光纤传送网物理层安全隐患与防护

本书围绕光纤传送网物理层安全隐患与防护问题，按照光纤传送网的攻击与反攻击、窃听与防窃听、窃密与加密三条逻辑主线，系统全面地介绍了光纤、光缆的技术特性及针对光纤、光缆窃听和攻击技术，SDH系统的一般原理及存在的安全隐患，DWDM系统的基础知识、系统可能遭受的攻击及攻击效果，光缆线路窃听实现技术，基于长波长光信号法的光缆窃听监测技术，基于光干涉原理的光缆窃听监测技术和基于布里渊散射的光缆窃听监测技术，以及基于A1、A2字节和数据通信通道字节的SDH加密技术。本书可供从事光通信技术研究及光传输系统开发、生产、维护、管理的人员参考，也可作为工程管理人员、网络运行维护人员的培训教材及高等院校光通信专业教师和学生的参考书。

第一章 概述 1 1.1 光纤通信系统物理层的安全形势 1 1.1.1 光纤通信系统物理层安全研究的必要性 1 1.1.2 光纤通信系统物理层安全的特点 2 1.2 光纤通信系统的基本组成 2 1.3 光纤通信系统的安全特征 4 1.4 光纤通信系统物理层攻击 4 1.4.1 带内干扰攻击 5 1.4.2 带外干扰攻击 6 1.4.3 非法观测攻击 6第二章 光纤和光缆的安全 8 2.1 光纤工作原理 8 2.1.1 光纤的结构 8 2.1.2 光纤的导光原理 8 2.2 与攻击相关的光纤特性 11 2.2.1 弯曲特性 11 2.2.2 受激喇曼散射 12 2.2.3 受激布里渊散射 13 2.2.4 自相位调制和交叉相位调制 13 2.2.5 四波混频 15 2.3 光纤光缆的安全隐患 15 2.3.1 裸露的光纤没有安全性 15 2.3.2 利用光纤弯曲进行窃听 16 2.3.3 利用弯曲光纤进行服务破坏 16 2.3.4 利用光纤的非线性特性进行攻击 17 2.3.5 利用分光器对光纤信号进行窃听或服务破坏 18第三章 光放大器的安全 20 3.1 掺铒光纤放大器 20 3.1.1 掺铒光纤放大器的工作原理 20 3.1.2 掺铒光纤放大器的结构 21 3.1.3 掺铒光纤放大器的重要指标 23 3.1.4 掺铒光纤放大器的系统应用 24 3.1.5 掺铒光纤放大器的优缺点 26 3.2 喇曼光纤放大器 26 3.2.1 喇曼光纤放大器的工作原理 26 3.2.2 喇曼光纤放大器的结构 27 3.2.3 喇曼光纤放大器的性能 28 3.2.4 喇曼光纤放大器的系统应用 29 3.2.5 喇曼光纤放大器的优缺点 30 3.3 光放大器存在的安全隐患 31第四章 SDH光纤传送网的安全 34 4.1 SDH的一般原理 34 4.1.1 段开销 35 4.1.2 净负荷 36 4.1.3 管理单元指针 38 4.2 存在的安全隐患 40第五章 DWDM系统的安全 41 5.1 DWDM系统基础知识 41 5.2 DWDM系统可能遭受的攻击 42 5.2.1 关键器件的安全缺陷 43 5.2.2 DWDM系统网络拓扑的安全缺陷 47 5.2.3 网络管理系统独立的光监控信道 48 5.3 对DWDM系统的攻击实验 49 5.3.1 不同的攻击信号源对DWDM系统攻击的有效性实验 50 5.3.2 不同的攻击位置对DWDM系统攻击的有效性实验 52 5.3.3 不同光通道配置与抗攻击有效性实验 55第六章 光缆线路窃听及监测技术 57 6.1 光缆线路窃听技术及特征 57 6.1.1 利用分光器分光法进行窃听 57 6.1.2 利用光纤弯曲进行窃听 58 6.1.3 光缆线路窃听特征及监测思路 70 6.2 基于长波长光信号法的光缆窃听监测技术 71 6.2.1 传统的故障监测方法 71 6.2.2 长波长光信号的弯曲功率泄漏特性 72 6.2.3 基于长波长光信号法的光缆窃听监测 73 6.3 基于光干涉原理的光缆窃听监测技术 75 6.3.1 光的干涉原理 75 6.3.2 基于光干涉原理的光纤传感技术 78 6.3.3 基于Sagnac干涉的光缆窃听监测 85 6.3.4 基于Sagnac干涉的光缆窃听监测数据分析与入侵模式判决 86 6.4 基于布里渊散射的光缆窃听监测技术 99 6.4.1 光纤中的布里渊散射 99 6.4.2 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 104 6.4.3 布里渊散射光信号检测方法 106 6.4.4 基于布里渊散射的光缆窃听监测 110第七章 高速SDH信号的加密技术 114 7.1 SDH信号加密研究现状 114 7.1.1 高速链路加密现状 115 7.1.2 SDH净负荷加密现状 117 7.1.3 ATM/SDH加密现状 120 7.2 高速SDH信道关键字节加密技术 123 7.2.1 A1、A2字节的加密 124 7.2.2 H1、H2字节的加密 127 7.2.3 数据通信通道字节的加密 128 7.2.4 J0、J1字节的加密 129 7.2.5 K1、K2字节的加密 129 7.3 高速SDH信道关键字节加密模型 131 7.3.1 开放式加密模型 131 7.3.2 集成式加密模型 133 7.4 高速SDH信道关键字节加密实施方案 136 7.4.1 帧同步字节（A1、A2）加密实施方案 137 7.4.2 数据通信通道字节（DCC）加密实施方案 144附录 缩略语 151参考文献 153

光纤存在巨大的带宽资源和优异的传输性能，是实现长距离、大容量传输的理想传输媒质。经过30多年的技术发展，商用光通信系统的单波速率已从8 Mb/s增加到40 Gb/s，复用波数增加到几百波，在超长距离上实现了太比特/秒（Tb/s）容量级的信息传输。因此，光纤传送网名副其实地成为传输领域的主力军，无论在商用领域，还是在军事领域，都得到了最广泛的应用。然而，整个信息网络赖以生存的光纤传送网是否存在安全隐患？ 能否对抗恶意攻击和窃听？ 这是个值得深入研究的问题。人们对无线信道的开放性早已具有安全共识，所以，无线通信网普遍采用了各种抗干扰手段和保密措施。然而，光纤传送网的安全问题，尤其是物理层的安全还没有引起高度重视，人们习惯认同光纤通信具有保密性好、抗干扰能力强等教科书上的观点。事实上，光纤传送网物理层也是不安全的。无论是光纤、光缆、光通信器件，还是SDH、DWDM系统，都可能被恶意攻击者或窃听者利用，从而造成数据信息被截取、被攻击、被窃听的严重后果。因此，对光纤传送网物理层安全问题的研究将有助于推进国家信息网络的规划、设计和优化，有助于保障国家信息安全。本书围绕光纤传送网物理层安全隐患与防护问题，密切跟踪国外研究现状，是编者们多年对光纤传送网物理层安全研究成果的总结，按照光纤传送网的攻击与反攻击、窃听与防窃听、窃密与加密三条逻辑主线，有机结合相关理论、仿真和试验，系统全面地介绍了光纤、光缆、光器件、SDH系统及DWDM系统存在的安全隐患，以及窃听的监测技术、高速SDH信号的加密技术等安全防护措施。全书共七章。第一章介绍了光纤通信系统的基本组成、物理层的安全特点及常见的攻击类型。第二章介绍了光纤、光缆的有关物理特性，以及利用这些特性实施光纤光缆攻击、窃听的方法。第三章介绍了掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器的工作原理、结构、性能、系统应用及优缺点，重点分析了光放大器存在的安全隐患。第四章介绍了SDH系统的一般原理及存在的安全隐患。第五章介绍了DWDM系统的基础知识、系统可能遭受的攻击，并对DWDM系统进行了攻击实验，主要包括：不同攻击信号源、不同攻击位置的攻击有效性实验和不同光通道配置的抗攻击实验。第六章介绍了光缆线路窃听实现技术、基于长波长光信号法的光缆窃听监测技术、基于光干涉原理的光缆窃听监测技术和基于布里渊散射的光缆窃听监测技术。第七章介绍了针对A1、A2字节和数据通信通道字节的SDH加密技术、加密模型和加密实施方案。本书由国防科技大学信息通信学院光通信实验室光网络物理层安全隐患研究小组的邓大鹏教授、张引发教授、李卫教授、杨剑副教授、解东宏教授、冉金志副教授、赵峰讲师、林初善讲师、廖晓闽讲师、李洪顺助教等编写，由邓大鹏教授统稿。在本书的编写过程中，得到了国防科技大学信息通信学院各级领导、国防科技大学信息通信学院科研部门的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢；感谢国防科技大学通信学院参与系列课题研究的研究生们；同时感谢本书所引用的所有参考文献的作者们，是他们的研究给了我们启迪和指导。光纤传送网物理层安全问题在国内尚属新的研究领域，书中观点只代表我们的研究结果。编者们水平有限，难免有疏漏和不当之处，欢迎同行交流讨论，恳请专家和读者批评指正。