Оценка эффективности технического канала утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации

Аннотация

В данной статье описывается формирование технического канала утечки речевой информации в волоконно-оптических системах передачи информации. Исследуются физические характе- ристики воздействия акустического сигнала на пассивные элементы волоконно-оптических линий связи.

Введение

В современных подходах к защите объектов информатизации от утечки речевой информации по техническим каналам недостаточное внимание уделяется опасности образования акустооптического (волоконного) канала утечки [1], хотя широкое использование оптоволоконных сетей для обеспечения связи, проведения измерений и контроля создает предпосылки утечки речевой информации через опто- волоконные коммуникации.

Акустооптический (волоконный) технический канал утечки информации (ТКУИ) возникает вследствие воздействия звуковой волны на элементы волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ), вызывая паразитные акустические наводки и модуляции, которые приводят к изменению параметров проходящего по волокну оптического излучения [2]. Злоумышленник при помощи технического средства разведки (ТСР) может детектировать модулированный оптический сигнал в звуковой сигнал. Параметры информативного сигнала, полученного злоумышленником, зависят от процессов модуляции, прохождения по каналу связи и последующего детектирования. В связи с этим возникает проблема объективной (физической) оценки волоконного канала утечки речевой информации. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию этого канала.

Экспериментальная установка и методика исследований

В качестве модели волоконного канала утечки речевой информации на базе процесса акустических паразитных наводок и модуляций в ВОСПИ была использована оптическая система, имитирующая передачу информации (рис. 1), которая состояла из лазера (1), одномодового (Single Mode, SM) оптического кабеля (2), разъемного соединения оптических коннекторов (4) и фотоприемного устройства (7). В качестве объекта исследования использовались стандартные соединения коннекторов, которые применяются при монтаже линии связи. Коннектор располагался в специально оборудованном звукозаглушенном боксе (3) вместе с источником звука (динамиком) (5), при помощи которого моделировалось воздействие звука на коннектор. Динамик через регулируемый усилитель низкой частоты (14) подключался к аудиокарте персонального компьютера (ПК) (13) с сохраненными файлами записей речи, шумов и с установленными программными генераторами звуков. Уровень звукового давления (Sound Pressure Level, SPL) на коннектор контролировался микрофоном (6) в звукозаглушенном боксе и подключенным к ПК. Модулированный звуком оптический сигнал регистрируется фотоприемником, и электрический сигнал попадает в систему обработки, которая состоит из предусилителя (9) и селективного нановольтметра (10) для усиления и измерения амплитуды звукового сигнала. По амплитуде рассчитывалась глубина модуляции (m) информативного сигнала как отношение переменной составляющей к общему среднему напряжению на выходе фотоприемника. К выходу нановольтметра подключались наушники (11), позволяющие прослушивать сигнал и оценивать разборчивость речи (W); также выходной сигнал нановольтметра через согласующее устройство (12) подавался на вход аудиокарты компьютера, что позволило записать звуковой сигнал.

Источником оптического излучения является He-Ne-лазер типа «ЛГ- 72» с оптоволоконным выходом типа FC на длине волны 632,8 нм, длиной когерентности 20 см и мощностью непрерывного излучения 5 мВт. Оптическая линия составлена из четырех кусков оптического кабеля типа SM, три из которых длиной 1,5 м и один 2 м, соединяющих лазер с фотоприемным устройством с помощью разъемных адаптеров типа FC-FC и SC-SC. Исследование акустических паразитных наводок и модуляций производилось на разъемном адаптере типа SC-SC, расположенном в звукозаглушенном боксе.

В качестве фотоприемного устройства использовался фотодиод ФД21-КП. Преобразованный фотодиодом сигнал попадает на вход предусилителя типа Unipan 233-5 с чувствительностью -20 дБ. Предусилитель подключен к фотоприемнику через экранированный радиочастотный кабель длиной 0,15 м из стандартного набора селективного нановольтметра Unipan для уменьшения внешних паразитных электромагнитных наводок. Усиленный модулированный сигнал подавался на вход нановольтметра Unipan 232B

Прослушивание звукового информативного сигнала осуществлялось через высокоомные (1600 Ом) наушники «ТОН-2М», подключаемые к выходу нановольтметра, которые в сравнении с низкоомными наушниками (32 Ом) позволяют значительно уменьшить влияние шумов усилителя и получить звуковой сигнал меньшей громкости, но с лучшей разборчивостью для субъективного восприятия оператора. Информативный звуковой сигнал мог быть озвучен на большую аудиторию при помощи дополнительной акустической системы, представленной колонками «SVAN SPS-608», а затем с ее выхода подаваться для записи на вход аудиокарты компьютера.

Звукозаглушенный бокс представлен в виде прямоугольного короба из плотного картона, внутри отделанного пористым упругим материалом (пенополистерол), толщина прослойки которого составляет 20 мм. Внутренний объем не превышает 1700 см3. Небольшие озвучиваемые размеры бокса позволяли использовать маломощную акустическую систему для создания равномерно распределенного звукового поля с уровнем звукового давления от 35 дБ до 80 дБ. Дополнительная звуко- и виброизоляция от внешних шумов достигалась размещением бокса на упругих подставках толщиной 20 мм внутри ограниченного пространства, образованного деревянными стенками стола и шторами. Внутри звукозаглушенного бокса объект исследования соединяет два оптических кабеля с коннекторами типа SC; в боксе также находятся динамик и микрофон, подключенные к ПК. Объекты располагаются на расстоянии не более 50 мм друг от друга.

Методы оценки эффективности речевого ТКУИ можно условно разделить на два вида: субъективные и объективные. Примером реализации субъективного метода является артикуляционное исследование, заключающееся в определении разборчивости речи [3]. Его основные недостатки заключаются, во-первых, в непосредственной зависимости от индивидуальных особенностей слухового восприятия наблюдателей, во-вторых, этот метод не помогает в решении задачи нейтрализации канала утечки и повышения эффективности технических средств защиты речевой информации, т.к. не дает количественной оценки параметров, влияющих на качество этого канала. С другой стороны, метод достаточно показателен и прост в реализации, поэтому в данном эксперименте он использовался для наглядного отображения функционирования акустооптического ТКУИ.

Альтернативой субъективным методам оценки эффективности канала утечки являются объективные методы, заключающиеся в получении оценки физических характеристик канала утечки [4]. Преимуществами этих методов оценки являются независимость от индивидуальных слуховых особенностей наблюдателей и получение точных физических характеристик ТКУИ. Этим обусловлен выбор объективного метода оценки в качестве основного для исследования волоконного ТКУИ.

Эксперимент проводился по следующему алгоритму. Были включены все элементы экспериментальной установки без подачи оптического излучения в линию. При помощи нановольтметра измерялось напряжение фотодиода, которое составляло 6,5 nV. Этот параметр отображает величину фоновых и собственных шумов системы регистрации. Затем было включено оптическое излучение лазера. Информационный акустический сигнал с выхода аудиокарты компьютера был подан на динамик в звукозаглушенном боксе.

Для реализации субъективного метода оценки ТКУИ воспроизводилась артикуляционная таблица цифр. Через наушники производился контроль разборчивости и одновременно фиксировалась соответствующая глубина модуляции информативного сигнала, отображающаяся на табло нановольтметра. Уровень громкости регулировался через акустическую систему, а контролировался посредством микрофона, установленного в боксе.

Был замерен уровень фонового шума (акустический сигнал от динамика отсутствует) при помощи микрофона в боксе. Он составил 30–35 dB, при этом глубина модуляции достигала 7,5 nV. На первом этапе уровень звукового давления (SPL) постепенно увеличивался на 3–10 dB, затем, дойдя до максимума, обусловленного техническими характеристиками аудио системы, на втором этапе постепенно уменьшался также на 3–10 dB до тех пор, пока речь не перестанет быть различима в наушниках. Был повторно произведен контроль уровня фонового шума, его значение совпало с предыдущим измерением. Причиной относительно большого разброса значений SPL является большая чувствительность экспериментальной установки ко всем внешним воздействиям, а также неоднородность SPL речевого сигнала. В идеальных условиях амплитудные скачки должны составлять 2–3 dB, что соответствует низкому слуховому ощущению по М.А. Сапожкову [5]. Проведение измерений при возрастании, а затем убывании уровня звукового давления позволило получить множество значений, минимально зависящих от состояния внешней среды.

Для реализации объективного метода оценки ТКУИ воспроизводилась запись белого шума. Аналогично был зафиксирован уровень фонового шума, далее включался информационный сигнал, значения SPL которого сначала постепенно увеличивались, затем – уменьшались на 3–4 dB. Белый шум отличается большей равномерностью звукового давления, чем речевой сигнал, поэтому скачки амплитуды SPL были меньше. Слышимость шумового сигнала контролировалась через наушники, однако разборчивость не оценивалась, т.к. сигнал не речевой. После уменьшения SPL до величины, на которой сигнал еще различим на наушниках, снова был зафиксирован уровень фонового шума.

Анализ результатов эксперимента

Результаты эксперимента по исследованию эффективности волоконного канала утечки речевой информации представлены на рис. 2–3.

На рис. 2 изображен график зависимости разборчивости речи от уровня звукового давления. Речь становится различима при уровне звукового давления, превышающего 40 dB – порог шумов экспериментальной системы. Речь распознается отлично до тех пор, пока громкость речевого сигнала не превышает значения в 60 dB, после чего разборчивость значительно снижается. Полученная зависимость обусловлена нелинейными процессами в контактном разъеме типа SC-SC. На уровне SPL выше 60 dB колебательная система, представленная коннектором, переходит в насыщение, колебательные процессы переходят в состояние нелинейности, вследствие чего изменяется характер модуляции светового сигнала и понижается разборчивость речи.

Необходимо отметить, что для канала утечки речевой информации разборчивость не должна быть такой высокой, как для систем связи, к которым предъявляются большие требования по причине необходимости обеспечения комфортного общения между людьми. Для технического канала утечки речевой информации требования к разборчивости значительно ниже; можно выделить 4 основных уровня этой величины [6]: 0 – речевой сигнал не прослушивается, 1 – речевой сигнал прослушивается с минимальной разборчивостью, 2 – речевой сигнал прослушивается с некоторой разборчивостью, 3 – речь прослушивается с максимальной разборчивостью.

На рис. 3 представлены графики зависимости глубины модуляции сигнала от уровня звукового давления при использовании белого шума и речевого сигнала.

Рост глубины модуляции при увеличении звукового давления наблюдается в обоих случаях. По этой причине можно говорить о возможности использования шумового сигнала для объективной оценки акустооптического ТКУИ.

Белый шум по сравнению с речевым сигналом обладает тем преимуществом, что вследствие равномерного распределения энергии шумового сигнала по всему спектру частот, в том числе в речевом диапазоне спектра (90–11200 Гц), при его использовании отмечается отсутствие энергетических скачков, присущих человеческой речи на определенных частотах в зависимости от индивидуальных голосовых особенностей. Это позволяет проводить более объективную оценку ТКУИ.

В ходе эксперимента была выявлена высокая чувствительность объекта исследования и всей оптоволоконной системы к акустическим и виброакустическим сигналам, что представляет большую угрозу для защищаемой информации, циркулирующей на объектах информатизации.

Формирование оптического информативного сигнала в волокне может происходить под прямым воздействием звука (воздушный канал утечки) или при виброакустическом воздействии. Дальность вибро-акустического канала значительно превышает дальность воздушного, что приводит к возможности обхода ближних систем защиты, таких как «ОРУ-1», «ОРУ-2», «ФОТОН-М».

На основе полученной в ходе эксперимента зависимости глубины модуляции зондируемого сигнала от уровня звукового давления можно оценить дальность прослушивания речевого сигнала по акустическому и виброакустическому каналам при воздействии опасного сигнала на элементы оптоволоконной сети. Данная оценка имеет практическое значение при формировании модели защиты объекта информатизации от утечки речевой конфиденциальной информации по волоконному ТКУИ.

Заключение

Полученные результаты показывают высокую опасность подслушивания через штатные волоконно-оптические коммуникации в силу высокой чувствительности компонентов ВОСПИ к акустическим модуляциям и наводкам.

Список использованной литературы

1. Халяпин Д.Б. Защита информации. Вас подслушивают? Защищайтесь / Д.Б. Халяпин – М., 2004.
   
2. Гришачев В.В. Анализ угроз утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации / В.В. Гришачев, Д.Б. Халяпин, Н.А. Шевченко – Вопросы защиты информации. 2008. №4.
   
3. Железняк В.К. Защита информации от утечки по техническим каналам. Учебное пособие / В.К. Железняк – СПб.: ГУАП, 2006. – 188 с.
   
4. Гришачев В.В. Практическая оценка эффективности канала утечки акустической (речевой) информации через волоконно-оптические коммуникации / В.В. Гришачев, О.А. Косенко – Вопросы защиты информации. 2010. №2.
   
5. Сапожков М.А. Электроакустика / М.А. Сапожков – М.: Связь, 1978.
   
6. Гришачев В.В. Артикуляционный анализ акустических ТКУИ на основе оптических кабельных систем / В.В. Гришачев, Ю.Д. Калинина – Вестник МФЮА, 2015, №4, c. 35-43