Разработка шумового двунаправленного метода защиты информации в ВОЛС

В заключение следует отметить, что необходимость практического внедрения и эффективного использования, защищенных ВОЛС в сетях связи является проблемой уже сегодняшнего дня.Шумовой двунаправленный метод защиты информации в ВОЛСОстановимся в дальнейшем на, так называемым, шумовом двунаправленном методе защиты информации в ВОЛС. Под этим термином мы будем подразумевать передачу информации по сложной системе оптических волноводов, состоящей из центрального информационного волновода, по которому происходит передача защищенной информации, и коаксиального защитного волновода по которому передается шумовой сигнал и который, дополнительно, служит для сигнализации не санкционируемого снятия защищенной информации.Одним из предложенных методов защиты является использование многослойного ОВ со специальной структурой отражающих и защитных оболочек. Конструкция такого волокна представляет собой многослойную структуру с одномодовой сердцевиной. Подобранное соотношение коэффициентов преломления слоев позволяет передавать по кольцевому направляющему слою многомодовый контрольный шумовой оптический сигнал. Связь между контрольным и информационным оптическими сигналами в нормальном состоянии отсутствует. Попытки проникнуть к сердцевине обнаруживаются по изменению уровня контрольного (шумового) сигнала или по смешению его с информационным сигналом. Место НСД определяется с высокой точностью при помощи рефлектометра.Такая система позволяет защитить передаваемую информацию от не санкционируемого её съема и позволяет локализовать место постороннего вмешательства в линию связи. Рассмотрим основные преимущества и недостатки организации такой оптической линии связи. Наличие внешнего, защитного, оптического волновода, по которому передается шумовой сигнал, позволяет снизить вероятность достоверной и не санкционируемой утечки защищенной информации. Если даже, каким либо путем, мы смогли бы снять часть защищенной информации, то наличие интенсивной шумовой составляющей препятствует достоверной интерпретации полученной информации. Кроме того, с помощью внешнего защитного волновода по рассеянному излучению можно судить о наличие не санкционируемого вмешательства, локализовать это место и прекратить передачу достоверной информации. С другой стороны, такая система передачи информации накладывает определенные жесткие требования на саму ВОЛС и средства ввода и вывода оптического излучения в линию связи. Жесткие требования на средства ввода и вывода оптического излучения связаны с тем, что шумовой охранный сигнал, может смешиваться с информационным. Это приведет к уменьшению отношения сигнал – шум и ухудшению качества передаваемого сигнала. Аналогичные условия накладываются на свойства самой линии ВОЛС. Информационные и шумовые моды ВОЛС, в связи с их близким расположением, (информационный канал проходит внутри охранного, шумового) могут взаимодействовать друг с другом. Это может привести к перекачиванию энергии излучения из одной моды в другую и приводить к соответствующим негативным последствиям. Поэтому информационная и шумовая моды должны в идеале не взаимодействовать друг с другом. Это должно быть теоретически обосновано и экспериментально проверено. Эти ограничения на конструкцию ВОЛС технологически должны быть реализованы в готовом изделии. Рассмотрим технико-экономические показатели, связанные с разработкой и внедрением предлагаемого проекта. Качественно их можно проанализировать в сравнении с разрабатываемым по линии РАН проектом «Создание защищенной оптоволоконной системы связи на основе одиночных фотонов» [11], который имеет статус проекта требующего дополнительных исследований.Предполагаемыми потребителями данной квантово-криптографической системы являются ведомства, организации и предприятия, в работе которых необходимо использовать каналы связи повышенной секретности – министерство обороны, министерство внутренних дел, агентство правительственной связи, федеральная служба безопасности, банки и т.д.На первом этапе данного проекта предлагается разработать и создать прототип защищенной оптоволоконной системы связи с использованием системы для генерации квантового ключа на основе одиночных фотонов, разработанной в Институте физики полупроводников СО РАН (ИФП СО РАН). Основные характеристики предлагаемой квантово-криптографической системы:длина волны – 1,3-1,5 мкм; чувствительность – одиночные фотоны; метод кодирования – фазовый; квантово-криптографический протокол – ВВ84 или В92; дальность связи – до 100 км; скорость генерации секретного ключа – до 10 кбит/сек. На втором этапе проекта предполагается выполнить опытно-конструкторские работы, провести необходимые испытания, подготовить техническую документацию и организовать внедрение квантово-криптографических систем связи в производство. За рубежом аналогичные системы уже разработаны и предлагаются к продаже компаниями idQuantique (Швейцария) и MagiQ (США) при стоимости порядка ста тысяч долларов. По имеющимся литературным данным, они внедряются в ряде заинтересованных ведомств и организаций (министерства обороны, правительственная связь, банки). Однако зарубежные системы не могут быть напрямую использованы соответствующими российскими ведомствами и организациями, поскольку большинство аспектов функционирования таких устройств засекречено, а сами устройства выполнены на зарубежной элементной базе.Российских аналогов разрабатываемой системы для генерации квантового ключа не существует. Ожидается, что разработанная российская система будет иметь значительно меньшую стоимость и сможет составить конкуренцию зарубежным аналогам как в России, так и за рубежом. Большая часть российской квантово-криптографической системы может быть выполнена на отечественной элементной базе. Закладываемые параметры близки или превышают известные параметры зарубежных аналогов.Актуальность создания квантово-криптографических систем обусловлена все возрастающими требованиями к защищенности оптоволоконных линий связи от несанкционированного доступа. Развитие современных телекоммуникационных технологий, и в частности, высокочувствительных быстродействующих фотоприемников, в принципе позволяют любому несанкционированному лицу отводить часть фотонов из оптоволоконного кабеля и с высокой достоверностью регистрировать последовательности лазерных импульсов, передаваемых от передатчика к приемнику. Такое положение дел недопустимо для линий связи повышенной секретности, например, используемых для нужд министерства обороны, правительственной связи, служб безопасности, банков и т.д. По мнению многих экспертов, единственно возможным решением этой проблемы является использование одиночных фотонов для передачи данных. Исходя из сказанного выше, наибольшая потребность в квантово-криптографических системах связи ожидается в секторе специальных применений, для которых абсолютная секретность передачи информации обладает большим приоритетом, чем скорость передачи данных (в системах квантовой криптографии скорость ограничена значениями порядка 1-100 кбит/с в зависимости от длины оптоволоконной линии). Объем возможного рынка таких систем можно оценить как 10-20 систем в год, при стоимости одной системы на уровне 1-2 млн. руб. Квантово-криптографические системы связи имеют значительный потенциал для экспорта. Мировая потребность таких систем может быть оценена на уровне 100-300 систем в год. В настоящее время она ограничена сравнительно высокой стоимостью систем, предлагаемых зарубежными производителями idQuantique и MagiQ (около ста тысяч долларов). Предлагаемая российская разработка может быть конкурентоспособной благодаря более низкой стоимости отечественной элементной базы.В настоящее время квантовой криптографией и генерацией квантового ключа занимаются несколько научных групп и компаний из Европы, США, Японии и Китая. Была успешно продемонстрирована генерация квантового ключа на расстояния в десятки километров, как по оптоволоконным линиям связи, так и по открытому пространству. Скорость генерации ключа уменьшается с ростом дальности линии связи. Для оптоволоконных линий длиной 50 км типичное значение скорости генерации ключа составляет 10-15 кбит/с, в то время как для линий длиной 150 км эта величина уменьшается до 10-15 бит/с.До настоящего времени в России квантово-криптографические системы для генерации ключа серийно не выпускались. Лабораторные экспериментальные установки для генерации ключа в атмосферных и оптоволоконных линиях связи были созданы в Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН. Они использовались для предварительных поисковых исследований и отработки техники генерации, кодирования, передачи и детектирования одиночных фотонов. В 2003 г. в ИФП СО РАН была создана первая установка для атмосферной связи. Основой установки являются четыре импульсных полупроводниковых лазера с рабочей длиной волны 0,8 мкм и четыре кремниевых лавинных фотодиода, которые позволяют передавать и детектировать одиночные фотоны, закодированные в двух неортогональных поляризационных базисах. Были проведены измерения вероятности детектирования одиночных фотонов и исследована статистика сигналов в режиме передачи слабых лазерных импульсов по открытому оптическому каналу длиной 1 м. На этой установке был успешно реализован основной алгоритм квантовой криптографии ВВ84 при передаче квантового ключа по открытому каналу с воздушным промежутком длиной 1 м. При тактовой частоте повторения лазерных импульсов 100 кГц и среднем числе фотонов в импульсе 0,2 получена скорость генерации ключа 1,8 кбит/с. Количество ошибок в ключе не превышало 1%. В 2004-2006 гг. в ИФП СО РАН была создана новая экспериментальная установка для генерации квантового ключа в протяженных оптоволоконных линиях связи. Одиночные фотоны генерируются в слабых коротких импульсах полупроводникового лазера с длиной волны 1550 нм. Фазовое кодирование одиночных фотонов осуществляется с помощью интерферометра Маха-Цендера и фазового модулятора. Квантовый канал образован 25 км стандартного одномодового оптоволокна SMF-28, используемого в современных линиях связи. Для генерации квантового ключа используется протокол BB84 на основе четырех фазовых состояний. Установка собрана из серийных оптоволоконных компонентов. Для детектирования одиночных фотонов применялись специально разработанные фотоприемные модули. Для управления работой приемного и передающего узлов разработан специальный быстродействующий контроллер, подключаемый к компьютеру через интерфейс USB. Были измерены основные параметры экспериментальной установки и к настоящему времени получены следующие характеристики: эффективная частота лазерных импульсов 1-5 МГц; максимальная скорость генерации просеянного ключа 750 бит/с для среднего числа фотонов в лазерном импульсе 0,2.Опыт создания указанных выше экспериментальных установок предполагается использовать для разработки первого в России прототипа оптоволоконной квантово-криптографической системы связи на расстояния до 100 км на длине волны 1,3-1,5 мкм. Большинство компонентов данной системы может быть приобретено у российских изготовителей и построено на российской элементной базе.Серийное производство квантово-криптографических систем, разработанных в ИФП СО РАН, может быть организовано на базе ИФП СО РАН в тесной кооперации с российскими предприятиями, выпускающими необходимые оптоволоконные компоненты. Все остальные элементы квантово-криптографических систем могут быть разработаны и изготовлены на базе ИФП СО РАН. Эти элементы включают детекторы одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов, цифровые и аналоговые электронные модули, оптико-механические детали и программное обеспечение.Разработка и изготовление высокочувствительных лавинных фотодиодов с низким уровнем шумов, пригодных для детектирования одиночных фотонов, возможно на базе технологий молекулярно-лучевой эпитаксии, имеющихся в ИФП СО РАН для выращивания арсенид-галлиевых структур. Также имеется широкий набор установок для выполнения пост-ростовых операций (травление, приваривание контактов, помещение лазера в корпус и т.д.). Эти установки могут быть использованы при мелкосерийном производстве детекторов одиночных фотонов. ИФП СО РАН располагает необходимыми кадровыми ресурсами для выполнения ОКР и изготовления опытного образца квантово-криптографической системы. При выполнении проекта предполагается широкая кооперация с высшими учебными заведениями. В работе будут задействованы студенты, аспиранты и преподаватели НГУ и Новосибирского государственного технического университета, с предполагаемой защитой магистерских и кандидатских диссертаций. Ими будут выполнены тестовые эксперименты по измерению параметров системы и генерации квантового ключа.В ИФП СО РАН имеется специальное оборудование для настройки, контроля и измерения параметров квантово-криптографической системы: монохроматоры, спектрометры, сканирующие интерферометры, фотодетекторы, измерители мощности, стабилизаторы тока и температуры, устройства сбора данных и цифровые осциллографы.Экспериментально реализованные методы выявили ряд научно-технических проблем, стоящих на пути широкого внедрения квантово-криптографических систем. Это необходимость создания высокочувствительных детекторов одиночных фотонов с очень низким уровнем собственных шумов и высоким быстродействием; проблема "пустых" лазерных импульсов при уменьшении среднего числа фотонов; проблема повышения скорости генерации ключа и увеличения дальности связи без потери секретности и увеличения вероятности появления ошибок. Решение этих проблем основано на дальнейшем развитии техники генерации, кодирования и регистрации одиночных фотонов. Оптимизация разработанной квантово-криптографической системы потребует проведения дополнительной НИР в ИФП СО РАН на различных этапах проекта. Планируемые ОКР и внедрение в производство будут выполнены в сотрудничестве с российскими предприятиями, производящими оптоволоконное и телекоммуникационное оборудование. Эти предприятия должны иметь стандартное оборудование для производства оптоволоконных и электронных компонентов и необходимый персонал. Для их вовлечения в производство квантово-криптографических систем должна быть выполнена подготовительная техническая работа и налажено мелкосерийное производство различных оптоволоконных узлов системы. Это потребует разработки бизнес-плана и подготовки необходимой технической и технологической документации, изготовления опытного образца системы и проведения испытаний. Ориентировочный срок реализации данного проекта 2010-2015 годы. Оценка общих объемов и структура затрат на проведение НИОКР и внедрение в производство определена из предполагаемого объема работ, состава и квалификации исполнителей, условий проведения работы и ориентировочной сметы затрат на проведение работ подобного рода. По оценкам авторов этого проекта ориентировочная сумма затрат составляет порядок 50 млн. руб. по ценам 2009 года. Так на разработку и создания прототипа системы и её испытание порядка 10 млн. руб., разработку проекта и технической документации – 15 млн. руб., организация серийного производства системы– 25 млн. руб. Ориентировочная стоимость системы -2-3млн.руб., объем выпуска - 10-20 систем в год. Предполагаемые потребители - МО, МВД, ФСБ, ФАПСИ, банки, телекоммуникационные компании. Как видно из приведенных данных разработка и внедрение систем защиты информации в ВОЛС требует значительных материальных ресурсов и времени. Разработка шумового двунаправленного метода защиты информации в ВОЛС по сравнению с защищенной оптоволоконной системой связи на основе одиночных фотонов может быть немного дешевле и, по-видимому, найдет своих потребителей в системах передачи коммерческой и технической информации. Преимущества этой системы очевидны, скорость передачи информации в этой системе значительно выше. Первоначальной задачей при разработке этой системы является создание технологических линий по производству оптического волокна, удовлетворяющего всем требованиям для данной линии связи.ЗаключениеМы рассмотрели основные проблемы, возникающие при передаче информации по ВОЛС, а именно, принципы работы ВОЛС, методы несанкционированного съёма информации, методы её защиты. Выяснили основные преимущества и недостатки шумового двунаправленного метода защиты информации в ВОЛС. Определили круг проблем возникающих при проектировании каналов связи сшумовым двунаправленным методом защиты информации. Приведенное рассмотрение поставленных проблем по защите информации в ВОЛСпоказало, что хотя к настоящему времени достигнут существенный прорыв в проблематике данных разработок но, тем не менее, они требуют дальнейших как теоретических, так и опытно конструкторских доработок.Литература1. Дмитриев В.И.. Прикладная теория информации Издательство Высшая школа. М.1989 320с.2. Аспирин А. А.. Введение в технику волоконно-оптических сетей.http://www.citforum.ru/nets/optic/optic1.shtml3. Гришачев В.В., Кабашкин В.Н., Фролов А.Д. Физические принципы формирования каналов утечки информации в ВОЛС.http://it4business.ru/itsec/FizicheskiePrincipyFormirovanijaKanalovUtechkiInformaciiVVolokonnoOpticheskixLinijaxSvjazi4. А.Г. Сивцов ВОСП и защита информации. Фотон-Экспресс / №18, 2000, С. 16-20.5.В.Г. Годный Вопросы информационной безопасности в волоконно-оптических линиях связи. Системы безопасности. / №2(44), 2002. С.44-47.6. В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчёта и применения. //М.: Энергоатомиздат, 1990. -256 с.7. Введение в интегральную оптику. Под ред. М. Барноски, пер. с англ. под ред. Т.А. Шмаонова // М.: Мир, 1977.- 368 с. 8. Корольков А.В., Кращенко И.А., Матюхин В.Г., Синев С.Г. Проблемы защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, от несанкционированного доступа.// Информационное общество. 1997. № 1. с. 74–77.9.Гришачев В.В., Халяпин Д.Б., Шевченко Н.А. Анализ угроз утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации. // Вопросы защиты информации. - 2008. -№4. - С.12-17. 10.А. В. Боос, О. Н. Шухардин .// Информационное противодействие угрозам терроризма . 2005. № 5 с 9.11. Проекты Российской академии наук для участия в реализации направлений технологического прорыва. РАН. М., 2009. Дополнительнаял литератураАкадемия АйТи. http://www.academy.it.ru/ФСТЭК России. Сведения по вопросам технической защиты информации. [http://www.fstec.ru/_razd/_workinfo.htm]Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Техносфера, 2010. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников /Под ред. Э. Удда. Пер. с англ. – М.: Техносфера, 2008. Гришачев В.В. Проблемы безопасности информационных систем высокой доступности на основе фотонных технологий. – Системы высокой доступности, 2006, т. 2, №3–4, с. 80. Денисов В.И., Гришачев В.В., Косенко О.А. Волоконно-оптические технологии в системах безопасности и защиты информации. – Специальная техника, 2010, №4, с.47 .Свинцов А.Г. ВОСП и защита информации. – Фотон-Экспресс, 2000, №18, с. 16. Свинцов А.Г. Оптимизация параметров оптического рефлектометра для обнаружения неоднородности при попытке несанкционированного доступа в ВОСП. – Фотон-Экспресс, 2006, №6(54), с.56.Боос А.В., Шухардин О.Н. Анализ проблем обеспечения безопасности информации, передаваемой по оптическим каналам связи, и путей их решения. – Информационное противодействие угрозам терроризма, 2005, №5, с. 162.Рахманов В.Н. Мониторинг несанкционированного доступа к оптическому кабелю ВОЛС. – Вестник СГК, июнь 2006, с.17 [http://www.sgk-urep.ru]Алексеев А.В. Мероприятия по защите информации в волоконно-оптических линиях связи. – Энергетик, 2008, № 5, с. 34.Булавкин И.А. Вопросы информационной безопасности сетей P0N. – Технологии и средства связи, 2006, № 2, с.104.Булавкин И.А. Обнаружение макроизгибов в сетях PON без использования рефлектометра. – Вестник связи, 2008, №3, с. 54.Карпуков Л.М., Щекотихин О.В., Сметанин И.Н. Методы защиты информации в ВОЛС. – Фотон-экспресс, 2009, №4(76) с.34.Похитители света. Методы несанкционированного съема информации с волоконно-оптических систем. – Информационно-деловой ВЕСТНИК ОАО ЦНПО "КАСКАД", 2009, №7(54), №6(53). [http://www.kaskad.ru]Попова А.В., Тупота В.И. Методика обоснования требований по защите информации, циркулирующей в волоконно-оптических системах передачи данных. – Телекоммуникации, 2009, №11, с.24.Глущенко А., Глущенко Л., Тупота В. Оценка защищенности информации, циркулирующей в ВОЛП. – Фотоника, 2010, №4, с.36.Гришачев В.В., Кабашкин В.Н., Фролов А.Д. Анализ каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи: нарушение полного внутреннего отражения. – Информационное противодействие угрозам терроризма, 2005, №4, с. 194. Гришачев В.В., Кабашкин В.Н., Фролов А.Д. Физические принципы формирования каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи. – Информационное противодействие угрозам терроризма, 2004, №3, с. 74. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРТарт, 2005. Гришачев В.В. Выявление угроз утечки речевой информации через волоконно-оптические коммуникации. – Фотоника, 2011, №4, с.32.Гришачев В.В., Косенко О.А. Практическая оценка эффективности канала утечки акустической (речевой) информации через волоконно-оптические коммуникации. – Вопросы защиты информации, 2010, №2, с.18. Гришачев В.В., Халяпин Д.Б., Шевченко Н.А. Волоконно-оптический телефон в акусто-оптоволоконном канале утечки конфиденциальной речевой информации. – Вопросы защиты информации, 2009, №3, с. 22. Гришачев В.В., Халяпин Д.Б., Шевченко Н.А. Внешнее оптическое зашумление волоконно-оптического канала СКС для предотвращения подслушивания по акусто-оптоволоконному каналу утечки речевой информации. – Специальная техника, 2009, №3, с. 2. Гришачев В.В., Халяпин Д.Б., Шевченко Н.А., Мерзликин В.Г. Новые каналы утечки конфиденциальной речевой информации через волоконно-оптические подсистемы СКС. – Специальная техника, 2009, №2, с. 2.