Исследование взаимосвязей между электрическими параметрами информационных сигналов при обосновании показателя защищенности информации от утечки по электромагнитным каналам

О.С. Авсентьев,

доктор технических наук, профессор

А.О. Авсентьев,

кандидат технических наук

А.Г. Кругов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ОБОСНОВАНИИ ПОКАЗАТЕЛЯ ЗАЩИЩЕННОСТИ ИНФОРМАЦИИ ОТ УТЕЧКИ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛАМ

THE RESEARCH OF THE INTERRELATIONSHIPS BETWEEN ELECTRICAL PARAMETERS OF INFORMATION SIGNALS IN THE JUSTIFICATION OF INCREASED SECURITY AGAINST LEAKAGE OF INFORMATION BY ELECTROMAGNETIC CHANNELS

В работе рассматривается влияние взаимосвязей между разнородными электрическими параметрами каналов передачи информации и электромагнитных каналов ее утечки на соответствующие показатели оценки качества этих каналов. Такое влияние обусловлено, с одной стороны, наличием функциональных связей источника информации с электрическими параметрами сигналов, используемых в качестве материальных носителей информации, с другой стороны, необходимостью согласования этих параметров с соответствующими параметрами каналов связи и перехвата информации.

This paper deals with the effect of correlation between dissimilar electric parameters of data transmission channels and electromagnetic channels leaking on appropriate indicators to measure the quality of these channels. This influence is caused on the one hand by the presence of functional connections of the information source with the electrical signal parameters that are used as material aqueous media, on the other hand, the need to harmonize these parameters with corresponding parameters of communication channels and intercept the information.

Введение. В [1, 2] при обосновании показателя защищенности информации от утечки по электромагнитным каналам предполагалось отсутствие зависимости между разнородными параметрами сигналов, используемых в качестве материальных носителей для передачи информации по каналам связи инфокоммуникационных систем (ИКС). Такое предположение может считаться корректным в условиях, рассмотренных в [1, 2], когда влияние указанных зависимостей (при их наличии) на объем сигнала как обобщенную его характеристику незначительно и обоснованный показатель может быть использован в рассмотренных целях. Однако с учетом распределения энергии сигнала по его спектральным составляющим и условия существования канала связи только при превышении энергией сигнала некоторого порогового значения, определяемого чувствительностью приемника [3—5], представляет интерес исследование влияния этих условий на форму аналитического представления рассматриваемого показателя в случаях его использования для оценки как качества основного канала связи, так и защищенности информации от утечки по электромагнитным каналам.

В данной работе исследуются вопросы обоснования такого показателя в рассматриваемых условиях с учетом указанных взаимосвязей, функциональных связей источников информации с характеристиками сигналов как ее материальных носителей, а также противоположности целей законного получателя этой информации и злоумышленника.

Предметно-функциональная структура электромагнитного канала утечки информации в инфокоммуникационной системе. В соответствии с приведенным в [6] определением технического канала утечки информации (ТКУИ) рассмотрим структуру электромагнитных каналов утечки, возникающих в связи с наличием в составе каналов связи современных инфокоммуникационных систем (ИКС) множества радиоэлектронных устройств (РЭУ), соединенных проводниками различной протяженности [1, 2] (рис. 1).

Следует отметить различие целей использования представленных на рис. 1 элементов основного канала связи, включающего источник информации (ИИ), получатель информации (ПИ), преобразующее устройство (ПрУ), обратное преобразующее устройство (ОПрУ), передающее и приемное устройства (ПРД и ПРМ соответственно), и соответствующих элементов каналов утечки этой информации рассматриваемого типа. Для законных пользователей элементы основного канала используются в целях обеспечения заданных требований к свойствам передаваемой информации. В то же время эти элементы в составе ТКУИ представляют собой объекты разведки.

Как показано в [1, 2], каждый из множества ТКУИ на рис. 1 имеет структуру типового радиоканала [4], в котором технические средства разведки (ТСР) выполняют функции разведывательного радиоприемника.

Проектирование структуры и определение состава элементов основного канала ИКС осуществляется с учетом обеспечения функциональных связей информационных параметров источника информации с соответствующими электрическими параметрами используемых для ее передачи информативных физических полей и канала связи.

Рис.1. Предметно-функциональные структуры электромагнитных технических каналов утечки информации и каналов связи инфокоммуникационной системы

Характер этих связей зависит от вида передаваемых сообщений (речь, текст, изображение, данные и т.п.) и электрических характеристик используемых элементов основного канала. При этом процесс прохождения информационных сигналов через элементы структуры данного канала может рассматриваться как последовательные преобразования этих сигналов из одного вида в другой [7, 8]. Выбор этих элементов осуществляется при проектировании ИКС с учетом выполнения условий согласования соответствующих электрических параметров преобразуемых сигналов и канала связи, в частности их временных, амплитудных и частотных характеристик [4, 5], с целью обеспечения заданных требований к свойствам передаваемой информации, характеризующим ее ценность [7—9].

В этих условиях при обосновании показателя для оценки качества основного канала связи, предложенного в [1, 2], целесообразно учитывать взаимосвязь разнородных электрических параметров сигнала.

Так, применительно к электрическим параметрам сигнала, определяющим его объем, распределенность энергии по спектральным (частотным) составляющим, обуславливает его уровень (отношение сигнал/шум) в пределах определенной полосы частот. В свою очередь, условие, при котором этот уровень будет превышать некоторое пороговое значение, определяет время существования сигнала как материального носителя информации при обеспечении требований к свойствам этой информации.

Следует отметить, что указанные взаимосвязи в существенной степени зависят от вида предаваемой информации, используемых для этих целей сигналов и предъявляемых требований к свойствам информации, характеризующим ее ценность.

Поскольку рассматриваемые элементы структуры основного канала могут использоваться в качестве объектов разведки для возникающих в процессе их функционирования ТКУИ, при разработке структуры ИКС выбор их элементов осуществляется с учетом обеспечения защиты информации от утечки по техническим каналам. Для этих целей применяются различные технологические решения, позволяющие в значительной степени уменьшить объем сигнала электромагнитных излучений за счет ограничения их уровня и спектра частот.

В этих условиях злоумышленник, применяя ТСР в составе ТКУИ, не имеет возможности обеспечения необходимых функциональных связей информационных параметров элементов структуры основного канала ее передачи с электрическими параметрами сигналов электромагнитных излучений и ТКУИ. При этом взаимосвязи разнородных электрических параметров этих сигналов могут проявляться в большей степени, чем в основном канале связи.

В связи с указанными обстоятельствами рассмотрим степень влияния приведенных взаимосвязей на соответствующие электрические параметры и объем сигналов как материальных носителей информации различного вида в основном канале связи и в ТКУИ.

Исследование взаимосвязей между электрическими параметрами сигналов в основном канале связи и каналах перехвата информации. По аналогии с [1, 2] в

качестве основных электрических параметров радиосигналов, используемых для передачи и перехвата информации в основном канале связи и в ТКУИ соответственно, будем рассматривать значения их эффективных длительностей тс и тсТКУИ, ширины спектра А/ и А/сТКУИ, а также превышения средней мощности над средней мощностью помех = Рс / Рш и £сТКУИ = РсТКУИ / Рш™

При обосновании показателей для оценки качества каналов связи и перехвата информации в [1, 2] используются соответствующие объемы сигналов:

Ус = Тс-А/с^с,

ГсТКУИ = тсТКУИ .А/сТКУИ •£сТКУИ

При этом в качестве обобщенных параметров канала связи ИКС и ТКУИ используются их емкости:

ГКс = АТкс-А¥Кс - Gкс,

рТКУИ = а Тткуи . А^ткуи . GТКУИ

где АТкс и АТТКУИ — время существования канала связи и ТКУИ соответственно;

АРкс и АРТКУИ — ширина полосы пропускания канала связи и ТКУИ соответственно;

ТКУИ

Gкс и G — чувствительности приемников, используемых в основном канале связи и в ТКУИ соответственно.

Тогда условия отсутствия искажений сигналов в основном канале связи и в ТКУИ, то есть условия обеспечения требуемых значений показателей ценности информации для ее получателя в основном канале связи и для злоумышленника, запишем в виде

Гкс > Ус,

КТКУИ > ГсТКУИ

Поскольку левые и правые части в выражениях (5) и (6) представляют собой произведения разнородных, но взаимосвязанных величин, эти условия могут быть выполнены при различных соотношениях данных величин. Однако значение обобщенного показателя, характеризующего ценность информации, передаваемой с использованием данных сигналов, с учетом разнородности ее свойств и параметров самих сигналов может не удовлетворять требованиям получателей. При этом влияние различных электрических параметров сигнала на снижение показателя ценности информации будет различным.

В [1, 2] с целью учета такого влияния на ценность информации, переносимой сигналом, введены коэффициенты снижения показателя ценности информации, обусловленные уменьшением временных, частотных и энергетических параметров сигнала Ат, kAF и kGc соответственно.

Тогда с учетом этих коэффициентов значения электрических параметров сигналов, используемых в качестве материальных носителей информации в основном канале связи и ТКУИ, могут быть представлены в виде

Тс* = А г  Тс, 4/с* = k^F  Л/с, Ос* = kGc Ос,

ТсТКУИ* = ^ТКУИ ТсткУи Л/ТКУИ* = А/^ТКУИ  4/СткУи ОсткУи* = А^ТКУИ ОСТКУИ

ТКУИ /(гТКУИ г* ТКУИ

где Тс , Л/с , Ос — временные, частотные и энергетические параметры информационного сигнала в ТКУИ; АгТКУИ, А/рТкуи, АосТКУИ — соответствующие коэффициенты снижения показателя ценности информации в ТКУИ, обусловленные уменьшением временных, частотных и энергетических параметров сигнала.

С учетом сформулированной в [7, 8] постановки задачи по обеспечению требований к свойствам информации, передаваемой по каналу связи, и выражений (7) и (8) в [1] обоснованы показатели для оценки качества основного канала связи, ТКУИ и ее защищенности от утечки:

дс = р

дТКУИ = ^(^1КУИ > Гс1КУИ*) = р(ЛТТКУИ > тсТКУИ*)  рЛРТКУИ > Л/с1КУИ*) х

х р

дзи = 1 - дТКУИ = 1 - р{уТКУИ > ГсТКУИ*),

где р(ЛТкс > тс*), p(ЛFкс > Л/с*), р(Ос* > Окс) — вероятности выполнения соответствующих условий в основном канале; р(ЛТТКУИ > ТсТКУИ*), ^(ЛР™ > Л/сТКУИ*), р(ОсТКУИ* > Отср) — вероятности выполнения соответствующих условий в ТКУИ; дш — показатель защищенности информации от утечки по техническим каналам.

При этом предполагалась независимость разнородных электрических параметров информационных сигналов, как в основном канале, так и в ТКУИ.

Рассмотрим возможные изменения указанных параметров сигналов в основном канале связи и в ТКУИ в различных условиях функционирования этих каналов.

Так, временным параметром информационного сигнала считается время его существования. При этом, как отмечено в [1], электрические характеристики преобразующих устройств канала связи ИКС выбираются в процессе проектирования и разработки с учетом обеспечения полного согласования параметров источника информации с параметрами рассматриваемых сигналов и канала связи таким образом, что = 1, А/Рс = 1 и Аос = 1. В этих условиях каких-либо существенных зависимостей между рассматриваемыми параметрами не предполагается.

Некоторые зависимости между временными и энергетическими параметрами сигналов могут возникать в условиях, когда уровень сигнала ниже некоторого значения, соответствующего, например, чувствительности приемника, используемого в рассматриваемом канале. В этом случае можно считать, что сигнал прерывается [5].

Другого вида зависимости, между энергетическими и частотными параметрами сигналов, связаны с видом характеристики распределения энергии этих сигналов по частотным (спектральным) составляющим. При этом ограничения частотного спектра сигнала в той или иной степени могут приводить к уменьшению его общей энергии.

Для определения характера этих зависимостей введем следующие условия.

Условие 1. Информационный сигнал существует при превышении его средней мощности над средней мощностью помех gс = Рс / Рш некоторого порогового значения: gс > gсп.

Условие 2. Значение превышения средней мощности сигнала над средней мощностью помех определяется в пределах эффективно передаваемой полосы частот А/сЭППЧ [5].

Рассмотрим зависимости между электрическими параметрами для сигналов различной физической природы с учетом условий 1 и 2.

Частотный спектр акустического сигнала зависит от вида его источника и в общем случае может занимать полосу от 20 Гц до 20000 Гц. В частности, речевой сигнал, источником которого является человек, представляет собой сложный акустический сигнал, содержащий множество частотных составляющих в диапазоне от 70 Гц до 7000 Гц [10]. На рис. 2 представлен график усредненного спектра мощности речи [10]. Основная часть энергии такого сигнала (^ 90%) в соответствии с нормами, определенными в ГОСТ 21655-87 [11], сосредоточена в диапазоне частот от 300 Гц до 3400 Гц. Кроме того, как известно, в области частот рассматриваемого диапазона (от 1000 Гц до 2500 Гц) располагаются наиболее информативные частотные составляющие речевого сигнала. Указанные обстоятельства позволяют считать эту полосу частот эффективно передаваемой и достаточной для обеспечения требований к основным свойствам речевой информации (разборчивость, узнаваемость), характеризующим ее ценность.

Из рис. 2 видно, что в диапазоне от 500 Гц до 7000 Гц энергия частотных составляющих существенно уменьшается, примерно 10 дБ на октаву. Под октавой понимается интервал частот, в котором соотношение между верхней и нижней частотами составляет два к одному. Указанные обстоятельства позволяют оценить степень зависимости между энергетическими и частотными параметрами речевых сигналов.

Рис. 2. Усредненный за длительный промежуток времени спектр мощности речи, измеренной на расстоянии 30 см от диктора

В процессе передачи по каналам связи первичные сигналы, формируемые источником информации, преобразуются во вторичные сигналы к виду, удобному для обработки и передачи по физической линии. Поскольку параметры вторичных сигналов должны воспроизводить параметры первичных сигналов, то рассмотренные выше зависимости между их энергетическими и частотными параметрами также должны сохраняться.

В этих условиях будем считать, что в канале связи ИКС А/с = А/сЭППЧ = 3400 Гц — 300 Гц = 3100 Гц, kАF = 1 и kGc = 1 значения времени существования информационного сигнала тс, ширины его спектра А/с и превышения средней мощности над средней мощностью помех gс = Рс / Рш независимы, а для оценки качества этого канала связи может использоваться показатель (9).

В ТКУИ, в связи с отсутствием у злоумышленника возможности обеспечения необходимых функциональных связей информационных параметров элементов структуры канала связи ИКС с электрическими параметрами сигналов электромагнитных излучений и ТКУИ в целом, взаимосвязи между энергетическими и частотными параметрами этих сигналов могут проявляться в большей степени. При этом ограничения спектра сигнала могут быть связаны лишь с ограничениями на частотные характеристики элементов ТКУИ и, в частности, с ограничениями на частотные характеристики разведывательного приемника. Как видно из графика на рис. 2, дальнейшее ограничение спектра сигнала (как снизу, так и сверху, более 300 Гц и менее 3400 Гц соответственно) приведет к существенному уменьшению его энергии. Однако, поскольку современные разведывательные приемники имеют полосу пропускания А/с > 3100 Гц, будем считать, что для рассматриваемого случая Ларткуи = 1 и превышение средней мощности сигнала в ТКУИ над средней мощностью помех в этом канале gсТКУИ от величины А/с не зависит. Однако в данном

ТКУИ

случае значение gс зависит от расстояния между источником электромагнитного из-

лучения и точкой измерения данного соотношения, значение kGc может быть меньше 1. При этом в соответствии с условием 1 значение ТсТКУИ* будет зависеть от величины GсТКУИ*. Тогда выражение (10) запишем в виде

^ТКУИ = ^ТКУИ > ГсТКУИ*) = р

X

х р^сТКУИ* > GТСР) X рАРТКУИ > А/сТКУИ*),

г* ТКУИ* ^ п 1

где Gc И > gсn — условие 1.

Для оценки защищенности информации от утечки может быть использовано выражение (11), в котором значение ^ТКУИ определяется в соответствии с (12).

Рассмотрим зависимости между временными, энергетическими и частотными параметрами цифровых сигналов при их использовании для передачи информации. Ширина спектра таких сигналов зависит от скорости передачи (от длительности импульсов) [12]. При этом ограничения по частоте могут приводить не только к снижению общей энергии сигнала, но и к искажениям их формы, то есть к снижению отношения сигнал / шум на входе приемника, используемого в рассматриваемом канале связи.

На рис. 3 представлен график периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов, а на рис. 4 график ее амплитудно-частотного спектра [12].

Рис. 3. График периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов

Рис. 4. График амплитудно-частотного спектра периодической последовательности

прямоугольных видеоимпульсов

На рис. 3 и 4 используются следующие обозначения: ти — длительность импульсов, Т — период их следования, и — амплитуда, q = Т/ти — скважность импульсов.

В общем случае спектр периодической последовательности импульсов бесконечен [12]. При этом с уменьшением длительности импульсов, а следовательно, скорости передачи информации, ширина спектра увеличивается. Однако основная энергия такой последовательности (« 90%) сосредоточена в диапазоне частот от 0 до 3/т. В соответствии с условием 2 такое значение А/с будем считать эффективно передаваемой полосой частот А/сЭППЧ В случае повышения требований к сохранению формы такого вида сигналов в процессе их передачи по каналу связи значение А/сЭППЧ может быть увеличено.

Поскольку преобразующие устройства в структуре основного канала и режимы их функционирования выбираются с учетом выполнения требований к свойствам информации, характеризующим ее ценность для законных пользователей, будем считать, что условия 1 и 2 выполняются. Тогда рассматриваемые зависимости можно считать несущественными и показатель (9) может использоваться для оценки качества такого канала связи.

В ТКУИ по обстоятельствам, указанным выше, взаимосвязи между временными, энергетическими и частотными параметрами сигналов рассматриваемого типа могут проявляться в большей степени. При этом ограничения спектра сигнала меньше А/сЭППЧ приведут как к снижению его общей мощности, так и к искажениям формы импульсов. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о наличии зависимости между частотными и энергетическими параметрами такого вида сигналов. Как видно из рис. 4, указанные зависимости могут быть достаточно просто определены аналитически.

Кроме того, поскольку значение gсТКУИ так же, как и в случае, рассмотренном выше, зависит от расстояния между источником электромагнитного излучения и точкой измерения данного соотношения, значения kАFс и kGc могут быть меньше 1. При этом в соответствии с условием 1 значение тсТКУИ* также будет зависеть от величины GсТКyи*. Тогда выражение (10) запишем в виде

qiKYH = pviKYH > Гс1КУИ*) = p((JTiKy* > Tс1КУИ*)/(Gc1КУИ* > gc")) X

x p((GcTKym* > Gxgf)/( 4/сТКУИ* < 4f™)) X

X p

где 4fc < 4/сЭППЧ — невыполнение условия 2.

Тогда для оценки защищенности информации от утечки может быть использовано выражение (11), в котором значение q™^ определяется в соответствии с (13).

С учетом рассмотренных выше взаимосвязей разнородных параметров информационных сигналов при обеспечении защиты информации от утечки по электромагнитным каналам следует отметить особенности, определяемые введенными условиями 1 и 2:

- возможность расположения злоумышленником ТСР на расстоянии дальности его действия в течение времени передачи информационного сигнала по основному каналу связи;

- возможность использования злоумышленником ТСР, имеющих соответствующую полосу пропускания с учетом обеспечения ЭППЧ и чувствительность как способность принимать слабые сигналы и выделять полезную информацию с заданной достоверностью на фоне помех.

Заключение. Сформированные таким образом показатели (9), (11)—(13) могут использоваться для оценки качества основного канала связи и технических каналов утечки информации, а также эффективности механизмов ее защиты с учетом взаимосвязей разнородных электрических параметров сигналов. Исследование условий определения указанных зависимостей является предметом дальнейших исследований авторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авсентьев О. С., Кругов А. Г. Обоснование показателя защищенности информации от утечки по электромагнитным каналам // Доклады ТУСУР. — 2017. — Т. 20, № 1. — С. 59—64.

2. Авсентьев А. О., Вальде А. Г. Показатель защищенности информации от утечки по электромагнитным каналам / О. С. Авсентьев, А. Г. Вальде // Вестник Воронежского института МВД России. — 2017. — №1. — С. 111—118.

3. Авсентьев О. С., Вальде А. Г., Кругов А. Г. Математическая модель защиты информации от утечки по электромагнитным каналам // Вестник Воронежского института МВД России. — 2016. — №3. — С. 42—50.

4. Никольский Б. А. Основы радиотехнических систем [Электронный ресурс]: [электрон. учебник] / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). — Электрон. текстовые и граф. дан. (3,612 Мбайт). — Самара, 2013. — 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

5. Теория электрической связи : конспект лекций / под общ. ред. В. А. Григорьева. — СПб. : НИУ ИТМО, 2012. — 148 с.

6. Хорев А. А. Техническая защита информации : учебное пособие для студентов вузов: в 3 т. — Т. 1: Технические каналы утечки информации / под ред. Ю. Н. Лав-рухина. — М. : НПЦ «Аналитика», 2008. — 436 с.

7. Авсентьев О. С., Меньших В. В., Авсентьев А. О. Модель оптимизации процесса передачи информации по каналам связи в условиях угроз ее безопасности // Телекоммуникации. — 2016. — №1. — С. 28—32.

8. Авсентьев О. С., Меньших В. В., Авсентьев А. О. Моделирование и оптимизация процессов передачи и защиты информации в каналах связи // Специальная техника. — 2015. — №5. — С. 47—50.

9. Авсентьев О. С., Авсентьев А. О. Формирование обобщенного показателя ценности информации в каналах связи // Вестник Воронежского института МВД России. — 2015. — №2. — С. 55—63.

10. Фланаган Д. Л. Анализ, синтез и восприятие речи / пер. с англ. под ред. А. А. Пирогова. — М. : Связь, 1968. — 396 с.

11. ГОСТ 21655-87. Каналы и тракты магистральной первичной сети единой автоматизированной системы связи. Электрические параметры и методы измерений. — М. : Госстандарт, 1987.

12. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М. : Высшая школа, 2000. — 462 с.