Canale de scurgere de informații transmise prin linii optice de comunicație

Comunicarea prin fibră optică , care a fost dezvoltată după invenția în 1960 a unui laser - o sursă de radiație extrem de coerentă în domeniul optic, și demonstrarea în 1970 a fibrelor optice cu pierderi mici [1] (20 dB / km), care a făcut posibilă transmiterea informațiilor pe distanțe medii, astăzi este principalul tip de comunicații de mare viteză pentru distanțe lungi și extra-lungi. Utilizarea impulsurilor laser infraroșu scurte (~200 THz) ca purtători de informații asigură o rată de transmisie de câteva zeci de Gbit/s, care depășește vitezele maxime de comunicație radio și de comunicare prin cabluri electrice. Rezultatul a fost crearea unor linii de comunicație transoceanice și transcontinentale cu o lungime de zeci de mii de kilometri. Ar trebui de așteptat ca în următorii ani, liniile de comunicații prin fibră optică (FOCL) să înlocuiască toate celelalte tipuri de linii de transmisie a informațiilor de coloană vertebrală. În acest sens, se pune întrebarea cu privire la securitatea FOCL.

Fibra optică este un ghid de undă cilindric stratificat dielectric cu secțiune transversală circulară, situat de obicei în interiorul unei învelișuri de protecție. Indicele de refracție al miezului fibrei ( n1 ) este mai mare decât indicele de refracție al învelișului ( n2 ) . Proprietățile ghidului de undă ale fibrei se bazează pe fenomenul de reflexie internă totală . Dacă unghiul de incidență al luminii pe interfața miez-înveliș (φ 1 ) satisface condiția

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

atunci lumina nu poate părăsi miezul ghidului de undă.

Liniile de transmisie cu fibră optică sunt foarte sigure datorită faptului că:

Câmpul electromagnetic al undei ghidate este localizat în apropierea miezului fibrei pe o scară de zeci de micrometri, ceea ce îngreunează accesul la informații în comparație cu ghidurile de undă cu microunde și, în plus, cu semnalele radio.
Deteriorarea ghidului de undă duce în majoritatea cazurilor la o întrerupere a conexiunii și la detectarea instantanee a accesului neautorizat
Companiile de transmisie prin fibră optică asigură securitate fizică ridicată pentru cabluri. De exemplu, liniile de comunicare transoceanice de pe raft sunt acoperite cu o carcasă metalică groasă.
Canalele de comunicații optice se caracterizează printr-o rată mare de transfer de date (sute de Gbit/s), care se realizează prin utilizarea impulsurilor de lumină scurte (zeci și sute de picoseconde). În acest sens, detectoare extrem de sensibile și rapide sunt necesare pentru a intercepta informații, ceea ce face ca accesul neautorizat să fie extrem de costisitor.
Un cablu de comunicație conține de obicei un număr semnificativ de fibre individuale, ceea ce face foarte dificil accesul la fiecare ghid de undă individual.
FOCL-urile sunt protejate de interferențele generate de sursele de radiații electromagnetice, rezistente la fluctuațiile de temperatură și umiditate.

Anterior, se credea că FOCL -urile au crescut secretul [2] , cu toate acestea, există întotdeauna o posibilitate fundamentală de a prelua informațiile transmise prin canalele de comunicații optice. Cu toate acestea, există metode care pot permite interceptarea informațiilor. FOCL-urile constau din echipamente staționare situate la unități certificate și o cale liniară, care sunt cabluri de fibră optică și amplificatoare de semnal optic, care sunt instalate la fiecare 50-80 km. Protecția primei componente este asigurată în același mod ca și protecția oricărui obiect similar și are puține caracteristici, în timp ce a doua componentă nu poate fi protejată pe toată lungimea sa, din cauza incapacității de a parcurge zeci de mii de kilometri.

O modalitate evidentă de a crește securitatea FOCL este reducerea nivelului semnalului transmis până la utilizarea unuia sau mai multor fotoni pentru a codifica un bit de informație, totuși, această metodă se bazează pe limitările fizice ale surselor de semnal și ale detectoarelor, precum și pe imunitatea la zgomot și nu va oferi îmbunătățiri fundamentale în securitatea conexiunilor optice în viitorul apropiat.

Metode de culegere a informațiilor

Principiile fizice de bază ale formării canalelor de scurgere de informații în FOCL pot fi împărțite în următoarele tipuri [3] :

metode pasive (bazate pe înregistrarea radiațiilor de pe suprafața laterală a fibrei);
metode active (bazate pe înregistrarea emisiei de radiație prin suprafața laterală a fibrei cu ajutorul unor instrumente speciale);
metode de compensare (bazate pe înregistrarea radiației emise prin suprafața laterală cu ajutorul unor mijloace speciale, urmată de formarea radiației și intrarea acesteia în fibră, care compensează pierderile de putere în timpul ieșirii radiației).

Metodele de primul tip se bazează pe faptul că, chiar și într-un mod staționar, în condiții normale, o mică parte din radiația împrăștiată încă pătrunde în fibra [3] (adică este emisă) și poate fi un canal de scurgere de informații. . Ideea principală este de a crește intensitatea acestei radiații. Pentru accesul neautorizat la informații folosind astfel de metode, este necesar să se utilizeze locuri de radiație laterală îmbunătățită, adică radiația trebuie îndepărtată la coturi, precum și la îmbinările sudate și conexiunile fibrelor cu amplificatoare. Cu toate acestea, puterea de radiație semnificativă este observată numai în locurile de conexiuni detașabile, adică în centrele de comutare, ceea ce complică foarte mult accesul neautorizat.

Metodele de al doilea tip produc de obicei mai multă putere, dar în acest caz, parametrii undei care se propagă în ghidul de undă se modifică (fluxul de energie scade semnificativ, apare o undă reflectată, se modifică structura de mod a undei etc.), ceea ce poate duce la detectarea accesului neautorizat. Astfel de metode sunt, de exemplu: îndoirea mecanică a fibrei, conectarea fotodetectorului cu un cuplaj, presarea sondelor în manta, conectarea fără contact a fibrei, măcinarea și dizolvarea învelișului.

Dorința naturală este de a combina furtivitatea și eficiența. Metodele de al treilea tip sunt concepute pentru a întruchipa această idee. Cu toate acestea, implementarea lor este destul de complicată din cauza prezenței limitărilor fundamentale. Deci, de exemplu, ieșirea radiației de pe suprafața laterală a fibrei, formarea și revenirea intrării unei unde care compensează puterea de ieșire, ar trebui efectuate cu o eficiență ridicată la unitate, cu toate acestea, distribuția parametrilor fibrei este probabilistic, ceea ce face dificilă atingerea secretului dorit. Implementările tehnice ale dispozitivelor de acest fel, permițând în practică utilizarea metodelor compensatorii de regăsire a informațiilor, nu sunt în prezent cunoscute [3] .

Modalități de a proteja

Datorită prezenței unei potențiale amenințări de eliminare neautorizată a informațiilor, se lucrează la protejarea liniilor de fibră optică în întreaga lume. Există trei domenii principale [4] :

dezvoltarea mijloacelor tehnice de protecție împotriva accesului neautorizat la semnalele informaționale;
dezvoltarea mijloacelor tehnice pentru controlul accesului neautorizat la informație radiațiile optice.

Prima și a doua direcție includ o metodă bazată pe utilizarea „zgomotului de cod” al semnalelor transmise. Principiul de funcționare al metodei constă în faptul că, cu o scădere deja ușoară a puterii semnalului detectat, care poate fi cauzată de conectarea unui dispozitiv de preluare a informațiilor la linie, numărul de erori în semnalul digital detectat la unu. a capetelor fibrei crește semnificativ, atunci fie transmiterea informațiilor este întreruptă, fie este depistat rapid infractorul [4] .

Sistemul IDOC (Intrusion Detection Optical Communications System) este una dintre cele mai eficiente metode de protecție dezvoltate în SUA în 1991 de către Hughes Aircraft. Metoda sa bazat pe analiza compoziției modului a radiației optice transmise. Sistemul IDOC a făcut posibilă protejarea liniilor de fibră optică cu rază scurtă de acțiune. Sistemul de protecție a constat din fibre speciale dezvoltate de companie și două modemuri FAM-131 (Fiber Alarmed Modem) [5] . Sistemul IDOC detectează cu ușurință conexiunile neautorizate și oprește imediat transferul de informații. IDOC a fost primul sistem non-criptografic pentru comunicații secrete care a fost certificat de către Agenția de Securitate Națională a SUA . Singurul dezavantaj a fost inaplicabilitatea sistemului de transmitere a informațiilor pe distanțe lungi, deoarece nu s-a folosit fibra monomod.

Sunt în curs de dezvoltare metode de introducere a metodelor care utilizează modul haos dinamic , care permite transmiterea semnalelor informaționale sub formă de oscilații pseudo-haotice ale frecvenței și amplitudinii purtătorului optic [4] . Suprapunerea unui semnal de zgomot, care va fi neapărat prezent, pe un astfel de semnal, preluat de pe suprafața laterală a fibrei, complică foarte mult accesul neautorizat.

Protecția mecanică a fibrei este încă relevantă. Deci, de exemplu, poate fi folosită protecția împotriva îndoirii (fibra se rupe când este puternic îndoită [4] ). Cablurile optice sunt ambalate într-o manta speciala, care, daca este deteriorata, va semnala impactul.

Metodele de criptografie cuantică pot oferi un grad ridicat de protecție împotriva accesului neautorizat la informații, realizat prin transmiterea de semnale sub formă de fotoni individuali. O astfel de schemă face posibilă detectarea faptului de interceptare a fotonului prin modificarea caracteristicilor probabilistice ale secvenței fotonilor la ieșire.

În 1993, laboratorul British Telecom a demonstrat una dintre primele implementări ale unei scheme practice de canale cuantice bazată pe o fibră lungă de 10 km, care se baza pe principiul modulării de fază [6] [7] . A fost atinsă o rată efectivă a datelor de 60 kbit/s.

În anii 1990, au existat încercări de a crea FOCL folosind solitoni optici ca purtători de semnal . Solitonii au proprietatea de a păstra forma anvelopei pulsului atunci când se propagă de-a lungul fibrei. Solitonii se ciocnesc elastic unul cu celălalt fără a pierde energie, cu alte cuvinte, pot trece prin alți solitoni fără să-i observe. Dacă energia unui impuls soliton devine mai mică decât o anumită valoare de prag, atunci „se destramă”. Astfel, dacă energia este scoasă prin suprafața laterală a fibrei (se efectuează accesul neautorizat), atunci receptorul de la unul dintre capetele fibrei poate detecta o încălcare a confidențialității informațiilor transmise prin schimbarea formei impulsurilor optice. sau absența lor totală. Cu toate acestea, liniile de transmisie a informațiilor soliton nu și-au găsit o aplicație largă din cauza restricțiilor privind viteza de transfer a informațiilor și a dezvoltării liniilor de fibră optică mai rapide.

Metode de acces neautorizat

Baze teoretice

Moduri de ghidare de undă cilindrice

Fibra optică este un ghid de undă cilindric stratificat dielectric, al cărui indice de refracție ( n 1 ) este mai mare decât indicele de refracție al învelișului ( n 2 ). În plus, vom folosi un sistem de coordonate cilindric ( r , φ , z) și vom presupune că raza miezului ghidului de undă este egală cu a . Dacă n 2 și n 1 nu depind de coordonate, atunci, datorită simetriei cilindrice, se ajunge ușor la ecuații pentru câmpurile longitudinale E z și H z de forma

{{\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

\stanga(j=1,2\dreapta)

unde și este numărul de undă al luminii în vid , este constanta de propagare a undei în ghidul de undă [8] . Rezolvarea ecuației dă [8] pentru r < a : pentru un mod cu polarizare y ( adică câmpul electric transversal este direcționat de-a lungul axei y ) $K_{j}^{2}=n_{j}^{2}k^{2}-\beta ^{2}$ $k$ $\stanga (k=2\pi /\lambda \right)$ $\beta$

E_{z}={{iA\kappa} \over {2\beta _{\nu }}}\left[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}\left[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 ]

\stanga(\kappa =K_{1}\dreapta)

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} }

pentru un mod care are o polarizare x (adică câmpul electric transversal este direcționat de-a lungul axei x )

E_{z}={{iA\kappa} \over {2\beta _{\nu }}}\left[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 }\left[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}}\ dreapta]

\stanga(\kappa =K_{1}\dreapta)

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}}

Fibrele pot fi împărțite în două tipuri: monomod și multimod. Doar un singur mod (HE 11 ) se poate propaga într-o fibră monomodală, deci nu există nicio interacțiune intermodală, ceea ce îmbunătățește caracteristicile de dispersie necesare pentru transmiterea semnalului pe distanțe lungi.

Pierderea la îndoire a fibrei

O analiză calitativă a problemei sugerează că, dacă unghiul de incidență a luminii pe interfața dintre miezul fibrei și placare este redus și devine mai mic decât unghiul critic, atunci lumina va începe să părăsească miezul și să fie emisă în cot. O explicație mai corectă este aceea că neomogenitățile în geometria fibrei determină cuplarea modurilor neradiative (dirijate și radiative (radiative). Ca urmare, modul condus pierde energie și semnalul este atenuat. Semnalul emis poate fi apoi detectat. Unul dintre posibilitățile de implementare a acestei metode este îndoirea fibrei. O soluție analitică a acestei probleme a fost publicată pentru prima dată de D. Marcuse în 1976 [9] Fie R raza de îndoire a fibrei și a fi raza miezului fibrei, atunci formula va arăta ca

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)))

partea stângă este egală cu raportul dintre puterea radiată la cotul Δ P , pe unitatea de lungime a fibrei, și debitul de putere total transportat de fibră, P :

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

Parametrii V, e ν , γ sunt determinați de următoarele expresii:

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))

$K_{\nu }(\gamma a)$ este funcția Henkel modificată

KS Kaufman, R. Terras și RF Mathis au dezvoltat metoda Marcuse și au folosit-o pentru a calcula pierderea la încovoiere a fibrei multimodale [10] . O considerație mai detaliată a pierderilor la încovoiere a fost dată în articolele [11] .

Note

↑ FP Kapron, DB Keck și RD Maurer, Radiation losses in glass optical waveguides, Appl. Fiz. Lett. , 17, 423, 1970.
↑ Ookoshi T. Optoelectronics and optical communication, Per. din japoneză, M.: Mir, 1988.
↑ 1 2 3 A. V. Boos, O. N. Shukhardin, Analiza problemelor de asigurare a securității informațiilor transmise prin canale optice de comunicare și modalități de rezolvare a acestora, Informații contracararea amenințărilor teroriste, 5, 162, 2007.
↑ 1 2 3 4 Korolkov A. V., Kraschenko I. A., Matyukhin V. G., Sinev S. G., Probleme de protecție a informațiilor transmise prin liniile de comunicație prin fibră optică împotriva accesului neautorizat, Societatea informațională, 1, 74, 1997.
↑ https://web.archive.org/web/20100805144650/http://cryptome.org/nstissi-3015.pdf
↑ PD Townsend, JG Rarity, PR și Tapster, Interferența unui singur foton într-un interferometru cu fibră optică lungă de 10 km, Electronics Letters, 29, 634, 1993.
↑ PD Townsend, JG Rarity și PR Tapster, Vizibilitate îmbunătățită a marginilor unui singur foton într-un canal prototip de criptografie cuantică de 10 km lungime, Electronics Letters, 29, 1291, 1993.
↑ 1 2 Dietrich Marcuse, Theory of Dielectric Optical Waveguides , Ed. a 2-a, Academic, New York, 1991.
↑ D. Marcuse, Curvature loss formula for optical fibres, J. Opt. soc. Am., 66(3), 216, 1976.
↑ KS Kaufman, R. Terras și RF Mathis, Curvature loss in multimode optical fibres, JOSA, 71, 1513, 2007.
↑ D. Marcuse, Field deformation and loss caused by curburarea fibrelor optice, J. Opt. soc. Am., 66(3), 311, 1976.
R. Ulrich şi colab., Birefringenţă indusă de încovoiere în fibre monomode, Opt. Lett., 5 (6), 273, 1980.
D. Marcuse, Influence of curvature on the losses of double clad fibres, Appl. Opta. 21 (23), 4208, 1982.
SJ Garth, Birefringence in bent single-mode fibers, J. Lightwave Technol., 6, 445, 1988.
L. Faustini și G. Martini, Bend loss in single-mode fibers, J. Lightwave Technol., 15(4), 671, 1997.
RW Smink et al., Bending loss in optical fibers – a full-wave approach, J. Opt. soc. A.m. B. 24 (10), 2610, 2007.
RT Schermer, Mode scalability in bent optical fibers, Opt. Express 15 (24), 15674, 2007.
A. Argyros et al., Bend loss in highly multimode fibres, Opt. Express 16(23), 18590, 2008.