Способ защиты информации в эвм, использующих цветные растровые системы отображения информации, от утечки по техническим каналам

 

Изобретение относится к защите информации в электронно-вычислительной технике, применим в ЭВМ, использующих цветные растровые системы отображения информации. Техническим результатом является ослабление побочных электромагнитных излучений, несущих информацию о выводимом на экран монитора изображении и скрытие информационной составляющей побочных излучений, который достигается тем, что способ построен на принципе суперпозиции электромагнитных полей сигналов цветного изображения. В основе способа лежит управление сигналами цветного изображения в соответствии с установленными условиями. Предлагаемый способ предполагает разработку и использование специальной программы управления сигналами цветного изображения как более эффективного средства защиты в отличие от активных и пассивных средств существующих способов защиты информации в ЭВМ с точки зрения стоимости, безопасности здоровья человека и создания непреднамеренных электромагнитных помех средствам связи. 8 ил.

Изобретение относится к области защиты информации в ЭВМ от утечки по техническим каналам и может быть использовано в средствах вычислительной техники, имеющих цветные растровые электронно-лучевые системы отображения информации (РСОИ).

Анализ научно-технической литературы [Хорев А.А. Защита информации от утечки по техническим каналам: Технические каналы утечки информации, Ч. 1 - М. : Гостехкомиссия России, 1998. - С. 15 - 17, фиг. 1.2 - 1.3] показал, что одной из основных причин утечки информации на объектах электронно-вычислительной техники, обрабатывающей конфиденциальную информацию, являются побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) электронно-вычислительных машин.

Существуют способы защиты информации в ЭВМ от утечки по техническим каналам, позволяющим ослабить побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) с помощью пассивных средств (экранирование) и затруднить их обнаружение с использованием активных средств защиты (зашумление) [Боборыкин В.Г. Технические каналы утечки информации // Безопасность информационных технологий. - 1994. - N 3 - 4. - С. 105 - 107].

Недостатки существующих способов: 1. Высокая стоимость используемых средств.

2. Негативное влияние активных средств защиты (генераторов шума) на здоровье человека.

3. Создание помех средствам связи.

Целью изобретения является снижение уровня несущих информацию побочных излучений системы отображения информации ЭВМ без применения активных и пассивных средств защиты, а также затруднение выделения информативных ПЭМИ в процессе разведки, благодаря чему обеспечивается защита информации от утечки по техническим каналам, фактором образования которых служат эти побочные излучения.

Исследования показали, что в современных цветных РСОИ ЭВМ используется три электрических сигнала, управляющих интенсивностью электронных лучей цветной ЭЛТ монитора и формирующих цветное изображение на его экране. В дальнейшем по тексту описания для указанных электрических сигналов используются определения-синонимы: видеосигналы; сигналы цветного изображения; сигналы изображения; RGB-сигналы. Предпочтительным для существа данной заявки является использование термина "видеосигналы", который и указан в формуле изобретения. Для электрических сигналов, несущих информацию о контурном изображении, принимаем термин "видеосигналы изображения", а для электрических сигналов, несущих информацию о фоне, принимаем термин "видеосигналы фона", понимая при этом, что речь идет о формировании цветного изображения на экране монитора (дисплея), содержащего информационные и фоновые пиксели. Указанные электрические сигналы являются прямыми источниками ПЭМИ.

Поставленная цель достигается тем, что управляют видеосигналами с соблюдением равенства во времени суммы уровней трех видеосигналов изображения сумме уровней трех видеосигналов фона при исключении их взаимного равенства в соответствии с условием (V_ф(R) + V_ф(G) + V_ф(B))_ti = (V_и(R) + V_и(G) + V_и(B))_t(i+1) при (V_ф(R) <> V_и(R)) & (V_ф(G) <> V_и(G)) & (V_ф(B) <> V_и(B)), где V_ф(R), V_ф(G), V_ф(B) - уровни видеосигналов фона; V_и(R), V_и(G), V_и(B) - уровни видеосигналов изображения; ti - момент засветки i-го пикселя; и получении минимального психофизиологического давления на зрительную систему человека-оператора в соответствии с условием α_н< = L< =α_в;
λ_н< = (λ_ф, λ_и)< =λ_в;
|λ_ф-λ_и|> = Δλ,
где Δλ > 0 - пороговое значение разности длин волн, или пороговое значение цветового контраста для зрительной системы человека;
L - интенсивность или яркость оптического излучения экрана;
α_н, α_в - нижняя и верхняя границы интенсивности оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_н, λ_в - нижняя и верхняя границы допустимой длины волны оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_ф, λ_и - длины волн оптических сигналов цвета фона и цвета изображения соответственно.

Управление осуществляется путем замены цифровых кодов, несущих информацию об уровне этих сигналов, на другие коды, которые позволяют изменить уровень каждого из RGB-сигналов (R - "красного", G - "зеленого", B - "синего") на заданный. Принцип работы цветных РСОИ современных ЭВМ позволяет выполнить это управление программно и таким образом, чтобы оператор, работающий с ЭВМ в диалоговом режиме, без особого труда различал выводимое на экран монитора изображение, и одновременно с этим осуществлялось максимально возможное ослабление ПЭМИ и скрытие их информационной составляющей. Графический видеоадаптер, присутствующий в каждой современной ЭВМ с цветными РСОИ, позволяет реализовать предлагаемый способ защиты.

Патентный поиск и анализ научно-технической литературы показал, что до даты подачи заявки подобный способ защиты информации в ЭВМ от утечки по техническим каналам, который исходя из его сути реально можно осуществить программным путем, отсутствовал. Следовательно, предложение отвечает требованию новизны.

Требуемый результат достигается при соблюдении таких условий, которые именно в таком сочетании в известной научной и технической литературе не были обнаружены. Следовательно, предложение отвечает требованию изобретательского уровня.

При этом предлагаемый способ раскрыт до уровня, позволяющего хорошо представить реальность его осуществления и разработать специальную программу, управляющую сигналами изображения в соответствии с заданными условиями. Следовательно, предложение отвечает требованию промышленной применимости.

В настоящее время самыми распространенными ЭВМ являются ЭВМ, использующие цветные РСОИ, где информация выводится на экраны мониторов в виде цветного изображения. Принцип формирования этого изображения подобен принципу формирования изображения у цветных телевизоров.

На фиг. 1 представлен случай формирования изображения для одного видеосигнала.

Пусть передается ряд элементов, определяющих строку a-a (фиг. 1,а). Если размеры элемента изображения принять исчезающе малыми, то сигнал изображения точно повторяет значения яркости каждой точки изображения и имеет вид V(t), представленный на фиг. 1,б.

Из фиг. 1,б очевиден импульсный характер сигнала изображения. Наличие в изображении плавных переходов от одного значения яркости к другому не изменяет импульсного характера видеосигнала, а лишь изменяет форму отдельных слагающих сигнал изображения импульсов.

Форма видеосигнала несет основную информацию о передаваемом изображении, то есть информацию о границах участков различных яркостей на изображении. Плоские части импульсов соответствуют передаче участков изображения постоянной яркости. Амплитудные соотношения импульсов характеризуют соотношения яркостей соответствующих им участков изображения.

Представляя преобразование сигнала в видимое изображение как
B_из = kV,
где B_из - яркость участка изображения, соответствующая значению V;
V - амплитуда сигнала изображения;
k - постоянный коэффициент,
видим что изменение уровня видеосигнала ведет к изменению яркостного контраста изображения, но не нарушает геометрических соотношений его отдельных деталей.

При синтезе изображения на экране РСОИ, например текста, имеющего большой коэффициент яркостной контрастности, RGB-сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов, параметры которой определяются частотой кадров, частотой строк и размером используемого шрифта.

Каждый из RGB-сигналов управляет интенсивностью (яркостью) свечения отдельно выделенных только для него на экране зерен люминофора, имеющих красный, зеленый и синий цвет. Триада из этих зерен формирует минимальный отображаемый элемент растра цветного экрана - пиксель.

Красный R, зеленый G и синий B цвета являются основными, взаимонезависимыми цветами, т.е. ни один из них не может быть получен путем смешения двух других. Все остальные цвета могут быть получены смешением трех основных, взятых в соответствующих количествах r, g, b, т.е. всегда осуществимо количественное и качественное равенство
F = rR + gG + bB,
где F является цветовым оттенком пикселя.

На фиг. 2 представлена модель аддитивного смешения трех основных цветов.

Каждый из RGB-сигналов является источником электромагнитного поля (ЭМП) (фиг. 3,а,б,в), закон изменения напряженности которого во времени соответствует изменению амплитуды конкретного видеосигнала (фиг. 3,б).

Закон изменения во времени напряженности суммарного ЭМП RGB-сигналов соответствует изменению яркости и цветности формируемого изображения на экране монитора.

Таким образом, закон изменения напряженности суммарного ЭМП сигналов цветного изображения также имеет импульсный характер и зависит от частоты строчной, кадровой развертки, разрешающей способности монитора и структурных параметров (характера) изображения на экране РСОИ (фиг. 3,в).

Предлагаемый способ защиты устраняет импульсный характер изменения напряженности суммарного ЭМП сигналов изображения, а также снижает уровень ПЭМИ.

Доказательством тому, что суперпозиция полей происходит именно таким образом, как показано на фиг. 3,в, служит реальность осуществления радиоперехвата изображений цветных РСОИ ЭВМ с помощью бытовых телевизионных приемников, при котором наблюдается достаточно четкое восстановление перехваченного изображения, но в черно-белом представлении. Это можно объяснить только тем, что между электромагнитными полями трех сигналов изображения цветной РСОИ нет фазовых смещений, иначе изображение на приемном конце было бы искажено.

Спектральный анализ ПЭМИ, возникающих при формировании тестового сигнала изображения, представляющего собой вертикальные линии, ширина и интервал между которыми равны одному пикселю, показал прямую зависимость уровня составляющих радиочастотного спектра от частоты строчной, кадровой развертки и разрешающей способности монитора, а также цвета и градаций яркости цвета вертикальных линий тестового сигнала.

Примером реализации предлагаемого способа служат спектральные диаграммы на фиг. 5 - 8.

На фиг. 5 изображена спектрограмма, полученная в результате чередования белых и черных полос, с целью показать для сравнения возможный уровень побочных излучений при наборе или выводе на экран изображения (к примеру, текста) в часто используемом стандартном для редактора MC WinWord, черно-белом режиме. Максимальный уровень излучения, как видно из спектрограммы, равен 40 дБ.

Спектрограммы на фиг. 6 и 7 принадлежат ПЭМИ видеосигналов "R" и "B" соответственно, формирующих изображения с чередованием красных и черных, и синих и черных вертикальных полос (уровню "черного" соответствует минимальное (нулевое) значение амплитуды любого видеосигнала изображения, а для "белого" наоборот). Максимальный уровень ПЭМИ этих сигналов равен 32 дБ для "R" сигнала и 34 дБ - для "B" сигнала.

При сравнении этих спектрограмм со спектрограммой на фиг. 8, которая приведена специально для демонстрации уровня ПЭМИ, наведенных двумя сигналами цветного изображения - "R" и "B" при формировании ими изображения с чередованием красных и синих полос, нетрудно убедиться в действительности осуществления принципа наложения ЭМП. Здесь наглядно видно, что максимальный уровень ПЭМИ уменьшился до 16 дБ. Известной причиной остаточного излучения является изначальная разность амплитуд самих видеосигналов. Эта разность задается алгоритмом программы MS Paint. Она была определена экспериментально путем измерения напряжений сигналов цветного изображения с помощью осциллографа. Кроме того, результаты этих измерений показали, что импульсы видеосигналов, формирующих тестовое изображение, имеют одинаковую длительность и период следования, то есть сигналы цветного изображения действительно по своему характеру эквивалентны.

В цветных РСОИ информация на экране распознается человеком не только в результате яркостной контрастности между элементами фона и изображения, но и в результате цветовой, которую часто называют краевой контрастностью.

Контрастность позволяет определить на каком-либо фоне контуры изображения. Чем выше контрастность, тем выше четкость изображения.

Явление, связанное с распознаванием изображения в результате образования яркостной и/или цветовой контрастности, определяется особенностями приема оптических сигналов зрительной системой человека, которая способна детектировать сигналы видимого диапазона как по амплитуде (по яркости), так и по частоте (по цвету).

Таким образом, для максимального скрытия информационной составляющей и снижения уровня ПЭМИ, необходимо так сформировать сигналы цветного изображения, чтобы при их осуществлении уровень суммарного сигнала изображения был постоянным во времени и при этом сохранялось условие распознавания оператором изображения на цветном экране монитора РСОИ ЭВМ, что становится возможным благодаря цветовой контрастности.

В результате было сформулировано первое необходимое условие: сумма уровней трех видеосигналов изображения должна быть равна во времени сумме уровней трех видеосигналов фона при исключении случая взаимного их равенства
(V_ф(R) + V_ф(G) + V_ф(B))_ti = (V_и(R) + V_и(G) + V_и(B))_t(i+1)
при (V_ф(R) <> V_и(R)) & (V_ф(G) <> V_и(G)) & (V_ф(B) <> V_и(B)),
где V_ф(R), V_ф(G), V_ф(B) - уровни видеосигналов фона;
V_и(R), V_и(G), V_и(B) - уровни видеосигналов изображения;
ti - момент засветки i-го пикселя.

На фиг. 4 приведен простейший частный пример формирования таких видеосигналов в случае синтеза на синем фоне произвольного красного изображения.

Предлагаемый способ защиты не позволяет сохранить информацию о цвете изображения, но сохраняет и защищает от утечки необходимую для его распознавания на экране монитора РСОИ ЭВМ информацию о контурах. Оператору можно будет работать на ЭВМ с текстами, графиками, схемами и т.п., т.е. с изображениями, где цвет элементов не играет большой роли, но при этом не исключается возможность одновременного использования некоторого множества цветовых оттенков с целью различия образов по цвету.

Наука о психофизиологии зрительной системы человека требует считаться с эргономическими требованиями к РСОИ ЭВМ, поэтому значительную роль при формировании сигналов цветного изображения играют такие цвета фона и изображения, которые были бы не утомительны для глаз оператора и оптимальны для четкого распознавания контуров изображения.

Современные цветные РСОИ ЭВМ могут формировать от 256 до 16,7 млн. цветовых оттенков на экране мониторов, что дает большую возможность оптимального выбора необходимых цветов фона и изображения.

Второе необходимое условие - условие минимального психофизиологического давления на зрительную систему оператора. Это давление характеризуется яркостью или интенсивностью (L), длинной волны (λ) оптических сигналов цвета фона и изображения, а также разностью этих длин волн (Δλ), которые должны удовлетворять некоторым граничным значениям
α_н< = L< =α_в;
λ_н< = (λ_ф, λ_и)< =λ_в;
|λ_ф-λ_и|> = Δλ,
где Δλ > 0 - пороговое значение разности длин волн, или пороговое значение цветового контраста для зрительной системы человека;
α_н, α_в - нижняя и верхняя границы интенсивности оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_н, λ_в - нижняя и верхняя границы допустимой длины волны оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_ф, λ_и - длины волн оптических сигналов цвета фона и цвета изображения соответственно.

В итоге для современных ЭВМ с цветными РСОИ, где по цепям циркулируют аналоговые сигналы изображения, полученные в результате преобразования цифровых кодов (кодов цвета) в конкретные значения их напряжений, можно разработать программное средство, которое бы изменяло нежелательные коды цвета фона и цвета изображения при выводе информации на оптимальным образом подобранные, с учетом определенных условий, кодовые комбинации.

Формула изобретения

Способ защиты информации в ЭВМ, использующих цветные растровые системы отображения информации, от утечки по техническим каналам, отличающийся тем, что управляют видеосигналами с соблюдением равенства во времени суммы уровней трех видеосигналов изображения суммы уровней трех видеосигналов фона при исключении их взаимного равенства в соответствии с условием
(V_ф(R) + V_ф(G) + V_ф(B))_ti = (V_и(R) + V_и(G) + V_и(B))_t(i+1)
при (V_ф(R)<>V_и(R)) & (V_ф(G)<>V_и(G)) & (V_ф(B)<>V_и(B)),
где V_ф(R), V_ф(G), V_ф(B) - уровни видеосигналов фона;
V_и(R), V_и(G), V_и(B) - уровни видеосигналов изображения;
t_i - момент засветки i-го пикселя,
и получении минимального психофизиологического давления на зрительную систему человека-оператора в соответствии с условием
α_н< = L< =α_в;
λ_н< = (λ_ф, λ_п)< =λ_в;
|λ_ф-λ_и|> = Δλ,
где Δλ > 0 - пороговое значение разности длин волн, или пороговое значение цветового контраста для зрительной системы человека;
L - интенсивность или яркость оптического излучения экрана;
α_н, α_в - нижняя и верхняя границы интенсивности оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_н, λ_в - нижняя и верхняя границы допустимой длины волны оптического сигнала цвета фона и цвета изображения соответственно;
λ_ф, λ_п - длины волн оптических сигналов цвета фона и цвета изображения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8