Материал: Программно-аппаратная защита речевой информации от утечки по виброакустическому каналу. Гончаров И.В., Мешкова А.Ф
1.6. Проблемы обеспечения безопасности информации от утечки по виброакустическому каналу
Средства защиты информации (СЗИ) создают помехи не только средствам обнаружения и съема информативных сигналов, но и мешают проведению закрытых мероприятий в защищаемых помещениях и демаскируют факт применения специальных СЗИ. К тому же их применение чаще всего не обусловлено эффективным использованием характеристик элементов каналов утечки информации. Так же, стоит отметить тот факт, что при использовании СЗИ, не всегда осуществляется постоянный контроль защищенности. При установке СЗИ часто не учитываются следующие факторы: размер стекла, количество стекол, прочность соединения стекла и рамы, расположение стояков отопления и водоснабжения.
2. Разработка устройства защиты речевой информации от утечки по виброакустическому каналу с использованием usb технологии
2.1. Спецификация usb
2.1.1. Общая архитектура usb
Шина USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина) появилась в начале 1996 года как попытка решения проблемы множественности интерфейсов. К тому времени персональные компьютеры (ПК) были оснащены большим количеством разнообразных внешних интерфейсов, полезных и необходимых, но обладающих одним недостатком: все они требовали своего специального разъема и, чаще всего, выделенного аппаратного прерывания (IRQ, Interrupt ReQuest).
Первая спецификация (версия 1.0) USB была опубликована в начале 1996 года, а осенью 1998 года появилась спецификация 1.1, исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, в которой предусматривалось 40-кратное повышение пропускной способности шины. Так, спецификация 1.0 и 1.1 обеспечивает работу на скоростях 12 Мбит/с и 1,5 Мбит/с, а спецификация 2.0 — на скорости 480 Мбит/с. При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.x, т. е. "старые" USB 1.x устройства будут работать с USВ 2.0 контроллерами, правда, на скорости 12 Мбит/с [23].
Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:
- легко реализуемое расширение периферии ПК;
- дешевое решение, позволяющее передавать данные со скоростью до 12 Мбит/с (480 Мбит/с для USB 2.0);
- полная поддержка в реальном времени голосовых, аудио и видеопотоков;
- гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;
- интеграция с выпускаемыми устройствами;
- охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК;
- обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;
- создание новых классов устройств, расширяющих ПК.
Спецификация USB определяет следующие функциональные возможности интерфейса:
- простота использования для конечного пользователя:
простота кабельной системы и подключений;
скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;
самоидентифицирующиеся устройства с автоматическим конфигурированием;
динамическое подключение и переконфигурирование периферийных устройств;
- широкие возможности работы:
пропускная способность от нескольких Кбит/с до нескольких Мбит/с;
поддержка одновременно как изохронной, так и асинхронной передачи данных;
поддержка одновременных операций со многими устройствами (multiple connections);
поддержка до 127 устройств на шине;
передача разнообразных потоков данных и сообщений;
поддержка составных устройств (периферийных устройств, выполняющих несколько функций);
низкие накладные расходы передачи данных;
снижение уровня мешающего воздействия на защищаемые объекты;
повышение скрытности применения средств ЗИ.
использование персонального компьютера для управления СЗИ.
При этом для ЗИ в защищаемом помещении можно использовать средства ЗИ [7], создающие не только виброакустические помехи, но и прямые акустические помехи.
В первом случае зашумляются элементы конструкции защищаемого помещения.
Во втором случае создается специальная система объемного акустического зашумления, максимальные амплитуды помех которой распределены по периметру защищаемого помещения, оставляя зону переговоров незашумленной.
В обоих случаях снижения уровня мешающего переговорам воздействия помех добиваются путем совершенствования структуры помехового сигнала. Возможными направлениями совершенствования структуры помех в этом случае являются:
разработка помех, использующих диссипативные свойства строительной конструкции;
разработка помех, сходных по свойствам с защищаемой речью (речеподобных помех);
использование в качестве акустических помех аддитивную смесь передач нескольких произвольных радиостанций.
Таким образом, характеристиками параметров защищенности акустической информации от утечки по вибрационному каналу являются:
- величина мощности акустических сигналов;
- величина дальности действия микрофона;
- величина чувствительности микрофона;
- значение угла направленности микрофона;
- значение коэффициента усиления.
Характеристиками параметров обусловленных процессом защиты акустической информации от утечки по вибрационному каналу является:
- величина звукоизоляции помещения;
- величина акустических помех при использовании генераторов акустического шума;
- значение времени использования технических средств подлежащих защите;
- использование на защищаемом объекте сертифицированных ТСОИ и ВТСС;
- величина радиуса контролируемой зоны;
- организация радиоконтроля.
Общими характеристиками параметров вероятности совпадения условий ведения разведки и характеристик утечки информации являются:
- значение вероятности совпадения, времени работы средства разведки и объекта защиты;
- значение вероятности определения противником информативного сигнала при существующем значении мощности излучения;
- значение вероятности совпадения дальности действия микрофона и радиуса контролируемой зоны.
Исследования проявления эффекта модулирующих свойств строительных конструкций при воздействии на них специальными импульсными вибрационными сигналами показали следующее. При воздействии на строительные конструкции нестационарными импульсными сигналами с определенными характеристиками маскирующий шумовой сигнал формируется за счет возбуждения по случайному во времени закону собственных колебаний инерционной системы "вибропреобразователь – строительная конструкция" с последующим аддитивным и мультипликативным наложением на информативный сигнал [12].
Явление, вызывающее описываемый эффект модуляции, положено в основу разрабатываемого устройства.
- равномерная пропускная способность:
гарантированная пропускная способность и низкие задержки голосовых и аудиоданных;
возможность использования всей полосы пропускания;
- гибкость:
поддержка разных размеров пакетов, которые позволяют настраивать функции буферизации устройств;
настраиваемое соотношение размера пакета и задержки данных;
управление потоком (flow control) данных на уровне протокола;
- надежность:
контроль ошибок и восстановление на уровне протокола;
динамическое добавление и удаление устройств прозрачно для конечного пользователя;
поддержка идентификации неисправных устройств;
исключение неправильного соединения устройств;
- выгода для разработчиков:
простота реализации и внедрения;
объединение с архитектурой Plug and Play;
- дешевая реализация:
дешевые каналы со скоростью работы до 1,5 Мбит/с;
оптимизация для интеграции с периферией;
применимость для реализации дешевой периферии;
дешевые кабели и разъемы;
использование выгодных товарных технологий;
- возможность простого обновления.
Обычная архитектура USB подразумевает подключение одного или нескольких USB-устройств к компьютеру, который в такой конфигурации является главным управляющим устройством и называется хостом. Подключение USB-устройств к хосту производится с помощью кабелей. Для соединения компьютера и USB-устройства используется хаб. Компьютер имеет встроенный хаб, называемый корневым хабом [23].
Физическая архитектура USB определяется следующими правилами (рис. 2.1):
- устройства подключаются к хосту;
- физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб;
- центром каждой звезды является хаб;
- каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки: хост с хабом или функцией, хаб с функцией или другим хабом;
- к каждому порту хаба может подключаться периферийное USB-устройство или другой хаб, при этом допускается до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.
Рис. 2.1. Физическая архитектура USB
Детали физической архитектуры скрыты от прикладных программ в системном программном обеспечении (ПО), поэтому логическая архитектура выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладное ПО, а вершинами — набор конечных точек (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Логическая архитектура USB
Прикладная программа ведет обмен информацией с каждой конечной точкой [33].
Составляющие USB
Шина USB состоит из следующих элементов:
- хост-контроллер (host controller) — это главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств на шине USB. Для краткости мы будем писать просто хост. На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB:
- устройство (device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (compound device);
- порт (port) - точка подключения;
- хаб (hub, другое название — концентратор) — устройство, которое обеспечивает дополнительные порты на шине USB. Другими словами, хаб преобразует один порт (восходящий порт, upstream port) во множество портов (нисходящие порты, downstream ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5). Хаб распознает подключение и отключение устройств к портам и может управлять подачей питания на порты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хаб может ограничивать ток, потребляемый каждым портом;
- корневой хаб (root hub) — это хаб, входящий в состав хоста;
- функция (function) — это периферийное USB-устройство или его отдельный блок, способный передавать и принимать информацию по шине USB. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности периферийного USB-устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом — ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации;
- логическое USB-устройство (logical device) представляет собой набор конечных точек.
Свойства USB-устройств
Спецификация USB достаточно жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство:
- адресация - устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;
- конфигурирование - после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;
- передача данных - устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;
- управление энергопотреблением - любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;
- приостановка - USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает '500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;
- удаленное пробуждение - возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена [33].
2.1.2. Принципы передачи данных
Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом [23].
Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.
Все операции по передаче данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные USB-устройства сами начать обмен данными не могут. Они могут только реагировать на команды хоста.
Для шины USB настоящего механизма прерываний (как, например, для последовательного порта) не существует. Вместо этого хост опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1-32 мс. Устройству разрешается посылать до 64 байт данных [24].
С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хостом, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.
Режимы передачи данных
Пропускная способность шины USB, соответствующей спецификации 1.1, составляет 12 Мбит/с (т. е. 1,5 Мбайт/с). Спецификация 2.0 определяет шину с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Полоса пропускания делится между всеми устройствами, подключенными к шине.
Шина USB имеет три режима передачи данных:
- низкоскоростной (LS, Low-speed);
- полноскоростной (FS, Full-speed);
- высокоскоростной (HS, High-speed, только для USB 2.0).
Логические уровни обмена данными
Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач [25]. Логическое и реальное взаимодействие между ними показано на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Взаимодействие компонентов USB
Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:
- уровень клиентского ПО в хосте:
обычно представляется драйвером USB-устройства;
обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;
- уровень системного драйвера USB в хосте (USBD, Universal Serial Bus Driver):
управляет нумерацией устройств на шине;
управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
обрабатывает запросы пользовательских драйверов;
- уровень хост-контроллера интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):
• преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым выполняются физические транзакции;
• работает с регистрами хоста.
Уровень клиентского ПО
На уровне клиентского программного обеспечения определяется тип передачи данных, необходимый для выполнения затребованной прикладной программой операции. После определения типа передачи данных на системный уровень передается следующее:
- буфер памяти, называемый клиентским буфером;
- пакет запроса на ввод/вывод (IRP, Input/output Request Packet), указывающий тип необходимой операции.
IRP содержит только сведения о запросе (адрес и длина буфера в оперативной памяти). Непосредственно обработкой запроса занимается системный Драйвер USB [33].