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解析美潜艇如何窃听我国海底光缆 及如何“反窃听”[图]

http://www.c114.net ( 2013/11/8 15:40 )

最近,多家外媒爆出美国对海底光缆进行窃听的丑闻,日本媒体还称美国曾请求日本政府协助监听中国光缆。那么光缆是如何被美国窃听的呢,我们又如何防止光缆被窃听呢?

美国窃听他国的“黄金时代”

一直到上个世纪八十年代末,在卫星和微波通讯仍担负着全球90%的声音与数据通讯传播,就连绝密的外交电报也只能通过这两种通讯手段发送的时候,美国国家安全局进入了窃听的“黄金时代”:美国的间谍卫星群,加上分布在日本、澳大利亚、英国和德国的地面侦听站,把通过上述手段传送的声音和数据通讯一网打尽,连当时被许多国家视为最保密的海底铜线电缆越洋电话,也被国家安全局“搂草打兔子”似地一网打尽。

如此好景延续到1986年。一个“意外”出现了,这个“意外”的出现差点让美国国安局成了聋子。这个“意外”便是美国著名的“美国电话电报公司”(AT&T)推出的海底光纤电缆。可别小看这条并不粗壮的电缆,它一次可以让40000门电话同时通话,是当时全世界铜线海底电缆通话总量的5倍。如此了得的最新通讯技术自然被各家通讯运营商纷纷看好,世界各国纷纷开始铺设海底光缆——这标志着海底光缆时代的到来。尤其是1989年,跨越太平洋全长13200公里的(TPC-3)海底光缆也建设成功,从此,海底光缆就在跨洋洲际海缆领域取代了同轴电缆,世界通讯可谓在一夜之间迈入了“光缆”时代。

美国国家安全局则是随着光缆的普及,一夜之间从窃听“黄金时代”被推进了“聋子时代”:间谍卫星、地面侦听站、海洋侦察船差一点成了摆设了。因为越来越多的越洋电话、军方雷达讯信、电子邮件,都开始转由光纤电缆传输,传统的窃听手段能捕捉到的情报变得越来越少。

光缆通信出现后,由于光纤通信的载体——光波是在封闭媒质光纤的内部传输的,很难从光纤中泄漏出来,即使在转弯处,弯曲半径很小时,漏出的光波也十分微弱,若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好,这样,即使光缆内光纤总数很多,也可实现无串音干扰,在光缆外面,也无法窃听到光纤中传输的信息。对光信号的窃听变得困难。特别是海底光缆以其安全、隐蔽性强格外受到重视。但随着技术的发展,光纤通信的绝对安全性已被打破,对于海底光缆的窃听,逐步由设想变成了现实。

窃听光纤的基本步骤

窃听光纤的基本步骤:首先将需要窃听的光纤放入一个设备中被适当弯曲(1).从光纤中折射出来的 光线被设备中的光学检测设备拾取(2),然后发送给光电转换设备(3).光电转换装置将光信号转换为电信号,然后通过以太网线将数据传送到电脑上。

1989年初,美国国家安全局开始进行窃听海底光缆的技术研究。90年代中期,美国国家安全局进行了海底光缆的首次窃听实验。在这次实验中,美国特工人员乘一艘特制的间谍潜艇潜入洋底,通过特殊手段将一段海缆扯进间谍潜艇的特制工作舱内,成功地切开了一条海底光缆。此次实验未被光缆运营商发现,这标志着美国已经从技术上实现了对海底光缆的窃听。2005年3月,美军核动力攻击潜艇“吉米·卡特”号正式服役,值得关注的是它不仅具有强大的作战能力,而且它是具有窃听海底光缆的能力的一艘特种潜艇。从此,光纤通信就变得不再安全。

在其后的这些年中,美国国家安全局仍不遗余力开发窃听海底光缆的技术和设备,并取得成功。2001年的“9-11”事件后,美国建立的反恐包围圈为海底光缆窃听提供了有力的支持,美、英等英语圈5国计划在获取光缆通信情报方面进行合作。

对光缆窃听的技术难题

不过,尽管看起来似乎窃听光缆很容易,但是对海底光缆进行窃听需要解决的技术难题也不少,这些难题主要有以下几个方面,光缆定位、光缆开剥、信号窃取、信号分析、信号传输等。

光缆定位:海底光缆敷设一般均采取埋设方式,埋设深度在1米以上,在不掌握海缆敷设路由资料的情况下在海底实现对直径不超过60mm的埋设海底光缆的精确定位非常困难。一般会采用金属探测器法,用金属探测器在可能的路由区域找到海底光缆。

在广袤的海洋深处,找到目标光缆并不是一件非常容易的事

在广袤的海洋深处,找到目标光缆并不是一件非常容易的事

光缆的开剥:埋设在海底的海缆埋设余量较小,而对光缆进行开剥需要有一段长度,因此需要在海床上将光缆冲出一定的长度,这就需要水下机器人( ROV)来完成。海底光缆结构比较复杂,一般有无铠、单铠、双铠等几种,近海以双铠装海底光缆最为常见。在不对通信造成影响的前提下对海底光缆进行开剥,从外到内将外护层、铠装、不锈钢光纤套管层层剥开,这种开剥不能对光缆造成永久性损害,否则开剥过的部分在深海强大水压的作用下会很快出现渗水,使海缆通信出现故障而中断,窃听位置就暴露了,达不到长期窃听的目的。因此对海底光缆的开剥应该是在静态的海底作业艇中完成的,开剥完成接入窃听装置后还会恢复原有结构,如同在海缆上做了一次接头,英国曾于二十世纪七十年代研制过一种海底作业艇用于在海底修复电力电缆,"卡特"号携带的袖珍潜艇工作原理应该与其相似。

光缆窃听:一般的窃听方法是光缆窃听法。一种是用一根类似生病打针的针头,针管的中空是一根相应的光纤引线。将海底光缆铠装开剥后用长针刺入光缆内护套,直达光纤。于是针头的光纤和光缆的光纤连通,光束会被部分地引入窃听仪器。但光缆中激光的光强衰减并不影响光缆的正常工作。一种是光线对比法摄取光的信号-光线对比法就是让和激光不同波段的光线沿光纤的径向射过光纤,从而得到了相应脉冲信号的光信号,进而翻译成电信号,达到窃听的目的。另一种是将光缆开剥至裸纤,将裸纤略弯曲,在弯曲处提取泄露信号。还有一种是中继站窃听,顾名思义,就是通过在打开光缆中继器加装窃听装置来实现窃听。

弯曲光纤的窃听原理

弯曲光纤的窃听原理:在1这个位置,光纤被严重弯曲之后,激光能从1点拾取,复制数据同步从2点射入,这样可以不中断通讯,并不被发现断点所在。

信号分析:光缆传输的信号达G比特级,要在如此大容量的信息流中进行分析、筛选,得到有用信息,工作量相当大。在早期,美国实现了光缆窃听的时候,却对截获的数据一筹莫展,因为当时没有处理光纤电缆传输如此之大量通讯信息的能力,这等于是说美国国安局还无法从窃取的原始资料中捞出有用的情报。

美国特种核潜艇如何实现窃听海底光缆

中美海底光缆有四对光纤,在中国大陆和美国大陆各设两个登陆站,形成环形,并以分支方式连接中国台湾、日本、韩国、关岛,中美海底光缆包括美国班顿、日本千仓、韩国釜山、崇明、台湾枋山、汕头、日本冲绳、美国关岛。由于此系统在美国有登陆站,在陆上就可窃听此光缆的信号,无需兴师动众派“吉米·卡特”号去窃听。而东海和南海是美间谍核潜艇最有可能出没的地区。这两个海区海底深度较大,海底地形复杂,有利于核潜艇出没。由于海狼级最大下潜深度可高达610m,最大航速(水下)高达35节,因此可迅速隐蔽地到达预定海区,放出小潜艇(载有海底机器人)潜入我近海海岸窃听光缆信号,放出海底机器人通过电视遥控切割光缆,并连接窃听数据的光缆回母潜艇。此技术现已非常成熟,中美海底光缆被鱼网刮断,日本维修船就是用此方法将海底70m处的断缆接好。通过母潜艇分析处理所获得的信息,从而获得所需情报。此乃现场即时窃取信息,还可能把偷接的窃听光缆延长至陆地的窃听基地,当然无需将偷接的窃听光缆延长至冲绳或关岛,到台湾就很近。

监听光缆通信的重任,交给了美国海军第3艘“海狼”级攻击型核潜艇“吉米·卡特”号(SSN一23)。该艇为窃听海底光缆量身定做了多任务平台,搭载有最先进的电子侦察设备,可在水下搜集情报,包括对重要目标进行侦察监视和窃听海底光缆通信,因此成为美国国家安全局最理想的“水下间谍”。在正式服役后,“吉米·卡特”号核潜艇监听的目标是太平洋及地中海的光缆网,监听的位置可能在日本、中国和新加坡之间以及欧洲、中东之间。

“吉米·卡特”号将利用其可窃听海底光纤电缆的设备,展示美军海军舰艇前所未见的海底“超级特务”性能。

“吉米·卡特”号将利用其可窃听海底光纤电缆的设备,展示美军海军舰艇前所未见的海底“超级特务”性能。

“吉米·卡特”号在前2艘的设计基础上做了大幅的改动,艇体加装一段长30余米的“补充舱”以增加有效载荷,开发这一舱段耗资达9.23亿美元。而且从概念形成到最终建成只用了不到5年,避免了刚下水就“技术落伍”的尴尬局面。“吉米·卡特”号还担负新一代武器、传感器和水下航行器的试验任务,可以用于水下战概念的秘密研究、开发、测试和评估,因此被称为美国海军的“水下试验室”。此外,该潜艇还可搭载“先进投送系统”,一次投送50名全副武装的“海豹”突击队员。艇上还配有对接装置,并可发射和回收小型潜艇。

对于“吉米·卡特”号核潜艇的性能和主要用途,美国政府和军方大多含糊其词,只说是“执行特殊”、“在反恐战争中扮演至关重要的角色”。也有“泄密”的,如美国国家安全理事会专家巴姆福德指出,“这艘核潜艇将来的主要功能就是搜集情报,虽然窃听海底光缆通信是违反国际条约的,但这些信息却十分有用”。

那么我们可以大致分析“卡特”号窃听海底光缆的工作过程。

1)潜艇潜近目标海区,潜坐海底。以“海狼”610米的最大工作水深,在我国的大部分海域完成这个任务都不存在什么困难。

2)放出ROV携带金属探测器根据已掌握的海缆路由资料(应该多少掌握一些这方面的资料)寻找海底光缆,ROV的行动由母艇控制。

3)对海缆进行定位后由ROV将光缆冲出适当工作长度。

4)母艇放出类似海底工作艇的袖珍潜艇到光缆上完成窃听装置的安装。

5)安装完毕后恢复海底光缆外观,将窃听用的分支光缆接回母艇,由母艇上的巨型计算机对信息进行分析过滤,得到有用信息。

6)窃听装置长期安装在海底光缆上,象“吊钟”吊在电缆上,信息通过上文所述方式传回基地。

如何实现光缆的反窃听技术

随着技术的发展,对光缆通信线路进行窃听已经成为一种现实存在的威胁,光缆反窃听技术已日益引起人们的关注。为了满足光纤通信保密性能的要求,研究高度保密性能的光纤保密通信系统是非常重要的。

世界上的事物,总是有矛有盾的,既然有人不遗余力的搞光缆窃听,那么就要有一定的反窃听手段,在第一代防窃听光缆中,为了防止光缆被对方拉出、弯曲,采取的是一种“物理”办法:在光缆里面预置两条高应力玻璃棒,如果一根光纤被弯曲到一定程度时,高应力棒的存在会让光纤崩掉,虽说我们损失掉了光纤,但窃听方是得不到任何数据,而且机房能够迅速找到断点位置,这一类防窃听技术是在物理层上防止或者监测窃听。比如监测信号的劣化、丢失或者是信号功率的瞬态变化乃至丢失等, 通过对这些物理量的监测, 来分析是否有窃听, 进而进行自动的保护,这种手段是一种被动的手段。但是这种方法也有局限性,比如无法检测出倏逝波耦合窃听,此外为了检测大多数类型的窃听,信号衰减的限制都必须设置在较高的水平 这就会导致频繁误报,一次例行检查就足以触发告警。

如果有必要,中国的相关水下设备也可以对敌方海底光缆进行窃听或切断海底通信光缆等

如果有必要,中国的相关水下设备也可以对敌方海底光缆进行窃听或切断海底通信光缆等

而目前, 唯一能防止传输的信息被窃听的主动手段, 是对传输的信息进行加密。目前用于光纤通信的加密技术主要有三种: 量子加密光通信技术、混沌加密光通信技术和光码分多址( OCDMA) 加密技术,但目前来说,量子加密光通信技术、混沌加密光通信技术还处于研究阶段,尚无法得到成熟的应用,因此我们主要介绍一下光码分多址技术。

光码分多址技术(optical code-division multiplexing access;OCDMA)是一种光域上的光信道多路复用光网络多址接入技术,OCDMA系统给每个用户分配唯一的光码作为该用户的地址码,对要传输的数据信息用该地址码进行光编码,将多路不同的光编码信号合在一起进行传输,在接收端授权用户以发端相同的地址码进行匹配光解码,使多个不同用户在同一传输系统中完成各自的信号传递,实现光信道多信道复用或光网络多址接入。光码分多址技术以其组网灵活抗干扰性强、保密性好、系统容量大等特点得到了广泛的应用。

结语

俄罗斯媒体称,中国在量子通信领域已经走在了世界前列,已在潜艇上先行先试,深海保密通信取得了成功,对“反窃听”意义重大。早在2011年10月份,中国就在国际上首次成功实现百公里内量子实现信息传输,这为中国发射全球首颗“量子通信卫星”奠定了技术基础。量子保密通信的应用范围很广,凡需要保密的内容都可以用。只需要在现有的光缆上加一个量子技术,就能实现在光纤网络上的所有传递信息的保密。尤其在关键领域里,无论是电话通信还是网络通信,中国的量子通信技术在背后都起着“保护神”的作用。

   来源:腾讯军事

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