魏訪

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益更新，光纖傳感技術(shù)已被列入高新科技行列，并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)當(dāng)中，且備受世界各國(guó)重視。全光網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交換所使用的主要技術(shù)，其承載著巨大的信息量，因此，其安全性和可靠性成為人們所關(guān)心的重大問(wèn)題之一。文章簡(jiǎn)單闡述了光纖傳感技術(shù)及光纖傳感器的概念，分析了全光網(wǎng)絡(luò)及其所存在的安全隱患，并就光纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用進(jìn)行了論述和研究。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；全光網(wǎng)絡(luò)；安全管理

全光網(wǎng)絡(luò)（AII Optical Network，AON）是指一種以光信號(hào)為用戶之間信息傳輸與交換的網(wǎng)絡(luò)形式，全光網(wǎng)絡(luò)具有傳輸帶寬高、處理能力強(qiáng)、可抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，且正逐步替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及光電網(wǎng)絡(luò)，成為當(dāng)前通信領(lǐng)域的首選通信技術(shù)。全光網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸量和交換量非常大，其安全性至關(guān)重要。伴隨全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的拓展，現(xiàn)為用戶提供一個(gè)安全性和可靠性較高的傳輸平臺(tái)，成為業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

1 光纖傳感技術(shù)與光纖傳感器

1.1光纖傳感技術(shù)的特質(zhì)和應(yīng)用

據(jù)相關(guān)資料表明，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，伴隨光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于光纖傳感技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)也不斷發(fā)生變化，其以光波為主體，以光纖為載體，相互得到感應(yīng)和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感作用。因此，不管是用于測(cè)量信號(hào)的主體光波，還是用于傳播光波的載體光纖，其都具備特殊的優(yōu)勢(shì)，并擁有普通主體和載體獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其融合了信息傳輸及光子技術(shù)，并得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)及生活當(dāng)中作出了巨大貢獻(xiàn)，因而廣受青睞，并不斷向前發(fā)展。

多年來(lái)的科研成果不斷投入使用，促進(jìn)了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。利用光纖傳感技術(shù)可完成很多技術(shù)難度較高，甚至很多傳統(tǒng)技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)，如于高壓電環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量、在具強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量等任務(wù)。雖然光纖傳感技術(shù)源于人類，是人類所研究和創(chuàng)造出來(lái)的，但其卻具有人類無(wú)法企及的能力，接收到很多人類無(wú)法接收的訊息。相比于傳統(tǒng)的傳感器，光纖傳感器的性能更佳。同時(shí)，它還可與計(jì)算機(jī)相互連接，具有傳統(tǒng)科技無(wú)法比擬的輕便性和便捷性優(yōu)勢(shì)。

1.2光纖傳感器

光纖傳感器是一種利用光纖中光傳導(dǎo)時(shí)因受被測(cè)對(duì)象的影響而導(dǎo)致光發(fā)生一系列變化，通過(guò)分析光的變化而對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)或控制的傳感器。相比于傳統(tǒng)傳感器，光纖傳感器具高靈敏度、良好電絕緣性、防爆、耐腐蝕、光路可彎曲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聯(lián)接方便、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)‘1]。光纖傳感器最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后逐步發(fā)展至各工業(yè)領(lǐng)域，如電力、石油、化工、交通、建筑等，同時(shí)在國(guó)防、公共安全、環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的監(jiān)測(cè)作用。 依傳感原理，光纖傳感器可分為功能型和非功能型兩種；依被調(diào)制光波參數(shù)不同，光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等各類光纖傳感器[2]。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新型光纖傳感器逐步涌現(xiàn)，如光子晶體光纖傳感器、聚合物光纖傳感器、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器等，甚至還研發(fā)出了一些可于接收現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試的傳感結(jié)構(gòu)，尤其是分布傳感技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的分布測(cè)試。將其應(yīng)用于全光網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可迅速“感知”光纖是否被損，使得全光網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性得以提高。

2 全光網(wǎng)絡(luò)及其安全隱患

2.1全光網(wǎng)絡(luò)概述

全光網(wǎng)絡(luò)是指以光信號(hào)為用戶之間傳輸及交換信息的主要方式的網(wǎng)絡(luò)形式，全光網(wǎng)絡(luò)具傳輸速率快、處理能力強(qiáng)、可抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域當(dāng)中，并逐步取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和光電網(wǎng)絡(luò)，成為當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。因全光網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的信息傳輸量非常大，所以.其安全性及可靠性顯得尤其重要。全光網(wǎng)絡(luò)是基于光纖傳感技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新型網(wǎng)絡(luò)形式，其安全性和可靠性直接影響了全光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2全光網(wǎng)絡(luò)的安全隱患

就全光網(wǎng)絡(luò)本身而言，其主要由業(yè)務(wù)層、適配層和光層共同組成，雖各業(yè)務(wù)層均有相應(yīng)安全機(jī)制以保證信息傳輸與交換的安全性，但于光層中實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制是當(dāng)下全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與應(yīng)用的研究重點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，全光網(wǎng)絡(luò)的安全性較為脆弱，主要體現(xiàn)在以下方面：（1）全光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管系統(tǒng)、光部件及光纜會(huì)發(fā)生故障或遭到破壞，致系統(tǒng)癱瘓，影響信息傳輸安全性。（2）未實(shí)施保護(hù)的光纖會(huì)被利用，致系統(tǒng)遭到攻擊。（3）光網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中有多個(gè)波長(zhǎng)在進(jìn)行傳輸，信道間的串?dāng)_會(huì)影響信息傳輸?shù)陌踩浴＃?）高速傳輸速率會(huì)加大數(shù)據(jù)破壞量，有時(shí)即使只是短暫的攻擊，系統(tǒng)被破壞或解密的數(shù)據(jù)量也非常大。（5）無(wú)重建數(shù)據(jù)流功能、透明節(jié)點(diǎn)無(wú)法識(shí)別信號(hào)調(diào)制及編碼格式等，都會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的安全性。

伴隨全光網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)的透明性越來(lái)越顯著，其雖有利于提高網(wǎng)絡(luò)性能，但造成了一定安全隱患。據(jù)相關(guān)研究分析表明，全光網(wǎng)絡(luò)仍存在類似于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)與光電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所存在的問(wèn)題，尤其是帶內(nèi)干擾和帶外干擾，嚴(yán)重影響全光網(wǎng)絡(luò)的安全性?？傮w而言，當(dāng)前全光網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下3方面：（1）帶內(nèi)干擾。帶內(nèi)干擾主要是利用單個(gè)高能發(fā)射機(jī)將信號(hào)插入鏈路當(dāng)中，從而使接收機(jī)的解譯能力降低。帶內(nèi)干擾不僅會(huì)影響該鏈路上的信號(hào)，而且還會(huì)使得連接于此鏈路或此鏈路上節(jié)點(diǎn)的其他鏈路信號(hào)強(qiáng)度減弱。（2）帶外干擾。帶外干擾主要是利用外來(lái)干擾影響全光系統(tǒng)，與此同時(shí)利用所引發(fā)的光學(xué)器雜亂對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，主在利用泄漏組件或交叉調(diào)制以減弱通信信號(hào)能量。若光纖放大器含交叉增益調(diào)制作用，帶外干擾就更易產(chǎn)生。（3）非法探測(cè)。非法探測(cè)是攻擊者利用合法用戶的共享資源對(duì)鄰近信道所泄漏的道間串?dāng)_進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，以干擾或竊聽(tīng)鄰近信號(hào)信息。非法探測(cè)的主要目的在于盜取用戶信息，是一種嚴(yán)重侵犯合法用戶權(quán)益的行為。

3 光纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用

針對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)所受到的攻擊，系統(tǒng)通常會(huì)進(jìn)行自動(dòng)診斷及檢測(cè)，當(dāng)前所采取的方法主要有兩種：一種是統(tǒng)計(jì)分析通信數(shù)據(jù)，另一種是測(cè)量相關(guān)信號(hào)。統(tǒng)計(jì)分析通信數(shù)據(jù)主要利用寬波帶能量檢測(cè)和光譜分析兩種方式；測(cè)量相關(guān)信號(hào)主要利用導(dǎo)頻音和光時(shí)域反射儀兩種方式，這兩種方式的工作原理都是通過(guò)分布式光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。分布式光纖傳感器是一種良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布監(jiān)測(cè)器，其可在不對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害的前提下利用光導(dǎo)纖維的傳感運(yùn)輸雙重性，對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地沿光纖分布的多個(gè)節(jié)點(diǎn)或是連續(xù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取代了傳統(tǒng)的利用多臺(tái)獨(dú)立的點(diǎn)傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法，有效提高了測(cè)量效率。

當(dāng)前在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的光纖傳感器主要有光時(shí)域反射儀和光頻域反射儀，其中光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）主要是利用光脈注入光纖及返回入射端之間的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)位置信息的提取?；贠TDR的光纖傳感技術(shù)包括基于布里淵散射光時(shí)域反射儀（Brillouin Optical Time DomainReflectometer，BOTDR）、基于布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（Brillouin Optical Time Domain Analysis， BOTDA）及基于喇曼散射光時(shí)域反射儀3種分布式光纖傳感器。這同種光纖傳感器于全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為以下幾方面。

（1）基于OTDR?；贠TDR的分布式光纖傳感器主用于檢測(cè)光纖的損耗點(diǎn)，可對(duì)整條光纖線路距離方面的損耗變化情況進(jìn)行連續(xù)性顯示，其具強(qiáng)非迫害性，方便使用且具較多功能。但其在使用過(guò)程當(dāng)中始終存在一段盲區(qū)，導(dǎo)致光纖兩端的衰減值存在較大差異。因此，在計(jì)算光纖衰減值通常取兩者的平均值。

（2）基于BOTDR?；贐OTDR的分布式光纖傳感器主用于監(jiān)測(cè)應(yīng)力及溫度。針對(duì)單一分布參數(shù)的測(cè)量具較高精度和空間分辨率，但布里淵的頻移較小，且其線寬較窄，對(duì)于激光器頻率的穩(wěn)定性及光濾波器的要求較高，致其使用范圍受限。

（3）基于BOTDA?；贐OTDA主應(yīng)用于監(jiān)測(cè)應(yīng)力及溫度變化。其精度及空間分辨率較高，動(dòng)態(tài)范圍非常廣且具較高檢測(cè)精度。但其系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，通常需于被檢測(cè)對(duì)象兩端分別旋轉(zhuǎn)泵浦激光器和探測(cè)激光器，使用條件受限，且無(wú)法檢測(cè)斷點(diǎn)。

（4）基于ROTDR?；赗OTDR主要應(yīng)用于監(jiān)測(cè)溫度變化，有助于提高系統(tǒng)的相對(duì)靈敏度及溫度測(cè)量精度，有效拓展了系統(tǒng)功能。但其要求良好光源，且返回信號(hào)較弱。

光頻域反射儀也叫相干光頻域反射儀（Optical FrequencyDomain Reflectiometry，OFDR），是一種于頻率軸上將位置信息進(jìn)行提取的方法，其是先對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)線性掃描，然后利用反射光和參考光的拍頻譜來(lái)計(jì)算反射光的分布。OFDR在全光網(wǎng)絡(luò)安全管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用OFDR對(duì)光纖上所受到的攻擊進(jìn)行在線測(cè)試，以對(duì)被攻擊的光纖進(jìn)行迅速定位，并將位置信息報(bào)告于上層管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)能及時(shí)采取相應(yīng)保護(hù)措施，以免受到破壞性攻擊。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，伴隨通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，全光網(wǎng)絡(luò)將逐步取代傳統(tǒng)普通網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，全光網(wǎng)絡(luò)所傳送的信息量極大，一旦出現(xiàn)安全管理問(wèn)題，將會(huì)帶來(lái)不可預(yù)估的損失。為加強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，全光網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)帶有一定保護(hù)措施。實(shí)踐證明，光纖傳感器可有效防范全光網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題，為進(jìn)一步發(fā)揮光纖傳感器對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)的安全防范作用，還需進(jìn)行深入研究與探討。

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