Лаба 1 2013

1. Цель работы

Количественный анализ влияния наносекундных электромагнитных полей на передачу информации в локальной вычислительной сети (ЛВС) Fast Ethernet и Gigabit Ethernet и измерение параметров электромагнитных помех в кабелях данных ЛВС.

2. Оборудование и программы

Оборудование: испытательный генератор наносекундных импульсных помех ИГН 4.1., c емкостными клещами; цифровой осциллограф Tektronix TDS 2022B; персональные компьютеры Intel Core 2 Duo E6320, 4 Гбайт оперативной памяти, видеокарта GeForse 8500GT, жесткий диск WD 300

Гбайт, DWD-RW Optiarc 7170A, АТХ корпус с блоком питания 350Вт,

монитор Nec LCD 195VXM; сетевая карта TP-Link TG 3269, источник бесперебойного питания APC Back-UPS CS 650; кабель ЛВС – неэкранированная витая пара категории 5е (длина 10 м); операционная система Windows XP/Win7; наличие Microsoft Office 2003/2007; программа

BWMeter, для измерения скорости передачи информации по ЛВС.

3. Теоретические сведения

Высокоскоростные реализации технологии ЛВС Ethernet (Fast Ethernet,

стандарт 100Base-T; Gigabit Ethernet, стандарт 1000Base-T) в настоящее время находят широкое применение. При этом они перешагивают масштабы зданий, т.к. существующие сети расширяются, строятся уже не только локальные, но и общегородские сети, а также межгородские каналы,

возрастает число пользователей этих сетей. Растут также и требования,

предъявляемые к передаваемому трафику, пропускной способности,

протяженности, защите информации, помехозащищенности и стоимости разработки и развертывания сети [1].

Одним из важных причин нарушения помехоустойчивости и информационной безопасности локальных вычислительных сетей Ethernet

2

является воздействие внешних электромагнитных полей. Источники электромагнитных воздействий могут иметь непреднамеренный и преднамеренный характер [2,3], хотя с точки зрения физики процессов они не имеют принципиальных отличий. При непреднамеренном характере электромагнитных воздействий принято говорить об обеспечении помехоустойчивости ЛВС. Помехоустойчивость ЛВС (устройств вычислительной техники, средств обеспечения сетевых функций и т.д.) – это ее способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров [4]. При преднамеренном характере электромагнитных воздействий речь идет об информационной безопасности, т.к.

электромагнитные воздействия могут приводить к уничтожению, искажению или блокированию информации в результате целенаправленного искажения электрических сигналов, передаваемых по физической среде [5].

На сегодняшний день, проведено значительное количество исследований, подтверждающих, что с помощью генераторов электромагнитных импульсов, инжектирующих тем или иным способом импульсы напряжения в физическую среду передачи информации, можно воздействовать на обмен данными по локальной сети между конечными пользователями. При этом существующими средствами диагностики факт такого воздействия может не определиться, так как сетевое соединение при этом не разрушается [6, 7].

При проектировании современных ЛВС к ним предъявляются следующие требования по помехоустойчивости, информационной безопасности, надежности и достоверности передачи данных [7]:

-отказ или отключение питания подключенного устройства должны вызывать только переходную ошибку;

-ЛВС не должна находиться в состоянии неработоспособности более

0,02% от полного времени работы (это составляет около 20 минут простоя в

3

год для учрежденческой системы и около 2 часов для непрерывно функционирующей системы);

- средства обнаружения ошибок должны выявлять все пакеты,

содержащие до четырех искажений битов. Если же достоверность передачи достаточно высока, сеть не должна сама исправлять обнаруженные ошибки.

Функции анализа, принятия решения и исправления ошибки должны выполняться подключенными устройствами;

-появление пакета с обнаруженной ошибкой не чаще одного раза в год (для сети со скоростью 5 Мбит/с это составит вероятность 10-14). Частота обнаруживаемых ошибок может иметь порядок 10-8;

-ЛВС должна обнаруживать и индицировать все случаи совпадения сетевых адресов у двух абонентов.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований и качественных оценок воздействия электромагнитных воздействий наносекундного диапазона напряженностью Е=(1-10) кВ/м на ЛВС определено, что уровни наводимых напряжений приводят к их отказам и ложным срабатываниям [6, 8]. Это требует проведения комплекса исследований по количественной оценке поражающего действия наносекундного электромагнитного воздействия на ЛВС и параметров наводимых электромагнитных помех.

Экспериментальные исследования информационной безопасности и помехоустойчивости ЛВС, при наносекундных электромагнитных воздействиях проводиться в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.4-2007 и ГОСТ Р

52863-2007. Стандарты устанавливает степени жесткости электромагнитных воздействий, которые относятся к различным условиям эксплуатации (табл. 1). При этом длительность испытаний составляют не менее 1 мин.

Для средств вычислительной техники и ЛВС эксплуатируемых в электромагнитной обстановки помещений для контроля и управления гражданскими объектами предъявляются требования по степени жесткости 2.

4

Таблица 1

Степени жесткости электромагнитных воздействий

Выходное испытательное напряжение генератора в режиме холостого хода (+

10 %) и частота повторения импульсов (+ 20 %)

* представляет собой открытую степень жесткости испытаний, которая может быть установлена в стандартах на техническое средство конкретного вида и в технической документации.

Для подачи наносекундных электромагнитных помех на кабель ЛВС используется емкостные клещи связи. Емкостные клещи связи обеспечивают возможность подачи наносекундных электромагнитных помех без гальванического подключения к контактам цепей. Емкость между емкостными клещами связи и кабелями зависит от диаметров, материалов кабелей и наличия экранов в кабелях. Конструкция емкостных клещей представляет собой пластины связи (выполненных из стали с гальваническим покрытием, латуни, меди или алюминия) для укладки в них кабелей проверяемой цепи (плоских или круглых). Также клещи имеют на каждом конце высоковольтный коаксиальный соединитель для подключения генератора к любому концу. Временная форма наносекундного электромагнитного воздействия представляет собой двойную экспоненту с следующими параметрами (на нагрузку 50 Ом): длительность фронта – 5 нс;

длительность импульса на уровне 50 % - 50 нс.

5

4.Порядок выполнения работы

4.1Экспериментальные исследования

Для проведения экспериментальных исследований информационной безопасность ЛВС вычислительной техники, в условиях наносекундных электромагнитных воздействий, необходимо собрать следующий экспериментальный стенд (рис. 1а,б), в состав которого входят: генератор ИГН 4.1м [9] (рис. 1в); емкостные клещи (рис. 1г); цифровой осциллограф

Tektronix TDS 2022B; персональные компьютеры (2 шт.) с сетевой картой

TP-Link TG 3269; источник бесперебойного питания APC Back-UPS CS 650,

кабель ЛВС – неэкранированная витая пара категории 5е (длина 10 м).

1

5

3 4

а)

б)

6

в)

г)

Рис. 1. Стенд для экспериментальных исследований помехоустойчивости и информационной безопасности ЛВС при наносекундных

электромагнитных воздействиях (а - схема стенда; б – фотография стенда; 1 –

генератор наносекундных электромагнитных воздействий (в); 2 – средство вычислительной техники с сетевой картой; 3 – емкостные клещи (г); 4 –

неэкранированная витая пара; 5 – цифровой осциллограф)

1.Емкостные клещи подключаются к выходу «ЕК4» при помощи коаксиального кабеля, входящего в комплект генератора при выключенном питании.

2.Подключить сетевой кабель к разъёму на задней панели и к сетевой розетке 220В; 50Гц. Включить испытательный генератор переключателем

«СЕТЬ». При этом на дисплее должен появиться текст и курсор в виде стрелки в верхней строке. Если на дисплее возникла надпись

«НЕПРАВИЛЬНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ!», следует выключить генератор и перевернуть сетевую вилку в розетке. Если эта же надпись появилась при повторном включении, необходимо проверить наличие и исправность

7

заземления.

3. Фаза и ноль в выходной розетке соответствуют надписям «Ф» и «0»

на передней панели.

4.Амплитуда выходных импульсов при холостом ходе устанавливается при помощи кнопок «+» и «-». Курсор должен находиться в строке «Ампл.:». При этом можно выбрать значения: 0.25кВ, 0.5кВ, 1.0кВ, 2.0кВ и 4.0кВ.

5.Перемещение курсора по строкам осуществляется при помощи кнопок «↓» и «−».

6.Схема подачи испытательных импульсов, а также их полярность выбирается при установке курсора в строку «Выход:» при помощи кнопок

«+» и «-». При этом последовательно появляются надписи «Ф +», «Ф -», «О +», «О -», «З +», «З -», «Ф-O+», «Ф-O-», «ЕК4+», «ЕК4 -», которые указывают схему подключения и полярность ( Ф - фаза, О - ноль, З - земля,

ЕК4 - выход для подключения емкостных клещей).

7.При установке курсора в строку «Режим:» при помощи кнопок «+»

и«-» можно переключать режимы работы генератора нормальный («Норм»)

ициклический («Цикл»). В нормальном режиме пачки испытательных импульсов установленной амплитуды и полярности вырабатываются на выбранном выходе в течение 60сек, после чего генератор переходит в режим

«Стоп». В циклическом режиме пачки испытательных импульсов установленной амплитуды последовательно подаются по 60 сек на выходы

«Ф +», «Ф -», «О +», «О -», «З +», «З -».

8. Пуск и останов генерации пачек испытательных импульсов осуществляется нажатием на кнопку «ПУСК/СТОП». При этом светодиод,

расположенный рядом с этой кнопкой загорается зеленым светом, а во время формирования пачки вспыхивает красным. Во время генерации производится отсчет времени от «0:00» до «0:59» в нижнем правом углу дисплея.

9. В нижней строке дисплея производится отсчет времени непрерывной работы генератора в формате «ЧЧ:ММ:СС».

8

10. После окончания испытаний следует выключить питание и

отсоединить емкостные клещи от «ЕК4» генератора.

4.2. Результаты экспериментальных исследований

Результаты экспериментальных исследований информационной безопасности ЛВС вычислительной техники, в условиях наносекундных электромагнитных воздействий, оформляются в виде таблиц. В табл. 2

необходимо привести результаты исследований информационной безопасности ЛВС Fast Ethernet (вариант 1) при наносекундных электромагнитных воздействиях. Исследования проводятся только для 1-й и

2-й степени жесткости, т.к. для более жестких условий наиболее вероятно повреждение исследуемого оборудования. Количество повторений для каждого варианта – 3. Для передачи через ЛВС выбирается файл размерами не менее 500 Мб. Скорость передачи измеряется с помощью программы

BWMeter. На рис. 2 приведены примеры измерения информационных сигналов и электромагнитных помех в кабеле ЛВС Fast Ethernet при наносекундных электромагнитных воздействиях (в отчете необходимо привести свои измеренные осциллограммы). При проведении измерений, с

целью устранения влияния электромагнитных помех через общий сеть электропитания, устройства ЛВС и измерительный прибор, работают на аккумуляторах источника бесперебойного питания.

Таблица 2

Результаты анализа ЛВС Fast Ethernet (время передачи информации 1 мин)

Специальное электромагнитное воздействие отсутствует

(электромагнитная обстановка в условиях эксплуатации)

Электромагнитное воздействие

спараметрами – 0,25 кВ/5КГц Электромагнитное воздействие

спараметрами – 0,5 кВ/5КГц Электромагнитное воздействие

спараметрами 0,25кВ/100КГц Электромагнитное воздействие

спараметрами 0,5кВ/100КГц

а) информационные сигналы в кабеле ЛВС Fast Ethernet (при отсутствии специального электромагнитного воздействия)

б) информационные сигналы в кабеле ЛВС Fast Ethernet при наносекундном электромагнитном воздействии - 0,5кВ/5 КГц

10