مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (35) No. (9) 2013 كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات اللياف الوويية الدكتور * حسان ريشة الدكتور ** علي أحمد *** محمد نصر )تاريخ اإليداع.3105 / 3 / 33 قبل للنشر في )2013 / 00 /32 ملخ ص تعد تقنية األلياف الضوئية من أهم تقنيات االتصاالت السلكية لما تتمتع به من م ازيا كثيرة أهمها: سعة قناة كبيرة. تخامد صغير جدا. ممانعة للتداخل. السرية وصعوبة التنصت. أدت هذه الم ازيا لزيادة استخدام الوسائط الضوئية في التطبيقات المدنية والعسكرية على حد سواء, وعلى الرغم من كونها ذات سري ة عالية فإن األلياف الضوئية مثلها مثل أي وسط ناقل للمعلومات تتعرض باستخدام أساليب متطورة للكثير من االخت ارقات والسرقات والتجسس. هذا البحث نناقش في أمن نقل المعلومات عبر األلياف الضوئية الذي يعتبر من المواضيع الهامة في نظم االتصاالت الضوئية وسنقوم باقت ارح بنية لكشف االخت ارق عند حدوثه وذلك باالعتماد على أنماط االنتشار واالستطاعات الضوئية, إضافة لتقديم خوارزمية تحد د مكان االخت ارق وتبين النتائج بمحاكاة تنسجم مع الواقع العملي لتساهم بشكل تطبيقي في ضمان سرية نقل المعلومات عبر شبكة األلياف الضوئية المعتمدة. الكلمات المفتاحية: األلياف الضوئية السلكية االخت ارق المحاكاة منظومة الم ارقبة الشبكات الضوئية االستطاعة الضوئية. * ** *** استاذ في قسم هندسة االلكترونيات واالتصاالت كلي ة الهندسة الميكانيكي ة والكهربايي ة جامعة دمشق- دمشق- سورية. استاذ في قسم هندسة االتصاالت كلي ة هنسة تكنولوجيا المعلومات واالتصاالت جامعة تشرين- طرطوس- سورية. طالب دكتوراه في قسم هندسة االلكترونيات واالتصاالت كلي ة الهندسة الميكانيكي ة و الكهربايي ة جامعة دمشق- دمشق- سورية. 107
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (35) No. (9) 2013 Detection and Location of Fiber Optic Networks Intrusion (Received 22 / 5 / 2013. Accepted 24 / 11 / 2013) ABSTRACT Dr. Hassan Risheh * Dr. Ali Ahmad ** Muhammar Nassr *** Fibre optics have greatly developed over the past decades, making it usable in wired communication systems. It has many advantages such as: High channel capacity. Interference immunity. Low loss. Security & Immune to intrusion. That s why it became so popular in different types of usage. This article discusses the security of fibre optics, proposes an intrusion detection system able to detect different intrusion techniques, and specifies the intrusion point depending on modes and optical powers Keywords: Fibre Optics; Wire; Intrusion; Simulation; Monitoring; Optical Networks; Optical Power. * Professor; Department of Electronic and Communication, Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, University of Damascus, Damascus: Syria. ** Professor, Department of Electronic and Communication, Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, University of Tishreen; Tartous: Syria. *** Postgraduate Student, Department of Electronic and Communication, Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, University of Damascus, Damascus: Syria 108
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 مقدمة : شهدت االتصاالت في القرن الماضي تطو ار كبي ار وكان الدافع األساسي لهذا التطور الحاجات العسكرية. إذ شهد القرن العشرون الحربين العالميتين األولى والثانية ولعبت االتصاالت دو ار هاما فيهما وكذلك في باقي الحروب مما دفع إلى البحث عن تقنيات متعددة ذات تطبيقات عسكرية وأمنية مثل التشفير وتقنيات الطيف المنثور وذلك من أجل تأمين وصول المعلومة بشكل آمن وغير قابل للتشويش, وكان استخدام األلياف الضوئية إحدى الطرق لالتصاالت السلكية اآلمنة لهذا النوع من وسائط نقل المعلومات[ 1 ]. عند بدايات العمل باأللياف الضوئية كانت هذه األلياف تعاني من تخامد عال ولم تستخدم على نطاق واسع لكن ثمانينات القرن الماضي شهدت تطو ار كبي ار فظهرت ألياف بتخامد منخفض مما سمح باستخدامها بكثرة باإلضافة إلى سعة النقل الكبيرة مقارنة بباقي وسائل االتصاالت التي كانت مستخدمة )السلكية سلكية wire باستخدام الكوابل المحورية الخ...(. إضافة إلى ذلك فقد دخلت األلياف الضوئية في كثير من التطبيقات األمنية فباإلضافة إلى استخدامها في مجال االتصاالت فقد استخدمت في هياكل الطائ ارت المدنية لقياس مقدار التشوه الحاصل على الهيكل وفقا لطرق القياس غير التخريبي ) measurement NDM ( Non distractive كما استخدمت في المطا ارت للحماية األمنية وفي خطوط النفط للم ارقبة والحماية وأعمال أخرى في المجال الطبي والتطبيقات الحيوية ونقل الطاقة للمعالجة. أهمي ة البحث وأهدافه: نناقش في هذا البحث موضوعا هاما يتمثل في.3 كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية لالتصاالت ونقل المعلومات ونقترح بنية نظام لكشف االخت ارق ولهذا البحث أهمية أمنية تتمثل في : 0. حماية شبكات اتصال نقل المعلومات وخصوصا الحساسة منها التي تتطلب سرية عالية في عملها المعلوماتي كما هي الحال في المصارف ومق ارت القيادة وم اركز األبحاث العلمية. حماية شبكات االتصاالت العسكرية من االخت ارق والتجسس. ط اريق البحث ومواده : أ نجز هذا البحث اعتمادا على د ارسات وم ارجع علمية حديثة وعديدة تختص في هذا المجال أخذت وقد نتائجها و توصياتها بعين االعتبار, كما استخدمت البيئتان البرمجي تان Matlab و.Net(C#) في وضع الن ماذج الر ياضية والمحاكاة الحاسوبي ة واستخالص الن تائج وقد اعتمد هذا العمل ليمثل جز ءا هاما في تحسين الجودة والموثوقية لنظام االتصاالت الضوئية. لياف الوويية لا. 1 الليف الضوئي : fiber optic الشكل )0(, يتألف من قسمين أساسين هما : عبارة عن اسطوانة رقيقة جدا وطويلة من السيلكون وفقا لما هو موضح في 109
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر الشكل (1) بنية الليف الوويي انكسار اللب والغالف, اللب core عبارة عن اسطوانة من الزجاج يحيط به الغالف cladding يكون اللب بقرينة أعلى من قرينة انكسار الضوء ضمن الليف[ 2 ]. عند إرسال نبضة ضوئية الغالف وبالتالي فإن السطح الفاصل بينهما يلعب دور مرآة مثالية تحافظ على بقاء pulse عبر الليف فإنها تصل إلى نهايته مستوى طاقة اإلرسال وذات تأخير زمني كما أنها تعاني من وجود تشويه وهذه الظواهر ناتجة من :.1 التخامد Attenuation يتعرض الشعاع الضوئي عند عبوره ضمن الليف أما التسرب واالرتداد من فينتجان بنوعيها المعدنية وشوائب الهيدروكسيل إلى بمستوى طاقة أقل من تخامد عائد إلى المادة المصنع منها الناقل وبنيته الجزيئية البنية الحبيبية والهندسية للناقل الضوئي كما يؤدي وجود الشوائب Impurities إلى تبعثر الضوء OH.scattering تجدر اإلشارة إلى أن نسبة االمتصاص والتبعثر ضمن الليف يتعلقان بطول الموجة, باإلضافة للتركيب الكيميائي للزجاج المستخدم ضمن الليف[ 3 ]. يوضح الشكل (2) مخططا المتصاص الضوء وفق طول الموجة بالنانو متر التخامد بالديسيبل, يطلق على التخامد الناتج من التبعثر بمقدار دقيقة )الدقيقة هي عشر طول الموجة( بتبعثر.Rayleigh سبب وجود تبعثر اريليه ضمن الليف هو أن البنية الكريستالية لثاني أكسيد السيليكون SiO2 تتغير تبعا لدرجة الح اررة خاصة بالقرب من حالة االنصهار ألن الح اررة المطبقة تزيد من حركة هذه الجزيئات وعندما يبرد السائل تتوقف الجزيئات عن الحركة وبالتالي عند مرور حزمة ضوئية خالل بنية كهذه يتبعثر جزء من طاقتها مشكلة ضياع اريليه والتخامد يتناسب عكسا معλ^4, يوجد نوع آخر من التبعثر يسمى بتبعثر Mie من رتبة طول الموجة وهو ناتج من عيوب التصنيع إذ يؤدي المزج غير التام وانحالل المواد الكيميائية لعدم التجانس في النواة كما تسبب المعالجة الناقصة سطحا خشنا بين النواة والغالف. الشكل )3(. مخطط امتصاص الووء تبعا لطول الموجة 110
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105.2 التشت ت Dispersion يحدث التشتت عند زيادة عرض النبضة الضوئية وتأثرها بالنبضة التي سبقتها مما يؤدي إلى ظهور تداخل يجعل من عملية استرجاع البتات صعبا. توجد عدة أنواع للتشتت[ 4 ] هي: تشتت المادة :material dispersion تصدر الثنائيات الضوئية والليز ارت حزمة من أطوال الموجة وليس طول موجة وحيد. يرتبط معامل االنكسار لليف بطول الموجة المستخدم وفقا لعالقة Sellmeier بالتالي فإن سرعة االنتشار ستتغير تبعا للتردد مما يؤدي لوصول النبضة إلى نهاية الليف بأوقات مختلفة يزيد ذلك من عرض النبضة الضوئية. تشتت النمط :intermodal dispersion عند استخدام ليف متعدد األنماط فإن الضوء يمكن أن يسلك عدة مسا ارت ولكل مسار طول مختلف عن اآلخر بالتالي عند إرسال نبضات ضوئية عبر الليف فإنها ستقطعه بأزمنة مختلفة مما يؤدي إلى تداخل النبضات يطلق على هذا النوع من التشتت بتشتت النمط. تشتت دليل الموجة :waveguide dispersion وهو أثر معقد يرتبط ببنية الليف وشكله..3 الوجيج Noise من الم ازيا الهامة لليف الضوئي أنه ال يتأثر بمصادر الضجيج الخارجية وذلك ألن ه مص نع من مادة عازلة بالتالي ال يتدفق خاللها تيا ارت كهربائية سواء كانت ناتجة عن اإلشارة المرسلة أو من اإلشعاعات الخارجية, كما أن األمواج القامة من الوسط الخارجي ال يمكنها االنتشار ضمن الليف, يضاف إلى ذلك أن الموجة الضوئية داخل الليف تكون محجوزة وال تتسرب إلى الخارج وبالتالي ال تتداخل مع اشا ارت األلياف األخرى الموجودة ضمن الكبل الواحد, لكن هناك مصادر أخرى للضجيج قد تأتي من تقانة التصنيع والمحددات التكنولوجية لليف نفسه. 2. انتشار الووء عبر الليف الوويي: يوضح الشكل )5( أنماط العمل المعتمدة في األلياف الضوئية التي يتم تحديدها وفقا لمعامل انكسار اللب : 1- الليف الزجاجي متعدد النمط بقفزة قرينة االنكسار- Step-Index-Multi-mode : يتغير معامل االنكسار بين اللب والغالف بشكل مفاجئ + ويت اروح قطر النواة بين 62\50. µm 2- الليف الزجاجي متعدد النمط متدرج قرينة االنكسار- Graded-Index-Multi-mode :يتغير معامل االنكسار تبعا للبعد عن محور الليف ويصبح بقيمة ثابتة عند الوصول إلى الغالف. 3- الليف الزجاجي وحيد النمط- Single-mode : يكون بقطر صغير للنواة حوالي 10µm ويؤدي النتشار نمط وحيد هو.)LP01( Linear Polarization 01 الشكل) 5 (. أنماط العمل الموجودة في اللياف[ 5 ] 111
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر عند د ارسة االنتشار تؤخذ مناطق االنحناءات في الليف بعين االعتبار وغالبا ال يقل نصف قطر االنحناء عن 2 سم. 3.خوارزمية كشف حدوث االخت ارق ومن الليف الوويي: إن الهدف األساسي في هذا العمل هو كشف االخت ارقات التي تحدث لليف الضوئي بقصد تشويه المعلومات أو سرقتها... وأشهر طرق االخت ارق المعروفة هي : االخت ارق بثني الليف : تتم عملية االخت ارق في هذه الطريقة بثني الليف بنصف قطر محدد, بحيث يبقى ضمن مجال مرونة الليف عند انحناء دليل الموجة تتغير ازوية االنعكاس الكلية عن السطح الفاصل بين اللب والغالف وعندما تصبح أقل من ال ازوية الحرجة يؤدي ذلك إلى نفاذ جزء من األشعة الضوئية المارة في اللب إلى الغالف ومنها إلى الوسط الخارجي كما يمكن أن يتم إ ازلة الغالف للحصول على قيمة أعلى لالستطاعة [5]. تعرف ال ازوية الحرجة بأنها ال ازوية التي إذا ورد فيها الشعاع الضوئي على السطح الفاصل بين مادتين بقرينتي انكسار مختلفتين فإن هذا الشعاع سينعكس بشكل مواز للسطح الفاصل. تعطى ال ازوية الحرجة بالعالقة التالية: (1) : ازوية ورود األشعة بالنسبة للناظم على السطح الفاصل بين اللب والغالف. :عامل االنعكاس للغالف. :عامل االنعكاس اللب. تقدر قيمة االستطاعة الخارجة من الليف بحوالى 1% من القيمة اإلجمالية المنتشرة يتم تركيب مستقبل ضوئي يحول األشعة الضوئية الصادرة عن الليف إلى معلومات ذات معنى. يبين الشكل (4) رسما توضيحيا لعملية االخت ارق بهذه الطريقة [6]. الشكل) 4 (. عملية االخت ارق بواسطة ثني الليف تعد هذه الطريقة صعبة التنفيذ وتحتاج حرفية عالية كما أن نجاح عملية االخت ارق يتطلب معرفة مسبقة ببنية نظام االتصاالت كاملة ( ترميز كشف الخطأ التعديل...(, ما يميز هذه الطريقة هو تناقص االستطاعة بالتالي يمكن عن طريق م ارقبة االستطاعة الضوئية في طرف االستقبال كشف هذه الحالة. 112
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 التوزيع إن ثني الليف ال يؤدي فقط إلى تناقص قيمة االستطاعة المستقبلة )بوصفها قيمة المكاني للكثافة الضوئية المستقبلة, متوسطة( حيث سيؤدي تغير ازوية االنعكاس عند منطقة االنحناء مسا ارت انتشار األشعة الضوئية وبالتالي لوصولها بأزمنة وزوايا مختلفة االستطاعة المستقبلة يساهم أيضا في تعزيز الحماية ضد هذا النوع من االخت ارقات. في جهة المستقبل بالتالي وانما إلى تغير سيؤد ي فنإ إلى تغير م ارقبة توزع مما سبق نجد أن الحماية من هذا النوع من االخت ارق يمكن أن تت م من خالل م ارقبة كل من االستطاعة الضوئية المستقبلة وتوزعها مكانيا. االخت ارق الفيزيايي المباشر لليف: تحدث عملية االخت ارق الليف ومن ثم توصيل ليف جديد. intrusion أن كما يمكن في هذه الطريقة بتركيب وصلة مباشرة على الليف ويتم ذلك بتقشير لحاء تتم عملية االخت ارق بواسطة نفاذ جزء من الطاقة الضوئية إلى المستقبل كما هو موضح في الشكل )5(. clamp القط يخترق لب الليف ويسبب الشكل) 5 (اخت ارق الليف بواسطة الالقط [6] إن االضط اربات perturbation التي يحدثها الالقط على سطح الليف مشابهة لتلك الناتجة من Microbending وبالتالي يمكن باالعتماد على نظرية األنماط المقترنة mode coupled تحديد االستطاعة المتسربة من الليف التي تحدث فقط عند أطوال الموجة المرتبطة مع فترة period االضط ارب. إن طول االرتباط )فترة االضط ارب( الذي يربط فيه الضوء بين نمطين يجب أن يساوي تقريبا نسبة طول الموجة المنتشرة ضمن الليف إلى الفرق بين عاملي االنكسار للب والالقط وفق العالقة التالية [12]: )2( : فترة االضط ارب. : طول موجة الضوء المنتشر. : عامل االنكسار للب. : عامل االنكسار لالقط. 113
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر تتميز هذه الطريقة بأنها تتطلب دقة عالية في التنفيذ لكن أدوات التنفيذ رخيصة ومتوافرة بكثرة. تؤدي عملية االخت ارق بهذه الطريقة إلى تناقص في قيمة االستطاعة المستقبلة تغير في توزع االستطاعة الضوئية, إضافة ضجيج إلى االستطاعة الضوئية المستقبلة ناتج من تغير في قيمة قرينة االنكسار refractive index في اللب في منطقة االخت ارق يؤدي هذا الضجيج بدوره إلى زيادة معدل الخطأ في نظام اتصاالت األلياف الضوئية بالتالي يمكن الحماية ضد هذا النوع من االخت ارق بم ارقبة كل من مستوى االستطاعة الضوئية المستقبلة وتوزعها مكانيا وكذلك بم ارقبة معدل الخطأ في نظام االتصاالت[ 8 ]. 4.بنية نظام الحماية المقترح : من خالل الد ارسة النظرية واعتمادا على الم ارجع العلمية االختصاصية والحديثة [5][6][7] [8][9][10][11]&[12] تبين لنا أنه لتأمين حماية الليف الضوئي من االخت ارق يجب د ارسة النقاط األساسية التالية وم ارقبتها ألنها تلعب الدور العملي في ضمان كشف االخت ارقات وهي : صل م ارقبة االستطاعة الوويية: 1-4- لقياس االستطاعة الضوئية ت رك ب عند نهاية الليف sensors تعتمد هذه الطريقة على استخدام حساسات الضوئي [9] وفي مركزه تحديدا حيث تتركز االستطاعة وتتناقص عند األط ارف. لتنفيذ الم ارقبة يتم تحديد عتبة تنبيه تكون حالة االخت ارق مؤكدة ضمن مرجعية بحيث إنه إذا حدث انخفاض في قيمة االستطاعة المستقبلة عن هذا الحد مجال القياس الم ارقب. ما هي قيمة عتبة التنبيه هذه وكيف تحدد لنفترض أنه لدينا نظام اتصاالت باستخدام ألياف ضوئية وأن الليف المستخدم بطول يساوي L[Km] α[db/km] وبمعامل تخامد [db] استطاعة اإلرسال هي تعطى بالعالقة التالية: عندئذ تكون قيمة االستطاعة المستقبلة L. α )3( م ارقبة توزع االستطاعة الوويية مكانيا : 2-4- تتم عملية الم ارقبة باستخدام مجموعة من حساسات االستطاعة,بحيث يتم تحديد توزع االستطاعة الضوئية بشكل مرجعي عند تركيب الليف ويعتمد ذلك على حل معادالت ماكسويل ضمن الليف, فإذا كان الليف المستخدم وحيد النمط فإن النمط المنتشر هو LP01 ويتبع توزع بيسل من النوع األول والدرجة األولى, بعدها يتم بشكل مستمر م ارقبة قيم االستطاعة الضوئية المستقبلة في الحساس ومقارنتها مع الحالة المرجعية, يتم إعطاء تنبيه عند التغير في توزع االستطاعة الضوئية.تعطى حلول معادلة انتشار الضوء ضمن النواة بتوابع بيسل من النوع األول [10] التي لها ا يغة التالية: )4( حيث 114
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 )5( )6( )7( η: درجة تابع بيسل. : تردد القطع المقيس. : نصف قطر اللب لليف. : طول الموجة المستخدم. : عامل االنكسار اللب. :عامل االنكسار للغالف. يوضح الشكل )6( توابع بيسل Bessel من النوع األول والدرجات المختلفة التي تتغير تبعا لعدة عوامل مثل عامل االنكسار للنواة أو الغالف, قطر النواة, طول الموجة وهو ما يحدث عند حدوث االخت ارق إذ سيؤدي اختالف أحد هذه العوامل إلى تغير النمط المنتشر ضمن الليف. الشكل) 6 (.رسم تحليلي لتوابع بيسل من النوع الول 3-4- م ارقبة معدل الخطأ: إن معدل الخطأ المقبول في أي نظام اتصاالت يتم تحديده حسب نوع المعلومات المنقولة ضمن هذا النظام وأهميتها ويتم تقدير معدل الخطأ باستخدام ترميز كشف الخطأ وتصحيحه, ويعطي النظام تنبيها عند زيادة معدل الخطأ عن المعدل المحدد. بناء على ما سبق فإننا نقترح المخطط الصندوقي المبين في الشكل (7) لنظام كشف االخت ارق: 115
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر نهاية الليف م ارقبة توزع االستطاعة م ارقبة االستطاعة قياس معدل الخطأ الشكل( 7 ).المخطط الصندوقي لنظام كشف االخت ارق النتايج والمناقشة: -1-5 تمثيل توزع االستطاعة الوويية مكانيا عند نهاية الليف: بينت نتائج المحاكاة - الشكل )8( ووفقا للمعادلة )1( ما يلي : التي أجريت على انتشار الضوء ضمن الليف الضوئي - االستطاعة الضوئية أعظمية في مركز الليف وتتناقص تدريجيا باتجاه الحواف. -حدوث تغيير في توزع االستطاعة عند حدوث االخت ارق. وحيد النمط وفقا لما هو مبين في القيمة العظمى لالستطاعة تبقى متمركزة في نهاية الليف لكن تظهر قيم محلية عظمى باتجاه حواف الليف وذلك حسب عدد األنماط المنتشرة. برنامج المحاكاة إذ إن تغير توزع االستطاعة ينتج من تغير نمط االنتشار ضمن الليف, سواء نتيجة الثني أو اللحام ويتم ضمن إدخال يقوم البرنامج بحساب تردد القطع المنتشرة التوزيع با ارمت ارت الليف عوامل االنكسار للنواة والغالف إضافة لطول الموجة المستخدمة وقطر النواة المقيس وبالتالي توزع االستطاعة على كامل كما في الشكل) 8 ( والمحدد بالمعادلة من ثم )7( تردد القطع يمكن أن نحدد عدد األنماط سطح الليف. بفرض أن الليف المستخدم وحيد النمط بالتالي سيكون استطاعة عظمى في المركز تتناقص باتجاه الغالف والنمط المنتشر هو ويكون LP01 عندها تردد القطع المقيس< 2.405,يؤدي تغير تردد القطع المقيس نتيجة االخت ارق إلى انتشار أنماط أخرى وظهور قمم ثانوية ضمن نواة الليف وهذا ما يستدل عليه من انتشار النمط LP02 مثال التي من خاللها نكتشف حدوث الخرق يوضح الشكل )9( ظهور القمم الثانوية, تمت المحاكاة باستخدام البيئة البرمجية. Matlab 116
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 الشكل) 8 ( توزع االستطاعة ومن النواة لليف وحيد النمط الشكل) 9 ( ظهور القمم الثانوية نتيجة حدوث االخت ارق 2-5 تمثيل توزع االستطاعة الوويية مكانيا عند نهاية الليف: قبل أن يتم وضع نظام االتصاالت في الخدمة يتم إج ارء عمليات االختبار على االستطاعة المرسلة لكي يتم تحديد عتبة االستقبال الدنيا المسموح بها التي تحدد ظروف العمل الطبيعي,بعد وضع العتبات يتم وضع حساس االستطاعة في للنبضة المستقبلة البرمجية. Matlab المستقبل عند القيمة التي المطلوبة يقبل من أجلها خطأ النظام. ثابتة ضمن ظروف العمل الطبيعي كما هو موضح بالشكل )10( يمكن اعتبار االستطاعة و الضوئية الناتج عن استخدام البيئة 117
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر الشكل) 10 (.االستطاعة المستقبلة في حالة العمل الطبيعي يؤدي حدوث خلل ضمن الليف إلى تناقص في قيمة االستطاعة وبالتالي لحدوث تنبيه االخت ارق. يبين الشكل )10( محاكاة حدوث الخرق, يجب األخذ بعين االعتبار عتبات التنبيه الخاطئ false alarm ود ارسة كافة الظروف المحيطة بالليف لتقليلها قدر اإلمكان. يت حي البرنامج إدخال العتبة المسموح عندها حدوث التنبيه التي يمكن من خاللها التحكم بدرجة حساسية جهاز االستقبال. الشكل (11).االستطاعة المستقبلة في حال وجود اخت ارق 118
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 3-5- محاكاة نظام اتصاالت وويي: يبين الشكل )12( مخططا صندوقيا لبنية نظام اتصاالت يعتمد على األلياف الضوئية سوف نستخدمه لد ارسة العالقة بين نسبة اإلشارة إلى الضجيج ومعدل الخطأ المسموح به بعد إرسال عدد محدد من البتات واضافة ضجيج إلى القناة. الشكل )02(. بنية نظام اتصاالت وويي يتألف هذا النظام من: 1. مصدر معلومات: منبع معلومات رقمي يمثل المعلومات التي يتعامل معها النظام. 2. مرسل ضوئي: في النظام المبين أعاله هو عبارة عن ديود ضوئي مهمة المرسل تحويل اإلشارة الرقمية إلى إشارة ضوئية يتم ذلك باستعمال طرق التعديل الضوئي التعديل في حالتنا هو OOK On/Off) (Keying طول الموجة المرسلة.1550 nm 3. الليف الضوئي: وهو وسط االنتشار ويكون بتخامد منخفض كما أنه يتمتع بعازليه مرتفعة جدا تسمح بحماية األشعة الضوئية من التداخل الخارجي. 4. المستقبل الضوئي: مهمته تحويل األشعة الضوئية المستقبلة إلى إشارة رقمية ذات معنى. 5. مقياس معدل الخطأ: هو المستقبل اإللكتروني الرقمي عند نهاية النظام. تكون قيمة معدل الخطأ مساوية للصفر في الحالة المثالية, عند إضافة ضجيج إلى القناة يؤدي ذلك إلى تغير القيمة كما هو موضح بالشكل )13( الشكل( 13 ).المخطط الصندوقي لنظام االتصاالت في حالة وجود وجيج تتم عملية المحاكاة لهذا النظام باستخدام برنامج Matlab حيث يتم إدخال قيمة العتبة المسموحة لخطأ البتات المستقبلة كما يتم إدخال مجال تغير نسبة اإلشارة إلى الضجيج. النتيجة التي نحصل هي منحني أداء نظام االتصاالت الضوئي وهي مبينة في الشكل )14( من أجل قيم نسبة إشارة للضجيج تنتمي للمجموعة{ 10,...,20 -}. من أجل معدل 119
BER كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر خطأ ثابت للنظام فإن جميع القيم التي تقع تحت قيمة العتبة ال يتم إصدار تنبيه من أجلها أما القيم التي تقع فوق العتبة والتي تنخفض من أجلها نسبة اإلشارة إلى الضجيج عن القيمة المسموحة يصدر النظام تنبيها بوجود خرق. يؤدي االخت ارق إلى إضافة ضجيج إلى اإلشارة المنقولة ضمن الليف كما سيؤدي إلى خسارة جزء من طاقتها, ينتج من ذلك تناقص نسبة اإلشارة إلى الضجيج وبالتالي زيادة BER,عندما تتجاوز هذه القيمة العتبة المسموحة من قبل الشبكة يعطي النظام تنبيها بوجود خرق )صوتي ضوئي(. BER Curve, Intrusion Detected 10-1 Threshold BER 10-2 10-3 10-4 -10-5 0 5 10 15 20 SNR (db) الشكل) 14 (. منحي معدل الخطأ بداللة نسبة اإلشارة للوجيج 6.تحديد مكان حدوث االخت ارق ومن الليف : من أجل زيادة موثوقية نظام االتصاالت تقتضي الحاجة تحديد مكان االخت ارق بعد أن تم الكشف عنه, سنعتمد خالل عملية المحاكاة على بيئة (#C).Net حيث سنقوم بتمثيل الليف الضوئي كما هو موضح بالشكل )15(. تسهل لغة البرمجة C# بإمكانية استخدام الفأرة التعامل مع موارد النظام ومختلف أجهزة الهاردويرhardware mouse من أجل تحديد مكان االخت ارق وذلك بالنقر على المستطيل مكان النقر يحدد مكان حدوث االخت ارق ليقوم البرنامج بعدها بحساب مسافة االخت ارق.,حيث تم االستعانة ضمن البرنامج الممثل لليف الضوئي, يقوم مبدأ تحديد المسافة ضمن الليف على إرسال نبضة ضوئية باستطاعة عالية ثم استقبال اإلشارة المنعكسة [11] الفاصل الزمني بين النبضة المرسلة والمستقبلة يحدد المسافة المقطوعة علما أن الضوء ينتشر ضمن الليف بسرعة تساوي سرعة انتشار الضوء في الخالء مقسومة على قرينة انكسار اللب[ 12 ] االخت ارق, تحسب االستطاعة المستقبلة من العالقة: )8( : االستطاعة المستقبلة. : االستطاعة المرسلة..Km طول الليف يقدر ب L:. db\km معامل التخامد لليف ويقدر ب β: قيمة االستطاعة تحدد نوع 120
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 : الضياع الناتج من االخت ارق. الشكل) 15 (. واجهة البرنامج باستخدام لغة #c معامالت المحاكاة: قرينة انكسار اللب, معامل التخامد في الليف β مقد ار ب,dB/Km طول الليف L مقد ار ب,Km في حال وجود فقد في االستطاعة ناجم عن االخت ارق يتم إدخال هذه القيمة مقدرة ب,dB قيمة استطاعة اإلرسال.dB مقدرة ب يقوم البرنامج بتحديد مكان حدوث االخت ارق وذلك بمحاكاة عملية االخت ارق بالنقر على الليف الضوئي وعندها ستظهر المسافة التي حصل عندها الخطأ وكذلك تغي ارت االستطاعة المستقبلة كما هو موضح بالشكل التالي) 11 (. الشكل ) 16 (.قياس المسافة وتحديد قيمة االستطاعة 121
كشف االخت ارقات وتحديد مكانها في شبكات األلياف الضوئية ريشة أحمد نصر االستنتاجات والت وصيات : لقد قمنا بدر اسة الطرق المتبعة للقيام بعمليات االخت ارق على األلياف الضوئية طرق بإيجاد ونجحنا وخوارزميات لكشف هذه العمليات عن طريق االستطاعة الضائعة وتغير توزع األنماط إضافة لم ارقبة خطأ البتات الناتج من عملية الخرق. بعد عملية الكشف قمنا بالمحاكاة لتحديد مكان حدوث االختراق وشكل االستطاعة المستقبلة الناتجة. يمكن االستعانة بأحد الطرق السابقة المستخدمة للكشف وتطبيقها على الشبكات العملية كما يمكن استخدام أكثر من طريقة في الوقت نفسه. يؤدي استخدام تقنية الكشف ضمن الشبكات الضوئية تتطلب اتصاالتها سرية عالية. يمكن االستفادة من تقنية wdm زيادة إلى موثوقية االتصال وخاصة لألماكن التي بإرسال نبضة ضوئية بشكل منفصل عن القنوات المخصصة لالتصال يمكن من خاللها تحديد مكان االخت ارق بشكل فوري update detection عند جهة المرسل. حدوث اخت ارق. إذ يمكن االستعانة بتقنية االتصال المزدوج إلرسال إشارة إلى جهة المرسل لقطع االتصال في حال الكشف عن 122
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )9( 3105 الم ارجع: [1] GHATAK, J. and THYAGARAJAN, K. Introduction to Fiber Optics. Cambridge University Press, New Delhi, 1997,565. [2] BORN, M. and WOLF, E. Principles of Optics. 7th ed., Cambridge University Press, New York, 1999, 986. [3] ELLIOTT, B; GILMOR, M. Fiber Optic Cabling. ed., Newens, Oxford, Auckland, Boston, Johannesburg, Melbourne, New Delhi,2002,318. [4] KELLEY, P. L; KAMINOW, I. P; AGRAWAL, G. P. Nonlinear Fiber Optics. 3 rd ed., Academic Press A Harcourt Science And Technology Company, San Diego, San Francisco, New York, Boston, London, Sydney & Tokyo, 2002, 467. [5] BAILEY, D; WRIGHT, E. Practical Fiber Optics. Newens, Amsterdam, Boston, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, Singapore, Sydney, Tokyo, 2003, 260. [6] Oyster Optics, Inc. Securing Fiber Optic Communications against Optical Tapping Methods. February 19, 2003. [7] JAY, J, A. An Over View of Macrobending and Microbending of Optical Fibers, Corning, 2010, 21. [8] EL-SHERIF, M; BANSAL, L; YUAN, J. Fiber Optic Sensors for Detection of Toxic and Biological Threats. MDPI U. S. A, 7, 2007, 3100-3118. [9] To So Yu, F; YIN, S. Fiber Optic Sensors. Marcel Dekkeir Inc, New York & Basel, 2002, 494. [10] Abramowitz, M. and Stegun, I, A., Handbook of Mathematical Functions, Dover, New York, 1965. [11] ANDERSON, F. R; JONSON, L; BELL, F. G. Troubleshooting Optical-Fiber. Networks. ed, Elsevier Academic Press, Amsterdam, Boston, Heidelberg, London New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo, 2004, 563. [12] HUI, R; O SULLIVAN, M. Fiber Optic Measurement Techniques. Elsevier Academic Press, USA, 2009,636. 123