◆陳愛國

海光纜安全防護分析

◆陳愛國

（92912部隊 浙江 315122）

海光纜通信是主要的跨?？缪笸ㄐ欧绞剑撬滦畔鬏斁W(wǎng)的基礎(chǔ)。本文分析了海光纜面臨的安全隱患，從海光纜規(guī)劃、設(shè)計、路由勘察、工程施工等方面，闡述了海光纜安全加固的方法，提出了在運維階段運用海光纜全方位監(jiān)控、入侵檢測等技術(shù)措施保障海光纜安全。

海光纜；安全防護；入侵檢測

海光纜通信具有較好的保密性能、較強的抗干擾能力，傳輸速度快、傳輸成本低，在遠距離通信中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，承擔了90%以上的洲際通信任務[1]。海光纜不僅是全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡的基礎(chǔ)，還是水下信息網(wǎng)信息傳輸?shù)奈ㄒ豢煽渴侄危Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測保護、地震海嘯災害監(jiān)測與預防，海底資源勘探與開發(fā)與利用等，都離不開光電復合纜構(gòu)成的水下信息傳輸網(wǎng)。但大多數(shù)海光纜都處于不設(shè)防狀態(tài)，一旦中斷，就有可能導致全球?qū)拵ЬW(wǎng)中斷，特別是隨著海洋權(quán)益爭奪越加激烈，以海光纜為核心的水下信息傳輸網(wǎng)安全防護就顯得越發(fā)重要。

1 海光纜信息傳輸面臨的安全威脅

海光纜信息傳輸主要面臨四大類風險，分別為海底環(huán)境風險、海面目標風險、海光纜自身風險和人為風險。海底環(huán)境風險包括海流、海床運動、海底環(huán)境等帶來的風險；海面風險包括航運、漁業(yè)、海洋工程等帶來的風險；海光纜自身風險包括海光纜路由位置、自身質(zhì)量、施工質(zhì)量等帶來的風險；人為風險包括信息竊聽等信息安全風險。

1.1 海底環(huán)境風險

海洋環(huán)境復雜，可能影響海底光纜安全的因素有很多，如急流沖走泥沙引起的光纜懸空、地震造成的海底斷層、海底的濁流運動及海床碎石造成的磨損等。在水深大于1000米的深水區(qū)，影響海底光纜安全最大的因素是地震，會對海光纜造成嚴重破壞。如2006年12月的臺灣花蓮附近海域地震造成周邊大面積海光纜損壞，2011年3月日本福島海域大地震，造成日本以東數(shù)十條海底光纜中斷[2]。

1.2 海面目標風險

在海面目標風險中，船錨是威脅海光纜安全的主要因素，經(jīng)統(tǒng)計錨害占到人為因素對海光纜破壞總量的1/3以上，船錨可刺入海底將海光纜直接刺斷，起錨、走錨時可能會將海光纜拉斷。海洋漁業(yè)活動中，拖網(wǎng)、張網(wǎng)等作業(yè)，漁具會刺入海底一定深度，造成海光纜損傷，特別是對于新埋設(shè)還來不及底土回淤的海光纜威脅更大。

1.3 海光纜自身風險

海光纜自身風險包括海光纜質(zhì)量風險和施工風險。海光纜質(zhì)量風險主要由光纜材料、結(jié)構(gòu)等自身因素引起，海光纜使用周期長，海底環(huán)境惡劣，較強的海底壓力和拉力、長期與海床的磨損、海光纜抗腐蝕等性能等都會影響海光纜安全；施工風險是海光纜在埋設(shè)施工、維修作業(yè)時未嚴格按設(shè)計要求實施，影響海光纜安全。

1.4 法律障礙

現(xiàn)在人們保護海光纜的法律意識不強的主要原因是海光纜是跨海、跨洋乃至跨洲通信線路，各國保護水平與標準并不完全一致，盡管各國有司法互助協(xié)議等機制，但在實際操作中面臨諸多困難，特別是各國立法和相關(guān)國際公約等工作都比較滯后，比如美國對蓄意破壞國際光纖電纜系統(tǒng)的行為，最高只能處以2年監(jiān)禁和5000美元罰款。這也是海光纜面臨的最大風險來自人類活動而不是環(huán)境或技術(shù)威脅的主要原因之一。

1.5 網(wǎng)絡攻擊風險

由于海光纜路由的特殊性，不僅定位難度大，信號在封閉的光纜中傳輸，信號竊取、信號干擾等難度也大，即使能夠竊取信號，信號傳輸也困難，與其他通信系統(tǒng)相比，海光纜傳輸相對安全可靠。但自20世紀90年代中期，美國家安全局首次成功進行海底光纜竊聽實驗開始，特別是美海軍“吉米·卡特”號核潛艇2005年2月開始服役，其主要功能之一就是海光纜竊聽，標志著海光纜不再是安全可靠的信息傳輸手段。

2 海光纜安全防護分析

海光纜通信在用戶端，光信號最終要轉(zhuǎn)換為電信號，連接有線網(wǎng)絡，目前有線網(wǎng)絡安全防護措施與技術(shù)比較成熟，但數(shù)據(jù)流從安全防護水平較高的有線網(wǎng)絡流向水平較低的海光纜時，可能會因海光纜安全防護薄弱導致各種風險，必須結(jié)合海光纜自身特點，加強安全防護工作。

2.1 海光纜線路安全加固

物理損壞是海光纜最大的安全威脅，海光纜維修成本高，維修周期長，在設(shè)計和施工階段，要綜合考慮人為和自然因素的影響，盡量使光路處于比較安全的位置，并使用具有高強度防護層的光纖，降低海光纜遭受物理破壞的概率。

（1）詳盡的海底環(huán)境勘察

海底環(huán)境勘察包括水深、海底地形地貌、海床特征、海底流的影響、地震活動、捕魚、疏浚、海洋資源開發(fā)、航運（錨地和禁錨區(qū)）活動等信息，為海光纜系統(tǒng)設(shè)計、安裝施工、運行維護提供翔實的環(huán)境資料。

（2）科學的路由設(shè)計

本著便于施工、便于維護，保證安全，保證使用壽命的原則，充分考慮威脅海光纜安全的潛在因素，避開風險較大的區(qū)域選擇海光纜路由。如避開不利的海底地形地質(zhì)條件、穿越其他海底電纜管線、從事礦產(chǎn)資源開發(fā)的區(qū)域、可能發(fā)生海底地質(zhì)運動的區(qū)域、海洋捕魚活動的區(qū)域、繁忙航道區(qū)域、規(guī)定的錨地、沉船和海底障礙物等。

（3）合理的纜型選擇

纜型選擇主要考慮信息傳輸?shù)目煽啃院瓦m應性，在可靠性方面，能在數(shù)十年的使用周期內(nèi)經(jīng)受住海底惡劣環(huán)境的考驗，傳輸性能要穩(wěn)定、損耗要低，這就要求海光纜具備防滲水、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)堅固、抗壓能力強、抗拉強度高、材料輕、微彎不敏感等特性；在海光纜適應性方面，根據(jù)不同的水深及海區(qū)活動特點，既要考慮保護海光纜不受損壞，又要考慮施工和維護難度，在淺水區(qū)（200米以內(nèi)），人類活動較多，重點考慮海光纜物理保護，通常選擇雙鎧海光纜，強化自身抗損毀能力；在中等水深區(qū)域（200-1500米），受人類活動影響相對較少．通常采用結(jié)構(gòu)相對輕便的單鎧海光纜，既減輕了施工維護難度，又具備一定的物理保護能力；在深水區(qū)（大于1500米），海光纜基本不受人類活動影響，主要考慮減輕施工維護難度，一般選用輕量保護型海光纜。

（4）精確的埋設(shè)施工

海光纜埋設(shè)階段，要嚴格按設(shè)計要求施工。一是要選擇合適的埋設(shè)機具，針對不同的海底地質(zhì)，選擇合適的安裝設(shè)備，例如埋設(shè)機具選擇不合理，會導致埋設(shè)深度過淺，增加海光纜遭人為損壞的風險；二是要正確控制船速，海上施工，受風浪影響較大，船速控制不好會導致埋設(shè)機具躍動式前進，形成局部區(qū)域曲率、半徑缺陷；三是海光纜余量控制要按設(shè)計要求，避免日后維護、修復困難；四是海光纜張力要準確控制，避免施工風險，特別是在深水區(qū)施工，受海光纜拉重比等因素影響．可能會發(fā)生海光纜本體旋轉(zhuǎn)的情況，即使能勉強將海光纜布放入海．一旦發(fā)生故障也會因自重問題難以打撈出水維修。

2.2 海光纜線路全方位監(jiān)控，

（1）海光纜故障檢測與預警

為了保證海光纜穩(wěn)定暢通，需對海光纜進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、及時排除故障隱患。海光纜線路監(jiān)測通常采用光時域反射技術(shù)（OTDR），基本原理是遠程測試單元（RTU）監(jiān)測設(shè)備配合快速故障定位等軟件來實現(xiàn)對海光纜線路監(jiān)測[4]，RTU監(jiān)測設(shè)備內(nèi)嵌OTDR，將測試光耦合到被測光纖中，監(jiān)測點的OTDR測試結(jié)果與參考數(shù)據(jù)進行比較，分析海光纜傳輸性能，及時發(fā)現(xiàn)、及時排除隱患。但OTDR技術(shù)僅對無中繼或從岸站到第一個中繼器間光纜段有效，對于有中繼海光纜，可以周期性地對所有中繼器進行測試并與紀錄進行比較，當某一個中繼段內(nèi)的光纜發(fā)生故障使光纖受到輕微損傷或斷裂時，線路監(jiān)控設(shè)備會顯示中繼器中相應的指標變化的狀況。

（2）海光纜線路入侵檢測

入侵檢測技術(shù)是針對海光纜線路受到惡意入侵、攻擊（如信息竊聽、信息注入）的一種有效監(jiān)測手段，入侵海光纜，會引起海光纜線路性能變化，通過檢測海光纜線路的機械性能、電氣性能和光譜特性等變化，判斷入侵事件的性質(zhì)，對入侵點進行定位，并給出相應的預警。用于海光纜入侵檢測的技術(shù)有基于相位敏感光時域反射技術(shù)（φ－OTDR）、基于偏振光時域反射技術(shù)（POTDR）、賽格納克（Sagnac）干涉儀技術(shù)、馬赫-澤德（MZ）干涉儀技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)等。Sagnac干涉儀技術(shù)和MZ干涉儀技術(shù)都至少需要占用兩根光纖，且必須有一根光纖是與擾動隔離的，需要另外鋪設(shè)擾動隔離的光纖，工程復雜，所以海光纜很少采用這兩種方案。

OTDR技術(shù)已廣泛應用到海光纜線路的工程維護中，但海光纜入侵引起的光纖損耗往往非常小，OTDR技術(shù)很難分辨，在OTDR基礎(chǔ)上衍生的φ－OTDR和POTDR技術(shù)，可檢測海光纜擾動情況，對擾動性質(zhì)進行判定。這種方法存在兩個不足，一是檢測距離受限，對超長距離海光纜不適用；二是海底光纜會受到惡劣環(huán)境的影響，如何將竊聽者行為與正常外力區(qū)別開來，需要采集大量的數(shù)據(jù)進行分析。FMCW技術(shù)采用線性調(diào)頻的窄線寬光源注入到探測光纖中，外界的入侵行為會造成光纖擾動，影響光信號在探測光纖中的相位變化和瑞利反射變化，變化后的探測信號與本地光源在探測器上相干產(chǎn)生拍頻，通過解調(diào)拍頻的頻率就可以定位入侵的位置，無須另外鋪設(shè)傳感介質(zhì)，有較高的空間分辨率，探測靈敏度高，可滿足超長距離的監(jiān)測。

2.3 海光纜故障及時維修

海光纜維修技術(shù)復雜，工程難度大，海光纜中斷造成的損失大，及時、準確探測到海光纜的路由及故障點位置是影響維修效率的關(guān)鍵。盡管海光纜線路監(jiān)控能定位故障點，但OTDR技術(shù)只能測試無中繼海光纜故障點，電壓測試、電容測試等技術(shù)只能檢測測試點到故障點之間的距離，在茫茫海底，找到直徑僅幾十mm的海光纜比較困難。目前有效的做法是采用水下機器人（ROV），前端裝備探測器、攝像頭等設(shè)備，船上操作人員通過計算機系統(tǒng)，測出故障海光纜位置，操縱ROV機械臂進行海光纜打撈、檢測、修復，再由ROV的埋設(shè)犁刀“挖出”溝槽，埋設(shè)海光纜。

3 結(jié)語

海光纜通信屬于光通信系統(tǒng)，陸地光纜網(wǎng)安全防護措施與技術(shù)均適用于海光纜通信系統(tǒng)。海光纜信號最終要轉(zhuǎn)換為電信號，隨著光傳輸速率的不斷增加，電網(wǎng)絡安全防護技術(shù)難以適應大容量、高速率、長距離傳輸?shù)墓庑盘?，如現(xiàn)有的一些電網(wǎng)絡安全認證協(xié)議使用受到限制、現(xiàn)有的電子防火墻技術(shù)難以直接為光網(wǎng)絡提供安全隔離等服務、電網(wǎng)絡協(xié)議在使用到具有高比特率的光纖線路的網(wǎng)絡和傳輸層時，很容易受到業(yè)務中斷攻擊等。因此，海光纜的安全防護需依賴光網(wǎng)絡安全防護技術(shù)的進一步發(fā)展。

[1]隗小斐，吳學智. COTDR技術(shù)在海光纜監(jiān)測中的應用[J].信息通信，2017．

[2]裘忠良. 保護海底光纜的技術(shù)措施[J]. 航海技術(shù)，2015.

[3]王瑛劍，董俊宏，胡斌. 對海底光纜進行竊聽的技術(shù)分析[J].艦船電子工程，2008.

[4]楊帆. 水下信息傳輸網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析研究[J].通信技術(shù)，2018.