الهجمات الإلكترونية على الأنظمة الصوتية المائية: الأساطير والواقع

تحية طيبة يا عزيزي!

"إذا كان الرد على طلب صديق أو عدو غير صحيح ، فسيأتي الطلب الثاني بالفعل بتردد 533 " (C)

"كل هذا يمضي بك بطريقة ما. أو من خلالك. وبالنسبة لي غني عن بخاري. لم يبق عظم واحد. "(C) A. و B. Strugatsky ،" City Doomed "

هل تساءلت يوما كيف ستبدو تحت الماء ، حسنا ، مثلا ، الملاكمة أو المشي؟

قبل أن يكون لدينا وقت للتمتع بكل سحر إنترنت الأشياء ، أصبحت كلمة توقف عند النظر في طلبات المنح العلمية ، حيث بدأت المنشورات العلمية وغير ذلك تظهر حول كيفية مقاومة الهجمات الإلكترونية على أنظمة تحديد مواقع السونار ، و (يا آلهة! ) إلى الشبكة الغواصة من أجهزة استشعار الحكم الذاتي!
فقط بضع فقرات من التشويق التقني وأعدكم أن أشرح كل شيء.


أنت بخير ، أنت جالس على الجانب الآخر من الشاشة وقراءة تحليلات أخرى. وما زلت أشعر بالعار الخزي عندما أجب على سؤال ما أفعله. كما تعلمون ، لم يشك الكثيرون في أن نقل البيانات تحت الماء هو نوع من المشاكل. أو قل أن GPS لا يعمل تحت الماء.

ما يجري على الإطلاق؟

لنذكر على الفور الشروط. أن يكون لديك شيء يمكن الاعتماد عليه. الآن سأزودك ببعض الحيل لتقدير "بالعين".

يتوفر نطاق تردد ضيق للغاية للاتصال بالسونار ، تقريبًا - من الوحدات إلى عشرات الكيلوهرات. الصوت على ترددات مختلفة يتلاشى بشكل غير متساو.

إذا أخذنا البحر "المتوسط" ، فإن معامل التوهين:

• للصوت مع تردد 1 كيلو هرتز حوالي 0.1 ديسيبل / كم
• للصوت بتردد 10 كيلو هرتز - 1 ديسيبل / كم
• وللصوت مع تردد 100 كيلو هرتز - لا ترحم 10 ديسيبل / كم.

ماذا يعني هذا؟ هذا يعني أنه إذا كنت تعمل مع إشارة النطاق العريض ، فسوف تنتشر أجزاء مختلفة من الطيف بشكل مختلف .

أوافق على أن هذه الديسيبل تخلط بيني دائمًا و "وبخ جذر هيرتز".
إذا كان كل شيء مبسطًا إلى حد كبير ، فسيكون متوسط ​​نطاق الاتصال:

• عند الترددات في منطقة 1 كيلو هرتز ، يمكن أن تصل إلى عشرات الكيلومترات (مع نسبة مئوية معينة من الحظ - مئات)
• على ترددات من 10 كيلو هرتز - 10 كيلومترا
• وعلى ترددات في منطقة مئات كيلو هرتز - مئات الأمتار ، ولا سمح الله إذا لم ينجح أحد على الأقل.

فيما يلي صيغة تقريبية للغاية لتقدير وتيرة الإشارة لتحقيق المدى المطلوب:

$$عرض $$ $ كيلو هرتز = 40 / كم ^ {2/3} $$ عرض $$

أو ، إذا كنت بحاجة إلى معرفة النطاق الذي من الناحية النظرية ستوفر إشارة تردد معين:

$$عرض $$ $ كم = (40 / كيلو هرتز) ^ {3/2} عرض $$ $$

في المدى من 1 إلى 100 كيلو هرتز ، تكون الصيغة صحيحة إلى حد ما.

عند ترددات تتراوح من 20 كيلو هرتز ، يمكن توقع مدى اتصال يتراوح من 2-3 كم ، وعلى ترددات في المنطقة من 100 كيلو هرتز - 300 متر. مثل هذه الأشياء.

عادة ما تكون الضوضاء ، من أي قطع معدنية كبيرة ، منخفضة التردد وتنتشر إلى مسافات بعيدة.

إذا كنا نريد نقل البيانات الرقمية ، ثم من أكثر الاعتبارات الإنسانية العامة ، مع قدر لا بأس به من التفاؤل ، يمكننا أن نأمل بتواضع في سرعة إرسال 5 كيلوبت في الثانية لكل نطاق 10 كيلو هرتز ، بشرط أن يتجاوز عرض نطاق الإشارة 10 كيلو هرتز.

سرعة الصوت في المتوسط ​​1500 م / ث. وهذا يعني أنه بالنسبة لكل كيلومتر ونصف من المدى ، سيزداد التأخير المرتبط بسرعة انتشار الإشارة بمقدار ثانية واحدة.

دعنا نفهم هذه الكميات. إذا نقلنا نوعًا ما من الطلبات ، على سبيل المثال ، 10 كيلومترات ، فيمكننا قبول الإجابة في موعد لا يتجاوز 14 ثانية . في إحدى التجارب ، كان من المتوقع ظهور إشارة استجابة لأكثر من دقيقتين ونصف وكان المشترك على مسافة 120 كيلومترا.

أنا الآن لا أتطرق للمشاكل المرتبطة بحقيقة أن سرعة الصوت تعتمد بشكل كبير على كثافة الماء. لا تختلط طبقات المياه ذات الكثافة المختلفة في البحار ، ويمكن أن ينعكس الصوت تمامًا من حدود طبقتين ، أي في مكان ما ، فإن الإشارة ببساطة لن تذهب إلى حيث تدعو الحاجة. دون أي عقبات واضحة.

الضوضاء ، Multipath و Doppler. كل البحار والمحيطات والأنهار صاخبة. قوية بشكل خاص على ترددات أقل من 10 كيلو هرتز. ينعكس الصوت من القاع ، وتفاصيل المشهد تحت الماء ، والسطح ، والانعكاسات تضيفها عند نقطة الاستقبال ، ينحني مسار الأمواج نتيجة للانكسار. يمكن لأجهزة المودم الصوتية المائية البقاء على اتصال لأميال ، ولكن لا تسمع بعضها البعض من خلال طبقة كثيفة من عشب البحر ، على بعد متر واحد عن بعضها البعض.

من الجيد أن نحاول العمل في أعماق البحار. على سبيل المثال ، عمق الكيلومتر ، والمسافة 10 ، وبنسب تبدو كحمام. أدناه ، في الصورة من ويكيبيديا ، تتبع الأشعة مرئي:



ولكن ماذا عن جسم ضحل من الماء؟ في الصيف قبل الأخير ، عمل الزملاء على مسافة 800 متر بعمق 4 أمتار. هندسيا - هذا هو بركة على الرصيف. نسبة المسافة إلى العمق 200: 1. تخيل عدد المرات التي سيرتد فيها الصوت من القاع وكيف سيتشكل عند نقطة الاستقبال.

كل هذا يؤدي إلى حقيقة أن قناة الاتصال الصوتية المائية معقدة للغاية وغير مستقرة للغاية.

شبكات الاستشعار؟

تبدو العبارة المناوبة شيئًا مثل 95٪ من المحيط بأكمله غير معروفة لنا. من المغري للغاية وضع بعض "العقد" في الأسفل (أو حتى في عمود الماء) التي تقيس بعض المعايير البيئية ، وتتراكم ، وعند الطلب ، تنقلها في مكان ما على طول السلسلة. على سبيل المثال - على متن سفينة علمية عسكرية تمر فوقها.

متوسط ​​استهلاك الطاقة الواقعي لهذه القطع في وضع نقل من 5-15 واط. حتى لو افترضنا أن الجهاز يقضي معظم الوقت في حلم مثل قطة نبيلة ، استنادًا إلى سرعة النقل والتردد التقريبي لجلسات الاتصال ، يصبح من الواضح تمامًا أنه مع عمر بطارية معقول ، فإن معظم هذا الجهاز سيكون البطارية . بضع عشرات من الكيلوغرامات من الليثيوم ، معظمها لن يرفعها أحد من أي وقت مضى ، لأنه سيتم غسلها بالحمأة ، وسوف تنمو فوقها بواسطة الأصداف ، وسوف تتعفن ، وبشكل عام "غير مربح اقتصاديًا".

تذكر أن مثل هذا الشيء ببساطة لا يمكن أن يعمل طوال الوقت ، أو على الأقل في كثير من الأحيان ، مثل قرص العسل أو جهاز توجيه WiFi المنزلي ، على الرغم من أنه لا يمكن عزله تمامًا في القاع ولا يتم حمايته بأي شكل من الأشكال.

هنا أود أن أقدم بعض الأمثلة على مثل هذه الشبكة من أجهزة الاستشعار. حسنًا ، ها هم:

• اختبار الشبكة في لا سبيتسيا ، إيطاليا
• اختبار الشبكة في بورتو ، البرتغال
• اختبار الشبكة في تفينتي ، هولندا. على بركة في الحرم الجامعي
• اختبار الشبكة في بحيرة سبانكا ، تركيا

إن كل شبكات الاختبار هذه ، إذا جاز التعبير ، في إمكانية الوصول إلى "التجديف" من الساحل. جميعهم ينتمون إلى المشروع الأوروبي FP7-SUNRISE .

يوجد أدناه رسم تخطيطي من موقع المشروع يوضح مواقع ووظائف المختبرات ومواقع الاختبار المختلفة:



مدى نجاح المشروع من الصعب الحكم عليه. لقد تم الافراج عن الكثير من المقالات .

الميزانية الإجمالية 5 320 023 يورو . من بين البرك العديد من الجامعات الأوروبية ، والمركز البلجيكي للعلوم والتكنولوجيا لحلف شمال الأطلسي.

حالة المشروع - تم إغلاقه في 31 ديسمبر 2016 .

هناك العديد من شبكات الاختبار الصغيرة المختلفة ، والتي هي في معظمها أحداث لمرة واحدة. إليك زوجين لفتا انتباهي:

• المحيط-TUNE
• اختبار مختبر وين

يبدو لي أن المشاكل الرئيسية هي أنه من أجل الاستخدام الحقيقي لمثل هذه القطع ذات الحمولة النافعة ، تحتاج إلى نقل التكنولوجيا إلى مثل هذه الحالة ، حيث أن عقد الشبكة جاهزة لرحلات الفضاء لمسافات طويلة ، لا أكثر ولا أقل - يتم إلقاؤها في الماء - وداعًا ذهنيًا. أي ضجة معقدة مع البطاريات والصيانة يحرم فكرة كاملة من معنى على الإطلاق.

شيء آخر هو الطائرات الشراعية المختلفة!

تتضح القوة الدافعة لجميع هذه المشروعات في صورة واحدة من موقع الروبوتات السائلة لابنة بوينغ:



فيديو جميل حول ماهية Wave-glider وكيف يعمل:


ما هو مجرد طائرة شراعية وكيف يعمل:


إذا كان لدى أول منصة سطح ، وهو مرئي ، فإن الثانية يمكن أن تغوص لأسابيع وشهور (أكثر من عام!) الغوص عبر البحار والمحيطات ، ونادراً ما نادراً ما تتصفح السطح.

لم يتم إلغاء تحويل تقنيات الدفاع وتطبيقها ، بالطبع ، يمكننا أن نأمل ذلك. في أي حال ، الطائرات الشراعية والطائرات الشراعية الموجية - وهذا هو على نطاق واسع ، أنها خطيرة ولفترة طويلة.

ماذا عن المشي تحت الماء والملاكمة؟

إذا اقتربنا من إطلاق طائرات بلا طيار ، فإن الغواصات لا تكره أن تفهم مكانها ، وسيكون من الجيد أيضًا أن تكون على اتصال بها ، حتى عندما تكون الأشياء مغمورة.
في السنوات الأخيرة ، كان هناك ببساطة كومة من المنشورات حول موضوع مواجهة بعض الهجمات السيبرانية المؤقتة سريعة الزوال على شبكات الاستشعار تحت الماء وأنظمة تحديد المواقع تحت الماء.
الحكاية لمؤلفي مثل هذه المقالات هي خداع ، وكيفية تحديدها وكيفية التعامل معها.

يبدو أن الأمر بسيط للغاية - ما عليك سوى أخذ نموذج من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية ، وتغيير سرعة الضوء إلى سرعة الصوت ، وهنا يبدو أنه مجال جديد تمامًا للعلوم والتكنولوجيا.
دعونا نتعرف على الافتراضات التي يستند إليها كل هذا.

عادة ما يتم تمييز نوعين من المخادعين - تلك الموجودة على سطح الماء ، وتلك الموجودة في عمود الماء. يحدد الأول إحداثياتهم الخاصة باستخدام GNSS ، والأخير يستخدم نظام الملاحة بالسونار ، الذي يجب عليهم مواجهته.

في المنشورات ، وكقاعدة عامة ، نحن نتحدث عن نوع من نظام الملاحة الصوتية المائية بعيد المدى الذي يجب أن يتعرض للخطر. لكنني وعدت بالخرافات والواقع ، لذلك سنقوم بتحليل جميع الأنواع الرئيسية لأنظمة الملاحة السونار وكيف يمكن أو لا يمكن التغلب عليها ، حتى تلك التي من الواضح أنها غير مناسبة لوضع عقد الشبكة تحت الماء ، لا المتنقلة ولا ثابتة. نحن نفترض أن المهاجم يعرف كل خوارزميات التشكيل وإزالة التشكيل للإشارات وجميع التأخيرات وتوقيتات النظام والترددات والتشفيرات وأصغر التفاصيل.

هكذا.

rangefinder ونظم مقياس الزوايا

هذه هي تلك التي يتم فيها قياس الزاوية والمسافة إلى النقطة المطلوبة لحل مشكلة التنقل.

قد يكون هناك عدة خيارات لتشغيل مثل هذا النظام.

من وجهة نظر موقع هوائي تحديد الاتجاه:

1. استقبال في ضحية المحمول
2. يحيل على منارة محرك ثابتة. يجب أن يكون الهوائي في هذه الحالة موجهًا بالنسبة إلى النقاط الأساسية بطريقة معروفة للضحية المتنقلة.

من وجهة نظر طريقة تحديد المسافة:

1. طريقة استجابة الطلب
2. قبل المزامنة المسبقة ، منارة محرك الإنبعاث
3. بدء "طلب استجابة" للمزامنة ، ثم انبعاث إشارات محرك أقراص بشكل دوري

إذا تم استخدام طريقة استجابة الطلب ، فإن الخيار الوحيد للتحايل هو أن تكون أقرب إلى الضحية من منارة القيادة. كل شيء بسيط للغاية هنا - إشارة الملاحة في المتوسط ​​لها مدة ملموسة ، وأخيرا وليس آخرا ، المدة المعبر عنها في المسافة (أضعاف سرعة الصوت).

نحن نتحدث عن عشرات ومئات الميلي ثانية ، أي عن عشرات ومئات الأمتار. يجب أن يتلقى المفسد إشارة طلب المنارة وينبعث منها استجابة ، ومحاكاة التأخير المطلوب من أجل تشكيل صورة الضحية لمفسد الصوت إلى أي مدى يبعد عن منارة القيادة.

يستحيل تغيير زاوية وصول الإشارة ، حيث يتم تقييمها موضوعيًا بواسطة الضحية. كل ما يمكن أن يقوم به spuffer في هذه الحالة هو تغيير الزاوية جسديًا - فقط على الجانب الأيمن من الضحية.

علاوة على ذلك ، يجب ألا يسمح spuffer بوضع يتداخل فيه إشارة "وهمية" مع الإشارة الحقيقية منارة محرك الأقراص على الضحية - في هذه الحالة ، مع احتمال كبير للغاية ألا تتلقى الضحية أي إشارة على الإطلاق.

في حين أن المخطط نحيف وخطير من الناحية النظرية. لماذا هو غير صالح تماما - في وقت لاحق قليلا.

إذا تم استخدام طريقة ما قبل المزامنة ، فإن المخرب ، من ناحية ، لديه مجال للعمل - ليس من الضروري أن تكون أقرب إلى الضحية من منارة القيادة ، يمكنك ببساطة الدخول في الإرسال الدوري بين إشارات المنارة.
من ناحية أخرى ، يكون أكثر ارتباطًا بفترة انبعاث منارة القيادة - قد يكون أن إشارة الاستبدال ببساطة لا تتناسب مع الفجوة بين الإشارات الحقيقية.
يوفر خيار المزامنة الأولية بواسطة طريقة الاستجابة للطلب والإرسال اللاحق منارة محرك الأقراص مرة أخرى ، مزيدًا من الفرص للمزاح إذا كان بإمكانه إجراء تبديل في وقت المزامنة الأولية.

يعد الخيار المزود بهوائي صفيف متدرج مشع على منارة محرك أكثر خطورة على الضحية. إذا كان في الحالات السابقة كان من المستحيل تغيير زاوية وصول الإشارة ، ثم في هذا التكوين ، من خلال تغيير تأخير الإشعاع بين عناصر مختلفة من مجموعة الهوائي المرحلي ، يمكن تشكيل أي زاوية مطلوبة في "وعي الضحية".

كل شيء يبدو منطقيا جدا وسهلة جدا للسقوط لهذا الطعم.

ولكن في الواقع ، فإن جميع الطرق التي وصفتها أعلاه هي أيضًا غير صالحة تمامًا. فقط تذكر هذا الآن.

نظم rangefinder

هنا في الغالبية العظمى من الحالات ، توجد نقاط مرجعية موزعة على السطح أو القاع ، والإحداثيات التي يعرفها الضحية مقدمًا أو يتم إرسالها باستمرار بواسطة هذه النقاط المرجعية. مرة أخرى ، قد تكون هناك جميع الخيارات السابقة لتحديد النطاق - "طلب - استجابة" ، التزامن المسبق ، إلخ.

كل شيء هنا يشبه إلى حد بعيد نظام مقياس الزوايا ، مع الاختلاف الوحيد هو أن المفسد يحتاج إلى أن يكون أقرب إلى كل من يشارك في عملية نقاط التحكم. يأخذ إشارة طلب الضحية بالطريقة نفسها ، ويحل ، إذا لزم الأمر ، إحداثيات النقطة المرجعية الحالية (أذكر ، ويعرف spuffer جميع مخططات تعديل التشكيل ونسق الطرود!) ، تشكل التأخيرات المطلوبة إلى أقصى حد ممكن. من الواضح ، في هذه الحالة ، يتم فرض قيود جدية على موقع spuffer - يجب أن تكون أقرب من جميع النقاط المرجعية ، وحتى التأخيرات لا يمكن أن تكون كبيرة للغاية - هناك خطر من تداخل إشارة مبادلة وحقيقية على الضحية.

وهذا المخطط أيضا بالكاد يمكن استخدامها.

نظم rangefinder الفرق

شبه مشابه تمامًا للنقاط السابقة - توجد نقاط مرجعية على سطح الماء أو في الجزء السفلي ، لكن الضحية الآن لا تشع أي شيء ، ولكنها تستمع فقط. يكرر تشغيل مثل هذه الأنظمة تمامًا أيديولوجية GNSS - حيث يرسل كل من الأقمار الصناعية مواقعهما ، وتنقل النقاط المرجعية في نظام تحديد المواقع الصوتي المائي مواقعها وفقًا للساعة ، متزامنة مع جميع النقاط المرجعية الأخرى.

عادة ، لسبب ما ، يعتبر هذا النظام الأكثر عرضة لهجمات الخداع. على الأرجح لأن عملها يعتمد على نفس المعادلات تقريبًا مثل أنظمة GNSS.

لذلك ، هنا يحدث كل شيء وفقًا لنفس الفكرة القائلة بأن كونه أقرب إلى الضحية من النقاط المرجعية الحقيقية ، يرسل المفسد إشارة بديلة بحيث تأتي إلى الضحية قبل الإشارات الحقيقية. لأن نظرًا لأن لحظات الإشعاع المطلقة لا تلعب دورًا ، يمكن لمحول المخادع إرسال الإشارات في وقت أبكر بكثير من النقاط المرجعية. فقط الاختلافات في أوقات وصول الإشارات إلى الضحية مهمة.

استنتاج

يبدو أن جميع فئات الأنظمة الثلاثة للوهلة الأولى عرضة لهجمات الخداع ، فما الخطأ في هذه الحجج؟

في الواقع ، كل شيء بسيط للغاية: السرعة المنخفضة بشكل ملحوظ في انتشار الإشارات تلعب خدعة على المفسد. من أجل استبدال شيء ما هناك ، عليك أن تعرف بدقة فائقة ليس فقط موقعك وموقع نقاط التحكم أو منارة محرك الأقراص ، فأنت بحاجة إلى معرفة موقع الضحية!

هيك ، لحل مشكلة الملاحة ، يجب أولاً حل مشكلة الملاحة ثلاث مرات على الأقل!

هذا المفسد المحمول جواً يعرف أين يطير "المحرر" ، ويمكن أن يطعمه ببيانات GNSS المخادعة. تحت الماء ، لا يمكن القيام بذلك إلا ضمن خط البصر ، أي أنه على بعد أمتار قليلة ، وربما أكثر من عشرة في الحالة الأكثر تفاؤلاً.

لكن هل افتقد مؤلفو هذه المنشورات حقًا مثل هذه التفاصيل البسيطة؟

بالطبع لا. أعتقد أنهم يفهمون كل شيء تماما. في جزء من المنشورات (بشكل رئيسي على شبكات استشعار تحت الماء) ، لم يتم طرح هذا السؤال على الإطلاق ، في منشورات أخرى ، يُقترح تحديد موقع الضحية في المقالات ... بواسطة السونار!

وفي حالة وجود spuffer في عمود الماء ، الذي لا يعرف هو نفسه مكانه (لن يساعده نظام مقياس الزوايا على سبيل المثال ، على هذا النحو - من أجل أن يكون قادرًا على الوصول إليه ، وليس لفهم موقعه المطلق).

إذا كان هذا محاكاة ساخرة على السطح ، فعندئذٍ يحتاج إلى خفض الهوائي إلى عمق كافٍ ، وإذا أراد تحديد موقع الضحية باستخدام السونار السلبي أو النشط ، فإن توجيه السونار ، معلقًا على كبل مرن لعدة عشرات من الأمتار ، يجب أن يكون قادرًا أيضًا على التتبع بدقة لا يمكن الوصول إليها.

وغني عن القول أن دقة تحديد الموقع بالصدى الأفقي لا تكفي من أجل الخداع الكافي (لا تتحول إلى التشويش!) ، أو أنها (مثل الخداع في حد ذاته!) هل يمكن ملاحظتها ببساطة ساحر تحت الماء؟ وربما يكون الخيار الوحيد هو عندما يعرف المرمر مكان الضحية بالضبط - متى سيكون جسديًا معها ، مثل سمكة تلتصق بسمكة قرش الحوت.

ما هي النتيجة الأكثر احتمالا ، بالنظر إلى ما كتبته عن نطاق الاتصالات وجميع ظروف تشغيل العقد والشبكات الشراعية البحرية؟

• إذا كان هذا قريبًا (مئات الأمتار - وحدات الكيلومترات) ، فسوف يسبحون ببساطة حتى الشخص الذي يضع المفسد على متن قارب ويطلب توضيحاً
• إذا كان هذا بعيدًا (عشرات الكيلومترات) ، فيمكن أن تستجيب نقرات السونار غير المصرّح بها (بلا معنى!) بسهولة إلى "التردد 533".

ينبعث منها تحت الماء - إنه يشبه القيادة ليلًا في سيارة مع إضاءة المصباح الداخلي - على الأقل ، بشكل غير منتظم.

لا أقول حتى أن الصوت المائي لا يزال صوتيًا ، الإشارات لا تتطلب معدات تسجيل متطورة ، وكل شيء ملحوظ في الطيف ، وإذا كان مصممًا للمسافات الطويلة وبترددات منخفضة ، فسيكون مسموعًا فقط.

لذلك ، اتضح أن الملاكمة ، وفعالة في الهواء - خداع GNSS ، اتضح أنها غريبة وغير مجدية في بيئة مائية.

كل شيء يعمل حقًا ضد الصوتيات - التشويش والتشويش والتشويش مرة أخرى ، كلما كان أقوى - كلما زادت فرص ذلك. حسنا ، أو مجرد السباحة لأعلى واستلامه مع ottertkoy =)

PS

أنا لا أتعمد توفير روابط للمنشورات ، ويمكن لأولئك المهتمين العثور بسهولة على مقالات حول عبارة "خداع صوتي تحت الماء".

تقليديًا ، سأكون ممتنًا للنقد البناء ورسائل الخطأ والاقتراحات والاقتراحات!