СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ОТ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ ПО ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H04K1/00 

Изобретение относится к технике конфиденциальной связи и может быть использовано для защиты технических средств, источник вторичного питания которых содержит компенсационный стабилизатор напряжения, от утечки информации по первичной сети электропитания и по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

Питание технических средств обработки информации (ТСОИ) осуществляется от встроенных или внешних источников вторичного электропитания (ИВЭП). Источник вторичного электропитания, как правило, представляет собой систему автоматического регулирования напряжения на выходных шинах источника и поэтому закон изменения энергии, отбираемой ИВЭП из первичной сети электропитания, жестко коррелирован с законом изменения мощности, потребляемой ТСОИ от ИВЭП.

Анализ спектра побочных электромагнитных колебаний, создаваемых в сети питания и в каналах утечки ПЭМИН работающим ИВЭП, входящим в состав технического средства обработки информации, показывает, что синхронно с обрабатываемой информацией изменяется потребляемый ток и образуется спектр побочных электромагнитных колебаний, который распространяется по проводам первичной сети электропитания и по каналам утечки ПЭМИН, путем приема и анализа которого можно осуществить восстановление информации, обрабатываемой в ТСОИ. Для защиты конфиденциальной информации от несанкционированного съема по проводам сети питания и по каналам ПЭМИН применяют технические средства и способы защиты, препятствующие перехвату информации по каналам утечки.

Средством защиты от утечки информации по проводам сети питания является сетевой электрический фильтр защиты [1]. Недостатком способа фильтрации является то, что фильтры защиты должны иметь достаточно большое затухание для побочных сигналов, которое может быть обеспечено только при существенном увеличении массогабаритных характеристик ИВЭП и ТСОИ. Кроме того, электрический фильтр не обеспечивает подавление побочных электромагнитных излучений от ИВЭП.

Другим способом защиты от излучения побочных электромагнитных колебаний является защитное экранирование ИВЭП и ТСОИ [2], [3]. Недостаток способа экранирования заключается в наличии локальных нарушений электрогерметичности экрана в местах установки крышек, люков и средств индикации. В этих местах электромагнитные колебания выходят за пределы экрана и могут быть перехвачены радиотехнической разведкой. Для обеспечения высокой степени электрогерметичности экрана требуются усложнение конструкции и увеличение массогабаритных характеристик ИВЭП и ТСОИ. Кроме того, металлические экраны технических средств подлежат обязательному заземлению, что не всегда осуществимо в месте эксплуатации ТСОИ.

Известен способ защиты от радиотехнической разведки, по которому к цепям питания узлов ТСОИ, обрабатывающих конфиденциальную информацию, подключается стабилизатор потребляемого тока [4].

Недостаток способа заключается в его сложности, что приводит к усложнению и удорожанию ТСОИ. Ситуация усугубляется тем, что стабилизатор потребляемого тока [4] автоматически обеспечивает постоянство потребляемого тока ТСОИ, на уровне максимального пикового значения потребляемого тока при обработке информационных сигналов, что приводит к увеличению расхода электроэнергии и требует применения для питания ТСОИ более мощного ИВЭП.

Известен способ активного противодействия радиоразведке, по которому генерируют шумовые электромагнитные колебания и направляют их в сторону вероятного расположения средств радиоразведки [5], [6].

Известный способ обладает рядом недостатков.

Непрерывное излучение шумовых маскирующих сигналов с мощностью, превышающей мощность побочных сигналов, ухудшает электромагнитную обстановку в месте дислокации ТСОИ и создает препятствия для нормального функционирования как защищаемого, так и других технических средств.

Кроме того, шумовые электромагнитные излучения ухудшают экологическую обстановку в месте дислокации ТСОИ.

Известен способ защиты информации, принимаемой по проводным каналам связи, и система для его осуществления, основанные на зашумлении в речевом диапазоне частот проводной линии путем подключения к ней генератора шума [7]. Известные способ и устройство обеспечивают зашумление линии связи, по которой передаются информационные сигналы малой мощности и непригодны для зашумления линии электропитания, например 220 В.

Известны способы защиты информации, обрабатываемой ПЭВМ и ЛВС, от утечки по сети электропитания, основанные на использовании генераторов для маскирования информационных сигналов шума в фазовых цепях и нейтрали системы электропитания [8, с.70]. Применение генератора шума позволяет создать уровень маскирующего сигнала порядка 40-60 дБ, который считается достаточным для надежной защиты этого канала утечки информации [8, с.71]. Недостаток сетевых генераторов шума заключается в большой излучаемой мощности, что ухудшает экологическую и электромагнитную обстановки вокруг защищаемого технического средства.

Наиболее близким по назначению и по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным вследствие этого в качестве прототипа является способ защиты технического средства от утечки информации по первичной сети электропитания, по которому первичную сеть электропитания зашумляют с помощью генератора шумового сигнала, включаемого в месте подсоединения технического средства к первичной сети электропитания. При этом в первичной сети происходит векторное сложение шумового сигнала с информационными, проникающими в сеть питания сигналами [9].

На фиг.1 представлен пример устройства, реализующего известный способ (изделие NG-201 [9]).

Устройство подключается к первичной сети электропитания 1 и содержит устройство коммутации 2, ТСОИ 3, генератор 4 шумового сигнала.

Выход первичной сети электропитания 1, например источника переменного тока напряжением 220 В, 50 Гц, через устройство коммутации 2 подключен к входу ТСОИ 3. Ко второму входу устройства коммутации 2 подключен выход генератора 4 шумового сигнала. Устройство коммутации 2 предназначено для подключения генератора 4 шумового сигнала и ТСОИ 3 к первичной сети электропитания и представляет собой в изделиях типа NG-201 обычную сетевую розетку.

На фиг.1 представлен также пример реализации ТСОИ 3, используемый в дальнейшем при описании заявляемого способа и устройства.

ТСОИ 3 содержит последовательно соединенные ИВЭП 3.1 и нагрузку, например, портативную ПЭВМ 3.2. ИВЭП 3.1 содержит последовательно соединенные выпрямитель 3.1.1, фильтр 3.1.2 и компенсационный стабилизатор напряжения 3.1.3. Вход выпрямителя 3.1.1 является входом ИВЭП 3.1 и входом ТСОИ 3, выход компенсационного стабилизатора напряжения 3.1.3 является выходом ИВЭП 3.1.

Выпрямитель 3.1.1 из переменного напряжения первичной сети 1 формирует постоянное напряжение, содержащее пульсации (гармоники частоты 50 Гц). Указанные пульсации сглаживаются фильтром 3.1.2, на выходе которого образуется первичное постоянное напряжение, которое в компенсационном стабилизаторе напряжения 3.1.3 преобразуется в требуемый номинал с одновременным осуществлением стабилизации напряжения, в результате чего получается вторичное постоянное напряжение, используемое для питания нагрузки 3.2.

Маскировка сигналов утечки информации, появляющихся в первичной сети электропитания вследствие изменения тока нагрузки, осуществляется путем аддитивного наложения (суммирования) на входном сопротивлении первичной сети сигналов утечки информации и шумовых сигналов, формируемых генератором 4.

Недостаток известного способа и устройства, его реализующего, заключается в следующем.

Во-первых, для качественного зашумления необходима значительная мощность шумового сигнала, соизмеримая с мощностью, потребляемой техническим средством. Например, для сетевых генераторов шума, приведенных в [9], она составляет от 2 до 10 Вт. Необходимость обеспечения высокой мощности шумового сигнала усложняет конструкцию генератора 4 шумового сигнала и повышает стоимость его изготовления.

Во-вторых, так как провода первичной сети электропитания представляют собой антенну, то происходит излучение части мощности шумового сигнала в окружающее пространство, что ухудшает экологическую обстановку в месте размещения технического средства, а также электромагнитную обстановку, так как создает помехи для радиоэлектронных средств.

В-третьих, шумовой сигнал, проникая в защищаемое ТСОИ по цепи питания, приводит к необходимости фильтрации этого сигнала в ТСОИ, чтобы предотвратить снижение помехоустойчивости обработки сигналов, что дополнительно усложняет техническое средство и повышает стоимость его изготовления. Следует также отметить, что факт использования в ТСОИ шумового сигнала большой мощности легко обнаруживается радиоразведкой, что демаскирует объект, на котором применяются подобные средства, указывая на конфиденциальность обработки информации в объекте. Кроме того, основным назначением сетевых генераторов шума является защита от технических средств негласного съема информации, устанавливаемых в подслушиваемых помещениях. Указанные средства передают информацию по сети электропитания в диапазоне высоких частот, порядка 50÷500 кГц. Сетевые генераторы шума генерируют помеху в том же диапазоне частот. Однако сигналы утечки информации, вызванные изменением потребляемой от ИВЭП мощности, следовательно, и мощности от сети переменного тока, занимают полосу частот от 100 Гц до f_кв/2 Гц, где f_кв - частота повторения импульсов в преобразователе стабилизатора напряжения [15, с.141-142]. Отбор мощности из сети питания происходит в течение времени, измеряемого единицами миллисекунд [10, с.17, рис.4] в моменты максимумов напряжения в сети питания. В эти моменты в сеть питания проникают фрагменты информационных сообщений. Известные генераторы шума не обеспечивают формирование шумовых сигналов требуемой мощности (порядка 10 Вт) в широком диапазоне от 100 Гц до 50 кГц и поэтому не могут предотвратить утечку информации, вызванную неравномерностью тока нагрузки.

Ситуация усугубляется еще и тем, что при использовании в преобразователях напряжения методов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) в случае постоянной отбираемой мощности сохраняется постоянная длительность импульсов преобразователя и в каналах утечки образуются последовательности импульсов (гармоники переднего и заднего фронтов) с постоянным сдвигом во времени. При изменении тока, отбираемого техническим средством от ИВЭП, неизменность временного сдвига между импульсами в канале утечки нарушается и таким образом в нем появляется информация о законе изменения потребляемого тока.

Задачей предлагаемого способа и устройства для его осуществления является обеспечение защиты технического средства от утечки информации по первичной сети электропитания при одновременном выполнении требований по экологической и электромагнитной безопасности.

Технический результат, достигаемый способом и устройством, заключается в уменьшении мощности шумового сигнала.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в осуществлении операции модуляции шумовым сигналом выпрямленного напряжения первичной сети электропитания на входе (на шинах питания) компенсационного стабилизатора напряжения.

Операция модуляции реализуется с помощью модулятора напряжения, включенного между выходом фильтра и входом компенсационного стабилизатора напряжения, второй вход которого подключен к выходу генератора шумового сигнала.

Модуляция напряжения на шинах питания компенсационного стабилизатора напряжения по случайному закону приводит к случайному изменению потребляемого стабилизатором тока вследствие использования в стабилизаторе принципа компенсации любого изменения за счет отрицательной обратной связи: при уменьшении питающего напряжения потребляемый ток увеличивается, а при увеличении питающего напряжения потребляемый ток уменьшается. Известно, что стабилизаторы должны поддерживать на выходе постоянное напряжение, даже если входное напряжение колеблется в значительных пределах, так например, для стабилизатора μA 7805 [10, с.23] выходное напряжение изменится не более чем от 4,65 В до 5,35 В при колебании входного напряжения от 8 до 20 В. Поэтому изменение напряжения на входе стабилизатора в указанных выше пределах под действием напряжения генератора шумового сигнала будет маскировать изменения потребляемой стабилизатором мощности вследствие изменения тока нагрузки, потребляемого техническим средством при сохранении заданных требований по выходному напряжению. Кроме того, подключение генератора шумового сигнала ко входу модулятора напряжения позволяет развязаться от сети 220 В, и перейти к более низкой мощности генератора шумового сигнала, что существенно упрощает конструкцию устройства в целом.

Более того, в случае использования в компенсационном стабилизаторе методов импульсного регулирования (ШИМ или ЧИМ) параметры этих импульсов будут изменяться по случайному закону в соответствии с изменением напряжения на входе стабилизатора, что создает непрерывный шумовой спектр побочных излучений, которые маскируют утечку информации по каналам ПЭМИН.

Достижение заявленного технического результата, заключающегося в обеспечении защиты от утечки информации с помощью шумовых сигналов малой мощности (по сравнению с прототипом), базируется на использовании операции модуляции шумовым сигналом напряжения питания компенсационного стабилизатора. Как известно, модулирующие (мультипликативные) помехи обладают более высокими маскирующими свойствами, чем аддитивные, используемые в прототипе [11, с.8-9]. Такого рода помехи характерны для каналов связи с замираниями. Сравнительная оценка влияния аддитивных и мультипликативных помех (замираний) на надежность канала связи, при скорости замираний, соизмеримой с длительностью сигнала, приведена в [12]. При равенстве дисперсий сигнала и шума в канале связи, то есть при отношении сигнал/шум β=1 (0 дБ), из графика, приведенного в [12, с.152, рис.5.6], следует, что при аддитивном шуме надежность канала связи составляет Е_b=4·10^-1, а при наличии замираний Е_b=2·10^-3. Приведенные значения Е_b показывают, что в каналах с мультипликативными помехами при отношении сигнал/шум β=1 вероятность правильной передачи информационной единицы в 200 раз меньше, чем в каналах с аддитивными помехами при аналогичном отношении сигнал/шум.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства прототипа,

на фиг.2 - заявляемого устройства, реализующая предлагаемый способ,

на фиг.3 - пример реализации модулятора напряжения.

Заявленное устройство (фиг.2) содержит следующие блоки:

1 - первичная сеть электропитания;

2 - выпрямитель;

3 - фильтр;

4 - модулятор напряжения;

5 - генератор шумового сигнала;

6 - компенсационный стабилизатор напряжения;

7 - нагрузка.

Выход первичной сети электропитания 1 через последовательно соединенные выпрямитель 2, фильтр 3, модулятор напряжения 4, компенсационный стабилизатор 6 подключен ко входу нагрузки 7. Выход генератора 5 шумового сигнала подключен ко второму входу модулятора напряжения 4.

Компенсационный стабилизатор напряжения 6 содержит следующие блоки:

6.1 - источник опорного напряжения,

6.2 - формирователь сигнала рассогласования,

6.3 - регулируемый преобразователь,

6.4 - выпрямитель,

6.5 - фильтр.

Выход источника опорного напряжения 6.1 через формирователь сигнала рассогласования 6.2 подключен к первому входу регулируемого преобразователя 6.3, второй вход которого является входом компенсирующего стабилизатора напряжения 6, а выход через последовательно соединенные выпрямитель 6.4 и фильтр 6.5 подключен к второму входу формирователя рассогласования 6.2. Выход фильтра 6.5 является выходом компенсационного стабилизатора напряжения.

Пример реализации компенсационного стабилизатора напряжения с импульсным регулированием на микросхеме К 142ЕП1 приведен в [13, с.128, рис.5.4], описание работы которого в режиме ШИМ приведено в [13, с.129] и поэтому здесь не излагается.

Пример реализации выпрямителя 2, фильтра 3, модулятора напряжения 4 заимствован из [14, с.219, рис.10.11 и 10.12], где приведено детальное описание работы и расчет блоков. Некоторое отличие введено в схему модулятора напряжения 4, заключающееся в том, что источник опорного напряжения выполнен на делителе R_C и R_D [фиг.3].

Генератор 5 шумового сигнала может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в [15], в которой вместо антенны WA следует через конденсатор С 2 подключить вход модулятора напряжения 4 (фиг.3).

Модулятор 4 содержит входной делитель, выполненный на резисторах R_C и R_D, выходной делитель, выполненный на резисторах R_A и R_B, проходной каскад 4.1 и усилитель обратной связи (ОС) 4.2. Входной делитель из постоянного напряжения, формируемого выпрямителем 2, вырабатывает опорное напряжение U_оп, поступающее на первый вход усилителя ОС 4.2, на второй вход которого поступает напряжение U_X, формируемое выходным делителем из выходного напряжения U₀.

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ, осуществляется следующим образом.

Переменное напряжение первичной сети электропитания 1, например 220 В, 50 Гц, преобразуется выпрямителем 2 в постоянное. Пульсация этого напряжения (гармоники частоты 50 Гц) сглаживается фильтром 3. Сглаженное от пульсаций напряжение является первичным постоянным напряжением питания проходного каскада 4.1 и усилителя ОС 4.2 и также используется для выработки напряжения U_оп.

При воздействии шумового сигнала, формируемого генератором 5 шумового сигнала, напряжение на первом входе усилителя ОС 4.2 будет содержать случайную составляющую. Усилитель ОС выделяет разностный сигнал между напряжениями на входах усилителя и выдает его в проходной каскад 4.1, который изменяет свою проводимость таким образом, чтобы выровнять напряжения на первом и втором входах усилителя ОС 4.2, при этом выходное напряжение U₀, поступающее на шины питания компенсационного стабилизатора напряжения 6, будет содержать также случайную мультипликативную составляющую, обусловленную эффектом модуляции напряжения U_оп шумовым сигналом. Эта составляющая будет маскировать сигналы утечки информации, появляющиеся на шинах питания компенсационного стабилизатора вследствие изменения нагрузки. Амплитуда случайной составляющей, с одной стороны, должна быть не меньше амплитуды сигнала утечки информации, так как только в этом случае проявятся маскирующие свойства мультипликативной помехи, о чем говорилось ранее, а также в [12, с.152], а с другой стороны, она должна быть в пределах, не превышающих величину допустимого изменения напряжения питания компенсационного стабилизатора напряжения, которую последний может компенсировать (стабилизировать).

Компенсационный стабилизатор напряжения 6 стабилизирует входное напряжение (если оно находится в заданных пределах) и на своем выходе выдает уже стабилизированное вторичное постоянное напряжение, поступающее в нагрузку 7. Как показывает практика разработок ТСОИ, в них целесообразно использовать компенсационные стабилизаторы с импульсным регулированием с использованием методов ШИМ, в которых при изменении входного напряжения изменяется длительность импульсов. Если входное напряжение содержит случайную составляющую, то длительность импульсов будет изменяться также по случайному закону, вследствие чего спектр побочных излучений из детерминированного превращается в непрерывный, по которому невозможно определить закон изменения информации.

Работа компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием подробно описана в [13, с.128-130] и поэтому здесь не приводится.

Таким образом, первым фактором, оказывающим влияние на степень маскирования побочных сигналов, является изменение отбираемого из сети питания тока по случайному закону за счет зашумления ее мультипликативной (модулирующей) помехой с мощностью, сравнимой с мощностью тока утечки. При этом пределы изменения отбираемого из сети питания тока при защите ИВЭП должны быть соизмеримы с пределами изменений отбираемого из сети питания тока при обработке информации и при отключенной защите ИВЭП от утечки информации.

Вторым фактором, определяющим степень маскирования побочных электромагнитных колебаний, является то, что напряжение на шинах питания компенсационного стабилизатора напряжения 6 при работе модулятора напряжения изменяется по случайному закону, что приводит к случайным изменениям длительности импульсов ШИМ и, соответственно, к разрушению информативной составляющей, содержащейся в огибающей побочных сигналов.

Следует также отметить, что поскольку генератор 5 шумового сигнала гальванически не связан с проводами сети питания и компенсационным стабилизатором напряжения, то отсутствует передача энергии этого генератора в сеть питания и в окружающее пространство, что не дает возможности нарушителю использовать компенсационные методы приема, и, кроме того, обеспечивает случайность изменения побочных сигналов без увеличения энергии этих сигналов, что в свою очередь улучшает электромагнитную и экологическую обстановку в месте дислокации технических средств.

Сказанное выше подтверждает достижимость технического результата, заключающегося в уменьшении мощности маскирующего сигнала при одновременном соблюдении требований по электромагнитной совместимости и экологических требований.

Источники информации

1. Сетевой фильтр. Патент RU №2214036 С2 Н 03 Н 7/09.

2. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989 г.

3. Гроднев И.И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь, 1972 г.

4. Левинзон С.В. Стабилизатор постоянного потребляемого тока. Патент RU по заявке №5034888/07.

5. Цветков В.В. и др. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие. М.: МАИ, 1998 г.

6. Павлов Ю.С. Способ защиты информационного обмена в локальной системе радиосвязи. Патент RU №2114513, МПК Н 04 К 3/00.

7. Абалмазов Э.И., Световидов В.Н., Хитров М.В., Кочкин А.А. Способ защиты информации, принимаемой по проводным каналам связи и система для его осуществления. Патент RU №2112319, МКИ Н 04 К 1/00.

8. Халяпин Д.Б. Защита информации, обрабатываемой ПЭВМ и ЛВС, от утечки по сети электропитания. Системы безопасности связи и телекоммуникаций. №28, 1999 г., с.70-71.

9. Каторин Ю.Ф., Куренков Е.В., Лысов А.В., Остапенко А.Н. Энциклопедия промышленного шпионажа. Спб.: Полигон, 1999 г., с.434-437.

10. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. М.: ДО ДЕКА, 1998 г.

11. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Коржухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. М.: Сов. радио, 1972 г.

12. Кеннеди Р. Каналы связи с замираниями и рассеиванием. Пер. с англ. М.: Сов радио, 1973 г.

13. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. Расчет источников электропитания устройств связи. М.: "Радио и связь", 1993 г.

14. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Том 1, Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

15. Букреев С.С. Силовые электронные устройства. Введение в автоматизированное проектирование. М.: "Радио и связь", 1982 г.

Изобретение относится к технике конфиденциальной связи и может быть использовано для защиты технических средств обработки информации, в источнике вторичного питания которых применен компенсационный стабилизатор напряжения, от утечки информации по первичной сети электропитания и по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок. Технический результат заключается в уменьшении мощности шумового сигнала, используемого для маскировки сигналов утечки информации. В способе напряжение первичной сети электропитания выпрямляют, фильтруют, модулируют шумовым сигналом, после чего подвергают компенсационной стабилизации с импульсным регулированием и используют для питания нагрузки. Устройство для осуществления способа (фиг.2) содержит последовательно соединенные первичную сеть электропитания (1), выпрямитель (2), фильтр (3), модулятор напряжения (4), компенсационный стабилизатор напряжения (6) и нагрузку (7). Ко второму входу модулятора напряжения (4) подключен выход генератора шумового сигнала (5). 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ защиты технического средства от утечки информации по первичной сети электропитания, основанный на использовании операций формирования шумового сигнала, преобразования напряжения первичной сети электропитания в первичное постоянное напряжение, формирования вторичного постоянного напряжения с помощью компенсационного стабилизатора напряжения, отличающийся тем, что операцию формирования вторичного постоянного напряжения осуществляют после модуляции первичного постоянного напряжения шумовым сигналом.2. Устройство защиты технического средства от утечки информации по первичной сети электропитания, содержащее генератор шумового сигнала, выпрямитель, фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения, нагрузку, при этом выход первичной сети электропитания через выпрямитель подключен ко входу фильтра, выход компенсационного стабилизатора напряжения подключен к нагрузке, отличающееся тем, что в него введен модулятор напряжения, первый вход которого подключен к выходу фильтра, второй - к выходу генератора шумового сигнала, а выход - ко входу компенсационного стабилизатора напряжения.