МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАЩИЩЕННОСТИ СИСТЕМ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ ОТ АТАКИ "TROJAN HORSE" ПРИ МАГНИТНОМ И АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Российский патент 2025 года по МПК H04L9/12 

Предлагаемое изобретение относится к области систем квантового распределения ключей (КРК), а именно, к способам исследования защищенности систем квантового распределения ключей от атак на техническую реализацию. Описываемый способ позволяет провести исследования защищенности системы КРК с учетом рисков, связанных с магнитным воздействием и акустическим воздействием на оптические элементы защиты от оптической атаки «Trojan Horse».

Уровень техники

Исследования защищенности систем квантового распределения ключей от атаки «Trojan Horse» без использования магнитного воздействия описаны в литературе. В работе [Lucamarini М. et al. Practical security bounds against the trojan-horse attack in quantum key distribution //Physical Review X. - 2015. - T. 5. - №. 3. - C. 031030.] перечислены физические величины, значения которых необходимо получить для анализа защищенности системы КРК, а именно величина средней мощности оптических импульсов злоумышленника, степень пропускания оптических элементов защиты и максимальная величина отражения от частей оптической схемы системы КРК. Способ измерения данных параметров был описан в работе [Sushchev I. S. et al. Practical security analysis against the Trojan-horse attacks on fiber-based phase-coding QKD system in the wide spectral range //Emerging Imaging and Sensing Technologies for Security and Defence VI. - SPIE, 2021. - T. 11868. - C. 57-63.]. Этот способ позволяет измерить потери на оптических элементах защиты на выбранной длине волны. Принципиальным недостатком данного способа является отсутствие внешнего магнитного воздействия и внешнего акустического воздействия. Заявленное изобретение отличается использованием магнитного поля и звука, влияющих на степень пропускания оптических элементов защиты, и позволяет определить минимальные потери, вносимые элементом защиты при воздействии на него магнитного поля и звука. Таким образом, заявленное изобретение позволяет провести более строгий анализ защищенности системы КРК, не осуществляемый ранее, т.к. возможность осуществления атаки «Trojan Horse» с использованием магнитного поля и акустического воздействия в литературе не описывалась.

Раскрытие сущности изобретения

Целью изобретения является расширение арсенала технических средств исследования защищенности систем квантового распределения ключей от атаки «Trojan Horse».

Системы КРК являются открытыми системами и допускают внешнее воздействие нарушителя. Нарушитель способен завести оптический импульс на передающую или приемную станцию и по его отражению от неоднородностей оптической схемы системы КРК попытаться получить информацию о бите секретного ключа. Современные системы КРК содержат оптические элементы от данной атаки, пропускающие излучение лишь в заданном направлении - оптические изоляторы и циркуляторы. В их основе лежит магнитооптический эффект, состоящий в изменении поляризации оптического излучения при магнитном воздействии на среду распространения света. Поэтому данные устройства содержат постоянный магнит, обеспечивающий уровень магнитного поля для корректной работы этих устройств. При этом при прямом пропускании света изоляторы и циркуляторы практически не вносят потерь (потери составляют 1-2 дБ), а при обратном пропускании потери могут достигать 40-50 дБ, что обеспечивает низкий уровень сигнала, возвращающегося злоумышленнику при проведении атаки. Однако дополнительное воздействие нарушителя на данные элементы защиты путем создания внешнего магнитного поля способно уменьшить степень проявления магнитооптического эффекта и увеличить уровень обратного пропускания данных элементов.

С другой стороны, оптические изоляторы и циркуляторы имеют в составе элементы, чувствительные к поляризации света. Акустическое воздействие на данные элементы приводит к проявлению фотоупругости, в результате чего анизотропия данных элементов изменяется. Из-за этого меняется и поляризация излучения, проходящего через эти элементы и степень пропускания оптического изолятора или циркулятора оказывается отличной от исходной.

Заявленное изобретение позволяет провести анализ защищенности системы КРК с учетом магнитного и акустического воздействия нарушителя путем измерения степени прямого и обратного пропускания оптических элементов защиты при воздействии на них магнитного поля и звука. Это становится возможным благодаря использованию непрерывного лазера 1 и измерителя оптической мощности 3, подключаемых к исследуемому оптическому элементу 2, а также набору постоянных неодимовых магнитов 4 и источнику ультразвука, приводимых в контакт с исследуемым оптическим элементом (функциональная схема измерительного стенда изображена на фиг.1). Измерительный стенд работает следующим образом: непрерывный лазер генерирует излучение известной мощности, проходящее через исследуемый элемент, после чего по показаниям измерителя мощности определяется уровень потерь на данном оптическом элементе. Постоянные магниты, находящиеся в контакте с оптическим элементом, создают внешнее магнитное поле, действующее на него. Использование магнитов малого размера позволяет увеличивать величину магнитного поля при добавлении большего числа магнитов, до тех пор, пока степень пропускания исследуемого элемента не достигнет максимума (т.е. перестанет увеличиваться при добавлении большего числа магнитов). Максимальная степень пропускания, отображаемая на измерителе мощности является показателем уровня защиты, обеспечиваемой исследуемым оптическим элементом при атаке «Trojan Horse» с магнитным воздействием. Далее магниты извлекаются из схемы и проводится измерение степени пропускания при акустическом воздействии на исследуемый элемент. Для этого непрерывным образом изменяется частота звукового источника и фиксируется максимальное значение степени пропускания, которое является показателем уровня защиты, обеспечиваемой исследуемым оптическим элементом при атаке «Trojan Horse» с акустическим воздействием.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему измерительного стенда для определения степени пропускания оптического элемента защиты 2 под действием магнитного поля и звука.

Осуществление изобретения

Возможность реализации и использования заявленного способа продемонстрирована при проведении испытаний. Использовался непрерывный лазер с волоконным FC/PC выходом на длине волны 1550 нм EXFO FLS-600-23BL, измеритель оптической мощности EXFO FPM-602X с волоконным FC/PC выходом, набор неодимовых магнитных дисков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм с силой сцепления 0,51 кг. Для акустического воздействия использовался источник ультразвука REXANT с частотой перестройки 30-70 кГц. В качестве исследуемого элемента защиты использовался оптический волоконный изолятор Thorlabs IO-Н-1550. Магниты подносились к корпусу изолятора и фиксировались на нем действием магнитной силы. При увеличении количества магнитов происходило увеличение степени пропускания оптического изолятора. При использовании 8 магнитов был достигнут максимум степени обратного пропускания исследуемого оптического элемента, на 37 дБ превышавший значение в отсутствие внешнего магнитного поля.

Использование: для исследования защищенности волоконного оптического элемента от атаки «Trojan Horse». Сущность изобретения заключается в том, что определяют степень пропускания оптического элемента путем измерения мощности лазерного излучения, прошедшего через исследуемый оптический элемент при использовании непрерывного лазера с известной мощностью, при этом используют постоянные магниты, приводимые в контакт с исследуемым оптическим элементом, или используют источник ультразвука, направленный на исследуемый оптический элемент. Технический результат: обеспечение возможности учета внешнего магнитного и акустического воздействия нарушителя при анализе защищенности систем квантового распределения ключей от атаки «Trojan Horse». 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ исследования защищенности волоконного оптического элемента от атаки «Trojan Horse», заключающийся в определении степени пропускания данного оптического элемента путем измерения мощности лазерного излучения, прошедшего через исследуемый оптический элемент, которая является показателем уровня защиты волоконного оптического элемента от атаки «Trojan Horse», при использовании непрерывного лазера с известной мощностью, отличающийся тем, что в процессе проведения исследований сначала используют постоянные магниты, приводимые в контакт с исследуемым оптическим элементом, а затем магниты извлекают и используют источник ультразвука, направленный на исследуемый оптический элемент.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии использования постоянных магнитов поштучно добавляют данные постоянные магниты до достижения максимума пропускания оптического элемента.