Sobre la investigación de la ley de disminución del campo electromagnético en condiciones reales de funcionamiento
Sergey Vyacheslavovich Goryachev
SOBRE LA INVESTIGACIÓN DE LA LEY DE DECLIVE DEL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO EN CONDICIONES REALES DE FUNCIONAMIENTO
El artículo es interesante debido a los resultados prácticos de medir la propagación del campo electromagnético en condiciones reales de una habitación típica. Los resultados presentados pueden ser utilizados por una amplia gama de especialistas que trabajan en el campo de la seguridad de la información.
Acerca de los factores que influyen en la propagación del campo electromagnético en un entorno real
Entre los posibles canales de fuga de información a proteger, un lugar especial lo ocupa el canal de fuga debido a la radiación electromagnética lateral. Esto está determinado por el hecho de que casi todos los dispositivos eléctricos durante su funcionamiento emiten ondas electromagnéticas al espacio, de una forma u otra relacionada con su funcionamiento. Las fuentes de emisión de señales pueden ser varios elementos del producto que procesan información.
Como ejemplos, consideraremos varios casos elementales del funcionamiento de dichas fuentes.
Ejemplo uno
Una corriente de fuerza I® fluye a través de una sección de cable eléctrico. A su alrededor se crea un campo magnético cuya intensidad está determinada por la fórmula:
donde:
Io es la intensidad de la corriente que fluye a través de la sección del conductor ;
r es la distancia desde el conductor;
p – constante, 3,14……
La intensidad del campo eléctrico creado por dicha fuente está determinada por la fórmula:
donde t es la densidad de carga lineal, calculada mediante la fórmula:
donde:
l es la longitud del conductor;
e es la constante dieléctrica.
De las fórmulas anteriores (1) y (2) se deduce que la intensidad del campo creado por esta fuente disminuye con la distancia a ella según una ley lineal dependiendo de la distancia r.
Ejemplo dos
Dos conductores paralelos ubicados a una distancia a entre sí, teniendo en cada uno de ellos una densidad de carga estática +t y -t.
En este caso, la intensidad del campo eléctrico en un espacio de puntos arbitrario alejado de los conductores a una distancia r estará determinado por la fórmula:
donde a es la distancia entre los conductores.
La intensidad del campo magnético creado por dos conductores paralelos colocados a una distancia a entre sí, a través de los cuales fluye una corriente de fuerza Io, está determinada por la fórmula:
Como se desprende de las fórmulas dadas (3) y (4), la intensidad del campo disminuye cuadráticamente con la distancia a tales una fuente.
Ejemplo tres
Varias vueltas anulares de un conductor a través del cual fluye una corriente de fuerza Io crean un campo magnético, cuya intensidad está determinada por la fórmula:
>p>
donde:
r es la distancia al emisor en cuestión en la dirección perpendicular al plano de las espiras;
R es el radio del círculo de vueltas;
n es el número de vueltas.
En este caso, la disminución del campo en función de la distancia está determinada por la ley cúbica.
Los ejemplos más simples dados anteriormente indican la diferencia en las leyes de decadencia del campo dependiendo de la distancia para varias fuentes elementales. En la práctica, la imagen del campo electromagnético creado por una fuente real parece mucho más complicada.
Si dividimos condicionalmente cualquier unidad funcional de equipo que procesa información en secciones separadas y las consideramos como fuentes independientes de campo electromagnético campo, entonces podemos observar los siguientes puntos:
1) La configuración espacial de una fuente tan independiente es, por regla general, muy compleja. Incluso la interconexión más sencilla de elementos en una placa de circuito impreso tiene una estructura muy ramificada y tortuosa. La intensidad del campo electromagnético procedente de una fuente tan extendida espacialmente también tendrá una estructura bastante compleja.
2) La intensidad del campo electromagnético en un punto arbitrario del espacio está determinada por la superposición de campos determinados por la radiación de secciones elementales de la fuente de radiación independiente considerada.
3) La imagen del campo electromagnético El campo de radiación de la información de procesamiento de un producto variará significativamente en diferentes direcciones del mismo.
Consideración del criterio de seguridad
.Pasemos ahora a considerar el criterio de seguridad para los equipos que procesan información contra fugas debido a radiación electromagnética colateral. Es obvio que en un determinado punto del espacio, a cierta distancia de la fuente de radiación, la intensidad del campo de radiación de la fuente tendrá un cierto valor Ec, que es función de varias variables, incluida la distancia a la fuente.
Cuando En este caso, en el mismo punto en el espacio habrá una intensidad de campo de la señal de interferencia Ep. La naturaleza de esta señal de interferencia está determinada por la presencia de fuentes extrañas de radiación electromagnética, y su naturaleza en sí misma es bastante compleja y requiere una consideración separada.
La intensidad del campo en el punto considerado estará determinada por la suma de dos componentes:
Eo = Ec + Ep, (6)
donde:
Eo – electromagnético intensidad del campo en el punto considerado en el espacio;
Ec – intensidad del campo electromagnético creado por una fuente de radiación informativa en el punto considerado en el espacio;
Ep – intensidad del campo electromagnético creado por una fuente de interferencia en el punto considerado; en el espacio.
Para poder registrar una señal creada por una fuente informativa en un punto determinado, se deben cumplir al menos dos condiciones:
1) La magnitud de la intensidad de campo de la señal creada por una fuente informativa debe ser suficiente para su registro por los medios técnicos a disposición del potencial interceptor de información. Esto a su vez está determinado por la sensibilidad del dispositivo receptor Epr, es decir esta condición se puede expresar mediante la siguiente dependencia simple:
Ec > Epr, (7)
donde:
Ec es la intensidad de campo de la señal de la fuente informativa;
Epr es la sensibilidad del dispositivo receptor del interceptor de potencial.
2) Por otro lado, la posibilidad de registrar la señal fuente en el punto en cuestión está determinada por la relación entre los valores de intensidad de campo de la señal de la fuente informativa y la intensidad de campo de la señal de interferencia. El criterio para la seguridad de la información desde el punto de vista de su fuga debido a la radiación electromagnética lateral es la relación:
UE/Es < d, (8)
donde:
d es un cierto valor de la proporción especificada (la llamada proporción máxima permitida), si se excede, es posible que un enemigo potencial intercepte información señales debidas a la radiación electromagnética lateral procedente de equipos que procesan información.
Consideremos con más detalle las cantidades incluidas en el criterio (8).
La señal/interferencia máxima permitida”.
Este valor condicional puede estar determinado por varios factores. Entre ellos pueden estar:
1) El valor de la información protegida. Evidentemente, cuanto mayor sea el valor de la información a proteger, mayor será el grado de interferencia que debe garantizarse desde el punto de vista de su protección sobre la señal informativa en el punto de su posible interceptación por un potencial adversario.
2) La naturaleza de la señal que transmite información y sus características. Entre estas características se encuentran las siguientes: señal analógica, señal digital, señal no convertida, señal no informativa modulada por una señal informativa y muchas otras.
3) La capacidad de repetir fragmentos de un mensaje informativo y el mensaje completo mensaje en su conjunto. Podrían ser algunas frases típicas durante una conversación telefónica, una secuencia de comandos durante operaciones estándar realizadas durante el funcionamiento del producto, etc.
También son posibles otros factores.
La intensidad del campo de la señal de interferencia en el lugar de posible interceptación de información por parte de un enemigo potencial.
Este valor está determinado por la influencia de varias fuentes de terceros. y es su superposición. La naturaleza de estas fuentes puede ser doble: pueden ser interferencias de origen natural y artificial. Entre las fuentes naturales se pueden destacar las siguientes:
— campo magnético de la tierra y otros planetas;
— emisión de energía procedente de determinados elementos naturales;
— otras fuentes.
La naturaleza de las fuentes artificiales se discutió al principio de este trabajo. Casi todos los dispositivos eléctricos durante su funcionamiento generan radiación electromagnética, que determina el entorno de interferencia del campo electromagnético en un punto arbitrario del espacio, incluido el punto de posible operación de un enemigo potencial.
La naturaleza de la señal perturbadora también puede ser diferente. Puede ser una señal analógica (habla durante una conversación telefónica, una señal emitida durante el funcionamiento de un motor eléctrico) o discreta (una señal emitida durante el funcionamiento de un dispositivo que procesa señales en forma de códigos de pulso). Puede ser de naturaleza periódica (por ejemplo, la radiación del sistema de encendido de un automóvil) o aleatoria.
La señal de interferencia puede ser monoarmónica (frecuencia portadora de una estación de radio) o emitirse en un amplio espectro de frecuencia.
Para reducir el nivel de la señal de interferencia en la salida del receptor de interceptación (y, en consecuencia, aumentar la relación señal-interferencia real en el punto de recepción), se pueden utilizar varios métodos matemáticos y de hardware.
Incluyendo lo siguiente:
— métodos para promediar una señal de ruido con una ley de distribución aleatoria;
— resta (compensación) del ruido periódico de la mezcla “señal/ruido” (ver relación (6));
— métodos de análisis de correlación cruzada;
— métodos de ingesta óptima;
— otros métodos.
Para determinar la magnitud de la señal de interferencia Ep al calcular la relación señal-interferencia real, se pueden utilizar dos tipos de señal de interferencia:
1) Una señal de interferencia medida directamente en la ubicación del posible receptor de interceptación
.2) Una señal de alguna hipotética interferencia, determinada teniendo en cuenta la posible aplicación de los métodos de reducción de interferencias mencionados anteriormente, así como teniendo en cuenta el valor de la información a proteger, la naturaleza de la señal que transmite la información, características operativas. y una serie de otras condiciones prácticas.
Para diversas opciones para operar un producto que procesa información, los valores de estas interferencias hipotéticas están determinados por una serie de documentos reglamentarios vigentes.
Pasemos a considerar la magnitud de la señal informativa en el punto de interceptación potencial Ec.
La naturaleza de esta señal se definió anteriormente. El valor de la intensidad del campo electromagnético de la fuente en el punto que estamos considerando a una distancia r de la fuente está determinado por la dependencia:
Ec = Eo F(r) , (9)
donde :
Ео – valor de la intensidad del campo electromagnético en la ubicación de la fuente de radiación;
F(r) – dependencia funcional de la disminución del campo electromagnético campo de la fuente a una distancia r de ella.
Teniendo en cuenta la fórmula (9 ), el criterio de seguridad anterior (8) tomará la siguiente forma:
Eo F(r) /Ep < d, (10)
Del análisis de esta relación y de la consideración anterior de las cantidades incluidas en la misma, podemos concluir que para analizar la seguridad de la información procesada por cualquier producto frente a fugas por radiaciones electromagnéticas espurias, es necesario tener a su disposición la ley de disminución del campo electromagnético en función de la distancia F(r).
Volviendo nuevamente a los argumentos dados al inicio de este trabajo sobre la naturaleza de la disminución del campo de un dispositivo eléctrico que tiene una estructura compleja, podemos observar los siguientes hechos:
1) La ley de disminución del campo electromagnético es diferente para diferentes fuentes. Además, esta afirmación es válida incluso para dispositivos idénticos en términos de producción. Esta diferencia, a su vez, se debe a diferencias físicas en los parámetros del elemento base del propio dispositivo, la posibilidad de utilizar elementos en dispositivos similares que se diferencian entre sí en parámetros secundarios que no afectan el rendimiento del producto, diferencias en la posición relativa de los elementos articulados (por ejemplo, al instalar placas separadas en el conector de la placa base de la computadora, o al conectar componentes individuales del producto mediante cables flexibles). Es obvio que la naturaleza de la radiación del producto puede cambiar con el tiempo.
2) La ley del campo decreciente en el espacio depende de una serie de factores externos. La presencia de cuerpos extraños en el espacio que rodea la fuente de radiación provoca la manifestación de fenómenos tales como:
— blindaje;
— reemisión;
— difracción.
De lo anterior, podemos concluir que el cálculo teórico de la ley del campo decreciente de una fuente de radiación, que es un dispositivo eléctrico que procesa información, no es posible en la práctica.
Como parte de la solución de este problema, parece recomendable realizar investigaciones experimentales prácticas con el fin de estudiar la ley de desintegración de campo de diversas fuentes en diversas condiciones de operación con un conjunto de estadísticas y su posterior procesamiento y sistematización.
Resultados de la investigación práctica
Para estudiar la ley de disminución del campo electromagnético en condiciones reales, se llevó a cabo un experimento práctico.
Un comentario personal Se estudió como fuente de radiación un ordenador del tipo IBM PC/AT. Estaba ubicado en el segundo piso del edificio, cuyo plano se muestra en el Esquema 1.
Esquema 1. Ubicación de los puntos de captación de señal Ti
Un edificio estándar consta de dos edificios conectados por un pasillo. El objeto en estudio estaba ubicado en el primer edificio. El edificio es de tres pisos, de paneles de bloques, la altura de cada piso, teniendo en cuenta los techos entre pisos, es de 4 m. En las instalaciones del edificio hay mesas de trabajo, así como equipos de control y medición. La información procesada en la PC fue un programa de prueba, durante el cual la unidad del sistema y el monitor se utilizaron en modo cíclico. La PC estaba ubicada sobre el escritorio a una distancia de 1 m de la ventana. En la figura, la ubicación de la fuente de radiación en estudio se indica con la letra «I».
Las mediciones de la intensidad del campo electromagnético se llevaron a cabo a varias distancias de la fuente de radiación. En la figura, los símbolos Ti indican los puntos de medición. La investigación se llevó a cabo en cuatro direcciones.
Dirección 1 – hacia los puntos T2, T8, T10, T11, T13, T14, T15.
Dirección 2 – hacia los puntos T3, T4, T5, T7 .
Dirección 3 – hacia el gimnasio indicado en la figura.
Dirección 4 – hacia la ventana, hacia la calle.
La fuerza del campo electromagnético creado por la fuente en estudio se registró utilizando un conjunto de antenas calibradas conectadas a la entrada del receptor de medición Como receptor de medición se utilizó un microvoltímetro selectivo tipo SMV-8.
Las mediciones de señales se llevaron a cabo en las siguientes frecuencias:
— 30 MHz (frecuencia K1);
— 50 MHz (frecuencia K2);
— 100 MHz (frecuencia K3);
— 130 MHz (frecuencia K4);
— 150 MHz (frecuencia K5);
— 185 MHz (frecuencia K6);
— 230 MHz (frecuencia K7);
— 300 MHz (frecuencia K8).
El coeficiente de disminución del campo se calculó mediante la fórmula:
K = Lg(Ed/Eo), (11)
donde:
K – coeficiente de disminución del campo electromagnético creado por la fuente de radiación en estudio;
Еo – intensidad del campo electromagnético, medida a una distancia de 0,5 m de la fuente;
Ed – intensidad del campo electromagnético, medida a una distancia d de la fuente de radiación.
Los resultados de los estudios experimentales son se muestra en los gráficos (Fig. 1-8).
Los gráficos de la decadencia del campo en diferentes frecuencias se representan en diferentes colores y se designan con los símbolos Ki correspondientes.
A modo de comparación, cada de las figuras muestra curvas de caída de campo correspondientes a las leyes lineal (n= 1), cuadrática (n=2) y cúbica (n=3).
Arroz. 1. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN del monitor en dirección 1 (escala logarítmica).
Fig. 2. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN procedente de la unidad del sistema en dirección 1 (escala logarítmica).
Fig. 3. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN del monitor en dirección 2 (escala logarítmica).
Fig. 4. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN procedente de la unidad del sistema en dirección 2 (escala logarítmica).
Fig. 5. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN del monitor en dirección 3 (Escala logarítmica).
Arroz. 6. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN procedente de la unidad del sistema en dirección 3 (escala logarítmica).
Fig. 7. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN del monitor en dirección 4 (escala logarítmica).
Fig. 8. Coeficiente de atenuación del campo PEMIN de la unidad del sistema en dirección 4 (Escala logarítmica).
Analizando los resultados anteriores, podemos observar lo siguiente:
Primero. La ley del campo decreciente desde la fuente en estudio obviamente no puede describirse mediante algunas dependencias simples en toda la distancia desde la fuente. Puede observar algunas áreas individuales que se parecen en apariencia a una determinada ley descrita por una fórmula matemática.
Segundo. En las direcciones desde la fuente, que están más libres de objetos extraños (por ejemplo, en la dirección 2, hacia la calle), la disminución del campo es más monótona y sin ráfagas bruscas.
Tercero. Al comparar los resultados de la investigación obtenidos para varios dispositivos (monitor y unidad del sistema), se puede observar que las curvas de disminución del campo electromagnético en general tienen una apariencia similar, lo que indica el impacto de objetos externos en el proceso de propagación. Al mismo tiempo, al analizar los gráficos anteriores, cabe señalar que existen ciertas diferencias debido a las diferencias físicas entre los dispositivos en estudio.
Cuarto. En algunos casos, como en algunas frecuencias en las direcciones 1, 3 y 4 de la fuente, la señal del campo electromagnético medida a cierta distancia de la fuente excede el nivel de la señal medida en las inmediaciones. Este fenómeno se observa a distancias de hasta 7 a 8 m de la fuente, y en la dirección 3 a una frecuencia de 185 MHz, la señal medida excede la señal original a una distancia de hasta 54 m.
Quinto. Los gráficos de decadencia de campo en la mayoría de los casos no disminuyen monótonamente. En casi todas las direcciones hay áreas de aumento local del coeficiente de atenuación de campo. Estos fenómenos se deben a las razones que ya se han mencionado en la parte inicial de este trabajo.
No tener en cuenta los fenómenos señalados anteriormente, puede complicar significativamente la evaluación de la seguridad de la información procesada por uno. u otro medio técnico. En algunos casos, esto puede llevar a conclusiones erróneas sobre la seguridad de la información, lo que a su vez puede provocar su fuga a través del canal de fuga que estemos considerando.
Para profundizar en el problema considerado en este trabajo, es recomendable realizar investigaciones prácticas en las siguientes áreas:
1) Realizar investigaciones sobre la ley de disminución del campo electromagnético de diversas fuentes que procesan información. Los resultados de la investigación deben sistematizarse para productos similares que funcionan en determinados modos.
2) Realización de trabajos prácticos de medición de diversas condiciones de funcionamiento de productos que procesan información. Por ejemplo, el funcionamiento de un producto en condiciones urbanas desde el punto de vista de la disminución del campo electromagnético difiere significativamente del funcionamiento en condiciones de campo.
3) Un conjunto de datos estadísticos, su procesamiento matemático y emisión de recomendaciones metodológicas sobre el uso de patrones de disminución del campo electromagnético a partir de fuentes que procesan información. Además, estas recomendaciones metodológicas deben diferenciarse en función de las condiciones de funcionamiento.
Así, para resumir lo dicho, podemos señalar lo siguiente:
- el trabajo examina cuestiones relacionadas con el estudio de la ley de disminución del campo electromagnético de una fuente que procesa la información a proteger. , así como cuestiones de seguridad de esta información frente a su fuga debido a radiaciones electromagnéticas espurias;
- la ley de disminución del campo electromagnético en condiciones reales es compleja y en la mayoría de los casos no puede describirse con suficiente fiabilidad mediante fórmulas matemáticas;
- la naturaleza de la disminución del campo se ve afectada por una serie de factores, como las características individuales del producto que es la fuente de emisión de la señal, las características de la señal eléctrica que se el soporte de información, las condiciones de funcionamiento del producto;
- es aconsejable realizar estudios prácticos de la ley de disminución del campo electromagnético de diversas fuentes para diversas condiciones de funcionamiento con un conjunto de estadísticas y la posterior emisión de informes metodológicos. recomendaciones.
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