МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Технологический институт

Южного федерального университета в г. Таганроге

Факультет информационной безопасности

Кафедра информационной безопасности телекоммуникационных систем

Ю.С. Мельникова

Лабораторный практикум

по дисциплине: «Технические средства и методы защиты информации»

Таганрог, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Физические основы виброакустических каналов утечки информации 5

2 Технические средства добывания информации по виброакустическому каналу утечки информации 14

3 Методы и средства защиты информации по виброакустическому каналу 20

3.1 Пассивные методы защиты 20

3.2 Активные методы защиты 26

3.4 Технические средства для съема информации по виброакустическому каналу и для его защиты 31

4 Описание лабораторной установки 33

5 Лабораторное задание 37

5.1 Измерение уровня виброакустического сигнала от источника звука на стеклянной поверхности 37

5.2 Амплитудно-частотная характеристика стеклянной среды распространения 38

5.3 Защита виброакустического канала от утечки методом виброакустических зашумлений 39

УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ 40

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 41

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 42

Введение

Среди множества технических каналов утечки информации два вида занимают особое место (виброакустические, акустические). Уникальные по своей простоте, они не воспринимаются всерьез многими службами безопасности. А между тем, именно эти каналы способны обеспечить очень эффективное прослушивание помещений.

В данном пособии речь пойдет о виброакустическом канале утечки информации во всех его аспектах. Будут рассмотрены пассивные и активные методы и средства его защиты. Виброакустический канал утечки информации - это возможность прослушивания помещений с помощью электронных стетоскопов, преобразующих вибрационные колебания строительных конструкций в электрический сигнал. После усиления и простейшей обработки этот сигнал может быть прослушан, записан или передан по радиоканалу. Для исследования виброакустического канала утечки информации разработан лабораторный стенд, включающий в себя стетоскоп, генератор шума и генератор полезного сигнала. По своим характеристикам разработанные составные части стенда не уступают фирменным аналогам, стоимость которых достаточно велика для применения в качестве образовательного оборудования в учебных заведениях.

Лабораторный стенд предназначен для измерения вибрационных затуханий сигнала на различном расстоянии от источника, оценки влиянии твердых поверхностей на амплитудно-частотную характеристику виброакустического канала, изучения простейшего метода защиты путем маскировки шумом полезного сигнала.

Материал учебного пособия направлен на изучение физических основ и понимание принципов функционирования виброакустического канала. С помощью разработанной установки студенты могут промоделировать распространение звука через твердые материалы, в данном случае использован распространенный материал – стекло.

Конструкция стенда позволяет использовать его для более детального изучения особенностей утечки информации по виброакустическому каналу путем замены твердого материала на гипсокартон, ДВП и другие материалы, в том числе и со сложной слоистой структурой. А наличие возможности подключения к ПК для подачи на исследуемую поверхность информационного сигнала и шума и считывания результирующего суммарного сигнала с выхода стетоскопа позволяет моделировать различные условия утечки информации, оценивать качество маскирования сигнала шумом и разрабатывать алгоритмы фильтрации шума для получения более качественного информационного сигнала.

1 Физические основы виброакустических каналов утечки информации

В акустовибрационном канале (или виброакустическом) средой распространения акустических сигналов являются элементы конструкции здании (стены, потолки, окна, двери, трубопроводы и другие элементы), элементы конструкций технических систем, находящихся в помещении. Таким образом, для рассмотрения физических основ акустовибрационного канала утечки информации необходимо в первую очередь выделить особенности и понятия, описывающие акустические сигналы.

Звук - колебательное движение упругой среды. Процесс распространения колебательного движения в среде называется зву­ковой волной. За один полный период колебания Т звуковой процесс распространяется в среде на расстояние, равное длине вол­ны (рис. 1.1).

, Гц ,м

Рисунок 1.1 - Полный период колебания

Изменения давления в звуковой волне относительно среднего значения называется звуковым давлением Р и измеряется в Паска­лях. Один паскаль это давление, создаваемое силой в один нью­тон, действующей на площадь один квадратный метр.

В акустике принято использование относительных единиц изме­рения уровня звукового давления - децибел.

В качестве Р₀ выбрана величина Р = Р₀ = , что соответствует минимальному звуковому давлению, воспринимаемому че­ловеческим слухом. При этом изменение уровня звукового давле­ния на 1 дБ является минимальной, различаемой человеческим слухом величиной изменения громкости.

Следует отметить, что в акустике при частотном анализе сигна­лов используют стандартизированные частотные полосы шириной в 1 октаву, 1/3 октавы, 1/12 октавы. Октава - это полоса частот, у которой верхняя граничная частота в два раза больше нижней гра­ничной частоты.

окт, если .

Центральные частоты стандартных октавных полос соответст­вуют следующему ряду: 2, 4, 8, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500 (Гц), 1, 2, 4, 8, 16 (кГц).

Акустические колебания, доходя до какой-либо преграды (твердой поверхности, границы двух сред) частично отражается от нее, частично преобразуются в механические колебания частиц твердых тел и распространяются по ним. Так, например, воздействуя на стену помещения, акустический сигнал порождает вибрационные колебания твердого тела, схема которого представлена на рис.1.2.

Рисунок 1.2 - Эффект преобразования акустических колебаний в колебания частиц твердого тела (вибрационные колебания)

Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения их акустических сопротивлений рис.1.3.

, ; , .

Рисунок 1.3 - Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую

В строительной акустике используются следующие основные понятия:

1. коэффициент поглощения

2. коэффициент отражения

3. коэффициент звукопроницаемости

4. звукоизоляция

Большинство твердых тел являются хорошими проводниками звуковых колебаний (вибрационных колебаний). Длина волны зависит от скорости распространения звука в среде (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для твердых тел и материалов

Материал	Плотность, ρ кг/м3	Скорость звука, м/с		Удельное акустической сопротивление
		В неограниченной среде, c	Продольная в стержне, cp	В неограниченной среде	Для продольных колебаний в стержне
Железо	780	5850	5170	45,6	40,4
Дуб	700	4170*	1520**	2,92*	1,06**
Сосна	500	5030*	1450**	2,77*	0,8**
Лед	916	­­-	3200	-	2,93
Пробка	240	-	500	-	0,12
Каучук натуральный	950	-	30	-	0,028
Мрамор	2600	-	3810	-	9,9
Гранит	2700	-	3950	-	10,7
Плестиглас	1180	-	2820	-	3,3
Стекло	3250	5660	5300	18,5	17,3
* по волокну. ** радиальная.

Вибрационные колебания могут быть непосредственно приняты, преобразованы в электрические колебания, усилены и записаны. А затем, по мере необходимости, могут быть преобразованы в акустические колебания. Структура акустовибрационного канала приведена в рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Структура акустовибрационного канала

В случае если источник акустического сигнала будет непосредственно связан с твердой средой, структурная схема будет иметь следующий вид (рисунок 1.5).

|

Рисунок 1.5 - Структура акустовибрационного канала

(без воздушной среды)

Физическая схема акустовибрационного канала представлена на рисунке 1.6

э ффект звукопроводимости

эффект преобразования звуковых колебаний в колебания частиц твердого тела

эффект отражения звука

эффект преобразования звуковых колебаний в тепловые колебания частиц твердого тела

эффект звукопроводимости

Рисунок 1.6 - Физическая схема акустовибрационного канала

КПД акустовибрационного канала зависит от величины потерь за счет отражения звука (качество поверхности твердого тела) и за счет преобразования звуковых колебаний в тепловые частицы твердого тела (упругие свойства тела). Кроме того, твердое тело должно обладать хорошей звукопроводимостью, которая также связана с его упругими свойствами.

Виброакустические каналы утечки информации показаны на рисунке 1.7 (обозначены буквами a, б, в), т.е. каналы, по которым информация может быть зафиксирована с помощью микрофонов твердой среды (виброметров, велосиметров, акселерометров).

Наибольшую опасность представляют технологические окна и каналы с большой площадью поперечного сечения, такие как ко­роба коммуникаций и воздуховоды вентиляции. Эти объекты являются, по сути, акустическими волноводами, и звуковые колебания могут распространяться по ним на значительные расстояния. Так, если поперечные размеры короба сравнимы с длиной звуковых волн , затухание при распространении по нему звука со­ставляет = 0,01...1 дБ/м и зависит от размеров короба, материала стенок и пр.

Рисунок 1.7- Основные каналы утечки речевой информации

Следующими по степени опасности являются звуководы с размерами значительно меньше длины звуковых волн L . Таковыми могут быть отверстия электропроводки, щели и трещины в строительных конструкциях, неплотности дверных и оконных проемов. Затухание звука в таких каналах весьма значительно = 1 ...20 дБ/м. Оно определя­ется вязкостью воздуха и зависит от поперечных размеров отверстий, шероховатости поверхности и продольной конфигурации отверстия.

Несмотря на заметную величину затухания, этого абсолютно недостаточно для обеспечения защиты информации. Так, если в сте­не толщиной 0,5 м имеется трещина с площадью поперечного сечения 5 мм² и длиной 0,75 м, звукоизоляция в области выхода этой трещины на поверхность будет составлять 18 дБ, в то время как при отсутствии трещины такая стена может обеспечить звукоизоля­цию более 65 дБ.

Звуковые колебания могут распространяться за пределы выделенного помещения не только за счет тех или иных воздушных каналов, но и за счет переизлучения колебаний ограждающими строительными конструкциями.

Переизлучение звука за пределы выделенного помещения происходит за счет колебаний строительных конструкций, вызванных падающими на них звуковыми волнами. Так как толщина подавляющего большинства строительных конструкций (стены, полы, потолки, двери, окна) значительно меньше их поперечных размеров.

Основные практические выводы, вытекающие из данных положений:

1. акустическое сопротивление ограждающих строительных конструкций в направлении, перпендикулярном их поверхности невелико;

2. строительные конструкции имеют большое количество собст­венных мод колебаний.

Последнее явление в строительной акустике носит название «волнового совпадения». Оно возникает, когда длина падающей звуковой волны совпадает с длиной изгибной волны в строительной конструкции и приводит к значительному снижению звукоизоляции.

Так как за счет многократных переотражений звуковой волны в помещении равновероятны любые углы падений, возбуждаются все собственные моды колебаний строительных конструкций, что при­водит к существенному снижению звукоизоляции.

Как только что было показано, строительные конструкции совершают значительные колебания под воздействием акустических волн. Чтобы перехватить информацию, переносимую этими колебаниями, не обязательно регистрировать акустические колебания, переизлученные этими конструкциями, достаточно зафиксировать колебания собственно строительных конструкций. Так, например, под воздействием звука Р_ак = 70 дБ кирпичная стена толщиной 0,5 м совершает вибрационные колебания с ускорением . При таких условиях современными средствами может быть прослушан даже шепот. При этом переизлученный акустический сигнал будет Р_ак.пр < 10 дБ, что практически исключает возможность съема информации. Таким образом, вибрационные колебания ограждающих конструкций под воздействием звуковых волн образуют один из наиболее опасных виброакустических каналов утечки информации. Структура виброакустического канала представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Структура виброакустического канала

Современные строительные материалы и конструкции (моно­литный железобетон, сборные железобетонные конструкции, кир­пичная кладка) обладают весьма низкими показателями затухания механических колебаний в области звуковых частот. Это обеспечивает возможность распространения колебаний на значительные расстояния и создает возможность перехвата информации, регистрируя вибрации не только ограждающих конструкций выделенного помещения, но и регистрируя колебания значительно удаленных (1-3 стыка) элементов здания. Например, существует реальная возможность перехвата информации по несущей стене из выделенного помещения, расположенного через 1, 2 этажа от места установки аппаратуры съема информации. В общем случае, в зависимости от конструкции здания и качества выполнения стыков между его элементами, затухание на стыках варьируется в пределах от 1...3 дБ до 10... 15 дБ. Отсюда следует важная тактическая особенность и повышенная опасность виброакустического канала утечки информации - перехват информации возможен не только из смежных помещений, но и из помещений, значительно удаленных от источника информации.

Некоторые элементы строительных конструкций, представляют собой волноводы вибрационных колебаний. К ним относятся трубы различных коммуникаций (отопления, водоснабжения, электропитания и пр.). Как и в случае воздушных волноводов, значительная разница в величинах акустического сопротивления материала труб и окружающей среды составляет

Создаются условия волноводного распространения сигналов на значительные расстояния. Данный канал становится особенно опасным, если трубопровод соединен с какой-то жесткой и развитой поверхностью, которая играет роль согласующего элемента при передаче энергии из воздуха в трубопровод. Таким согласующим элементом, например, являются современные легкие радиаторы отопления.

Таким образом, учитывая высокую важность речевой информации и рассмотренные возможности ее несанкционированного съема с помощью таких устройств как стетоскоп, лазерный микрофон (которые будут рассмотрены ниже), необходимо рассмотреть всесторонние меры и средства защиты речевой информации.