Формирование маскирующих сигналов для защиты речевой информации

Формирование маскирующих сигналов

для защиты речевой информации

Человек часто становится обладателем определенной информации, в том числе конфиденциальной. Один из ее видов, который нуждается в охране, - речевая информация, представленная как акустические волны.

В мире разработано большое количество технических средств разведки, в которых используются последние достижения радиотехники, электроники, акустики, оптики, механики и других областей науки [1]. Орудия и методы разведки непрерывно обновляются. В связи с этим средства и весь процесс защиты информации должны постоянно совершенствоваться [2, 3]. Для этого необходимо рассмотреть возможные технические каналы утечки данных.

Акустические волны, в виде которых существует речевая информация, воздействуют на элементы ограждающих конструкций помещений. В последних возникают вибрации, которые, распространяясь по зданию, переносят звук. Таким образом, акустические каналы утечки речевой информации образуются за счет перемещения волн по среде между источником колебаний и приемником. Существуют прямой (волны переносятся по воздушной среде) и комбинированный (волны распространяются по газовой, твердой и жидкой средам или различным их сочетаниям) акустические каналы [4, 5]. Последний в ряде источников [5] называют еще виброакустическим. Такое определение с точки

зрения физики процесса переноса акустических волн не совсем корректно, так как речь не идет об источнике вибраций. На основании анализа литературы [5] акустические каналы утечки речевой информации можно классифицировать по группам (рис. 1).

Утечка речевой информации по прямому акустическому каналу бывает трех основных видов: по системам вентиляции; через дверные проемы и неплотности прилегания полотна к коробкам; через трещины в ограждающих элементах конструкций и щели в каналах электропроводки, систем отопления и водоснабжения. Речевая информация в этих случаях может быть перехвачена с помощью микрофонов или непосредственно прослушана человеком. Наиболее опасны в плане утечки системы вентиляции и короба коммуникаций - акустические волноводы.

При прохождении через воздухопроводы звуковые волны ослабевают из-за поглощения в стенках и изменения направления распространения. С другой стороны, за счет многократного переотражения от стенок вентиляционного короба энергия акустических волн слабо рассеивается, поэтому в нем дальность их распространения значительно больше, чем в открытом пространстве.

Затухание звуковых волн в прямых металлических волноводах равняется 0,15 дБ/м, а в тех, которые встроены в ограждающие элементы конструкций (воздушных каналах в кирпичных или железобетонных конструкциях и др.), - 0,2-0,3 дБ/м. Акустическая волна гаснет при одном изгибе воздухопровода на 90 градусов - на 3-7 дБ, при изменении сечения воздухопровода - на 1-3 дБ, при переходе волновода в открытое пространство (например, помещение) - на 10-16 дБ.

Канал утечки речевой информации через дверные проемы существует в любом помещении, а его параметры определяются акустическими характеристиками комнат, щелями и неплотностями между дверным полотном и коробкой, наличием тамбура.

Акустические свойства помещения, такие как время реверберации и поглощения, влияют на слышимость и разборчивость речи в нем. Малое время реверберации (менее 0,2 с) означает, что акустическая волна быстро гаснет, имеет небольшое число переотражений за счет высоких поглощающих свойств ограждающих элементов конструкций. В этом случае слышимость и разборчивость речи при удалении

Геннадий Давыдов,

заведующий НИЛ 5.3 Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук

Василий Попов,

старший научный

сотрудник НИЧ

Белорусского

государственного

университета

информатики и

радиоэлектроники

Александр Потапович,

научный сотрудник НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники

Рис. 1.

Классификация акустических каналов утечки речевой информации

о х

X

5

X

от источника резко ухудшаются, также за счет быстрого затухания высокочастотных составляющих (более 1000 Гц) изменяется тембр голоса. Такое помещение будет иметь достаточную защищенность от утечки речевой информации по прямому акустическому каналу даже при неплотном прилегании дверного полотна к коробке.

Для большинства типовых помещений время реверберации находится в пределах 0,2-0,6 с. При этом обеспечиваются хорошая слышимость и разборчивость речи. В таком случае нужно уделять особое внимание звукоизоляции дверных проемов, использовать уплотнители, порожки и тамбуры.

Большое время реверберации (более 0,8 с) свидетельствует о том, что слышимость и разборчивость речи в удаленных участках помещения ухудшаются из-за многократного переотражения акустических волн и их суперпозиции. Поэтому предъявлять чрезвычайно высокие требования к звукоизоляции дверных проемов нет необходимости.

Весьма вероятна утечка речевой информации через трещины в ограждающих элементах конструкций и щели в каналах электропроводки и систем отопления и водоснабжения. Эти каналы характеризуются малой величиной отношения размеров образовавшихся акустических волноводов к длине волны. Погасание акустических волн в таких каналах

весьма значительно - от 1 до 20 дБ/м. В первую очередь оно определяется размерами волноводов (поперечного сечения образовавшегося канала), шероховатостями стенок канала и его конфигурацией. Так, для стены толщиной 0,5 м с отверстием лишь в 5 мм2 у его выхода на другую сторону стены звукоизоляция по прямому акустическому каналу составит 18 дБ, хотя звукоизоляция такой стены без отверстия равняется 65 дБ. С другой стороны, обнаружить такой точечный источник звука непросто, потому что энергия от него быстро рассеивается в пространстве. С учетом потерь в акустическом волноводе до 20 дБ на переходе волновода в открытое пространство до 16 дБ и в помещении при распространении на 2-3 м до 17 дБ общее затухание по акустическому каналу составит 53 дБ. Это только на 12 дБ меньше по сравнению со стеной без отверстия.

Звукоизоляцию стены со щелью на частотах ниже резонансной частоты щели можно рассчитать по формуле

ь Л

где 1 и Ь - длина и ширина щели соответственно, ^ = 100 Гц, f -частота, на которой определяется звукоизоляция, - звукоизоляция щели [6].

Когда акустический канал утечки информации появляется за счет преобразования звуковых

волн в колебания ограждающих элементов конструкций, которые в дальнейшем своими движениями формируют акустические волны, его называют комбинированным.

Утечка речевой информации по комбинированному акустическому каналу бывает трех основных видов: по водопроводной и отопительной сетям; через ограждающие элементы конструкций помещений - пол, потолок, стены; через оконные проемы. Акустическое сопротивление ограждающих строительных конструкций в направлении, перпендикулярном их поверхности, невелико [7]. Так, под воздействием звуковой волны с уровнем давления в 70 дБ кирпичная стена толщиной 0,5 м вибрирует с ускорением 3 •Ю-5 g [7]. Однако в литературе не указывается частота воздействующей акустической волны и возможные ближние моды собственных колебаний стены. При этом переизлученная акустическая волна с обратной стороны стены будет иметь давление меньше 10 дБ, а значит, ее не удастся зафиксировать. Однако снять речевую информацию в таком канале можно, установив на стены с обратной стороны высокочувствительные акселерометры.

У современных строительных материалов и конструкций, стыки и соединения которых выполнены качественно и обладают высокой жесткостью (из монолитного и сборного железобетона), весьма

низкий показатель затухания изгибных волн [8] - речевая информация в виде акустических волн может распространяться через два этажа. Несколько выше показатели затухания в кирпичных стенах.

Канал утечки речевой информации по водопроводной и отопительной сетям является своего рода обходным: по трубам в зданиях речевая информация может передаваться через несколько этажей (2-4), хотя по прямому акустическому каналу звукоизоляция весьма велика.

Через оконные проемы образуется канал утечки не из-за возможности прохождения звуковой волны через остекление и формирования вторичной акустической волны, а за счет опасности съема речевой информации непосредственно с колеблющихся элементов (стекол).

Качество защиты речевой информации, циркулирующей в акустическом виде в помещении, в первую очередь определяется правильным выбором технических средств и режимами их работы. Такая защита может быть организована двумя способами: пассивным и активным.

Пассивный способ, широко применяемый в ряде стран, заключается в использовании при строительстве помещений материалов с высокими звукоизолирующими свойствами. При этом осуществляются проектные и строительно-монтажные мероприятия, позволяющие усовершенствовать элементы ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, окна, двери) помещения, системы инженерного обеспечения (приточно-вытяжная вентиляция, отопление, кондиционирование), проводные системы различного назначения. Указанные работы помогают достигнуть нужного уровня звуко- и виброизоляции и понизить уровни опасных сигналов, возникающих за счет акустоэлектрических преобразований.

Характеристики звукоизоляции принято определять для октавных полос звуковых частот

со значениями среднегеометрических частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц [9]. Это позволяет легко сравнивать характеристики различных материалов, а также конструктивное исполнение устройств, нужных для звукоизоляции.

В закрытых помещениях акустические волны многократно отражаются от ограждающих элементов конструкций, в результате чего создается сложная картина звукового поля. На законы распределения его характеристик влияют не только свойства источника звука, но и другие факторы: геометрия комнаты; способность стен, потолка и пола поглощать и отражать звуковую энергию; наличие плотных штор, мягкой мебели, ковровых покрытий. Поэтому звуковые поля в свободном пространстве и в закрытом помещении имеют различную структуру. Если в первом интенсивность звука определяется потоком энергии в направлении распространения волны, то во втором результирующее значение энергии звуковых волн имеет две составляющие -для прямой падающей и для многократно отраженной волны. Направление потоков энергии отраженных волн зависит от особенностей планировки и от степени поглощения звуковой энергии поверхностями ограждающих конструкций.

Энергетической характеристикой звукового поля в помещении является плотность звуковой энергии е. Если комната не содержит фокусирующих поверхностей и геометрически симметричных сечений, ее размеры значительно больше длины волны, а ограждающие конструкции не сильно поглощают звуковую энергию, то через определенное время при непрерывном действии источника звука через произвольный элемент сечения помещения в каждый момент времени будет проходить большое число отдельных волн, распространяющихся в разных направлениях. В результате звуковое поле будет характеризоваться следующими параме-

трами: потоком энергии звуковых волн по всем направлениям; плотностью звуковой энергии е звукового поля по всему объему помещения.

Отметим, что звуковую энергию поглощают не только ограждающие конструкции помещения, но и воздушная среда (из-за вязкости и теплопроводности воздуха, а также из-за молекулярного поглощения).

Наиболее часто утечка речевой информации происходит через оконные конструкции, двери и вентиляцию. Поэтому желательно использовать не менее двух двухкамерных стеклопакетов, а оконные стекла виброизолиро-вать от рам с помощью резиновых уплотняющих прокладок. Перед дверью лучше ставить тамбур, полотно должно плотно прилегать к коробке. На стенки вентиляционных каналов рекомендуется устанавливать поглотители звука из стекловаты или войлока; также можно создавать искусственные препятствия для изменения направления воздушного потока.

Активный способ основан на создании дополнительных помех, которые скрывают сигнал, несущий речевую информацию, в каналах, где может быть утечка [10-12]. В качестве маскирующих сигналов широко используется «белый» или «розовый» шум с диапазоном частот от 100 до 10000 Гц. В последнее время начали применяться и комбинированные сигналы, включающие один из упомянутых и так называемые речеподобные сигналы [13-15]. Наилучшие результаты можно получить при использовании сигналов, близких по спектральному составу к охраняемым и имеющих структуру речевого сообщения.

Устройства активной защиты речевой информации, как правило, состоят из генератора маскирующих сигналов и набора преобразователей электрических сигналов в акустические (например, электродинамических громкоговорителей) или преобразователей электрических сигналов в механические перемещения.

о

X X

5

X

о

X X

5

X

Таблица 1.

Средства

защиты речевой

информации

от утечки по

акустическим

каналам

Рис. 2. Устройство защиты речевой информации «Прибой-Р»

Наименование Диапазон рабочих частот, Гц Вид маскирующих сигналов Число каналов Тип преобразователей Производитель

«Прибой» 100-8000 «белый» шум 4 АПВ. АПС, АПК, АПО Беларусь

«Прибой-Р» 100-8000 «белый» шум + речепо-добные сигналы 4 АПВ, АПС, АПК, АПО Беларусь

АЫв-2000 250-5000 «белый» шум 1 0МБ-2000 ТРЫ-2000 США

ШЫв-023 100-12000 «белый» шум 1 Встроенный Россия

«Шорох-2М» 100-12000 «белый» шум 1 КВП-2 КВП-6 КВП-7 Россия

«Порог-2М» 250-5000 «белый» шум 1 Нет данных Россия

УЫв - 006/ УЫв -012вЬ 400-5000 «белый» шум 5 Электромагнитные и пьезоэлектрические Россия

«Барон» 90-11200 «белый» шум + речепо-добные сигналы 4 Электромагнитные и пьезоэлектрические Россия

СТБ231 «Бирюза» 90-11200 «белый» шум 3 Нет данных Россия

СТБ232 90-11200 «белый» шум 1 Нет данных Россия

ЛГШ-402 Нет данных «белый» шум 2 ЛВП-2с, ЛВП-2о, ЛВП-2т Россия

ЛГШ-403 Нет данных «белый» шум 1 ЛВП-2с, ЛВП-2о, ЛВП-2т Россия

ЛГШ-404 90-11200 «белый» шум и цифровые последовательности 2 ЛВП-2с, ЛВП-2о, ЛВП-2т Россия

В месте установки таких преобразователей создается силовое воздействие на ограждающие элементы конструкций помещений, вызывающее их вибрацию.

В качестве вибрационных преобразователей широко применяются электромагнитные и пьезоэлектрические. Недостаток первых - сложность конструктивного исполнения для обеспечения работы в области высоких частот (от 2000 до 8000 Гц). Пьезоэлектрические преобразователи не развивают необходимых усилий для возбуждения вибраций ограждающих элементов конструкций в диапазоне частот от 100 до 500 Гц.

Монтаж преобразователей на ограждающие элементы конструкций - трудоемкий процесс. Фирмой «МАСКОМ» (РФ) разработан комплект металлических стоек и преобразователей, позволяющих оперативно (в течение

30 мин) устанавливать систему защиты речевой информации в неподготовленных помещениях площадью до 25 м2.

Преобразователи, закрепленные на стенах, полу, потолке, оконных стеклах, при работе создают паразитную акустическую помеху внутри защищаемого помещения, что вызывает у людей дискомфорт. Поэтому их предлагается закрывать звукоизолирующими колпачками и использовать автоматическое управление уровнем маскирующих сигналов в зависимости от уровня громкости речи в помещении.

В настоящее время разработано и постоянно совершенствуется множество устройств для защиты речевой информации от утечки по акустическим каналам [7]. Основные типы представлены в табл. 1.

Эффективность технических средств защиты речевой информации зависит от правильного размещения преобразователей систем акустической защиты. Если сооружение выполнено из сборного железобетона, они должны располагаться на каждом элементе строительной конструкции [7]. Необходимость такого требования продиктована отсутствием стабильности акустических сопро-

тивлений на стыках в процессе эксплуатации зданий. В литературе указывается, что установку преобразователей нужно выполнять в области геометрического центра строительного элемента конструкций. При этом никаких теоретических обоснований и результатов экспериментальных проверок не приводится.

Весьма важно правильно выбрать жесткость соединения преобразователя с элементом строительной конструкции. Плохой контакт (щели и зазоры в месте крепления) приводит к снижению эффективности работы преобразователя: усилия, создаваемые им, передаются с потерями.

В ряде устройств защиты речевой информации, таких как «Прибой» и «Прибой-Р» (рис. 2), разработанных в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники, предусмотрен режим автоматического управления уровнем маскирующих сигналов в зависимости от громкости речи в защищаемом помещении. При ее отсутствии «Прибой» генерирует сигналы, не слышные человеку, и работа преобразователей не создает дискомфорта. При появлении звуков устрой-

ство автоматически поднимает уровень маскирующих сигналов в зависимости от их громкости.

Отметим, что при применении комбинации «белого» и речеподобных сигналов эффективность защиты повышается, а дискомфортный акустический шум в помещении принимает более мягкую окраску, что снижает утомляемость работающих.

Маскирующие сигналы должны формироваться случайным образом, чтобы «белый» шум создавался за счет тепловых шумов полупроводниковой или другой природы. Благодаря этому можно исключить возможность шумоочистки перехваченных акустических сигналов, чего нельзя гарантировать при применении сформированных цифровым методом шумов вместо «белого» шума. С другой стороны, и речеподобные сигналы, созданные с использованием генератора случайных чисел, должны базироваться на тепловых шумах полупроводниковых приборов, а не на псевдослучайных последовательностях, составленных цифровыми устройствами.

Эффективность устройств защиты речевой информации повышается, когда в них применяются речеподобные сигналы, сформированные по базе аллофонов с учетом того, насколько вероятны длительности слов и предложений и появление фонем в русской речи. Такое решение реализовано в устройстве защиты речевой информации «Прибой-Р». В устройстве «Барон» используется подобный синтезатор, но он формантного типа, что не позволяет полностью учесть особенности голоса лиц, работающих в охраняемом помещении. Когда речеподобные сигналы созданы по базе аллофонов этих лиц, то весьма трудно в перехваченном сигнале разделить форманты речи и частоту основного тона маскирующих сигналов и защищаемого речевого сигнала. Данное решение защищено патентом на полезную модель [16].

Активные и пассивные средства защиты должны быть

выполнены и расположены так, чтобы исключить распространение акустических колебаний и (с заданной степенью вероятности) съем речевой информации за пределами контролируемой зоны. Указанные задачи можно решить лишь при проведении полного комплекса мероприятий с математическим обоснованием физических сопутствующих процессов и моделей.

Как только возникают предпосылки для создания новых средств разведки, а не тогда, когда они уже появились, должны начинаться разработки по противодействию им. Только при таких условиях систему защиты информации можно считать эффективной.

Литература

1. Хорев А.А. Техническая защита информации: учеб. пособие для студ. вузов. В 3 т. Т. 1. Технические каналы утечки информации. - М., 2008.

2. Технические средства и методы защитыы информации: учебник для вузов / Зайцев А.П. [и др.]; под ред. А.П. Зайцева и А.А. Шелупа нова. - М., 2009.

3. Хорев А.А. Технические каналы утечки информации, обрабатываемой техническими средствами //Специальная техника. 2009, №2.

4. Хорошко В.А., Чекатков А.А. Методы и средства защиты информации. - Киев, 2003.

5. Железняк В.К. Защита информации от утечки по техническим каналам: учеб. пособие. - СПб., 2006.

6.Справочник по технической акустике; пер. с нем. / Под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера. - Л., 1980.

7. Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации. - М., 2005.

8. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Под ред. Г.Л. Осипова, Е.Я. Юдина. - М., 1974.

9. Болдырев А.И., Василевский А.И., Сталенков С.Е. Методические рекомендации по поиску и нейтрализации средств негласного съема информации: практическое пособие. -М., 2001.

10. Кондратьев А.В., Клянчин О.С. Компромисс активных и пассивных методов виброакустической защиты информации // Системы1 безопасности. 2005, №6. С. 11-14.

11. Золотарев В.И. Новое решение защит конфиденциальных переговоров // Специальная техника. 1999, №5. С. 10-13.

12.Хорев А.А. Системы1 виброакустической маскировки // Специальная техника. 2003, №6. С. 28-33.

13. Давыдов Г.В., Попов В.А., Потапович А.В. Защита речевой информации шумовым речеподобным сигналом // Известия Белорусской инженерной академии. 2000, №1 (9). С. 146-148.

14. ITU-T Recommendation P.501 (08/96): Telecommunication standardization sector of International Telecommunication Union (ITU)/ Series P: Telephone transmission quality: Objective measuring apparatus. Test signals for use in telephonometry.

15. Воробьев В.И., Давыдов А.Г. Синтез речеподобных сигналов // Акустический журнал. 2002, №5. Т. 48. С. 701-704.

16. Устройство защит речевой информации от утечки по вибрационным и акустическим каналам:пат. Респ. Беларусь №3053. МПК7 H 04K 3/00, G 10K 11/00 / В.И. Воробьев, А.Г. Давыдов, Г.В. Давыдов, А.И. Ивонин, Д.В. Лещенко, Б.М. Лобанов, Л.М. Лыньков, В.А. Попов, А.В. Потапович // Офиц. бюл. / Нац. центр интеллектуал. собственности. 2006, №5. С. 184.

ИТ-регламент

1 января 2014 г. в Беларуси вводится в действие технический регламент «Информационные технологии. Средства защиты информации. Информационная безопасность», утвержденный постановлением Совета Министров от 15.05.2013 г. №375.

Он распространяется на выпускаемые в обращение на территории республики средства защиты информации независимо от страны происхождения. Исключение составляют средства шифрованной, специальной связи и криптографические средства охраны государственных секретов. Основная цель документа - обеспечение безопасности жизни и здоровья человека, имущества, предупреждение действий, вводящих в заблуждение потребителей (пользователей) относительно назначения, информационной безопасности и качества средств защиты информации.

В соответствии с техрегламентом последние должны быть разработаны и изготовлены таким образом, чтобы при применении могли обеспечить защиту от несанкционированного раскрытия и (или) модификации критических параметров. Для этого они должны пройти процедуру подтверждения соответствия требованиям информационной безопасности данного технического регламента в форме сертификации или декларирования соответствия и маркироваться специальным знаком.

ИринаЕМЕЛЬЯНОВИЧ

Новейший аппаратный шифратор

Информационные системы мобильных телефонов очень уязвимы. В мире продано уже 6 млрд аппаратов, а надежная защита данных до сих пор не обеспечена. В 2012 г. российская компания «Ан-корт» представила аппаратный шифратор «Stealthphone Touch». Устройство состоит из шифратора, отдельного от мобильного телефона, и специального программного обеспечения, которое на него устанавливается.

При помощи разработки можно шифровать голос, SMS, MMS, e-mail, спокойно пользоваться каналами связи 3G, 3,5G, EDGE, Wi-Fi и WiMAX, защищать микрофон своего мобильного телефона от тайного снятия информации. Безопасность данных гарантируется за счет их передачи по закрытой сети и введения различных PIN-кодов на клавиатуре устройства. Для охраны электронной почты шифратор можно использовать с любым современным мобильным телефоном, планшетом или персональным компьютером.

Ольга КИЕВЛЯКИС

19