного доступа. Информационное общество. 1997; 1: 74–77.
Korol'kov A. V., Krashhenko I. A., Matjuhin V. G., Sinev S. G. Problemy zashhity informacii, predavaemoj po volokonno-opticheskim linijam svjazi, ot nesankcionirovannogo dostupa. Informacionnoe obshhestvo. 1997; 1: 74–77.
Гришачев В. В., Кабашкин В. Н., Фролов А. Д. Анализ каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи: нарушение полного внутреннего отражения. Информационное противодействие угрозам терроризма. 2005: 4:194–204.
Grishachev V. V., Kabashkin V. N., Frolov A. D. Analiz kanalov utechki informacii v volokonno-opticheskih linijah svjazi: narushenie polnogo vnutrennego otrazhenija. Informacionnoe protivodejstvie ugrozam terrorizma. 2005: 4:194–204.
Боос А. В., Шухардин О. Н. Анализ проблем обеспечения безопасности информации, передаваемой по оптическим каналам связи, и путей их решения. Информационное противодействие угрозам терроризма. 2005; 5: 162–170.
Boos A. V., Shuhardin O. N. Analiz problem obespechenija bezopasnosti informacii, peredavaemoj po opticheskim kanalam svjazi, i putej ih reshenija. Informacionnoe protivodejstvie ugrozam terrorizma. 2005; 5: 162–170.
Свинцов А. Г. Оптимизация параметров оптического рефлектометра для обнаружения неоднородности при попытке несанкционированного доступа в ВОСП. Фотон-Экспресс. 2006; 6(54):56–71.
Svincov A. G. Optimizacija parametrov opticheskogo reflektometra dlja obnaruzhenija neodnorodnosti pri popytke nesankcionirovannogo dostupa v VOSP. Foton-Jekspress. 2006; 6(54):56–71.
Булавкин И. А. Вопросы информационной безопасности сетей PON.Технологии и средства связи. 2006; 2: 104–108.
Bulavkin I. A. Voprosy informacionnoj bezopasnosti setej PON.Tehnologii i sredstva svjazi. 2006; 2: 104–108.
Глущенко А., Глущенко Л., Тупота В. Оценка защищенности информации, циркулирующей в ВОЛП. Фотоника, 2010; 4: 36–42.
Glushhenko A., Glushhenko L., Tupota V. Ocenka zashhishhennosti informacii, cirkulirujushhej v VOLP. Fotonika, 2010; 4: 36–42.
Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. – М.: Наука, 1989.
Shen I. R. Principy nelinejnoj optiki. – M.: Nauka, 1989.
Агровал Г. П. Нелинейная волоконная оптика. Перев. с англ. – М.: Мир, 1996.
Agroval G. P. Nelinejnaja volokonnaja optika. Perev. s angl. – M.: Mir, 1996.
Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
Dmitriev V. G., Tarasov L. V. Prikladnaja nelinejnaja optika. – M.: FIZMATLIT, 2004.
Перехват трафика в оптических сетях [4–10]. Основные способы перехвата связаны с формированием оптических информативных сигналов путем вывода части оптического информационного сигнала, например, отвода части излучения при изгибе оптоволокна, регистрации побочных оптических излучений на основе вытекающих мод на начальном участке оптического волокна или рассеянного излучения на других участках оптической сети. Особенности распространения света в волокне, конструкция оптического кабеля ограничивают возможности перехвата на основе оптических информативных сигналов трудностями регистрации быстропротекающих процессов при ограниченности отводимой оптической мощности, развитостью техники мониторинга оптических сетей рефлектометрическими и другими методами.
Теоретический анализ физических особенностей распространения света в волокне и практический поиск технических реализаций существующих волоконно-оптических технологий позволяет предложить новые способы перехвата трафика, в том числе на основе паразитных электромагнитных излучений, генерируемых вследствие нелинейно-оптических преобразований в волокне. Суть данного перехвата сводится к тому, что кодирование информации в оптических сетях производится со скоростями вплоть до C = 100 ГБит / сек и соответствующим частотами модуляции порядка f = 100 ГГц оптической несущей на длинах волн λ = 800–1 600 нм. Детектирование оптического излучения методами нелинейной оптики может привести к формированию паразитных электромагнитных излучений (ПрЭМИ) на частотах модуляции, которые могут быть информативными сигналами для систем перехвата трафика. В работе представлен физический анализ данного вида перехвата.
МОДЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА И ИНФОРМАЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Преимущества оптических кабельных сетей перед электрическими связывается с повышенной частотой несущей и со средой канала передачи информации [3–5]. Основой волоконно-оптического канала связи является оптическое волокно из оптически прозрачного диэлектрика. В телекоммуникациях – это очищенный аморфный кварц (диоксид кремния, SiO2) в виде тонкой гибкой цилиндрической нити диаметром 125 мкм (оболочка) с выделенным внутри по оси нити цилиндром (сердцевина) диаметром менее 10 мкм для одномодового волокна и 62,5 или 50 мкм для многомодового волокна. Геометрические и оптические параметры оболочки и сердцевины выбираются так, что распространяющийся внутри оболочки свет испытывает полное внутреннее отражение от оболочки, для чего показатель преломления сердцевины (nc порядка 1,46) выбирается больше, чем у оболочки (ns) по порядку величины на Δn = nc– ns = 0,01. Управление показателем преломления производится путем внесения небольшого количества добавок для увеличения nc – Ge и P, а для уменьшения ns – B и F. На потери в кварцевых волокнах оказывают влияние примеси Fe, Cu, Cr и, OH- с типичной концентрацией порядка 10–1 000 млн–1. Для оптического усиления в области длин волн 1 060–1300 нм сердцевину допируют Yb, а в области 1500 нм – Er. Пониженное содержание примесей определяет оптические свойства волокна, такие как низкие потери, упругое и неупругое рассеяние, нелинейные преобразования.
Линейные и нелинейные оптические явления в среде волоконно-оптического канала [2–4, 11–13]. Распространение света в диэлектрическом волокне сопровождается потерями, спектр поглощения которых характеризуется снижением потерь при увеличении длины волны от оптических до инфракрасных длин волн порядка 1 600 нм с характерными всплесками величины поглощения на отдельных видах примесей и областями между ними с незначительным изменением коэффициента поглощения (области прозрачности) на длинах волн 850, 1 310 и 1 550 нм. Наименьшее затухание порядка 0,22 дБ / км наблюдается на длинах 1550 нм. Дальнейшее увеличение длины волны вызывает рост поглощения, связанного с колебаниями атомов кристаллической решетки. В области прозрачности основной вклад в ослабление светового потока дает рассеяние Рэлея на оптических неоднородностях много меньших длины волны света, которое характеризуется зависимостью от длины волны ~λ–4. Дополнительные потери вносят структурные неоднородности волокна, сравнимые с длинами волн (рассеяние Ми), плоские протяженные сколы, трещины и др. (отражение Френеля). Эти и другие виды потерь формируют побочные оптические излучения (ПОИ), имеющие характерную индикатрису рассеяния (рис. 1) с направлением максимального рассеяния вдоль оси волокна и квадратичной зависимостью от угла рассеяния θ.
Составляющий основу оптоволокна плавленый кварц SiO2 имеет аморфную структуру при малой доли примесей и оптических неоднородностей, поэтому в волокне с небольшой эффективностью могут наблюдаться нелинейно-оптические преобразования излучения, что связывается с малым размером канала, высокой мощностью вводимого излучения, влиянием внешних факторов. В частности, наблюдаются неупругое комбинационное рассеяние (на колебаниях атомов решетки), рассеяние Мандельштама – Бриллюэна (на акустических фононах), которые приводят к появлению характерных максимумов и уширению спектра оптического излучения. На практике данные эффекты используются для распределенных волоконно-оптических измерений температуры, механических напряжений.
Еще один вид нелинейно-оптических преобразований в оптоволокне связывается с изменением показателя преломления, генерацией гармоник, суммарных и разностных частот. К ним относятся фазовая самомодуляция, четырехволновое смещение, модуляционная нестабильность, формирование солитонов, фазовая кросс-модуляция, которые оказывают существенное влияние на передачу информации в оптических линиях. Например, четырехволновое смешение наблюдается при распространение в волокне сигналов на трех (ωi, ωj, ωk) или более частотах, при этом генерируется сигнал на смешанной частоте (ωijk = ωi + ωj – ωk), близкой к рабочей частоте каналов, что оказывает влияние на передачу. Для эффективного нелинейно-оптического преобразования оптического излучения требуется достижение критических значений интенсивностей, что вполне возможно вследствие малости поперечного сечения волокна и высокой мощности излучения. Эффективность нелинейно-оптических преобразований может значительно повыситься при достижении фазового (волнового) синхронизма, а также при внешних воздействиях, повышающих нелинейность среды.
Нелинейно-оптические преобразования, происходящие при распространении оптического излучения в оптоволокне, определяются тензором нелинейной восприимчивости аморфного кремния с примесями. Наводимая излучением нелинейная поляризация материала оптоволокна происходит на смешанных частотах и равна
,
где – электрическая постоянная, – электрические напряженности взаимодействующих волн на частотах ω1, ω2, при этом нелинейная восприимчивость может зависеть как от электрических полей этих же, так и других волн в оптоволокне, а также она зависит от внешних воздействий электрической или иной природы, например, от механических напряжений, существующих или возникающих при скручивании оптоволокна. В идеальных кристаллах компоненты тензора нелинейной восприимчивости определяются симметрией, так, в материалах с аморфной структурой квадратичная нелинейность равна нулю и проявляются нелинейности третьего порядка и более высокого порядка. В реальных материалах существуют структурные неоднородности, внешние воздействия, которые приводят к тому, что эффективная нелинейная восприимчивость может отличаться от идеальной. Поэтому эффективная квадратичная нелинейность аморфного SiO2 отличается от нулевого значения, а при воздействии внешних полей может принимать значения, достаточные для наблюдения нелинейно-оптических преобразования второго порядка.
Кроме названных явлений в волокне могут проходить и другие процессы, которые не учитываются при эксплуатации оптических сетей, так как не оказывают значительного влияния на передачу информации, но могут быть использованы как источники информативных сигналов для перехвата трафика.
Информационный сигнал [2–4, 12]. Передача информации в оптических сетях производится путем модуляции оптической несущей, в качестве которой применяется излучение на длинах волн из областей прозрачности на частотах ν = ω / 2π · 1014 Гц (λ = 850 нм), 2,3 · 1014 Гц (1 310 нм) и 1,9 · 1014 Гц (1 550 нм). При кодировании информации используется амплитудная, фазовая модуляция на частотах f = Ω / 2π = 108 Гц и выше. Основной способ повышения пропускной способности линии связи связан с волновым мультиплексированием 40 и более длин волн. Мощность информационного сигнала определяется оптическим бюджетом линии (без промежуточного усиления), выраженным в дБ, т. е. общими потерями в пассивных элементах, которые должны быть меньше разности мощности источника и чувствительностью приемника.
ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАЗИТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Исходя из описания информационного сигнала, линии и канала связи в оптических сетях можно предложить упрощенную физическую модель волоконно-оптической системы передачи информации. Среда передачи информации – одномодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления n = 1,46 и диаметром d = 125 / 10 мкм с коэффициентом поглощения α = 0,22 дБ / км (5,1 · 10–5 м–1). Информационный сигнал в виде монохромной оптической несущей на длине волны λ = 1 550 нм (ν = 1,9 · 1014 Гц) мощностью источника P0 = 1 мВт, модулированной синусоидальным сигналом частотой f = 1 ГГц по амплитуде с коэффициентом модуляции m ≤ 1. В оптическом канале присутствуют побочные оптические излучения, формируемые, главным образом, вследствие рассеяния Рэлея, когерентные несущей и имеющее мощность порядка P1 = α λ P0 / 2, где Λ = c / f – длины волны модулирующего сигнала и c – скорость света в вакууме, т. е. порядка пространственной длины бита.
В соответствии с данным приближением, распространяющееся оптическое излучение в оптоволокне состоит в прямом направлении из потока фотонов с энергией и фотонов каждого типа с энергиями и . Число фотонов несущей в потоке убывает с пройденным расстоянием x, так что
,
а модулированных фотонов для каждой энергии
.
Кроме фотонов прямого потока, формирующих информационный оптический сигнал, в оптоволокне присутствует обратнорассеянные фотоны, формирующие побочное оптическое излучение, с энергиями , и . Их число определяется рассеянием Рэлея, Ми, отражением Френеля и равно для несущей на расстоянии x от источника
.
Число модулированных фотонов для каждой энергии
,
где дополнительное уменьшение в два раза связано с симметричностью индикатрисы рассеяния.
Рассеянные от других удаленных участков оптоволокна фотоны не когерентны с информационным оптическим сигналом, поэтому их вклад в нелинейные процессы незначительны и их не учитываем. Длина когерентности информационного оптического сигнала при ширине спектра 2Ω равна
,
т. е. длина когерентности lc сигнала несколько меньше длины бита Λ / 2, следовательно в когерентных процессах могут участвовать практически все фотоны бита информации.
Нелинейно-оптическая демодуляция информационного сигнала может происходить при любом взаимном направлении волновых векторов фотонов [11–13] – коллинеарном, антиколлинеарном и неколлинеарном (рис. 2). При этом должны выполняться законы сохранения энергии и импульса , которые трансформируются в соотношения для частот
для коллинеарного взаимодействия
и ,
отсюда частота генерируемого излучения
;
для антиколлинеарного взаимодействия
и ,
где ω – энергия поляризации вещества на нулевой частоте, отсюда частота генерируемого излучения
;
для неколлинеарного взаимодействия с углом θ между волновыми векторами
и
и для частоты генерируемого излучения
.
При коллинеарном взаимодействии демодуляция возможна только при трехволновом смешении фотонов, вероятность которого ниже двухволнового взаимодействия. При антиколлинеарном и неколлинеарном взаимодействии в приближении близости частот , так как , и малости угла θ, получаем
.
Разностная частота генерируемого излучения определяется типами фотонов, принимающих участие во взаимодействии. Она может принимать значения
,
где первая частота генерируется при взаимодействии фотонов частотой несущей и одной из модулированных волн , а удвоенная при взаимодействии модулированных волн и с противоположным направлением волновых векторов. Демодуляция приводит к генерации излучения на частоте , которое относится к радиодиапазону, и для него диэлектрическое оптоволокно не является волноводом. Это излучение распространяется во все стороны от кабеля, формируя информативный паразитный электромагнитный сигнал.
Оценим мощность излучения на частоте . Исходя из приведенной модели генерации ПрЭМИ, максимальное значение ее мощности определяется условием нелинейно-оптического преобразования всех рассеянных волн как несущей, так и модулированной волны, т.е. включают процессы взаимодействия
несущей в прямом направлении ( фотонов) и обратнорассеянной модулированной волны ( фотонов);
обратнорассеянной несущей ( фотонов) и модулированной волны в прямом направлении ( фотонов)
Таким образом, определяемое по меньшему числу участвующих во взаимодействии фотонов общее максимально возможное число фотонов демодуляции равно
или для мощности информативного сигнала на частоте Ω
.
Мощность информативного сигнала на входе (x = 0) для 100% глубины модуляции равна
= 7,3 · 10–9 Вт,
которая происходит на частоте f = 1 ГГц от участка волокна длиной Λ / 2 = 0,1 м.
В случае регистрации информативного паразитного электромагнитного излучения от оптической неоднородности типа разъемного соединения с возвратными потерями порядка β = –40 дБ, их мощность может достигать
и на входе составлять
= 3 · 10–7 Вт.
Полученные мощности информативных сигналов могут быть надежно приняты и декодированы общедоступными приемниками СВЧ сигнала.
Оценим оптимальное значение эффективной нелинейной восприимчивости для преобразования типа . Так как нелинейная поляризация на частоте
,
то её можно представить в виде связи падающих , и генерируемых потоков фотонов в виде
,
где коэффициент τ, имеющий размерность времени, определяется как
,
где – площадь сечения сердцевины.
Физический смысл коэффициента τ связывается со временем полного преобразования фотонов, ограничиваемое предельным числом фотонов в потоке. Пусть в потоке фотонов выполняется условие , т. е. поток фотонов с энергией превышает поток фотонов с энергией , тогда поток генерируемых фотонов с энергией не может превышать численно меньший поток фотонов, т. е. . Максимально эффективное преобразование наблюдается, когда , т. е. когда все фотоны из меньшего существующего потока преобразуются в формирующий поток . В этом случае требуется, чтобы больший поток фотонов
.
Отсюда можно найти оптимальное значение эффективной нелинейной восприимчивости
для полного преобразования всех фотонов. Таким образом, для 100% нелинейно-оптического преобразования требуется, чтобы значение эффективной нелинейной восприимчивости превышало некоторое критическое значение, которое зависит от интенсивности большего потока и соотношения частот генерируемого и падающего фотонов. Зависимость от соотношения частот приводит к тому, что процесс генерации разностной частоты происходит при нелинейностях меньших на несколько порядков, чем для генерации второй гармоники.
Оценка оптимального значения эффективной нелинейной восприимчивости для генерации разностных частот в оптоволокне дает значение
10–8 м / В,
где принято: частоты взаимодействующих волн приблизительно равны частоте несущей = 3,8 π · 1014 рад / сек, как и показатели преломления = 1,46; частота генерируемой волны равна частоте модуляции = 2 π · 109 рад / сек, а показатель преломления = 1; интенсивность волны на частоте равна интенсивности несущей в оптоволокне = 1,27 · 107 Вт / м2.
Полученное значение вполне достижимо. В плавленом кварце линейная восприимчивость имеет величину порядка 1, квадратичная восприимчивость 10–11–10–13 м / В, кубическая восприимчивость 10–21–10–23 м2 / В2 [11–13]. Так как величина нелинейной восприимчивости в материале бездефектного оптоволокна на 3 порядка меньше требуемой для 100% преобразования, следовательно коэффициент τ меньше на 6 порядков критического значения, т. е. будет преобразовано только 10–6 от максимально возможного числа фотонов. Мощности информативных паразитных электромагнитных излучений примут значения менее 10–13 Вт, что регистрируется в непосредственной близости к источникам. В этом случае, для увеличения эффективности преобразования может быть использовано внешнее воздействие повышающее нелинейность среды.
Особенности перехвата и защиты в оптических сетях
Реализация перехвата трафика в оптических сетях связана с выбором средств технической разведки, его оптимального расположения. Основной элемент – это приемная антенна, конструкция которой зависит от типа прокладки кабельной системы (подземная, подводная, воздушная), конструкции кабеля (диэлектрическими или металлическими защитными / несущими элементами), количества оптических волокон. Для цилиндрической информативной паразитной электромагнитной волны, расходящейся от кабеля, антенна может иметь вид проводящего пленочного или проволочного винтового цилиндра вокруг волокна длиной порядка длины бита Λ / 2, сигнал с которой передается на усилитель и приемник (рис. 3).
Металлические защитные и несущие элементы кабеля могут ослаблять информативный электромагнитный сигнал, поэтому они выполняют функции первого защитного эшелона. На модуляционных частотах Ω = 2 π · 109 рад / сек глубина проникновения электромагнитного излучения порядка 2,5 мкм для железа с удельной проводимостью 107 Ом / м, что много меньше толщины защитных оболочек. Для его преодоления нарушителю необходимо разрушить защитные стальные оболочки кабеля и получить доступ к внутренним поверхностям металлических защитных оболочек, в этом случае сами внутренние поверхности могут выполнять функции антенн.
На мощность информативного сигнала оказывает влияние мощность информационного оптического сигнала (несущей), поэтому наиболее опасными являются участки оптической сети вблизи активных элементов, таких как передатчик / усилитель / ретранслятор, и менее опасными – участки на входе перед приемником / усилителем / ретранслятором. Из этих же соображений, наиболее опасными являются участки оптической сети с оптическими неоднородностями, такие как соединительные муфты (где размещаются соединенные сваркой оптоволокна), распределительные шкафы (где размещаются разъемные соединения волокон), а также любые другие участки волокна с повышенными локальными потерями.
Увеличить мощность информативного сигнала можно, увеличив оптическую нелинейность в волокне путем внешнего воздействия постоянным электрическим, магнитным полями либо механическим воздействием. Величина воздействия может быть определена опытным путем или теоретически по физическим характеристикам оптического волокна, но в любом случае дополнительное воздействие повышает мощность информативных паразитных электромагнитных излучений, так как увеличивает не только оптическую нелинейность, но и увеличивает локальные потери в оптоволокне.
Противодействие угрозам перехвата можно осуществить многими способами. Например, путем подачи в оболочку когерентного шумового сигнала на частотах, отличных от информационного, но с шириной полосы, близкой к ширине полосы информационного сигнала. То же самое можно применить при мультиплексировании информационного и шумового сигналов непосредственно в сердцевине. В этом случае информативный паразитный электромагнитный сигнал, генерируемый от информационного сигнала, будет зашумлен паразитным электромагнитным излучением от шумового сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретический анализ нелинейно-оптических процессов с информационным оптическим сигналом в оптических волокнах сетей связи показывает возможность генерации информационных паразитных электромагнитных сигналов, которые могут быть использованы для дистанционного (т. е. без разрушения защитных оболочек оптического кабеля) перехвата трафика в оптических сетях. Эффективность перехвата определяется расположением средств технической разведки относительно активных элементов, близостью размещения приемной антенны к оптоволокну, внешним воздействием на оптоволокно для увеличения его нелинейной восприимчивости. Выявленные особенности перехвата позволяют сформулировать требования к средствам технической защиты трафика, такие как использование шумового сигнала и другие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Дианов Е. М. Волоконная оптика: сорок лет спустя. Квантовая электроника. 2010; 40(1):1–6.
Dianov E. M. Volokonnaja optika: sorok let spustja. Kvantovaja jelektronika. 2010; 40(1):1–6.
Волоконно-оптическая техника: cовременное состояние и перспективы / Сб. статей под ред. Дмитриева С. А. и Слепова Н. Н. – М.: ООО «Волоконно-оптическая техника», 2005.
Volokonno-opticheskaja tehnika: covremennoe sostojanie i perspektivy / Sb. statej pod red. Dmitrieva S. A. i Slepova N. N. – M.: OOO «Volokonno-opticheskaja tehnika», 2005.
Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи. – СПб.: Изд-во «Лань», 2010.
Skljarov O. K. Volokonno-opticheskie seti i sistemy svjazi. – SPb.: Izd-vo Lan', 2010.
Шубин В. В. Информационная безопасность волоконно-оптических систем. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2015.
Shubin V. V. Informacionnaja bezopasnost» volokonno-opticheskih sistem. – Sarov: RFJaC–VNIIJeF, 2015.
Корольков А. В., Кращенко И. А., Матюхин В. Г., Синев С. Г. Проблемы защиты информации, предаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, от несанкционированного доступа. Информационное общество. 1997; 1: 74–77.
Korol'kov A. V., Krashhenko I. A., Matjuhin V. G., Sinev S. G. Problemy zashhity informacii, predavaemoj po volokonno-opticheskim linijam svjazi, ot nesankcionirovannogo dostupa. Informacionnoe obshhestvo. 1997; 1: 74–77.
Гришачев В. В., Кабашкин В. Н., Фролов А. Д. Анализ каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи: нарушение полного внутреннего отражения. Информационное противодействие угрозам терроризма. 2005: 4:194–204.
Grishachev V. V., Kabashkin V. N., Frolov A. D. Analiz kanalov utechki informacii v volokonno-opticheskih linijah svjazi: narushenie polnogo vnutrennego otrazhenija. Informacionnoe protivodejstvie ugrozam terrorizma. 2005: 4:194–204.
Боос А. В., Шухардин О. Н. Анализ проблем обеспечения безопасности информации, передаваемой по оптическим каналам связи, и путей их решения. Информационное противодействие угрозам терроризма. 2005; 5: 162–170.
Boos A. V., Shuhardin O. N. Analiz problem obespechenija bezopasnosti informacii, peredavaemoj po opticheskim kanalam svjazi, i putej ih reshenija. Informacionnoe protivodejstvie ugrozam terrorizma. 2005; 5: 162–170.
Свинцов А. Г. Оптимизация параметров оптического рефлектометра для обнаружения неоднородности при попытке несанкционированного доступа в ВОСП. Фотон-Экспресс. 2006; 6(54):56–71.
Svincov A. G. Optimizacija parametrov opticheskogo reflektometra dlja obnaruzhenija neodnorodnosti pri popytke nesankcionirovannogo dostupa v VOSP. Foton-Jekspress. 2006; 6(54):56–71.
Булавкин И. А. Вопросы информационной безопасности сетей PON.Технологии и средства связи. 2006; 2: 104–108.
Bulavkin I. A. Voprosy informacionnoj bezopasnosti setej PON.Tehnologii i sredstva svjazi. 2006; 2: 104–108.
Глущенко А., Глущенко Л., Тупота В. Оценка защищенности информации, циркулирующей в ВОЛП. Фотоника, 2010; 4: 36–42.
Glushhenko A., Glushhenko L., Tupota V. Ocenka zashhishhennosti informacii, cirkulirujushhej v VOLP. Fotonika, 2010; 4: 36–42.
Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. – М.: Наука, 1989.
Shen I. R. Principy nelinejnoj optiki. – M.: Nauka, 1989.
Агровал Г. П. Нелинейная волоконная оптика. Перев. с англ. – М.: Мир, 1996.
Agroval G. P. Nelinejnaja volokonnaja optika. Perev. s angl. – M.: Mir, 1996.
Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
Dmitriev V. G., Tarasov L. V. Prikladnaja nelinejnaja optika. – M.: FIZMATLIT, 2004.
Отзывы читателей
