СПОСОБ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ
METHOD FOR INFORMATION PROTECTION OF DISTRIBUTED RANDOM ANTENNA

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 (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, имитирующих, прицельных). 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 сигналов специального вида (преднамеренных помех), призванных энергетическим способом (для маскирующих шумовых помех) или путем нанесения максимального информационного ущерба (для имитирующих помех) «подавить» КИ-сигналы во всех имеющихся и потенциально возможных каналах утечки, чтобы затруднить злоумышленнику перехват и обработку КИ с помощью имеющихся у него ТС [3-5]:
ш
- линейное зашумление, которое реализуется с помощью шумового генератора, подающего сигнал с уровнем U(f) 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 имитирующих 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 техники известны способы амплитудной и угловой (частотной, фазовой) модуляции сигналов [6]. Известен также способ определения затухания сигнала в РСА, основанный на использовании нелинейного суммарно-разностного преобразования [7].
c
o
0
A
1
A
1
с
c
c
2
с
с
2
c
ш
c
ш
0
ш
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 шумовых помех, обеспечивающих информационную защиту РСА. Рассматриваемый КИ-сигнал в заданной частотно-временной области представляет собой U(t)=U(t)cosФ(t), где амплитуда сигнала U(f)=U+U(t); U - амплитуда несущей сигнала, U(t) - модулирующий амплитуду КИ-сигнал; фазовый угол сигнала Ф(t)=ωt+φt+φ+Ω(t), где ω и φ - соответственно, несущая частота и начальная фаза несущей сигнала, Ω(t) - модулирующий фазовый угол КИ-сигнал, t - текущее время. Идея линейного зашумления состоит в прибавлении к U(t) шумовой помехи U(t), то есть формирование в СЛ, образующих РСА, аддитивной смеси сигнала и помехи вида U(t)+U(t)=U(t)cosФ(t)+U(t).
1
A
0
2
с
с
AП
c
АП
MH
c
MH
MH
MH
АП
ш
u
c
1
2
В принятых обозначениях амплитудной модуляции (AM) соответствует добавка модулирующего КИ-сигнала U(t) к U в составе множителя U(t); угловой модуляции (УМ) - воздействие Ω(t) на слагаемые в составе углового множителя Ф(t): при частотной модуляции (ЧМ) - на ω(t); при фазовой модуляции (ФМ) - на φ(t). Преднамеренные помехи по принципу воздействия на КИ-сигнал можно разделить на две категории: аддитивная помеха (АП) U(t), которая отвечает условию U(t)=U(t)+U(t), где U(t) - сигнал, принимаемый злоумышленником; и мультипликативная помеха (МП) U(t), соответствующая U(t)=U(t}·U(t)·k, где k - коэффициент размерности, который зависит от способа реализации МП. Обобщением способа-прототипа является применение в качестве U(t) вместо U(t) имитирующей помехи U(t), аналогичной по свойствам U(t), однако не связанной с модулирующими КИ-сигналами U(t) и Ω(t).
c
АП
c
ш
ш
Основным недостатком способа-прототипа является возможность существенно снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных методов повышения помехоустойчивости приема сигналов любого конкретного вида (аналоговых, цифровых) при обработке аддитивной смеси сигнала и преднамеренной шумовой помехи U(t)=U(t)+U(t)==U(t)+U(t) [10]. Кроме того, практика показывает, что для обеспечения требуемой эффективности защиты РСА уровни U(t) должны быть достаточно большими, что связано с возрастанием экологической опасности системы защиты РСА для окружающей среды по электромагнитному фактору.
При использовании имитирующих 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 [2-4]. Эти требования противоречат друг другу, что существенно осложняет возможность реализации данного способа информационной защиты РСА. Применение имитирующих помех затрудняет также необходимость постоянной синхронизации помехи с КИ-сигналом.
При защите РСА, в которых циркулируют КИ-сигналы, сопровождающие работу ЭВМ, основной интерес представляют цифровые виды модуляции ФМ-2 и АМ-2 [8-9]. Однако если в компьютерных сетях используется внешние излучающие радиоустройства (типа Bluetooth и др.), в качестве КИ-сигналов могут выступать также сигналы с другими видами УМ (ЧМ и ФМ) [2].
П
С
П
С
При анализе возможных вариантов перехвата КИ с помощью аналитического расчета или методом компьютерного имитационного моделирования [2] определяют, как воздействуют АП и МП разного вида на помехоустойчивость приема КИ-сигналов с указанной модуляцией. При этом учитывается, что реальные помехи и КИ-сигналы обычно имеют взаимно перекрывающиеся частотные энергетические спектры и интенсивности, отвечающие условию Р≥Р, где Р и Р - средние мощности помехи и КИ-сигнала [8-9].
Из уровня техники известно, что АП существенно влияют на помехоустойчивость приема КИ-сигналов с AM [10], поэтому они способны обеспечивать достаточно эффективную защиту РСА. В свою очередь, МП при AM с пассивной паузой малоэффективны, однако при УМ (ФМ и ЧМ) они также способны значительно снижать помехоустойчивость приема КИ-сигналов. Поскольку в РСА, подлежащих информационной защите, могут циркулировать КИ-сигналы с AM и УМ (ФМ и ЧМ) одновременно, для устранения недостатков способа-прототипа целесообразно использовать АП и МП совместно. Кроме того, применение МП малой мощности допускает снижение мощности АП, что ведет к повышению экологической чистоты системы информационной защиты РСА по электромагнитному фактору [11] без ущерба для эффективности ее функционирования.
MП
Ω
П
Ω
МП
0
МП
MG
A
МП
1
ИП
П
МП
ш
МП
Предлагаемое решение проблемы состоит в том, чтобы подвергнуть смесь КИ-сигнала и АП стохастической AM с помощью МП U(t). При этом в РСА будет сформирован стохастический суммарный КИ-сигнал U(t)cos(t)+U(t), где амплитуда сигнала U(t)=kU(t)U(t)=k[UU(t)+U(t)U(t)]. Преобразованная АП в данном случае представляет собой U(t)=kU(t)U(t).
1
1
MП
Таким образом, вместо модулирующего амплитуду КИ-сигнала U(t) в прототипе, при реализации предлагаемого способа защиты РСА в суммарном сигнале фигурирует произведение U(t)·U(t) результатом чего является снижение помехоустойчивости приема КИ-сигналов в побочном канале утечки КИ для КИ-сигналов с AM и УМ (ФМ и ЧМ). Аналогичные явления имеют место, например, при одиночном приеме КИ-сигналов - в отсутствие и при наличии замираний сигнала [10]. Применение МП малой мощности позволяет также снизить мощность АП, что ведет к повышению экологической чистоты системы информационной защиты РСА по электромагнитному фактору без ущерба для ее эффективности.
с
ш
МП
ш
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности информационной защиты РСА путем стохастической AM смеси КИ-сигнала и шума U(t)+U(t), циркулирующей в СЛ, образующих РСА, с помощью помехи U(t). Дополнительным результатом является повышение экологической чистоты системы информационной защиты РСА по электромагнитному фактору за счет снижения уровней U(t), необходимых для обеспечения заданной информационной безопасности РСА.
Сущность предлагаемого способа информационной защиты распределенной случайной антенны, включающего подключение к распределенной случайной антенне через N устройств сопряжения генераторов помех, которые обеспечивают информационную защиту распределенной случайной антенны, состоит в том, что в состав М из числа N устройств сопряжения вводят М≤N амплитудных модуляторов, которые под воздействием М генераторов помех осуществляют совместную стохастическую амплитудную модуляцию 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, выделены штриховыми контурными линиями); 3 - генератор АП (общее число N).
Фиг.2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа информационной защиты РСА, где 1 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 2 - устройство сопряжения (общее число N, выделены штриховыми контурными линиями); 3 - генератор помех (общее число N); 4 - амплитудный модулятор (общее число М≤N, входят в состав М устройств сопряжения). При воздействии на РСА 1 через устройство 2 генератор 3 является здесь источником АП, при воздействии через модулятор 4 и устройство 2 - источником МП.
АП
МП
МП
1
2
1
2
Фиг.3 показывает вариант реализации устройства сопряжения генератора АП U(t) и устройства, обладающего сопротивлением Z(t), - выделено штриховой контурной линией, модулируемого генератором МП U(t), которое подключено к РСА в точках А-А через трансформатор с коэффициентом трансформации W/W, где W и W - число витков, соответственно, в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
АП
МП
АП
МП
Фиг.4 представляет эквивалентную схему устройства сопряжения, подключаемого к РСА в точках А-А, показанного на Фиг.3, параметры которой u{t) и z(t) определены с учетом пересчета U{t) и Z(t) через трансформатор.
МП
АП
Фиг.5 показывает вариант непосредственного подключения устройства, обладающего сопротивлением Z(t), - выделено штриховой контурной линией, которое модулируется генератором U{t), к РСА в точках А-А.
МП
МП
Фиг.6 иллюстрирует схему конкретного варианта реализации предлагаемого способа информационной защиты РСА, которая включает ЭВМ, подключенную к РСА через параметрическое устройство, обладающее активным сопротивлением R(t), - выделено штриховой контурной линией, модулируемое сигналом МП U(t), поступающим на него от генератора теплового шума ГТШ через усилитель модулятора УМ.
ош
-1
-10
Фиг.7 демонстрирует графики помехоустойчивости одиночного приема АМ-2 и ФМ-2 при наличии и отсутствии релеевских замираний: первая кривая сверху 3 - одиночный прием АМ-2 при релеевских замираниях; вторая кривая сверху 4 - одиночный прием ФМ-2 при релеевских замираниях; третья кривая сверху 1 - одиночный прием АМ-2 при отсутствии замираний; четвертая кривая сверху 2 - одиночный прием ФМ-2 при отсутствии замираний; по оси абсцисс отложены средние отношения «сигнал-помеха» , значения 0…20 дБ; по оси ординат - вероятность ошибки р, значения 10…10.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.
c
0
c
ш
0
ш
u
c
К СЛ, образующим РСА 1 (см. Фиг.1), через N устройств сопряжения 2 подключаются генераторы преднамеренных шумовых помех 3, которые обеспечивают информационную защиту РСА путем формирования вместо циркулирующего в ней КИ-сигнала U{t)=U(t)cosФ(t) смеси сигнала и шумовой АП вида U(t)+U(t)=U(t)cosФ(t)+U(t). При необходимости уменьшить уровни АП, необходимые для эффективной защиты РСА, вместо шумовой АП применяется имитирующая помеха U(t), аналогичная по свойствам U(t), однако несвязанная с модулирующими КИ-сигналами.
c
АП
ш
ш
Основным недостатком способа-прототипа является возможность существенно снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных из уровня техники [10] методов повышения помехоустойчивости приема смеси КИ-сигнала и шумовой АП вида U{t)=U(t)+U(t)+U(t). Кроме того, для обеспечения требуемой эффективности защиты РСА уровни U(t) должны быть достаточно большими, что связано с экологической опасностью системы защиты РСА для окружающей среды по электромагнитному фактору.
При использовании имитирующих АП, аналогичных по параметрам КИ-сигналу, информационный ущерб, наносимый злоумышленнику, зависит от точности воспроизведения имитирующей АП параметров КИ-сигналов - которые, одновременно, должны быть лишены КИ-содержания [2-4]. Эти требования противоречат друг другу и существенно усложняют реализацию данного способа информационной защиты РСА. Применение имитирующих АП затрудняет также необходимость постоянной синхронизации помехи с КИ-сигналом.
з
С целью устранения указанных недостатков в предполагаемом изобретении предлагается подвергнуть смесь КИ-сигнала и шумовой АП стохастической AM с помощью МП U(t), то есть использовать при информационной защите РСА помехи АП и МП одновременно.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
АП
ш
МП
Ω
П
Ω
МП
A
МП
1
МП
П
МП
ш
МП
1
МП
MП
К СЛ, образующим РСА 1 через N устройств сопряжения 2, в состав которых входят М≤N амплитудных модуляторов 4 (см. Фиг.2), подключаются генераторы помех 3, обеспечивающие информационную защиту РСА путем AM смеси КИ-сигнала и шумовой АП U(t)=U(t) с помощью МП U(t). Результатом данной AM является формирование в РСА стохастического КИ-сигнала вида U(t)cosФ(t)+U(t), где амплитуда сигнала U(t)=k[UU(t)+U(t)U(t); амплитуда помехи U(t)=kU(t)U(t). Перемножение при стохастической AM уровней КИ-сигнала и МП, в результате которого появляется составляющая КИ-сигнала U(t)=U(t)·U{t)·k, адекватно формированию искусственным путем интенсивных замираний сигнала при одиночном приеме, которые, как это известно из уровня техники [10], существенно снижают помехоустойчивость приема и, соответственно, увеличивают информационный ущерб для злоумышленника, подключенного к любому побочному каналу утечки КИ. Применение МП малой мощности позволяет также снизить мощность генераторов АП, используемых в системе защиты РСА, что ведет к повышению ее экологической чистоты [11] без ущерба для эффективности функционирования.
АП
2
1
МП
АП
Пример реализации устройства сопряжения 2 на основе трансформатора, подключенного к РСА 1 в точках А-А, иллюстрирует Фиг.3. В электрическую цепь первичной обмотки трансформатора здесь входят генератор АП U(t), определяющий уровень АП в точках А-А с учетом коэффициента трансформации W/W, и модулятор 4 - устройство, способное изменять свое внутреннее сопротивление Z(t) под воздействием генератора МП U(t).
АП
АП
2
1
MП
2
1
МП
АП
MП
MП
2
Эквивалентная схема данного устройства сопряжения 2 показана на Фиг.4: ее параметры u(t)≈U(t)·W/Wи z(t)≈(W/W)Z(t) определяются с учетом параметров трансформатора. Из Фиг.4 видно, что на точки А-А через устройство сопряжения 2, во-первых, воздействует АП с уровнем U(t), во-вторых, МП с уровнем U(t), изменяющая сопротивление z(t) участка РСА между указанными точками, то есть осуществляющая стохастическую AM смеси КИ-сигнала и АП, циркулирующей в РСА.
MП
MП
MП
MП
Схему гальванического подключения к РСА модулятора 4 - устройства, способного изменять свое внутреннее сопротивление Z(t) под воздействием генератора МП U(t), иллюстрирует Фиг.5. Конкретный вариант реализации данного бестрансформаторного устройства сопряжения 2 показан на Фиг.6 на примере защиты РСА, подключенной к ЭВМ через модулятор 4, в данном случае это параметрическое устройство, включенное в точках А-А, которое способное изменять свое активное внутреннее сопротивление R(t)под воздействием МП U(t), поступающей на него от генератора теплового шума ГТШ через усилитель модулятора УМ (в совокупности ГТШ и УМ образуют генератор помехи 3 на Фиг.1-2).
Эффективность применения МП иллюстрируют графики помехоустойчивости одиночного приема, представленные на Фиг 7. Если рассматривать стохастическую AM с помощью МП как замирания уровня КИ-сигнала - например, подчиняющиеся релеевскому закону, то вероятности ошибки будут равны:
- для систем связи с противоположными сигналами при оптимальном приеме [10, с.412, (6.19)]
- для системы АМ
- при этом потенциальной помехоустойчивости для систем с противоположными сигналами [10, с.176, (3.61)] соответствует
- системе AM с пассивной паузой
2
2
где h - отношение «сигнал-шум»;  - усредненное отношение «сигнал-шум» (на графиках Фиг.7 обозначено как ; Ф(h) - интеграл вероятности, функция Крампа. Сопоставимые результаты с заданной доверительной вероятностью можно получить и методом компьютерного имитационного моделирования [2].
Анализ данных, аналогичных приведенным на Фиг.7, позволяет дать оценку сравнительной эффективности разных методов нанесения информационного ущерба злоумышленнику в канале утечки КИ:
2
- путем увеличения уровня АП, приводящего к уменьшению значений h;  и росту вероятности ошибки при отсутствии МП;
- с помощью применения МП, приводящего к резкому ухудшению помехоустойчивости приема и росту вероятности ошибки (см. кривые 1 и 3 при АМ-2; кривые 2 и 4 при ФМ-2 на Фиг.2) при всех уровнях АП;
- за счет возможности «управлять» характером стохастической AM путем изменения параметров МП, что затрудняет определение импульсной характеристики побочного канала связи и делает невозможным применение злоумышленником высокоэффективных алгоритмов обработки принимаемого сигнала [10];
2
- за счет возможности перейти к использованию АП с меньшими уровнями h;  путем применения МП, что снижает энергетическую нагрузку на окружающую среду по фактору неионизирующего электромагнитного излучения [11] и улучшает экологическую чистоту системы информационной защиты РСА.
Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации и автоматизации, позволяет повысить эффективность функционирования и экологическую чистоту по электромагнитному фактору системы информационной защиты 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. Защита информации: аспект электромагнитной совместимости и безопасности // Вестник связи. 2005. №2. - С.65-72.
6. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. М.: Энергия, 1976. - 448 с.
7. Способ определения затухания сигнала в распределенной случайной антенне // Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Патент RU 2393493 C1 от 06.04.2009, опубл. 27.06.2009, бюлл. №18.
8. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Васильевский А.Д. Тестовые сигналы для анализа ПЭМИН персональных ЭВМ // Инфокоммуникационные технологии. Т.5, №2, 2007. - С.79-82.
9. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Егоренков В.Д. Тестовые сигналы для анализа ПЭМИН периферийных устройств персональных ЭВМ // Инфокоммуникационные технологии. Т.5, №2, 2007. - С.82-84.
10. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. - 728 с.
11. Маслов О.Н. Экологический риск и электромагнитная безопасность. М.: ИРИАС, 2004. - 330 с.