Об исследованиях закона убывания электромагнитного поля в реальных условиях эксплуатации..
Горячев Сергей Вячеславович
ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗАКОНА УБЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Статья интересна практическими результатами измерений распространения электромагнитного поля в реальных условиях типового помещения. Приведенные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, работающих в области защиты информации.
О факторах, влияющих на распространение электромагнитного поля в реальной среде
В числе возможных каналов утечки информации, подлежащей защите, отдельное место занимает канал утечки за счет побочных электромагнитных излучений. Это определяется тем фактом, что практически каждое электротехническое устройство в процессе работы излучает в пространство электромагнитные волны, так или иначе связанные с его функционированием. Источниками излучения сигнала могут являться различные элементы изделия, осуществляющие обработку информации.
В качестве примеров рассмотрим несколько элементарных случаев функционирования таких источников.
Пример первый
Через участок электрического провода протекает ток силой Iо. Вокруг этого создается магнитное поле, напряженность которого определяется по формуле:
где:
Io – сила тока, протекающего через участок проводника;
r – расстояние от проводника;
p – постоянная, 3,14……
Напряженность электрического поля, создаваемая таким источником определяется по формуле:
где t – линейная плотность заряда, рассчитываемая по формуле:
где:
l – длина проводника;
е – диэлектрическая проницаемость.
Из приведенных формул (1) и (2) следует, что напряженность поля, создаваемая этим источником убывает по мере удаления от него по линейному закону в зависимости от расстояния r.
Пример второй
Два параллельно проложенных проводника, расположенных на расстоянии a друг от друга, имеющие плотность статического заряда на каждом из них +t и -t.
В этом случае напряженность электрического поля в произвольной точке пространства, удаленной от проводников на расстояние r, будет определяться по формуле:
где а – расстояние между проводниками.
Напряженность магнитного поля, создаваемая двумя параллельно проложенными на расстоянии а друг от друга проводниками, по которым протекает ток силой Io определяется по формуле:
Как следует из приведенных формул (3) и (4), напряженность поля по мере удаления от такого источника убывает по квадратичному закону.
Пример третий
Несколько кольцевых витков проводника, по которым протекает ток силой Io, создают магнитное поле, напряженность которого определяется формулой:
где:
r – расстояние до рассматриваемого излучателя в направлении, перпендикулярном плоскости витков;
R – радиус окружности витков;
n – количество витков.
В данном случае убывание поля в зависимости от расстояния определяется кубическим законом.
Приведенные выше простейшие примеры свидетельствуют о различии законов убывания поля в зависимости от расстояния для различных элементарных источников. На практике картина электромагнитного поля, создаваемого реальным источником выглядит гораздо сложнее.
Если произвести условное разбиение какого-либо функционального узла аппаратуры, обрабатывающей информацию, на отдельные участки и рассматривать их в качестве самостоятельных источников электромагнитного поля, то можно отметить следующие моменты:
1) Пространственная конфигурация такого самостоятельного источника, как правило, весьма сложна. Даже простейший соединительный монтаж элементов на печатной плате имеет весьма разветвленную и извилистую структуру. Напряженность электромагнитного поля от такого протяженного в пространстве источника также будет иметь довольно сложную структуру.
2) Напряженность электромагнитного поля в произвольной точке пространства определяется суперпозицией полей, определяемых излучениями элементарных участков рассматриваемого самостоятельного источника излучения.
3) Картина электромагнитного поля излучения от изделия, обрабатывающего информацию, будет существенно различаться в разных направлениях от него.
Рассмотрение критерия защищенности
Обратимся теперь к рассмотрению критерия защищенности аппаратуры, обрабатывающей информацию от ее утечки за счет побочных электромагнитных излучений. Очевидно, что в некоторой точке пространства, удаленной от источника излучения на некое расстояние, напряженность поля излучения источника будет иметь какое-то определенное значение Ес, являющееся функцией нескольких переменных, в том числе расстояния удаления от источника.
При этом в той же точке пространства будет присутствовать напряженность поля помехового сигнала Еп. Природа этого помехового сигнала определяется наличием посторонних источников электромагнитного излучения, и их характер сам по себе довольно сложен и требует отдельного рассмотрения.
Напряженность поля в рассматриваемой точке будет определяться суммой двух составляющих:
Ео = Ес + Еп, (6)
где:
Ео – напряженность электромагнитного поля в рассматриваемой точке пространства;
Ес – напряженность электромагнитного поля, создаваемая информативным источником излучения, в рассматриваемой точке пространства;
Еп – напряженность электромагнитного поля, создаваемая помеховым источником, в рассматриваемой точке пространства.
Для возможности регистрации в рассматриваемой точке сигнала, создаваемого информативным источником, должны выполняться как минимум два условия:
1) Величина напряженности поля сигнала, создаваемого информативным источником, должна быть достаточной для ее фиксации техническими средствами, имеющимися в распоряжении потенциального перехватчика информации. Это в свою очередь определяется чувствительностью приемного устройства Епр, т.е. это условие можно выразить следующей несложной зависимостью:
Ес > Епр, (7)
где:
Ес – напряженность поля сигнала информативного источника;
Епр – чувствительность приемного устройства потенциального перехватчика.
2) С другой стороны возможность регистрации сигнала источника в рассматриваемой точке определяется соотношением величин напряженности поля сигнала информативного источника и напряженности поля сигнала помехи. Критерием безопасности информации с точки зрения ее утечки за счет побочных электромагнитных излучений является соотношение:
Ес/Еп < d, (8)
где:
d – некая величина указанного соотношения (так называемое предельно-допустимое соотношение), при превышении которой становится возможным перехват потенциальным противником сигналов информативного характера за счет побочных электромагнитных излучений от аппаратуры, обрабатывающей информацию.
Рассмотрим подробнее величины, входящие в критерий (8).
Предельно-допустимое соотношение “сигнал/помеха”.
Эта условная величина может определяться рядом факторов. Среди них могут быть:
1) Ценность защищаемой информации. Очевидно, что чем большую ценность представляет информация, подлежащая защите, тем с точки зрения ее защиты с большей степенью должно обеспечиваться превышение помехи над информативным сигналом в точке ее возможного перехвата потенциальным противником.
2) Характер сигнала, передающего информацию и его признаки. В числе таковых характеристик можно привести следующие: аналоговый сигнал, цифровой, сигнал непреобразованный, неинформативный сигнал, промодулированный информативным сигналом и ряд других.
3) Возможность повторения фрагментов информационного сообщения и всего сообщения в целом. Это могут быть какие-то типовые фразы во время телефонного разговора, последовательность команд при стандартных операциях, проводимых в процессе эксплуатации изделия и тому подобное.
Возможны и иные факторы.
Напряженность поля помехового сигнала в месте возможного перехвата информации потенциальным противником.
Эта величина определяется воздействием ряда сторонних источников и является их суперпозицией. Природа этих источников может носить двоякий характер: это могут быть помехи естественного и искусственного происхождения. Среди природных источников можно отметить такие как:
— магнитное поле земли и других планет;
— излучение энергии некоторых природных элементов;
— прочие источники.
О природе искусственных источников говорилось в самом начале этой работы. Практически каждое электротехническое устройство в процессе своей работы создает электромагнитное излучение, которое определяет помеховую обстановку электромагнитного поля в произвольной точке пространства, в том числе и в точке возможной работы потенциального противника.
Характер сигнала помехи также может быть различен. Это может быть аналоговый сигнал (речевой во время телефонного разговора, сигнал, излучаемый в процессе работы электродвигателя) или дискретный (сигнал, излучаемый в процессе работы устройства, обрабатывающего сигналы в виде импульсных кодов). Он может быть как периодический (например, излучение системы зажигания автомобиля), так и носить случайный характер.
Сигнал помехи может быть моногармоническим (несущая частота радиостанции) либо излучаемым в широком частотном спектре.
Для уменьшения уровня сигнала помехи на выходе приемника перехвата (а, следовательно, для увеличения реального соотношения сигнал/помеха” в точке приема) могут применяться различные аппаратно-математические методы.
В их числе такие как:
— методы усреднения помехового сигнала со случайным законом распределения;
— вычитание (компенсация) периодической помехи из смеси “сигнал/помеха” (см. соотношение (6));
— методы взаимнокорреляционного анализа;
— методы оптимального приема;
— прочие методы.
Для определения величины сигнала помехи Еп при расчете реального соотношения “сигнал/помеха” может использоваться сигнал помехи двух типов:
1) Сигнал помехи, измеренный непосредственно в месте расположения потенциального приемника перехвата.
2) Сигнал некоторой гипотетической помехи, определяемой с учетом возможного применения упомянутых выше методов снижения помехи, а также с учетом ценности информации, подлежащей защите, характера сигнала, передающего информацию, особенностей эксплуатации и ряда других условий практического характера.
Для различных вариантов эксплуатации изделия, обрабатывающего информацию, значения этих гипотетических помех определяются рядом действующих нормативных документов.
Перейдем к рассмотрению величины информативного сигнала в точке потенциального перехвата Ес.
Природа этого сигнала была нами определена выше. Значение напряженности электромагнитного поля источника в рассматриваемой нами точке на удалении r от источника определяется зависимостью:
Ес = Ео F(r), (9)
где:
Ео – значение напряженности электромагнитного поля в месте расположения источника излучения;
F(r) – функциональная зависимость убывания электромагнитного поля источника на удалении r от него.
С учетом формулы (9) вышеприведенный критерий защищенности (8) примет следующий вид:
Ео F(r)/Еп < d, (10)
Из анализа этого соотношения и приведенного выше рассмотрения входящих в него величин можно сделать вывод о том, что для анализа защищенности информации, обрабатываемой каким-либо изделием, от утечки за счет побочных электромагнитных излучений необходимо иметь в своем распоряжении закон убывания электромагнитного поля в зависимости от расстояния F(r).
Обращаясь вновь к приведенным в начале этой работы рассуждениям о характере убывания поля от электротехнического устройства, имеющего сложную структуру, можно отметить следующие факты:
1) Закон убывания электромагнитного поля различен для различных источников. Причем, это утверждение верно даже для одинаковых с точки зрения производства устройств. Различие это, в свою очередь, обусловлено физическими расхождениями в параметрах элементной базы самого устройства, возможностью применения в однотипных устройствах элементов, отличающихся друг от друга по второстепенным параметрам, не влияющим на работоспособность изделия, различием во взаимном расположении сочленяемых элементов (например, при установке отдельных плат в разъем материнской платы компьютера, или же при соединении отдельных узлов изделия посредством гибких кабелей). При этом очевидно, что характер излучения от изделия может изменяться во времени.
2) Закон убывания поля в пространстве зависит от ряда внешних факторов. Наличие в пространстве, окружающем источник излучения, посторонних тел обусловливает проявление таких явлений, как:
— экранирование;
— переизлучение;
— дифракция.
Из сказанного можно сделать вывод о том, что теоретический расчет закона убывания поля от источника излучения, каковым является электротехническое устройство, обрабатывающее информацию, на практике не представляется возможным.
В рамках решения этой проблемы представляется целесообразным проведение практических экспериментальных исследований с целью изучения закона убывания поля от различных источников в различных условиях эксплуатации с набором статистики и последующей ее обработки и систематизации.
Результаты практических исследований
С целью исследования закона убывания электромагнитного поля в реальных условиях был проведен практический эксперимент.
В качестве источника излучения исследовалась ПЭВМ типа IBM PC/AT. Она располагалась на втором этаже здания, план которого приведен на схеме 1.
Схема 1. Расположение точек снятия сигнала Тi
Здание типовой конструкции имеет в своем составе два корпуса, соединенных переходом. Исследуемый объект располагался в первом корпусе. Корпус трехэтажный, блочно-панельный, высота каждого этажа с учетом межэтажых перекрытий – 4 м. В помещениях здания расположены рабочие письменные столы, а также контрольно-измерительная аппаратура. В качестве обрабатываемой на ПЭВМ информации использовалась тестовая программа, в ходе работы которой были задействованы в циклическом режиме системный блок и монитор. ПЭВМ располагалась на рабочем столе на расстоянии 1 м от окна. На рисунке место расположения исследуемого источника излучения обозначено буквой “И”.
Проводились измерения напряженности электромагнитного поля на различных удалениях от источника излучения. На рисунке символами Тi обозначены точки проведения измерений. Исследования проводились по четырем направлениям.
Направление 1 – в сторону точек Т2, Т8, Т10, Т11, Т13, Т14, Т15.
Направление 2 – в сторону точек Т3, Т4, Т5, Т7.
Направление 3 – в сторону обозначенного на рисунке спортивного зала.
Направление 4 – в сторону окна, на улицу.
Напряженность электромагнитного поля, создаваемого исследуемым источником фиксировалась с помощью набора калиброванных антенн, подключенных к входу измерительного приемника. В качестве измерительного приемника использовался селективный микровольтметр типа SMV-8.
Измерения сигналов проводились на следующих частотах:
— 30 МГц (частота К1);
— 50 МГц (частота К2);
— 100 МГц (частота К3);
— 130 МГц (частота К4);
— 150 МГц (частота К5);
— 185 МГц (частота К6);
— 230 МГц (частота К7);
— 300 МГц (частота К8).
Коэффициент убывания поля рассчитывался по формуле:
К = Lg(Ed/Eo), (11)
где:
К – коэффициент убывания электромагнитного поля, создаваемого исследуемым источником излучения;
Еo – напряженность электромагнитного поля, измеренная на расстоянии 0,5 м от источника;
Ed – напряженность электромагнитного поля, измеренная на расстоянии d от источника излучения.
Результаты экспериментальных исследований приведены на графиках (рис. 1-8).
Графики убывания поля на различных частотах изображены разными цветами и обозначены соответствующими символами Кi.
Для сравнения на каждом из рисунков приведены кривые убывания поля, соответствующие линейному (n=1), квадратичному (n=2) и кубическому (n=3) законам.
Рис. 1. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от монитора в направлении 1 (Логарифмический масштаб).
Рис. 2. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от системного блока в направлении 1 (Логарифмический масштаб).
Рис. 3. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от монитора в направлении 2 (Логарифмический масштаб).
Рис. 4. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от системного блока в направлении 2 (Логарифмический масштаб).
Рис. 5. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от монитора в направлении 3 (Логарифмический масштаб).
Рис. 6. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от системного блока в направлении 3 (Логарифмический масштаб).
Рис. 7. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от монитора в направлении 4 (Логарифмический масштаб).
Рис. 8. Коэффициент затухания поля ПЭМИН от системного блока в направлении 4 (Логарифмический масштаб).
Анализируя приведенные результаты можно отметить следующее:
Первое. Закон убывания поля от исследуемого источника, очевидно, не может быть описан какими-то простыми зависимостями на всем удалении от источника. Можно отметить какие-то отдельные участки, приближающиеся по своему виду к определенному закону, описываемому математической формулой.
Второе. В направлениях от источника, более свободных от посторонних предметов (например, в направлении 2 – в сторону улицы) убывание поля носит более монотонный характер без резких всплесков.
Третье. Сравнивая результаты исследований, полученные для различных устройств (монитора и системного блока) можно отметить, что кривые убывания электромагнитного поля в целом имеют схожий вид, что свидетельствует о воздействии на процесс распространения внешних предметов. Вместе с тем, анализируя приведенные графики, следует отметить, что имеются определенные отличия, обусловленные физическим различием исследуемых устройств.
Четвертое. В ряде случаев, как, например, на некоторых частотах в направлениях 1, 3 и 4 от источника, сигнал электромагнитного поля, измеренный на некотором удалении от источника, превышает уровень сигнала, измеренного в непосредственной близости от него. Такое явление наблюдается на удалениях до 7 – 8 м от источника, а в направлении 3 на частоте 185 МГц измеренный сигнал превышает исходный на удалении до 54 м.
Пятое. Графики убывания поля в большинстве случаев не носят монотонно убывающего характера. Практически в каждом направлении имеются участки локального возрастания коэффициента затухания поля. Эти явления обусловлены причинами, о которых уже говорилось в начальной части этой работы.
Не принимая во внимание отмеченные выше явления, можно существенно затруднить оценку защищенности информации, обрабатываемой тем или иным техническим средством. В ряде случаев это может привести к ошибочным выводам о защищенности информации, что в свою очередь, может привести к ее утечке по рассматриваемому нами каналу утечки.
В целях более глубокого исследования проблемы, рассмотренной в настоящей работе, целесообразно проведение практических исследований по следующим направлениям:
1) Проведение исследований закона убывания электромагнитного поля от различных источников, обрабатывающих информацию. Результаты исследований должны быть систематизированы по однотипным изделиям, работающим в определенных режимах.
2) Проведение практических измерительных работ для различных условий эксплуатации изделий, обрабатывающих информацию. Так, например, эксплуатация изделия в городских условиях с точки зрения убывания электромагнитного поля существенно отличается от эксплуатации в полевых условиях.
3) Набор статистических данных, их математическая обработка и выдача методических рекомендаций по использованию закономерностей убывания электромагнитного поля от источников, обрабатывающих информацию. Причем эти методические рекомендации должны быть дифференцированы в зависимости от условий эксплуатации.
Таким образом, подводя итог сказанному, можно отметить следующее:
- в работе рассмотрены вопросы, связанные с исследованием закона убывания электромагнитного поля от источника, обрабатывающего информацию, подлежащую защите, а также вопросы защищенности этой информации от ее утечки за счет побочных электромагнитных излучений;
- закон убывания электромагнитного поля в реальных условиях носит сложный характер и в большинстве случаев не может быть с достаточной достоверностью описан математическими формулами;
- на характер убывания поля влияет ряд факторов, таких как индивидуальные особенности изделия, являющегося источником излучения сигнала, характеристики электрического сигнала, являющегося носителем информации, условия эксплуатации изделия;
- целесообразно проведение практических исследований закона убывания электромагнитного поля от различных источников для различных условий эксплуатации с набором статистики и последующей выдачей методических рекомендаций.