光纖通信的光信息獲取及防護技術研究

孔慶善 康 迪 王 野 張 萌 黃偉慶

1(中國科學院信息工程研究所 北京 100093)2(國家保密科技測評中心 北京 100044)

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光纖通信的光信息獲取及防護技術研究

孔慶善1康 迪2王 野1張 萌1黃偉慶1

1(中國科學院信息工程研究所 北京 100093)2(國家保密科技測評中心 北京 100044)

(kongqingshan@iie.ac.cn)

針對光纖信息泄漏的檢測方法，分為點對點的低速通信的直接檢測與高速DWDM通信的相干檢測方法；首先介紹對應的檢測原理，然后給出實際測試結果與分析，進而指出目前的光纖通信系統存在信息泄漏的隱患.針對光纖信息泄漏的隱患，提出基于OFDR光頻域反射檢測的光纖信息的防護方法,并給出針對無源光網絡的檢測方法及結果分析.

相干檢測；光纖泄漏；光頻域反射檢測；密集波分復用

光纖通信以其寬帶寬、大容量、高速率等優勢一躍成為現代通信網絡的重要支柱.尤其是在全光網絡(AON)和自動交換光網絡(ASON)出現之后，光網絡又集成了透明性、智能化和柵格化等更多優點，其應用前景更加廣泛、長久.目前，全球90%以上的信息通信都由光網絡承載，光網絡已成為社會不可或缺的、重要的戰略基礎設施.

采用光電技術的各種新型設備在辦公場所中已經開始出現，例如：樓宇內的光纖視頻監控系統、光纖通信到戶網(光纖電話等).還有激光投影儀、可見光LED照明通信等也逐漸開始試點應用.在受高新技術帶來的優質的用戶體驗外，也面臨機密信息、用戶隱私等可能泄密的隱患.據報道2005年3月，美軍核動力攻擊潛艇“吉米·卡特”號正式服役，具有竊聽海底光纜能力的一艘特種潛艇使得光纖通信不再安全；因此，光纖信息泄漏檢測與防護平臺的研制對于光纖通信在保密應用場所的物理安全性檢測與防護具有重要意義.

圖1 光纖安全攻擊類型

在全光網絡中，數據的傳輸和處理速率是非常高的，這種高的速度可能是如今的網絡處理速度的上千倍，因此有2個非常重要的安全隱患需要引起重視：一是哪怕是對網絡非常短暫或者不常見的有規律的攻擊，都有可能造成大量的數據出錯或被泄漏，其量級是相當可觀的；二是由于終端用戶仍會保留使用較慢的電子網絡規定的協議(如選定路由的TCPIP)，以這些協議定義的數據流在鏈路和網絡中傳輸會長距離的高速度運行，這時如果攻擊者用分散的或低功率的方法進行拒絕服務攻擊，要探測到它會相當困難.另外，全光網絡沒有能力在節點上重建數據流，而且透明網絡中的中繼器也會使得通信中段到段的測試變得非常復雜，這就使得采用通常的方法找到攻擊和故障位置變得非常困難,目前的光纖安全攻擊類型如圖1所示：

本文將從光纖信息泄漏檢測技術、光纖泄漏防護技術2個方面討論光纖安全領域所涉及到的處理技術，詳細介紹光纖信息泄漏直接檢測與相干探測的原理及測試結果，基于OFDR的光纖泄漏防護技術的原理分析，最后展望光纖安全與防護的安全研究發展趨勢.

1 光纖信息泄漏技術的應用

通過改變光纖的某些物理特性可以獲得在光纖中傳輸的信號，光纖竊聽手段基本上可以分為侵入式和非侵入式[1-2].前者需要對光纖進行切割并重新進行連接，而后者并不切斷光纖或造成任何業務的中斷即可達到竊聽目的.侵入式竊聽主要有光束分離法，非侵入式竊聽主要包括光纖彎曲耦合法、倏逝波耦合法、V型槽法和光柵法[3-5].

其中，V型槽法和光柵法需要精密的設備且部署很困難.本文以彎曲耦合法展開實驗研究.

圖2 光纖泄漏直接檢測類型

將光纖適當地彎曲，迫使在其中以完全反射方式前進的光信號的傳輸路徑發生改變，并泄部分信號到光纖外面，這種光纖彎曲的曲率半徑比光纖芯徑(8 μm～10 μm)大得多，在毫米級以上.使光在光纖中的傳播特性發生變化，大量的傳導模被轉化成輻射模，不再繼續傳輸，而是進入包層或涂敷層被吸收，甚至輻射出涂敷層，從而引起光纖的附加損耗.

下面針對點對點的低速通信的直接檢測與高速DWDM通信的相干檢測方法，我們對原理及實驗結果進行具體介紹.

1.1 光纖泄漏直接探測技術

1.1.1 系統構成

目前廣泛使用的是“剝光纜、彎光纖、取信號、解信息”4步光纜竊聽法.其中要解決的技術難題在于后3步，這也是構建一個良好光纜竊聽系統的重點.

利用長波長光信號對彎曲功率損耗敏感度較高的特點實現竊聽檢測，其基本原理是：將長波長光信號與通信信號共同耦合入被測光纖傳輸，光功率監測模塊的采集單元對末端的長波長信號光功率進行監測采集，光功率控制單元對監測的光功率數據進行分析比較，在發生超過竊聽門限值的光功率變化時發出告警，從而實現該光纜竊聽的檢測.

圖2是基于長波長光信號的竊聽檢測系統實現方案：在光纖一端加入一定波長如1.6 μm的長波長光信號，與通信信號一起加入耦合器.在光纖的另一端經耦合器輸出送入光濾波器.長波長光信號送入光電探測器的光譜分析模塊把光信號變為電信號，進行數據解釋.再選擇相應的放大倍數將電信號放大后送入模數轉換器，將電信號換算成相應的光功率值，從而得到光功率泄漏值.實驗之前要根據無竊聽時取出的長波長信號光功率值設定合理的閾值，如果光功率值超過竊聽閾值，則表明光纜遭受竊聽；如果光功率值與竊聽閾值接近則無竊聽.

整個竊聽系統由以下幾個部分構成：長波長光信號源、耦合器、光濾波器、光電檢測器及數字信號處理單元等組成，如圖2所示.長波長光信號源用于提供對彎曲泄漏敏感的長波長光信號，本系統采用波長為1.6 μm的光源；耦合器主要完成將通信光信號和長波長光信號在一端注入光纖傳輸，同時在另一端通過耦合器把長波長光信號取出2個任務；光濾波器可以濾出原始光信號，避免對另一端器件造成干擾；光電檢測器用來檢測分離出的長波長光信號，使其轉換成電信號，之后經過數字信號處理單元完成電信號放大、整形及光功率換算等.

1.1.2 測試結果

采用彎曲耦合器將光纖傳輸的1%光信號耦合出來，經過光放大與光電轉換，時鐘數據恢復模塊可以獲得信號如圖3所示：

圖3 光纖泄漏直接探測的電信號波形

將轉換的電信號根據對應的協議信息，可以還原出光纖中傳輸的信息.

1.2 光纖泄漏相干探測技術

當前，每個波長傳輸速率為40 Gbps的DWDM技術是當前光纖通信研究的熱點之一.在40 Gbps的DWDM系統中，限制其傳輸性能的主要因素除噪聲和色散(包括群速度色散GVD和偏振模色散PMD)外，光纖的非線性效應也顯得特別突出[6-7].如今10 Gbps系統已經商用化，因此有必要要求40 Gbps的系統與現存的10 Gbps系統有相同的放大器間隔，為此40 Gbps系統應與10 Gbps系統有相同的信噪比，這就要求40 Gbps系統比10 Gbps系統有更高的入纖光功率.高的入纖光功率必然導致非線性效應.在單信道系統中，光纖的非線性主要是自相位調制(SPM)，在多信道系統中還包括交叉相位調制(XPM)、四波混頻(FWM)、受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)等.為了克服40 Gbps系統的傳輸損傷，有必要引入一些關鍵技術、采用分布喇曼放大(DRA)、對GVD和PMD完全補償(包括色散斜率的補償)、選擇傳輸性能較好的調制格式、引入糾錯碼等.在10 Gbps及以下的系統中，普遍采用的是非歸零碼(NRZ).在40 Gbps系統中，尤其是長距離傳輸中，NRZ難以滿足性能要求.此時，新的調制格式對傳輸性能的改善便引起了人們的關注，尤其是在非線性效應、信道串擾、GVD容限和PMD容限等方面的傳輸性能有所改善.新的調制格式的提出對高速系統的發展有進一步的推動作用.因此，新的調制格式在10 Gbps和40 Gbps系統中的研究有著重要的意義.

1.2.1 原理介紹

在高速光纖通信系統中碼型的選擇是決定傳輸質量和光譜效率的主要因素.碼型的選擇和信道速率、信道波長間隔、光放大器的選擇、光放大器放置間隔、光纖的類型、色散管理策略等各種因素密切相關.分析非歸零碼(NRZ)、歸零碼(RZ)和載波抑制歸零碼(CS2RZ)碼型的產生方式及特點，對恰當地選擇合適的調制格式是至關重要的[8-9].

編碼調制技術是長距離、高速光傳輸系統的關鍵技術之一.由于不同的線路碼型抗光纖信道中噪聲、色散、非線性影響的能力不同，選擇合適的碼型能夠在不增加其他設施的條件下延長光通信系統的最大傳輸距離，因而對編碼調制格式的研究備受人們關注.目前，編碼調制技術已成為長距離、高速DWDM傳輸系統重要技術.由于40 Gbps系統成本高,我們采用12.5 Gbps數據信號發生器產生BPSK信號，實現了高速BPSK的相干解調實驗.

1.2.2 實驗裝置

測試裝置如圖4所示；Tx發射機描繪包含一個可調諧激光源(TLS)，經過歸零(RZ)脈沖調制器和數據調制器產生一個12.5 Gbps的二進制相移鍵控(BPSK)光學信號.其中TLS由跳變控制器控制，可實現波長周期性地跳躍到指定的波長.碼型發生器產生成幀偽隨機比特序列(PRBS)的數據.所使用的PRBS碼型的字長度為215-1.2個連續波激光器(λ1和λ2)與可調諧激光器來模擬光網絡的DWDM通道.所有這3個激光器的調制相同的PRBS數據.該可調諧激光器的波長調諧至1545.32 nm，而λ1和λ2與1545.32 nm激光器被波長間隔調整為±25 GHz.BPSK信號是通過約1 km單模光纖發送.所發送的BPSK信號由本激光器(LO)拍頻獲得信號探測器實現拍頻接收.

本振激光器是由可調諧激光器來實現以確保相位和頻率鎖定.BPSK信號和本振激光器經過1 km的光纖反向平衡傳輸，通過使用光環形器，保持相位相干性，減少相位漂移.所發送的BPSK信號和本振激光器經放大傳輸到鈮酸鋰90度光混合器.通過使用手動偏振控制器，對輸入信號和本振激光器的偏振狀態進行調整到與光混合器的軸對齊.2個混合的輸出連接到平衡檢測器.平衡探測器用于測量眼圖模式或測量誤碼率BER.為了使眼圖掙得最大，構造相位控制回路，使得BPSK信號和本振激光器之間保持合適的穩定的光學相移.混合器的輸出可以產生一個與眼圖張開程度成正比的反饋信號.通過一個臺式計算機計算產生反饋信號，用于移相器和光混合器的相位控制信號.由于相位控制信號輸出電壓限制，反饋回路的復位信號的脈沖寬度為0.5～10 min，與控制回路參數、由于環境擾動的相位漂移和偏振漂移有關.在接收器中并沒有采用時鐘恢復.碼型發生器的時鐘輸出連接到用于同步的錯誤檢測器.

圖4 光纖泄漏相干檢測類型

1.2.3 測試結果

采用零差檢測的竊聽者使用的非對稱馬赫-曾德爾(AMZ)干涉儀解調BPSK信號.AMZ干涉儀是由光纖延遲線與耦合器件獲得差分延遲，對應一個符號周期(80 ps)的延遲.零差竊聽者將本振激光器通過3 dB光纖耦合器，實現干涉拍頻解調得出BPSK信號.本振激光器連續輸出，波長為1 546.37 nm.竊聽者的輸出顯示在取樣示波器.由于TLS的穩定性和相位控制，BPSK信號的波長跳頻用光學光譜分析儀(OSA)和一個波長計進行監控，如圖5所示.

如果竊聽者不能跟蹤馬-增調制器信號波長的光的差分相移(0或π用于BPSK)，偏離BPSK信號跳頻波長，接收端不能得到眼圖.對于多通道的情況下，竊聽者將需要一個可調諧光學濾波器來過濾其他信道，且必須跟蹤跳頻信號的波長，以恢復所發送的數據.當竊聽本振波長與BPSK信號(1 545.32 nm)的波長一致時，可以觀察到眼圖，如圖6所示.

圖5 監測BPSK信號的波長

圖6 BPSK信號與本振信號一致時觀察到的眼圖

2 基于OFDR的光纖泄漏防護技術

通常情況下，光時域反射檢測(OTDR)技術作為一種分布光纖傳感器已廣泛應用到光纜線路的工程和維護中,然而竊取光纖中傳輸的信息所引起的光纖損耗往往非常小，OTDR很難將它分辨出來，因此,常規OTDR以及海底光纜中常用的C-OTDR均不易直接用于防竊聽探測,而偏振光時域反射技術(POTDR)和邁克爾遜干涉技術是較為可行的方案.

偏振光時域反射技術(POTDR)用于測量光脈沖在光纖傳輸中偏振態的演變過程.在由光纖引起的偏振態變化已知的情況下,偏振態演變的速度就與外界擾動(外界擾動同素主要包括溫度、壓力、應變等)的程度有關,并且有實驗表明光偏振態對外擾動的變化不僅敏感而且有較好的對應關系,因此在光纖監測領域有著良好的潛在應用前景.另外,邁克爾遜干涉技術在安全監測方面已經獲得了實際的應用，它利用了相干光脈沖的相位對周圍環境敏感的原理，當兩束特征相同的光在不同的光纖(信號光纖、參考光纖)中傳播時，如果信號光纖中的光受到外界的擾動,則通過干涉技術輸出后就可以檢測出光纖受擾動的位置和程度,其空間分辨率高、測量精確,但光路設計嚴格.

但是，以上2種技術對光網絡所有分支的鏈路情況進行監測，其成本高，而且鋪設麻煩.因此，本文提出基于光頻域反射(OFDR)的監測方案.這使得網絡運營商可以降低故障搶修時間，使網絡的中斷時間大大降低，從而增加了網絡的可靠性[10-12].

2.1 OFDR監測理論計算

基于光頻域反射原理的監測系統利用在不同用戶端上每個干涉元件反射強度隨波長變化不一樣，經由波長掃描后，將這個強度隨波長變化的波形轉換到時間軸上，接收后再由快速傅里葉變換轉換成頻域上的變化，方便觀察.如果分布光纖發生故障，則在干涉元件中不能產生相應的干涉頻率，因而不能在接收終端看到相應分支干涉頻率產生的頻譜.

根據光的相干理論，如果來自于同一相干光源的2路光信號能夠滿足相干條件，在空間中的某一點相遇就會產生干涉.鋸齒波調制的FMCW信號是采用鋸齒波對角頻率進行調制形成的光信號，而光的相關理論同樣適用FMCW信號.下面討論鋸齒波調制的FMCW信號的相干原理.

定義2路鋸齒波調制的FMCW信號為參考信號與初始信號.參考信號函數表示為

初始信號函數表示為

當2路光信號產生干涉，干涉信號強度表示為

(1)

干涉信號角頻率ωb=ΔωτTm=ατ，初始相位φb0=ω0τ.假設一個PON系統有32個ONU用戶，監測信號是32路FMCW干涉信號的疊加，總的電場強度可以表達為

(2)

根據式(1)，如果要對32個用戶進行監測，需要產生32個不同的ωb對應于32個不同用戶，即需要產生32個不同的延時τ.

對于法布里-珀羅諧振腔而言，干涉元件時間延遲τ與腔體厚度d的關系可以表達為

(3)

其中c為光速，n是腔體的反射率.

掃描頻率范圍Δf與波長范圍Δλ轉換關系為

(4)

其中，λ是起始的掃描頻率.因此，根據式(1)、式(3)和式(4)可以得到干涉信號頻率fr(fr=ωb2π)與法布里-珀羅諧振腔的厚度d之間的對應關系：

(5)

綜合式(1)～(5)可以看出，若要產生32路監測信號，則要產生32個不同的干涉頻率fr，這需要參考光信號與原始光信號產生不同的光程差，形成不同的延遲.所以，為了產生不同的延遲需要采用法布里珀羅諧振腔制作的干涉元件應該具有不同的厚度d.

由式(5)可知，在給定腔體反射率、掃描波長范圍Δλ和鋸齒波周期Tm的情況下，干涉頻率fr與腔體厚度d呈線性關系.為了便于觀察監測信號，在實驗設計中，設計接收到的監測信號頻譜是8.055～14.232 kHz內的32個等間隔干涉頻譜，每個用戶可以分配193 Hz的監控頻寬，而對應的法布里-珀羅諧振腔厚度d為2.83～5 mm，每個用戶端的法布里-珀羅諧振腔厚度d以0.07 mm的等間隔增加，如圖7所示：

圖7 干涉頻率與元件厚度的關系

2.2 OFDR監測方案

首先于中心局端放置一個線性掃頻光源，光源在鋸齒波的驅動下，使輸出光信號隨著時間做線性的波長變化，發出頻率調制連續波(FMCW)信號S0.信號S0經過1×N分光器后進入N條分布光纖，在ONU端經過濾波器進入干涉元件，并且產生不同干涉頻率的干涉信號S01～S0n，干涉信號S01～S0n經由干涉元件的反射，由原路反射回中心局，經過環形器進行光電轉換，對轉換后的電信號進行快速傅里葉變換，然后在頻譜分析儀上進行觀察[13-16].

由于PON系統中的業務傳輸分別使用了下行1 550 nm,1 490 nm波長，以及上行1 310 nm波長，因此，為了避免對正常業務信號產生干擾，實際的監測信號波長需要避開正常的業務信號使用的波長范圍.對32路用戶光纖監測仿真結果如圖8所示:

圖8 OLT端接收到的32個用戶的監測頻譜

3 結 論

本文詳細討論了光纖信息泄漏的檢測方法，分為點對點的低速通信的直接檢測與高速DWDM通信的相干檢測方法；分析了其檢測原理，并給出實際測試結果與分析.進而提出了基于OFDR光頻域反射檢測的光纖信息的防護方法.給出針對無源光網絡的檢測方法及結果分析.隨著物聯網、互聯網時代的到來，對光纖傳輸的容量和速度及安全性要求越來越高，尤其是在光子集成技術即將應用，具有非常大的發展空間.現階段，光纖通信的安全是研究熱點，必定在不遠的將來會出現新型的安全通信體系，達到滿足國家的戰略需求的目標.

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孔慶善

博士，助理研究員，主要研究方向為光纖安全通信、光纖傳感、光電成像檢測.

kongqingshan@iie.ac.cn

康 迪

碩士，工程師，主要主要研究方向為安全產品檢測(防火墻、入侵檢測、漏洞掃描和安全網關等)、信息系統測評(網絡滲透攻擊和安全配置檢查等).

nsstec_kangd@163.com

王 野

碩士，助理工程師，主要研究方向為光纖傳感檢測等.

wangye@iie.ac.cn

張 萌

碩士，工程師，主要研究方向為電磁泄漏發射檢測技術、通信安全、計算機系統結構、嵌入式系統等.

zhangmeng@iie.ac.cn

黃偉慶

碩士，研究員，博士生導師，主要研究方向為電磁安全(電磁泄漏發射檢測與信息還原、紅黑信號識別)、信號處理、虛擬化安全等.

huangweiqing@iie.ac.cn

Eavesdropping Attacks on Optical Fiber Communication and Countermeasure of Optical Fiber Sensing Technology

Kong Qingshan1, Kang Di2, Wang Ye1, Zhang Meng1, and Huang Weiqing1

1(InstituteofInformationEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093)2(NationalSecrecyScienceandTechnologyEvaluationCenter,Beijing100044)

As fiber communication becomes more and more important, this paper first analyzes fiber information leakage detection methods, including point to point the low-speed communication and high speed DWDM communication coherent detection method. Based on the corresponding detection principle, we get actual test results and analysis, which reveal that the information leakage risks. According to the optical information leakage risks, protection method of optical fiber information based on optical frequency domain reflectometry is introduced.

coherent detection; optical leakage; OFDR; DWDM

2016-01-23

中國科學院戰略先導專項(XDA06010701)

TP393.03