Визначення небезпечних зон джерел електромагнітних випромінювань

Ряд нормативних документів сфери технічного захисту інформації (ТЗІ), які були розроблені «Гостехкомісією» СРСР, при вимірюваннях побічних електромагнітних випромінювань вимагають визначати границі небезпечних зон: ближньої зони – «зони 1», середньої зони – «зони 2» та дальньої зони – «зони 3». Критерієм розрізнення зон є їхні властивості щодо розвіддоступності побічних електромагнітних випромінювань (ПЕМВ). Зона розвідувальної доступності – це частина простору навколо об’єкта, у межах якого реалізуються можливості технічної розвідки.

Не треба плутати поняття «небезпечних» зон із поняттями «ближніх – дальніх» зон. «Зони 1», «зони 2», «зони 3» розрізняють за ступенем небезпечності витоку інформації. «Ближню зону», «проміжну зону», «дальню зону» розрізняють за критерієм швидкості згасання хвилі при її поширенні від джерела радіовипромінювання.

Виникаючі електромагнітні випромінювання навколо засобів обробки інформації викликають наведення на близько розташовані кабелі, телефонні лінії, лінії охоронно-пожежної сигналізації, електромережу тощо. Інтенсивність полів у діапазоні частот від одиниць кілогерц до сотень мегагерц така, що приймання сигналів може відбуватися за межами контрольованої зони (КЗ) за безпосереднього підключення до цих ліній.

Залежно від середовища поширення інформативних сигналів розглядають два можливі канали витоку: власне за рахунок ПЕМВ та наведення на комунікації.

Вимірювання ПЕМВ та розрахунки границь зон проводять при атестації комплексів технічного захисту інформації (КТЗІ), поточному контролю засобів захисту інформації, спеціальних обстеженнях та спеціальних дослідженнях технічних засобів обробки інформації (ТЗОІ) [19, с. 36-39].

Словники та довідники дають такі визначення небезпечних зон [20, 21]:

Небезпечна зона 1 – простір навколо ТЗОІ, у межах якого на випадкових антенах наводиться небезпечний сигнал вище допустимого нормованого рівня. У «зоні 1» забороняється розміщення випадкових антен, що мають вихід по струмопровідних комунікаціях за межі контрольованої зони (КЗ).

Канал ПЕМВ характеризується розміром «зони 2» (R 2) – відстанню між ТЗОІ й умовною границею, за межами якої неможливе ефективне приймання унаслідок природного зниження рівня випромінюваного сигналу. Значення R 2 розраховується за наслідками спеціальних досліджень і задається «у сфері», тобто у трьох вимірюваннях.

Небезпечна зона 2 – простір навколо ТЗОІ, у межах якого відношення небезпечний сигнал/завада для складових напруженості електромагнітного поля перевищує допустиме нормоване значення. «Зона 2» має бути контрольованою, тому що у цій зоні можливе перехоплення ПЕМВ за допомогою ідеального чи квазіідеального приймача та наступне розшифрування інформації, що міститься у них.

Канал випадкових антен характеризується розмірами їхньої «зони 1» (r ₁) для зосереджених випадкових антен (ЗВА) та розподілених випадкових антен (РВА). До зосереджених випадкових антен відносяться будь-які технічні засоби, що мають вихід за межі контрольованої зони. До розподілених випадкових антен відносять проводи, кабелі, елементи конструкцій будівлі тощо. Відстань між ТЗОІ та випадковою антеною, на якій неможливе ефективне перехоплення, визначає розмір «зони 1».

Радіус небезпечної зони – радіус сфери, що охоплює «зону 1» або «зону 2».

Контрольована зона (КЗ) – територія навколо ТЗОІ, у межах якої не допускається несанкціоноване перебування сторонніх осіб та транспортних засобів. Розмір контрольованої зони має бути не менше «зони 2».

Нагадаємо базові положення теорії поширення радіохвиль.

Фундаментальні вирази, що описують умови поширення радіохвиль, виведені для вільного простору, який являє собою однорідне непоглинаюче середовище, відносна діелектрична проникність якого дорівнює одиниці. Найпростішим випромінювачем є елементарний вібратор, для якого напруженість електричного поля у дальній зоні (на відстані, яка багато більша довжини хвилі) може бути обчислена за формулою

[в/м]. (2.28)

Тут l – довжина елементарного вібратора, м;

λ – довжина хвилі, м;

r – відстань від вібратора до місця приймання хвилі, м;

I_m – амплітуда струму, а;

sin θ – множник, що характеризує спрямовувальні властивості елементарного вібратора.

Діаграма направленості елементарного вібратора в екваторіальній площині являє собою коло. Для інших лінійних випромінювачів застосовують діючу довжину випромінювача. Під діючою довжиною випромінювача розуміють довжину вібратора з рівномірним розподілом струму, який у напрямі максимального випромінювання створює ту ж напруженість електричного поля, що й антена, яка розглядається, і з тим самим струмом у точках живлення. Наприклад, діюча довжина напівхвильового вібратора

. (2.29)

Для знаходження поля будь-якої антени у напрямі максимального випромінювання формула (3.1) приводиться до вигляду

. (2.30)

Електромагнітні властивості напівпровідного середовища характеризуються абсолютною діелектричною проникністю ε ₀ або відносною діелектричною проникністю ε, та абсолютною магнітною проникністю μ ₀. У системі фізичних одиниць СІ електрична є постійною

ф/м,

А магнітна постійна μ ₀ = 4π*10^-7 гн / м.

Напруженість магнітного поля пов’язана з напруженістю електричного поля співвідношенням

, (2.31)

де W – хвильовий опір середовища.

При спеціальних дослідженнях технічних засобів обробки інформації (ТЗОІ) необхідно виміряти рівень ПЕМВ і розрахувати радіус зони 2, яка характеризує мінімальну відстань від технічного засобу на межі та за межами якого відношення сигнал/шум не перевищує нормованого значення.

У загальному випадку ця відстань може знаходитися у ближній, проміжній або дальній (хвильовій) зонах (рис. 2.7). У межах кожної із зон загасання електромагнітної хвилі описується різними аналітичними залежностями. Уміння правильно визначати межі зон необхідне для отримання об’єктивної оцінки величини «зони 2».

 

Рисунок 2.7 – Знаходження ближньої, проміжної та дальньої зон

 

Для багатьох технічних засобів обробки інформації, наприклад персональних ЕОМ, характерна значна величина амплітуди напруги небезпечного сигналу та мала величина амплітуди струму. Такі джерела відносять до електричних випромінювачів.

Розглянемо визначення відстаней до меж ближньої та дальньої зон точкового електричного випромінювача.

Технічний засіб обробки інформації вважатимемо точковим електричним випромінювачем, оскільки його розміри суттєво менші за відстань до точки можливого перехоплення інформації. Представимо ТЗОІ у вигляді диполя, розміщеного у центрі сферичної системи координат, як показано на рис. 2.8.

Математичні вирази для визначення параметрів поля джерела ПЕМВ можна отримати з класичної теорії технічної електродинаміки, використовуючи вирази для векторного потенціалу [22]. Відомо, що вектори напруженості магнітного H й електричного Е полів пов’язані з векторним потенціалом залежностями:

, , (2.32)

де µ _a – абсолютна магнітна проникність середовища А _э = µ _a Il e^{4- jkr} /(4 πr);
I – струм у провіднику; l – довжина провідника;

ε _a – абсолютна комплексна діелектрична проникність;

r – відстань від випромінювача до вимірювальної антени (точки нагляду);

k – хвильове число.

 

 

Рисунок 2.8 – Сфера поширення випромінювання точкового диполя

 

Розкладемо векторний потенціал на радіальну (А _r), кутомісну (А _θ) й азимутну (А _φ) складові

, , . (2.33)

У сферичній системі координат складові вектора напруженості електричного поля описуються наступними виразами:

, (2.34)

, (2.35)

 

.

Вектор напруженості електричного поля має вигляд Е = rЕ_r + θ Е _θ. Силові лінії вектора E лежать у меридіональних площинах. Складова Е _θдосягає максимального значення при θ= π/2 в екваторіальній площині та дорівнює нулю на осі диполя. Тому вимірювання ПЕМВ необхідно здійснювати у напрямі максимального випромінювання технічного засобу при θ= π/2. Складова Е_r пропорційна cos θ та досягає максимуму на осі диполя, а в екваторіальній площині дорівнює нулю.

З урахуванням хвильового опору середовища без втрат ρ₀ = (µ _a /ε _a)^1/2, швидкості поширення v₀ = (µ _a /ε _a)^-1/2 та довжини хвилі λ = v/ f вираз (2.35) для Е_θ можна представити у вигляді:

. (2.36)

При вимірюванні напруженості електричної складової поля за допомогою селективних мікровольтметрів або АКОР-3ПК використовується режим пікового або квазіпікового детектування [23, с. 53]. У цьому випадку амплітуда напруженості електричної складової поля може бути виражена таким чином:

, (2.37)

де , , .

 

Простір навколо точкового випромінювача умовно поділяється на три зони – ближню, проміжну та дальню. Характер залежності амплітуди електричної складової від дальності залежить від того, в якій зоні розташована точка спостереження.

Розглянемо залежності амплітуди електричної складової у ближній, проміжній і дальній зонах.

Ближня зона. Під ближньою зоною, або зоною індукції, розуміється область навколо випромінювача, для якої | kr | << 1, де k = 2π/λ – хвильове число. Отже, r << λ/2π. Враховуючи, що | kr | << 1, приймаємо | kr | = 0. У цьому випадку вирази (3) та (4) можна привести до вигляду:

, . (2.38)

Дальня зона. Під дальньою зоною розуміється область простору навколо випромінювача, для якої | kr | >> 1 або r << λ/2π. Нехтуючи доданками з вищими ступенями r у знаменнику, отримуємо

 

. (2.39)

Згідно з (8) амплітуди векторів поля змінюються обернено пропорційно першому степеню відстані r, тобто значно повільніше, ніж у ближній зоні.

Проміжна зона. Під проміжною зоною розуміється область простору навкруги випромінювача, в якому відстань r від випромінювача до вимірювальної антени сумірна з довжиною хвилі λ. Це означає, що жодним із доданків у (5) нехтувати не можна. У даній зоні формула для розрахунку електричної складової поля має вигляд:

, (2.40)

де А = ρ₀ Il /2 – енергетичний коефіцієнт.

Як бачимо, є помилкою вважати, що у проміжній зоні напруженість електричного поля обернено пропорційна квадрату відстані від джерела побічного випромінювання. Ця залежність більш складна.

На рис. 2.9 – 2.10 представлені графіки залежностей складових напруженості електричного поля від відстані до точки спостереження на частотах 50 і 200 МГц. Отже, поблизу джерела переважає квазістаціонарна складова Е_{m 1}, яка обернено пропорційна кубу відстані до точки спостереження (2.37), а у дальній зоні – складова поля випромінювання Е_{m 3}, яка обернено пропорційна відстані до точки спостереження. У точці перетину на віддаленні від джерела, що дорівнює λ/2π, всі три складові рівні. Зі зменшенням довжини хвилі дана точка зміщується у бік джерела, що означає зменшення розміру ближньої зони.

 

Рисунок 2.9 – Залежність складових напруженості електричного поля від відстані для 50 МГц

Рисунок 2.10 – Залежність складових напруженості електричного поля від відстані для 200 МГц

 

Взаємне порівняння внеску кожної зі складових в амплітуду напруженості електричного поля дозволяє визначити межі зон із достатньою для практики точністю. Відстанню до межі ближньої зони r _бл називають відстань від джерела ПЕМВ, на якому максимальна складова Е_{m 1} у ξ разів перевершує внесок складової Е_{m 2}. У межах даної відстані можна нехтувати складовими Е_{m 2} та Е_{m 3} і вважати, що результуюча амплітуда електричної складової поля дорівнює складовій Е_{m 1}.

З рівняння Е_{m 1} = ξ Е_{m 2} можна отримати шуканий вираз до межі ближньої зони r _бл = λ/(2πξ). Аналогічно, для межі дальньої зони отримуємо r _д = ξλ/(2π).

Величина прийнятого граничного внеску складових поля ξ залежить від необхідної точності та для практичних розрахунків може складати величину від 3 до 10. На рис. 3 та 4 вказані межі ближньої та дальньої зон при ξ = 10. На межі ближньої (дальньої) зони можна обмежитися значенням ξ = 3, за якого у виразі (6) з урахуванням зведення членів у квадрат величинами Е_{m 2} і Е_{m 13} (Е_{m 1} і Е_{m 2}) можна нехтувати порівняно з Е_{m 1}(Е_{m 3}). Так, для ξ = 3 межа ближньої зони складає r _бл = λ/(6π), а межа дальньої зони – r _д = 3λ/(2π).

Ширина проміжної зони залежить від довжини хвилі ПЕМВ і обраної точності розрахунків і дорівнює D = λ(ξ² - 1)/(2πξ). При ξ ≥ 3 ширину проміжної зони можна визначити виразом D ≈ ξλ/(2π). Таким чином, на фіксованій частоті ширина проміжної зони залежить лише від обраної точності розрахунків. У граничному випадку за великих значень ξ ширина смуги необмежено зростає, що приводить до необхідності враховувати всі члени у виразі (6) незалежно від відстані до джерела ПЕМВ.

На рис. 2.11 представлені залежності відстаней до меж ближньої та дальньої зон від частоти ПЕМВ при ξ = 3. Для стандартних (ГОСТ 16842-82) відстаней до вимірювача, рівні 1, 3, 10 м, на вимірюваній частоті завжди можна визначити, в якій зоні розташовується вимірювач.

 

Рисунок 2.11 – Залежності відстаней до меж ближньої та дальньої зон
від частоти ПЕМВ

 

У більшості практичних випадків на частотах вище 10 МГц вимірювач буде перебувати у проміжній або дальній (хвильовій) зоні. Відстань меж від джерела ПЕМВ визначається довжиною хвилі й зі збільшенням частоти зміщується у бік джерела. Розміри проміжної зони, за прийнятих обмежень, залежать від прийнятого граничного внеску складових поля на її межах.

Аналогічний підхід може бути використано й відносно точкового магнітного випромінювача.

Частотний діапазон побічних електромагнітних випромінювань, супроводжуючих інформативні сигнали, тягнеться від одиниць кілогерц до гігагерц і визначається крутизною фронтів імпульсів цифрових кодів, циркулюючих у ланцюгах засобу обробки інформації, що використовується (допоміжних технічних засобах та системах – ДТЗС). Так, для стандартного сучасного комп’ютерного монітора перехоплення інформації можливе на частотах аж до 1000-ї гармоніки тактової частоти, а рівень випромінювання, що становить у ближній зоні величину до десятків дБ, дозволяє приймати сигнали на відстані до декількох сотень метрів.

Проведений аналіз дозволяє зробити певні висновки та сформулювати критерії оцінки захищеності ДТЗС від витоку через ПЕМВ і наведення. ДТЗС вважаються захищеними, якщо:

– радіус «зони 2» для будь-якого пристрою, що входить до його складу та у будь-якому режимі функціонування, не перевищує мінімально допустимої відстані від ДТЗС до межі КЗ;

– радіус «зони 1» для будь-якого пристрою, що входить до його складу й у будь-якому режимі функціонування, не перевищує мінімально допустимої відстані від ДТЗС до ЗВА та РВА або відношення потужностей інформативного сигналу нормованої завади в усіх випадкових антен не перевищує на межі КЗ гранично допустиму величину;

– відсутні, що відходять від ДТЗС комунікації (що виходять за межі КЗ), або відношення потужностей інформативного сигналу до нормованої завади у них на межі КЗ не перевищує гранично допустиму величину.

Критерієм оцінки захищеності об’єкта обчислювальної техніки є сформульована раніше умова: якщо для пристрою ДТЗС відношення сигнал/шум (Δ) на вході приймального пристрою перехоплення секретної інформації не перевищує гранично допустимого значення δ в усіх можливих каналах витоку, тобто якщо, δ ≥ Δ = U _{с пік} / U _{ш ефф}, то пристрій захищений від витоку.

Тут, виміряне відношення небезпечний сигнал/завада (Δ) – це відношення амплітуди імпульсного сигналу до середньоквадратичної напруги завади на вході приймального пристрою

Об’єкт вважається захищеним у цілому, якщо захищено кожен пристрій.