СПОСОБ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЕ Российский патент 2013 года по МПК H04K1/02 

Изобретение относится к области защиты конфиденциальной информации (КИ) и может быть использовано для защиты радиотехнических систем, объединенных термином «распределенные случайные антенны» (РСА).

Для обеспечения защиты КИ важное значение имеет выявление и последовательное перекрытие всех технических каналов утечки, в том числе по соединительным линиям (СЛ), отходящим из подлежащих защите помещений (ПЗП) во внешнюю среду. Примерами ПЗП являются помещения (служебные кабинеты, переговорные комнаты и кабины, конференц-залы), предназначенные для работы с КИ при проведении совещаний, переговоров, конференций и т.п. Примерами СЛ, выступающих в роли РСА, являются системы проводов электропитания, заземления, оповещения, охранной и пожарной сигнализации; кабельные линии внешней, внутриофисной и компьютерной связи; трубы систем вентиляции и центрального отопления; металлические части несущих конструкций в зданиях и т.д.

К негативным особенностям каналов утечки КИ через РСА относятся:

- сложный и часто неоднозначный (заранее непредсказуемый) характер возбуждения, связанный с преобразованием исходного сигнала, создаваемого источником КИ (далее КИ-сигнала), в КИ-сигналы, расходящиеся по СЛ. Источниками КИ могут быть как основные (непосредственно участвующие в обработке, передаче и приеме КИ-сигналов) технические средства (ТС), то есть рабочая аппаратура, так и вспомогательные (не участвующие в указанных процессах, но находящиеся в ПЗП - системы и средства электропитания, заземления, охранной и пожарной сигнализации, оповещения, связи, ЭВМ, офисное оборудование и т.д.);

- обычно принципиально разный характер распространения КИ-сигнала внутри ПЗП и КИ-сигналов в СЛ, с помощью которых ТС, размещенные в ПЗП, подключаются к внешнему общедоступному оборудованию. В результате этого КИ-сигналы могут с малым затуханием уходить через РСА далеко за пределы ПЗП и становиться доступными для злоумышленника;

- трудности моделирования (математического, физического, компьютерного) источников КИ и СЛ, выступающих в роли РСА;

- негативная динамика экологических и эргономических характеристик ПЗП при использовании большинства известных методов и средств ликвидации каналов утечки КИ приводящих к тепловому, шумовому и электромагнитному загрязнению ПЗП, ухудшению микроклимата (повышение влажности и изменение состава воздуха без вентиляции), снижению уровня естественного геомагнитного фона и т.п. В ряде случаев нежелательными факторами являются также высокая стоимость, вес и габариты оборудования для защиты ПЗП.

Как разновидность случайных антенн (см. классификацию в [1-2]) РСА в настоящее время исследованы недостаточно. Способы информационной защиты РСА также имеют ряд неизученных особенностей. Это объясняется, во-первых, тем, что, в отличие от СЛ, образующих основные каналы связи (по которым КИ-сигналы поступают к «законным» - санкционированным потребителям КИ), благодаря РСА возникают побочные каналы (каналы утечки КИ), по которым КИ-сигналы поступают к несанкционированным потребителям КИ - злоумышленникам. При организации информационной защиты СЛ основных каналов ограничением является отсутствие недопустимых помех для законных потребителей КИ. При защите РСА данного ограничения не существует, поскольку к ним подключаются только злоумышленники.

Во-вторых, надежные и универсальные способы пассивной защиты СЛ («герметичное» электромагнитное экранирование, заземление, фильтрация КИ-сигналов) для защиты РСА зачастую неприменимы. Главным и наиболее перспективным средством в данном случае является активная защита КИ - с использованием различного рода преднамеренных помех (заградительных шумовых, имитационных прицельных и др.). В-третьих, поскольку КИ-сигналы через РСА способны с малым затуханием уходить далеко за пределы ПЗП, злоумышленник может использовать в своих целях высокоэффективную стационарную аппаратуру. Поэтому при организации активной защиты КИ необходимо всеми доступными способами - включая новые научно-технические идеи - повышать ее универсальность и эффективность.

Известны следующие способы активной защиты КИ, основанные на применении преднамеренных помех, призванных энергетическим способом (для маскирующих шумовых помех) или путем нанесения максимального информационного ущерба (для имитационных помех) «подавить» КИ - сигналы во всех потенциально возможных каналах утечки, чтобы затруднить злоумышленнику перехват и обработку КИ с помощью имеющихся у него ТС [3-5]:

- линейное зашумление, которое реализуется с помощью шумового генератора, подающего сигнал с уровнем U_ш(t) во все подлежащие защите СЛ;

- пространственное зашумление, которое имеет в виду создание в пределах ПЗП электромагнитного поля (ЭМП) со структурой и характеристиками, обеспечивающими защиту КИ от перехвата по каналам электромагнитной утечки;

- кодовое зашумление - применяемое при невозможности использовать другие

виды активной защиты, связанные с ЭМП;

- самозашумление, которое является специфическим видом зашумления компьютеров, когда либо стоящие рядом ЭВМ работают так, что ЭМП их КИ-сигналов искажают друг друга, либо один компьютер работает в мультипрограммном режиме, когда обработка перехваченного КИ-сигнала с целью извлечения КИ злоумышленником затруднена.

Известным направлением развития методов активной защиты является применение генераторов имитационных помех, способных при малых уровнях ЭМП в окружающем пространстве (что необходимо для улучшения электромагнитной совместимости ТС и обеспечения безопасности условий работы персонала и потребителей КИ) наносить максимальный информационный ущерб потенциальному злоумышленнику [5].

Из уровня развития техники известны способы амплитудной и угловой (частотной, фазовой) модуляции сигналов [6]. Известно предложение использовать каналы, полученные путем суммарно-разностного преобразования в частотной области, для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [7]. Соответствующий методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [8]. Известен также способ определения затухания сигнала в РСА, основанный на использовании нелинейного суммарно-разностного частотного (СРЧ) преобразования [9].

Наиболее близким по технической сущности является способ линейного зашумления [3, с.188, рис.8.9] (прототип предлагаемого изобретения), который, применительно к условиям решаемой задачи, предусматривает подключение к РСА через N устройств сопряжения генераторов преднамеренных помех, обеспечивающих информационную защиту РСА. Рассматриваемый КИ-сигнал в заданной частотно-временной области представляет собой U_c(t)=U₀(t) cos Φ(t), где амплитуда сигнала U₀(t)=U_A+U₁(t); U_A - амплитуда несущей сигнала, U₁{t) - модулирующий амплитуду КИ-сигнал; фазовый угол сигнала Φ(t)=ω_ct+φ_c+Ω₁(t), где ω_c и φ_c - соответственно, несущая частота и фаза несущей сигнала, Ω₁(t) - модулирующий фазовый угол КИ-сигнал, t - текущее время. Идея линейного зашумления состоит в прибавлении к U_c (t) шумовой помехи U_ш(t), то есть формирование в СЛ, образующих РСА, аддитивной смеси сигнала и помехи вида U_c(t)+U_ш(t)=U₀(t)cos Φ{t)+U_ш(t). В принятых обозначениях амплитудной модуляции (AM) соответствует добавка модулирующего КИ-сигнала U₁(t) к U_A в составе множителя U₀(t); угловой модуляции (УМ) - воздействие Ω₁(t) на слагаемые в составе углового множителя Ф(t): при частотной модуляции (ЧМ) - на ω_c(t); при фазовой модуляции (ФМ) -на φ_c(t).

Преднамеренные помехи по принципу воздействия на КИ-сигнал можно разделить на две категории: аддитивная помеха (АП) U_АП(t), которая отвечает условию U(t)=U_с(t)+U_АП(t) - сигнал, принимаемый злоумышленником; и мультипликативная помеха (МП) U_МП(t), соответствующая U(t)=k_МП U_c(t)·U_MП(t), где k_МП - коэффициент размерности, зависящий от способа реализации МП. Обобщением способа-прототипа является применение в качестве U_АП(t) вместо U_ш(t) имитационной помехи U_u(t) - аналогичной по свойствам U_c(t), однако не связанной с модулирующими КИ-сигналами U₁(t) и Ω₁(t).

Основным недостатком способа-прототипа является возможность существенно снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных методов обнаружения и повышения помехоустойчивости приема сигналов любого конкретного вида (аналоговых, цифровых) при обработке аддитивной смеси сигнала и преднамеренной шумовой помехи U(t)=U_c(t)+U_АП(t)=U_c(t)+U_ш(t) [11]. Это становится возможным во многом благодаря тому, что частотные энергетические спектры КИ-сигнала G_c(ω, t) и шумовой помехи G_П (ω; t), где ω - круговая частота, никак не связаны между собой и изменяются во времени по независимым друг от друга законам.

При использовании имитационных помех, аналогичных по параметрам КИ-сигналу, информационный ущерб, наносимый злоумышленнику, зависит от точности воспроизведения помехами параметров КИ-сигналов - которые, одновременно, должны быть лишены конкретного КИ-содержания [12-14]. Эти требования противоречат друг другу, что осложняет возможность реализации данного способа защиты РСА. Применение имитационных помех затрудняет также необходимость постоянной синхронизации помехи с КИ-сигналом.

С целью устранения недостатков, присущих способу-прототипу, в предлагаемом изобретении предлагается связать спектры КИ-сигнала G_c (ω; t) и преднамеренной помехи G_П (ω; t) с помощью стохастического СРЧ-преобразования КИ-сигнала U_C(t) и помехи U_П(t) на нелинейном элементе (НЭ), вводимом для этой цели в состав РСА.

После СРЧ-преобразования общий спектр КИ-сигнала и помехи приобретает вид G_CП (ω_mn; t), где ω_mn=|m ω_c ± n ω_П|; m; n [1; 2…] - коэффициенты преобразования, определяющие порядок m+n составляющих U_mn (t) в преобразованном сигнале U_СП(t). В соответствии с принятой терминологией [10], при внутреннем воздействии на НЭ помехи U_П(t) по СЛ, входящим в состав РСА, используемое СРЧ-преобразование является аналогом комбинационного преобразования, а при внешнем воздействии помехи по эфиру - аналогом интермодуляционного преобразования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности защиты информации в РСА путем применения совместного СРЧ-преобразования КИ-сигнала U_С(t) с энергетическим спектром G_С(ω; t) и преднамеренной помехи U_П (t) с энергетическим спектром G_П (ω; t) на НЭ, вводимом в состав РСА, итогом которого является формирование стохастически преобразованного сигнала U_CП(t) со спектром G_CП(ω_mn; t), где ω_mn=|m ω_с±nω_П|; m; n [1; 2…] - коэффициенты СРЧ-преобразования, определяющие порядок m+n его составляющих U_mn(t).

Сущность предлагаемого способа защиты информации в распределенной случайной антенне состоит в том, что он предусматривает подключение к распределенной случайной антенне через N устройств сопряжения N генераторов помех, которые обеспечивают информационную защиту распределенной случайной антенны, и отличается тем, что в состав М из числа N устройств сопряжения вводят нелинейные элементы, с помощью которых под воздействием М≤N помех осуществляют совместное стохастическое суммарно-разностное частотное преобразование информационных сигналов и помех, излучаемых распределенной случайной антенной.

Фиг.1 демонстрирует схему реализации прототипа - известного способа линейного зашумления применительно к РСА со сложной многоэтажной структурой, где 1 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 2 - устройство сопряжения (общее число N); 3 - генератор преднамеренных помех (общее число М).

Фиг.2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа защиты информации в РСА, где 1 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 2 - устройство сопряжения (общее число N); 3 - генератор преднамеренных помех (общее число N); 4 - НЭ элемент, условно показанный в виде полупроводникового диода (общее число M≤N).

Фиг.3 показывает варианты реализации устройства сопряжения генератора помехи U_n (t) с РСА, подключаемого к РСА в точках А-А, при наличии НЭ: а) - с помощью индуктивной связи через трансформатор; б) - с помощью емкостной связи через конденсаторы С_П; в) - с помощью гальванической связи через резисторы R_П, г) - с помощью внешнего облучения помехой от антенны АП.

Фиг.4 представляет спектрограммы для сигнала, циркулирующего в РСА при подключении в ней генератора шумовой помехи и генератора сигнала 890 МГц (верхняя кривая); и при отключенном генераторе сигнала 890 МГц (нижняя кривая): а) - в полосе частот до 2 ГГц; б) - в полосе частот до 3 ГГц.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.

К СЛ, образующим РСА 1 (см. Фиг.1), через N устройств сопряжения 2 подключаются генераторы помех 3, которые обеспечивают защиту информации в РСА путем формирования вместо циркулирующего в ней КИ-сигнала U_c(t)=U₀(t)cos Φ(t) смеси сигнала и шумовой АП вида U_с(t)+U_ш(t)=U₀(t)cos Φ(t)+U_ш(t). Частотные энергетические спектры G_c (ω; t) КИ-сигнала U_C(t) и G_П(ω; t) преднамеренной помехи U_П(t) здесь не связаны друг с другом (разделены в частотно-временной области). При необходимости уменьшить уровни АП, необходимые для эффективной защиты РСА, вместо шумовой АП применяется имитационная помеха U_u(t) - аналогичная по свойствам U_C(t), однако несвязанная с модулирующими КИ-сигналами.

Основным недостатком способа-прототипа является возможность снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных методов обнаружения и повышения помехоустойчивости приема смеси КИ-сигнала и шумовой АП вида U (t)=U_c(t)+U_АП(t)=U_c(t)+U_ш(t) [11] - чему способствует взаимная независимость их спектров G_c(ω; t) и G_П (ω; t). Для устранения этого предлагается связать спектры КИ-сигнала G_c(ω; t) и преднамеренных помех G_П(ω; t) с помощью СРЧ-преобразования КИ-сигнала U_c(t) и помехи U_П(t) на НЭ, вводимых в состав РСА.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

К СЛ, образующим РСА 1, через N устройств сопряжения 2, в состав которых входят НЭ 4 (см. Фиг.2), подключаются генераторы помех 3, обеспечивающие информационную защиту РСА аналогично способу-прототипу - однако с учетом стохастического СРЧ-преобразования КИ-сигнала U_c(t) и помехи U_П(t) на каждом из М≤N НЭ 4. После СРЧ-преобразования спектр КИ-сигнала и помехи приобретает вид G_CП (ω_mn; t), где ω_mn =|m ω_с±nω_П|; m; n [1; 2…] - коэффициенты преобразования, определяющие порядок m+n составляющих U_mn(t) в преобразованном сигнале U_СП(t). Таким образом, в данном случае вместо КИ-сигнала U_С(t) с частотным энергетическим спектром G_С (ω; t) и помехи U_П(t) со спектром G_П(ω; t) в РСА циркулирует общий стохастическим образом преобразованный сигнал U_СП(t). Из уровня техники [10-14] известно, во-первых, что разделить КИ-сигнал и помеху, имеющие совместный стохастический спектр G_СП(ω_mn; t), злоумышленнику существенно более сложно, чем сигнал и помеху, имеющие независимые друг от друга спектры G_С (ω; t) и G_П(ω; t). Во-вторых, что имеется возможность динамического управления спектром G_CП (ω_mn, t) путем изменения характеристик помехи U_П(t). Результатом этого является снижение помехоустойчивости приема КИ-сигналов в канале утечки КИ и, соответственно, повышение эффективности защиты информации в РСА.

Фиг.3 иллюстрирует варианты реализации устройства сопряжения 2 генератора помехи U_П(t) 3 с РСА 1, подключаемого к ней в точках А-А, при наличии НЭ 4 в виде полупроводникового диода: а) - с помощью индуктивной связи через трансформатор с коэффициентом трансформации W₁/W₂, где W_1,2 - число витков, соответственно, в первичной и вторичной обмотках; б) - с помощью емкостной связи через конденсаторы С_П; в) - с помощью гальванической связи через резисторы R_П; г) - с помощью внешнего облучения помехой от антенны АП.

Фиг.4 представляет экспериментальные спектрограммы, полученные с помощью анализатора Rode & Schwarz, для сигнала, циркулирующего в РСА 1 при подключении в ней генератора шумовой помехи 3 и генератора сигнала 890 МГц (верхние кривые); и при отключенном генераторе сигнала 890 МГц (нижние кривые): а) - в полосе частот до 2 ГГц; б) - в полосе частот до 3 ГГц. На спектрограммах Фиг.4 отчетливо видны различия между спектрами G_С (ω; t) гармонического сигнала 890 МГц - выбросы на верхних графиках; G_П(ω; t) шумовой помехи - нижние графики; и совместным спектром G_CП(ω_mn; t) - верхние графики.

Совместный спектр G_СП (ω_mn; t) заметно более равномерный и «растянутый» в области высоких частот (вплоть до 2-3 ГГц) по сравнению со спектром помехи G_П(ω; t), гармонический спектр G_c(ω; t) на его фоне существенно менее заметен ввиду появления после СРЧ-преобразования новых многочисленных составляющих U_mn(t). Для реальных КИ-сигналов с более сложной формой G_c(ω; t) стохастическое СРЧ-преобразование еще более затрудняет задачу злоумышленника и повышает эффективность защиты КИ, циркулирующей в РСА. Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации в автоматическом режиме и позволяет повысить эффективность защиты информации в РСА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - С.12-15.

2. Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Исследование случайных антенн методом статистического имитационного моделирования // Успехи современной радиоэлектроники. №7, 2008. - С.3-41.

3. Соболев А.Н., Кириллов В.М. Физические основы технических средств обеспечения информационной безопасности. М.: Гелиос АРВ, 2004. - 224 с.

4. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.

5. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Электромагнитное экранирование оборудования и помещений // Приложение к журналу «Инфокоммуникационные технологии». Выпуск 7, 2011. - 256 с.

6. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. М.: Энергия, 1976. - 448 с.

7. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г, Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2 271 065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюлл. №6.

8. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.

9. Способ определения затухания сигнала в распределенной случайной антенне // Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Патент RU 2 393 493 С1 от 06.04.2009, опубл. 27.06.2009, бюл. №18.

10. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.

11. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. -728 с.

12. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1989. - 350 с.

13. Алышев Ю.В., Маслов О.Н. К оценке эффективности случайных антенн по критерию информационного ущерба // Инфокоммуникационные технологии. Т.6, №3, 2008. - С.116-125.

14. Алышев Ю.В., Маслов О.Н. Тестирование модели измерительного комплекса для исследования случайных антенн // Инфокоммуникационные технологии. Т.7, №1, 2009. - С.67-72.

Изобретение относится к области защиты конфиденциальной информации и может быть использовано для защиты радиотехнических систем, объединенных термином «распределенные случайные антенны» (РСА). Технический результат - повышение эффективности защиты РСА по каналам утечки конфиденциальной информации. Устройство защиты РСА содержит N генераторов помех (3), подключенных к РСА через соответствующие устройства сопряжения (2), и М нелинейных элементов (4), где М меньше или равно N, вводимых в состав РСА, при этом каждое из М устройств сопряжения подключено к соответствующему нелинейному элементу, с помощью которых под воздействием M<N помех осуществляют совместное стохастическое суммарно-разностное частотное преобразование информационных сигналов и помех, излучаемых распределенной случайной антенной. 4 ил.

Устройство защиты распределенной случайной антенны (РСА), содержащее N генераторов помех, подключенных к РСА через соответствующие устройства сопряжения, и М нелинейных элементов, где М меньше или равно N, вводимых в состав РСА, при этом каждое из М устройств сопряжения подключено к соответствующему нелинейному элементу.