海光纜安全防護分析

◆陳愛國

海光纜安全防護分析

◆陳愛國

（92912部隊 浙江 315122）

海光纜通信是主要的跨海跨洋通信方式，是水下信息傳輸網的基礎。本文分析了海光纜面臨的安全隱患，從海光纜規劃、設計、路由勘察、工程施工等方面，闡述了海光纜安全加固的方法，提出了在運維階段運用海光纜全方位監控、入侵檢測等技術措施保障海光纜安全。

海光纜；安全防護；入侵檢測

海光纜通信具有較好的保密性能、較強的抗干擾能力，傳輸速度快、傳輸成本低，在遠距離通信中發揮著至關重要的作用，承擔了90%以上的洲際通信任務[1]。海光纜不僅是全球寬帶網絡的基礎，還是水下信息網信息傳輸的唯一可靠手段，海洋環境監測保護、地震海嘯災害監測與預防，海底資源勘探與開發與利用等，都離不開光電復合纜構成的水下信息傳輸網。但大多數海光纜都處于不設防狀態，一旦中斷，就有可能導致全球寬帶網中斷，特別是隨著海洋權益爭奪越加激烈，以海光纜為核心的水下信息傳輸網安全防護就顯得越發重要。

1 海光纜信息傳輸面臨的安全威脅

海光纜信息傳輸主要面臨四大類風險，分別為海底環境風險、海面目標風險、海光纜自身風險和人為風險。海底環境風險包括海流、海床運動、海底環境等帶來的風險；海面風險包括航運、漁業、海洋工程等帶來的風險；海光纜自身風險包括海光纜路由位置、自身質量、施工質量等帶來的風險；人為風險包括信息竊聽等信息安全風險。

1.1 海底環境風險

海洋環境復雜，可能影響海底光纜安全的因素有很多，如急流沖走泥沙引起的光纜懸空、地震造成的海底斷層、海底的濁流運動及海床碎石造成的磨損等。在水深大于1000米的深水區，影響海底光纜安全最大的因素是地震，會對海光纜造成嚴重破壞。如2006年12月的臺灣花蓮附近海域地震造成周邊大面積海光纜損壞，2011年3月日本福島海域大地震，造成日本以東數十條海底光纜中斷[2]。

1.2 海面目標風險

在海面目標風險中，船錨是威脅海光纜安全的主要因素，經統計錨害占到人為因素對海光纜破壞總量的1/3以上，船錨可刺入海底將海光纜直接刺斷，起錨、走錨時可能會將海光纜拉斷。海洋漁業活動中，拖網、張網等作業，漁具會刺入海底一定深度，造成海光纜損傷，特別是對于新埋設還來不及底土回淤的海光纜威脅更大。

1.3 海光纜自身風險

海光纜自身風險包括海光纜質量風險和施工風險。海光纜質量風險主要由光纜材料、結構等自身因素引起，海光纜使用周期長，海底環境惡劣，較強的海底壓力和拉力、長期與海床的磨損、海光纜抗腐蝕等性能等都會影響海光纜安全；施工風險是海光纜在埋設施工、維修作業時未嚴格按設計要求實施，影響海光纜安全。

1.4 法律障礙

現在人們保護海光纜的法律意識不強的主要原因是海光纜是跨海、跨洋乃至跨洲通信線路，各國保護水平與標準并不完全一致，盡管各國有司法互助協議等機制，但在實際操作中面臨諸多困難，特別是各國立法和相關國際公約等工作都比較滯后，比如美國對蓄意破壞國際光纖電纜系統的行為，最高只能處以2年監禁和5000美元罰款。這也是海光纜面臨的最大風險來自人類活動而不是環境或技術威脅的主要原因之一。

1.5 網絡攻擊風險

由于海光纜路由的特殊性，不僅定位難度大，信號在封閉的光纜中傳輸，信號竊取、信號干擾等難度也大，即使能夠竊取信號，信號傳輸也困難，與其他通信系統相比，海光纜傳輸相對安全可靠。但自20世紀90年代中期，美國家安全局首次成功進行海底光纜竊聽實驗開始，特別是美海軍“吉米·卡特”號核潛艇2005年2月開始服役，其主要功能之一就是海光纜竊聽，標志著海光纜不再是安全可靠的信息傳輸手段。

2 海光纜安全防護分析

海光纜通信在用戶端，光信號最終要轉換為電信號，連接有線網絡，目前有線網絡安全防護措施與技術比較成熟，但數據流從安全防護水平較高的有線網絡流向水平較低的海光纜時，可能會因海光纜安全防護薄弱導致各種風險，必須結合海光纜自身特點，加強安全防護工作。

2.1 海光纜線路安全加固

物理損壞是海光纜最大的安全威脅，海光纜維修成本高，維修周期長，在設計和施工階段，要綜合考慮人為和自然因素的影響，盡量使光路處于比較安全的位置，并使用具有高強度防護層的光纖，降低海光纜遭受物理破壞的概率。

（1）詳盡的海底環境勘察

海底環境勘察包括水深、海底地形地貌、海床特征、海底流的影響、地震活動、捕魚、疏浚、海洋資源開發、航運（錨地和禁錨區）活動等信息，為海光纜系統設計、安裝施工、運行維護提供翔實的環境資料。

（2）科學的路由設計

本著便于施工、便于維護，保證安全，保證使用壽命的原則，充分考慮威脅海光纜安全的潛在因素，避開風險較大的區域選擇海光纜路由。如避開不利的海底地形地質條件、穿越其他海底電纜管線、從事礦產資源開發的區域、可能發生海底地質運動的區域、海洋捕魚活動的區域、繁忙航道區域、規定的錨地、沉船和海底障礙物等。

（3）合理的纜型選擇

纜型選擇主要考慮信息傳輸的可靠性和適應性，在可靠性方面，能在數十年的使用周期內經受住海底惡劣環境的考驗，傳輸性能要穩定、損耗要低，這就要求海光纜具備防滲水、耐腐蝕、結構堅固、抗壓能力強、抗拉強度高、材料輕、微彎不敏感等特性；在海光纜適應性方面，根據不同的水深及海區活動特點，既要考慮保護海光纜不受損壞，又要考慮施工和維護難度，在淺水區（200米以內），人類活動較多，重點考慮海光纜物理保護，通常選擇雙鎧海光纜，強化自身抗損毀能力；在中等水深區域（200-1500米），受人類活動影響相對較少．通常采用結構相對輕便的單鎧海光纜，既減輕了施工維護難度，又具備一定的物理保護能力；在深水區（大于1500米），海光纜基本不受人類活動影響，主要考慮減輕施工維護難度，一般選用輕量保護型海光纜。

（4）精確的埋設施工

海光纜埋設階段，要嚴格按設計要求施工。一是要選擇合適的埋設機具，針對不同的海底地質，選擇合適的安裝設備，例如埋設機具選擇不合理，會導致埋設深度過淺，增加海光纜遭人為損壞的風險；二是要正確控制船速，海上施工，受風浪影響較大，船速控制不好會導致埋設機具躍動式前進，形成局部區域曲率、半徑缺陷；三是海光纜余量控制要按設計要求，避免日后維護、修復困難；四是海光纜張力要準確控制，避免施工風險，特別是在深水區施工，受海光纜拉重比等因素影響．可能會發生海光纜本體旋轉的情況，即使能勉強將海光纜布放入海．一旦發生故障也會因自重問題難以打撈出水維修。

2.2 海光纜線路全方位監控，

（1）海光纜故障檢測與預警

為了保證海光纜穩定暢通，需對海光纜進行實時監測，及時發現、及時排除故障隱患。海光纜線路監測通常采用光時域反射技術（OTDR），基本原理是遠程測試單元（RTU）監測設備配合快速故障定位等軟件來實現對海光纜線路監測[4]，RTU監測設備內嵌OTDR，將測試光耦合到被測光纖中，監測點的OTDR測試結果與參考數據進行比較，分析海光纜傳輸性能，及時發現、及時排除隱患。但OTDR技術僅對無中繼或從岸站到第一個中繼器間光纜段有效，對于有中繼海光纜，可以周期性地對所有中繼器進行測試并與紀錄進行比較，當某一個中繼段內的光纜發生故障使光纖受到輕微損傷或斷裂時，線路監控設備會顯示中繼器中相應的指標變化的狀況。

（2）海光纜線路入侵檢測

入侵檢測技術是針對海光纜線路受到惡意入侵、攻擊（如信息竊聽、信息注入）的一種有效監測手段，入侵海光纜，會引起海光纜線路性能變化，通過檢測海光纜線路的機械性能、電氣性能和光譜特性等變化，判斷入侵事件的性質，對入侵點進行定位，并給出相應的預警。用于海光纜入侵檢測的技術有基于相位敏感光時域反射技術（φ－OTDR）、基于偏振光時域反射技術（POTDR）、賽格納克（Sagnac）干涉儀技術、馬赫-澤德（MZ）干涉儀技術和調頻連續波（FMCW）技術等。Sagnac干涉儀技術和MZ干涉儀技術都至少需要占用兩根光纖，且必須有一根光纖是與擾動隔離的，需要另外鋪設擾動隔離的光纖，工程復雜，所以海光纜很少采用這兩種方案。

OTDR技術已廣泛應用到海光纜線路的工程維護中，但海光纜入侵引起的光纖損耗往往非常小，OTDR技術很難分辨，在OTDR基礎上衍生的φ－OTDR和POTDR技術，可檢測海光纜擾動情況，對擾動性質進行判定。這種方法存在兩個不足，一是檢測距離受限，對超長距離海光纜不適用；二是海底光纜會受到惡劣環境的影響，如何將竊聽者行為與正常外力區別開來，需要采集大量的數據進行分析。FMCW技術采用線性調頻的窄線寬光源注入到探測光纖中，外界的入侵行為會造成光纖擾動，影響光信號在探測光纖中的相位變化和瑞利反射變化，變化后的探測信號與本地光源在探測器上相干產生拍頻，通過解調拍頻的頻率就可以定位入侵的位置，無須另外鋪設傳感介質，有較高的空間分辨率，探測靈敏度高，可滿足超長距離的監測。

2.3 海光纜故障及時維修

海光纜維修技術復雜，工程難度大，海光纜中斷造成的損失大，及時、準確探測到海光纜的路由及故障點位置是影響維修效率的關鍵。盡管海光纜線路監控能定位故障點，但OTDR技術只能測試無中繼海光纜故障點，電壓測試、電容測試等技術只能檢測測試點到故障點之間的距離，在茫茫海底，找到直徑僅幾十mm的海光纜比較困難。目前有效的做法是采用水下機器人（ROV），前端裝備探測器、攝像頭等設備，船上操作人員通過計算機系統，測出故障海光纜位置，操縱ROV機械臂進行海光纜打撈、檢測、修復，再由ROV的埋設犁刀“挖出”溝槽，埋設海光纜。

3 結語

海光纜通信屬于光通信系統，陸地光纜網安全防護措施與技術均適用于海光纜通信系統。海光纜信號最終要轉換為電信號，隨著光傳輸速率的不斷增加，電網絡安全防護技術難以適應大容量、高速率、長距離傳輸的光信號，如現有的一些電網絡安全認證協議使用受到限制、現有的電子防火墻技術難以直接為光網絡提供安全隔離等服務、電網絡協議在使用到具有高比特率的光纖線路的網絡和傳輸層時，很容易受到業務中斷攻擊等。因此，海光纜的安全防護需依賴光網絡安全防護技術的進一步發展。

[1]隗小斐，吳學智. COTDR技術在海光纜監測中的應用[J].信息通信，2017．

[2]裘忠良. 保護海底光纜的技術措施[J]. 航海技術，2015.

[3]王瑛劍，董俊宏，胡斌. 對海底光纜進行竊聽的技術分析[J].艦船電子工程，2008.

[4]楊帆. 水下信息傳輸網及其關鍵技術分析研究[J].通信技術，2018.