Informationslækagekanaler transmitteret via optiske kommunikationslinjer

Fiberoptisk kommunikation , som blev udviklet efter opfindelsen i 1960 af en laser - en meget sammenhængende strålingskilde i det optiske område, og demonstrationen i 1970 af optiske fibre med lave tab [1] (20 dB/km), som gjort det muligt at transmittere information over mellemlange afstande, er i dag hovedtypen for højhastighedskommunikation for lange og ekstra lange afstande. Brugen af korte infrarøde laserimpulser (~200 THz) som informationsbærere giver en transmissionshastighed på flere tiere af Gbit/s, som overstiger de maksimale hastigheder for radiokommunikation og kommunikation via elektriske kabler. Resultatet var skabelsen af transoceaniske og transkontinentale kommunikationslinjer med en længde på titusindvis af kilometer. Det må forventes, at fiberoptiske kommunikationslinjer (FOCL) i de kommende år vil erstatte alle andre typer af backbone informationstransmissionslinjer. I denne forbindelse opstår spørgsmålet om FOCL's sikkerhed.

Optisk fiber er en dielektrisk lagdelt cylindrisk bølgeleder med cirkulært tværsnit, normalt placeret inde i en beskyttende kappe. Fiberkernens ( n 1 ) brydningsindeks er større end beklædningens ( n 2 ) brydningsindeks. Fiberens bølgelederegenskaber er baseret på fænomenet total intern refleksion . Hvis lysindfaldsvinklen på kerne-skal-grænsefladen (φ 1 ) opfylder betingelsen

{\displaystyle n_{1}sin\left(\phi _{1}\right)>n_{2))

så kan lyset ikke forlade kernen af bølgelederen.

Fiberoptiske transmissionslinjer er meget sikre på grund af det faktum, at:

Det elektromagnetiske felt af den guidede bølge er lokaliseret nær kernen af fiberen på en skala på ti mikrometer, hvilket gør det vanskeligt at få adgang til information i sammenligning med mikrobølgeledere og desuden radiosignaler.
Beskadigelse af bølgelederen fører i de fleste tilfælde til afbrydelse af forbindelsen og øjeblikkelig detektering af uautoriseret adgang
Fiberoptiske transmissionsselskaber giver høj fysisk sikkerhed for kabler. For eksempel er transoceaniske kommunikationslinjer på hylden dækket af en tyk metalskal.
Optiske kommunikationskanaler er kendetegnet ved en høj dataoverførselshastighed (hundredevis af Gbit/s), som opnås ved at bruge korte lysimpulser (ti og hundreder af picosekunder). I denne forbindelse kræves der meget følsomme og hurtige detektorer for at opsnappe information, hvilket gør uautoriseret adgang ekstremt dyr.
Et kommunikationskabel indeholder normalt et betydeligt antal individuelle fibre, hvilket gør adgangen til hver af bølgelederne individuelt meget vanskelig.
FOCL'er er beskyttet mod interferens genereret af kilder til elektromagnetisk stråling, der er modstandsdygtige over for udsving i temperatur og fugtighed.

Tidligere mente man, at FOCL'er har øget hemmeligholdelse [2] , dog er der altid en grundlæggende mulighed for at hente information transmitteret via optiske kommunikationskanaler. Der er dog metoder, der potentielt tillader opsnapning af information. FOCL'er består af stationært udstyr placeret på certificerede faciliteter og en lineær vej, som er fiberoptiske kabler og optiske signalforstærkere, som installeres hver 50-80 km. Beskyttelsen af den første komponent er tilvejebragt på samme måde som beskyttelsen af enhver lignende genstand og har få funktioner, mens den anden komponent ikke kan beskyttes i hele sin længde på grund af manglende evne til at tilbagelægge titusindvis af kilometer.

En oplagt måde at øge sikkerheden i FOCL på er at reducere niveauet af det transmitterede signal op til brugen af en eller flere fotoner til at kode en bit information, men denne metode hviler på de fysiske begrænsninger af signalkilder og detektorer, samt støjimmunitet og vil ikke give grundlæggende forbedringer i sikkerheden af optiske forbindelser i den nærmeste fremtid.

Metoder til informationsindsamling

De grundlæggende fysiske principper for dannelse af informationslækagekanaler i FOCL kan opdeles i følgende typer [3] :

passive metoder (baseret på registrering af stråling fra fiberens sideflade);
aktive metoder (baseret på registrering af strålingsoutput gennem fiberens sideflade ved hjælp af specialværktøjer);
kompensationsmetoder (baseret på registrering af strålingsoutput gennem sidefladen ved hjælp af specielle midler, efterfulgt af dannelsen af stråling og dens input i fiberen, som kompenserer for effekttab under output af stråling).

Metoder af den første type er baseret på, at selv i en stationær tilstand, under normale forhold, trænger en lille del af den spredte stråling stadig ind i fiberen [3] (det vil sige, den udsendes) og kan være en informationslækagekanal . Hovedideen er at øge intensiteten af denne stråling. For uautoriseret adgang til information ved hjælp af sådanne metoder er det nødvendigt at bruge steder med forbedret lateral stråling, det vil sige, stråling skal fjernes ved bøjninger såvel som ved svejsede samlinger og forbindelser af fiber med forstærkere. Imidlertid observeres betydelig strålingseffekt kun på steder med aftagelige forbindelser, det vil sige i omstillingscentre, hvilket i høj grad komplicerer uautoriseret adgang.

Metoder af den anden type udsender normalt mere effekt, men i dette tilfælde ændres parametrene for bølgen, der udbreder sig i bølgelederen (energifluxen falder betydeligt, en reflekteret bølge vises, bølgens tilstandsstruktur ændres osv.), hvilket kan føre til opdagelse af uautoriseret adgang. Sådanne metoder er for eksempel: mekanisk bøjning af fiberen, forbindelse af fotodetektoren med en kobler, presning af proberne ind i kappen, berøringsfri forbindelse af fiberen, slibning og opløsning af kappen.

Det naturlige ønske er at kombinere stealth og effektivitet. Metoder af den tredje type er designet til at legemliggøre denne idé. Imidlertid er deres implementering ret kompliceret på grund af tilstedeværelsen af grundlæggende begrænsninger. Så f.eks. bør outputtet af stråling fra fiberens sideoverflade, dannelsen og returinput af en bølge, der kompenserer for udgangseffekten, udføres med høj effektivitet til enhed, dog er fordelingen af fiberparametre probabilistisk, hvilket gør det vanskeligt at opnå den ønskede hemmeligholdelse. Tekniske implementeringer af enheder af denne art, der i praksis gør det muligt at anvende kompenserende metoder til informationssøgning, er i øjeblikket ikke kendte [3] .

Måder at beskytte

På grund af tilstedeværelsen af en potentiel trussel om uautoriseret fjernelse af information, arbejdes der på at beskytte fiberoptiske linjer over hele verden. Der er tre hovedområder [4] :

udvikling af tekniske midler til beskyttelse mod uautoriseret adgang til informationssignaler;
udvikling af tekniske midler til at kontrollere uautoriseret adgang til information optisk stråling.

Den første og anden retning indbefatter en fremgangsmåde baseret på brugen af "kodestøj" af de transmitterede signaler. Metodens funktionsprincip ligger i det faktum, at med et allerede lille fald i styrken af det detekterede signal, som kan være forårsaget af tilslutning af en informationsopsamlingsenhed til linjen, er antallet af fejl i det digitale signal detekteret på en af enderne af fiberen stiger betydeligt, så enten bliver transmissionen af information afbrudt, eller det bliver hurtigt opdaget gerningsmand [4] .

IDOC ( Intrusion Detection Optical Communications System) systemet er en af de mest effektive beskyttelsesmetoder udviklet i USA i 1991 af Hughes Aircraft. Metoden var baseret på analysen af modussammensætningen af den transmitterede optiske stråling. IDOC-systemet gjorde det muligt at beskytte kortrækkende fiberoptiske linjer. Beskyttelsessystemet bestod af specielle fibre udviklet af virksomheden og to FAM-131 (Fiber Alarmed Modem) [5] modemer . IDOC-systemet registrerer nemt uautoriserede forbindelser og stopper straks overførslen af information. IDOC var det første ikke-kryptografiske system til hemmelig kommunikation, der blev certificeret af US National Security Agency . Den eneste ulempe var systemets uanvendelighed til at overføre information over lange afstande, da single-mode fiber ikke blev brugt.

Der er udvikling i gang med at introducere metoder, der anvender den dynamiske kaos -mode , som tillader transmission af informationssignaler i form af pseudo-kaotiske svingninger af den optiske bærers frekvens og amplitude [4] . Overlejringen af et støjsignal, som nødvendigvis vil være til stede, på et sådant signal, taget fra fiberens sideoverflade, komplicerer i høj grad uautoriseret adgang.

Den mekaniske beskyttelse af fiberen er stadig relevant. Så der kan fx anvendes beskyttelse mod bøjning (fiberen knækker, når den er kraftigt bøjet [4] ). Optiske kabler er pakket i en speciel kappe, som, hvis den er beskadiget, vil signalere påvirkningen.

Kvantekrypteringsmetoder kan give en høj grad af beskyttelse mod uautoriseret adgang til information, opnået gennem transmission af signaler i form af individuelle fotoner. Et sådant skema gør det muligt at detektere kendsgerningen af fotonaflytning ved at ændre de sandsynlige karakteristika for fotonsekvensen ved udgangen.

I 1993 demonstrerede British Telecom laboratorium en af de første implementeringer af et praktisk kvantekanalskema baseret på en 10 km lang fiber, som var baseret på princippet om fasemodulation [6] [7] . Der er opnået en effektiv datahastighed på 60 kbit/s.

I 1990'erne var der forsøg på at skabe FOCL ved hjælp af optiske solitoner som signalbærere . Solitoner har den egenskab, at de bevarer formen af pulshylsteret, når de forplanter sig langs fiberen. Solitoner kolliderer elastisk med hinanden uden at miste energi, med andre ord kan de gå gennem andre solitoner uden at lægge mærke til dem. Hvis energien af en soliton-puls bliver mindre end en vis tærskelværdi, så "falder den fra hinanden". Således, hvis energi udsendes gennem fiberens sideoverflade (uautoriseret adgang udføres), så kan modtageren i en af enderne af fiberen registrere en krænkelse af fortroligheden af den transmitterede information ved at ændre formen på optiske impulser eller deres fuldstændige fravær. Soliton informationstransmissionslinjer har imidlertid ikke fundet bred anvendelse på grund af restriktioner på hastigheden af informationsoverførsel og udviklingen af hurtigere fiberoptiske linjer.

Uautoriserede adgangsmetoder

Teoretisk grundlag

Cylindriske bølgeledertilstande

Optisk fiber er en dielektrisk lagdelt cylindrisk bølgeleder, hvis brydningsindeks for kernen ( n 1 ) er større end brydningsindekset for beklædningen ( n 2 ). Yderligere vil vi bruge et cylindrisk koordinatsystem ( r , φ , z) og antage, at radius af bølgelederkernen er lig med a . Hvis n 2 og n 1 ikke afhænger af koordinaterne, så er det på grund af cylindrisk symmetri let at komme til ligninger for formens længdefelter E z og H z

{{\partial ^{2}\Psi } \over {\partial r^{2))}+{1 \over r}({\partial \Psi } \over {\partial r))+{ 1 \over r^{2}}{\partial ^{2}\Psi \over \partial \phi ^{2}}+K_{j}^{2}\Psi =0

\left(j=1,2\right)

hvor og er bølgetallet af lys i vakuum , er udbredelseskonstanten for bølgen i bølgelederen [8] . Løsningen af ligningen giver [8] for r < a : for en tilstand med y - polarisering (dvs. det tværgående elektriske felt er rettet langs y -aksen ) $K_{j}^{2}=n_{j}^{2}k^{2}-\beta ^{2}$ $k$ $\left(k=2\pi /\lambda \right)$ $\beta$

E_{z}={{iA\kappa } \over {2\beta _{\nu }}}\venstre[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin (\nu +1)\phi \\-\cos(\nu +1)\phi \end{Bmatrix}}+J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\ nu -1)\phi \\-\cos(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right]

H_{z}=-{{iA\kappa } \over {2k}}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{0}}\right)}^{1 \over 2}\venstre[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu +1)\phi \\\sin(\nu +1)\phi \end{Bmatrix} }-J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu -1)\phi \\\sin(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right ]

\left(\kappa =K_{1}\right)

E_{y}=AJ_{\nu}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix))

H_{x}=-nA{\beta _{\nu} \over \left|\beta _{\nu }\right|}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _ {0}}\right)}^{1 \over 2}J_{\nu}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix} }

for en tilstand med en x -polarisation (dvs. det tværgående elektriske felt er rettet langs x -aksen )

E_{z}={{iA\kappa } \over {2\beta _{\nu }}}\venstre[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos (\nu +1)\phi \\\sin(\nu +1)\phi \end{Bmatrix}}-J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos(\nu -1)\phi \\\sin(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\right]

H_{z}={{iA\kappa } \over {2k}}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{0}}\right)}^{1 \over 2 }\venstre[J_{\nu +1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\nu +1)\phi \\-\cos(\nu +1)\phi \end{Bmatrix} }+J_{\nu -1}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\sin(\nu -1)\phi \\-\cos(\nu -1)\phi \end{Bmatrix}}\ ret]

\left(\kappa =K_{1}\right)

E_{x}=AJ_{\nu}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix))

H_{y}=nA{\beta _{\nu} \over \left|\beta _{\nu }\right|}{\left({\varepsilon _{0} \over \mu _{ 0}}\right)}^{1 \over 2}J_{\nu}(\kappa r){\begin{Bmatrix}\cos \nu \phi \\\sin \nu \phi \end{Bmatrix}}

Fibre kan opdeles i to typer: single-mode og multimode. Kun én tilstand (HE11 ) kan forplante sig i en enkelt-mode fiber, så der er ingen inter-mode interaktion, hvilket forbedrer de spredningskarakteristika, der er nødvendige for signaltransmission over lange afstande.

Fiberbøjningstab

En kvalitativ overvejelse af problemet tyder på, at hvis lysindfaldsvinklen på grænsefladen mellem fiberkernen og beklædningen reduceres og bliver mindre end den kritiske vinkel, så vil lys begynde at forlade kernen og udsendes ved bøjningen. En mere korrekt forklaring er, at inhomogeniteter i fibergeometrien forårsager kobling af ikke-strålende (styrede og strålingsmæssige (strålende) tilstande. Som følge heraf taber den drevne tilstand energi, og signalet dæmpes. Det udsendte signal kan derefter detekteres. Én af mulighederne for at implementere denne metode er fiberbøjning En analytisk løsning på dette problem blev først udgivet af D. Marcuse i 1976 [9] Lad R være fiberbøjningsradius og a være fiberkerneradius, så vil formlen se ud som

2\alpha ={{\pi ^{1 \over 2}\kappa ^{2}\exp \left[-{2 \over 3}\left(\gamma ^{3}/\beta ^{ 2}\right)R\right]} \over {e_{\nu}\gamma ^{3 \over 2}V^{2}R^{1 \over 2}K_{\nu -1}(\gamma a)K_{\nu +1}(\gamma a)))

venstre side er lig med forholdet mellem den effekt, der udstråles ved bøjningen Δ P , pr. fiberlængdeenhed, og den totale strøm, der bæres af fiberen, P :

{\displaystyle 2\alpha ={{\Delta P} \over P))

Parametrene V, e ν , γ bestemmes af følgende udtryk:

V^{2}=k^{2}a^{2}(n_{1}^{2}-n_{2}^{2})

e_{\nu }={\begin{cases}2,&\nu =0\\1,&\nu \neq 0\end{cases))

{\gamma ^{2}=-K_{2}^{2))

$K_{\nu}(\gamma a)$ er den modificerede Henkel-funktion

KS Kaufman, R. Terras og RF Mathis udviklede Marcuse-metoden og brugte den til at beregne bøjningstabet af multimode fiber [10] . En mere detaljeret overvejelse af bøjningstab blev givet i artikler [11] .

Noter

↑ FP Kapron, DB Keck og RD Maurer, Radiation loss in glass optical waveguides, Appl. Phys. Lett. 17, 423, 1970.
↑ Ookoshi T. Optoelektronik og optisk kommunikation, Per. fra japansk., M.: Mir, 1988.
↑ 1 2 3 A. V. Boos, O. N. Shukhardin, Analyse af problemerne med at sikre sikkerheden af information, der transmitteres via optiske kommunikationskanaler, og måder at løse dem på, Informationsbekæmpelse af terrortrusler, 5, 162, 2007.
↑ 1 2 3 4 Korolkov A. V., Kraschenko I. A., Matyukhin V. G., Sinev S. G., Problemer med at beskytte information transmitteret over fiberoptiske kommunikationslinjer mod uautoriseret adgang, Information Society, 1, 74, 1997.
↑ https://web.archive.org/web/20100805144650/http://cryptome.org/nstissi-3015.pdf
↑ PD Townsend, JG Rarity, PR og Tapster, Enkeltfotoninterferens i et 10 km langt optisk fiberinterferometer, Electronics Letters, 29, 634, 1993.
↑ PD Townsend, JG Rarity og PR Tapster, Forbedret synlighed af enkeltfotonkanter i en 10 km lang prototype kvantekryptografikanal, Electronics Letters, 29, 1291, 1993.
↑ 1 2 Dietrich Marcuse, Theory of Dilectric Optical Waveguides , 2. udgave, Academic, New York, 1991.
↑ D. Marcuse, Formel for krumningstab for optiske fibre, J. Opt. soc. Am., 66(3), 216, 1976.
↑ KS Kaufman, R. Terras og RF Mathis, Curvature loss in multimode optical fibers, JOSA, 71, 1513, 2007.
↑ D. Marcuse, Feltdeformation og tab forårsaget af krumning af optiske fibre, J. Opt. soc. Am., 66(3), 311, 1976.
R. Ulrich et al., Bending-induced birefringence in single-mode fibers, Opt. Lett., 5 (6), 273, 1980.
D. Marcuse, Indflydelse af krumning på tabene af dobbeltbeklædte fibre, Appl. Opt. 21 (23), 4208, 1982.
SJ Garth, Birefringence in bent single-mode fibre, J. Lightwave Technol., 6, 445, 1988.
L. Faustini og G. Martini, Bend loss in single-mode fibre, J. Lightwave Technol., 15(4), 671, 1997.
RW Smink et al., Bending loss in optical fibers – a full-wave approach, J. Opt. soc. Er. B. 24 (10), 2610, 2007.
RT Schermer, Modus skalerbarhed i bøjede optiske fibre, Opt. Express 15 (24), 15674, 2007.
A. Argyros et al., Bøjningstab i stærkt multimode fibre, Opt. Express 16(23), 18590, 2008.