CN112422572A - 一种光纤时间同步系统中间人攻击系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤时间同步系统中间人攻击系统及方法，包括环形器1、攻击单元和环形器2，所述环形器1的2端口和环形器2的2端口均通过传输链路接入光纤时间同步系统，所述环形器1靠近光纤时间同步系统的主端，所述环形器2靠近光纤时间同步系统的从端。本发明提出的攻击方法是针对光纤时间同步系统一个补偿周期内传输链路对称性和时间间隔计数器计数原理提出的，区别于基于NTP协议等网络时间同步系统的攻击方法，因此，本发明提出的基于光脉冲波形控制的攻击方法针对性较强。

Description

一种光纤时间同步系统中间人攻击系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤时间同步技术领域，具体涉及一种光纤时间同步系统中间人攻击系统及方法。

背景技术

时间是一个国家政治、军事、经济、科技和社会生活中至关重要的参量，关系着国家和社会的安全稳定。时间同步是将主端的标准参考时间，通过传输媒介向从端传输，使从端对本地时钟进行校正，实现整个系统内时钟对准并同步的过程。现有的时间同步技术包括微波授时，卫星授时，光纤授时等方法。其中，以光纤为媒介的时间同步技术具有传输损耗低、抗电磁干扰、不易受外界环境影响等优点，具有远距离、高精度时钟比对的潜力，引起了国内外多家研究机构的关注，是本领域重要的技术发展方向。

光纤时间同步技术通过测量秒脉冲在主从两端的传输延时计算时间同步误差，利用补偿模块对时间同步误差进行主动补偿，实现时频信号的长距离、高精度、稳定传输。光纤时间同步技术主要有环回(Round-trip)法，和双向比对(two-way)法两种。环回法利用主端设备测量秒脉冲在系统中往返传输总时延计算单向传输时延，再利用主端的补偿模块对时间同步误差即单向传输时延进行补偿，使从端恢复秒脉冲；双向比对法主端和从端设备分别测量秒脉冲在系统中的单向传输时延计算两单向传输时延差，再利用从端的补偿模块对时间同步误差即单向传输时延差的一半进行补偿，使从端秒脉冲与主端秒脉冲的时延为0。

时间间隔计数器(Time Interval Counter，TIC)通过测量两通道秒脉冲的时间间隔获取秒脉冲的传输时延，是光纤时间同步系统的核心仪器之一。通常，在光纤时间同步系统中，时间间隔计数器以本端发送的秒脉冲上升沿(或下降沿)达到某一定值为开门信号，以本端接收的秒脉冲上升沿(或下降沿)达到某一定值为关门信号，通过计算开关门信号的时间间隔获取秒脉冲的传输延时。作为关门信号的秒脉冲经光纤链路传输，其波形的变化将影响时间间隔计数器的关门时间，进而改变测量的传输时延。

虽然光纤时间同步系统通过链路设计和主动补偿的方式，对自然环境导致的秒脉冲波形变化引起的时间同步误差进行了有效补偿，其仍然存在一些安全漏洞，主要体现在两个方面：

(1)光纤链路对称性假设：光纤时间同步系统通常采用单纤双向传输秒脉冲，认为秒脉冲在主从两端往返传输的链路是对称的，延时是相等的；

(2)时间间隔计数器工作原理：时间间隔计数器通常以上升沿(或下降沿)电压达到某一定值作为触发信号。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种光纤时间同步系统中间人攻击系统及方法解决了光纤时间同步系统通过链路设计和主动补偿的方式存在一些安全漏洞的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种光纤时间同步系统中间人攻击系统，其特征在于，包括环形器1、攻击单元和环形器2，所述环形器1的2端口和环形器2的2端口均通过传输链路接入光纤时间同步系统，所述环形器1靠近光纤时间同步系统的主端，所述环形器2靠近光纤时间同步系统的从端；

所述攻击单元包括攻击实施单元和延时补偿单元，所述攻击实施单元的输入端A和延时补偿单元的输出端D可分别与环形器1的3端口和1端口连接，所述攻击实施单元的输出端B和延时补偿单元的输入端C分别与环形器2的1端口和3端口连接。

进一步地：所述攻击实施单元包括耦合器1、波形检测单元、波形控制单元和耦合器2，所述耦合器1的COM端与环形器1的3端口连接，所述耦合器2的99％端口与环形器2的1端口连接，所述耦合器1的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述耦合器1的99％端口与波形控制单元的信号输入端连接，所述耦合器2的COM端与波形控制单元的信号输出端连接，所述耦合器2的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述波形检测单元的信号输出端与波形控制单元的信号输入端连接。

进一步地：所述波形控制单元包括啁啾光栅、光开关和环形器3，所述啁啾光栅的左侧与光开关的选择通道1连接，所述啁啾光栅的右侧与光开关的选择通道2连接，所述光开关与环形器3的2端口连接，所述环形器3的1端口为波形控制单元的信号输入端，所述环形器3的3端口为波形控制单元的信号输出端。

一种光纤时间同步系统中间人攻击方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定预期攻击延时结果，根据预期攻击延时结果计算波形控制参数，并测量秒脉冲从环形器1的3端口进入到环形器2的1端口输出的传输时间Δτ_delay；

S2、令秒脉冲从耦合器1的COM端进入，使耦合器1的1％端口输出信号作为检测信号1进入波形检测单元，使耦合器1的99％端口输出信号进入波形控制单元；

S3、根据波形控制参数利用波形控制单元对秒脉冲的脉冲宽度和强度进行调节，输出调制后秒脉冲到耦合器2的COM端；

S4、通过耦合器2将调制后秒脉冲分为两路信号，一路信号从耦合器2的1％端口输出，作为检测信号2，进入波形检测单元，另一路信号从99％端口输出作为被攻击秒脉冲信号，经环形器2的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S5、通过延时补偿单元为环形器2的3端口输出的秒脉冲信号提供Δτ_delay的延迟量，并经环形器1的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S6、将检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度信息反馈给波形控制单元，通过波形控制单元对下一个到来的秒脉冲信号进行动态调节，使检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件，完成攻击。

进一步地：所述步骤S1中波形控制参数τ和A的计算公式为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A＝101A₀

上式中，τ₀和τ分别为检测信号1和调制后秒脉冲的脉冲宽度，A₀和A分别为检测信号1和经波形控制单元调制后输出的秒脉冲强度，Δτ_attack为预期攻击延时结果。

进一步地：所述检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A_1％＝1.01A₀

上式中，τ为检测信号2的脉冲宽度，检测信号2的脉冲宽度与调制后秒脉冲的脉冲宽度相同，A_1％为检测信号2的强度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的攻击方法是针对光纤时间同步系统一个补偿周期内传输链路对称性和时间间隔计数器计数原理提出的，区别于基于NTP协议等网络时间同步系统的攻击方法，因此，本发明提出的基于光脉冲波形控制的攻击方法针对性较强。

(2)本发明提出的攻击方法可以通过波形控制(压缩或展宽秒脉冲)，人为改变两端时间间隔计数器的关门时间，从而改变两端时间间隔计数器的读数，使光纤时间同步系统中的补偿模块引入错误的时间同步误差补偿量，造成两端时钟不同步；时间间隔计数器是光纤时间同步系统必不可少的核心设备，因此，本发明有效性强。

(3)本发明提出的攻击方法完全由攻击者决定，攻击者可自由控制攻击的开启或关闭；攻击延时量可以根据波形设计灵活配置。

(4)秒脉冲在长距离光纤链路中传输发生波形变化是自然存在的，本发明人为控制秒脉冲波形，现有的光纤时间同步系统无法区分波形变化是否为攻击行为，因此，本发明隐蔽性较强。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明攻击单元的内部结构图；

图3为本发明具体结构图；

图4为本发明中波形控制单元的结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

时间间隔计数器(Time Interval Counter，TIC)通过测量两通道秒脉冲的时间间隔获取秒脉冲的传输时延，是光纤时间同步系统的核心仪器之一。通常，在光纤时间同步系统中，时间间隔计数器以本端发送的秒脉冲上升沿(或下降沿)达到某一定值为开门信号，以本端接收的秒脉冲上升沿(或下降沿)达到某一定值为关门信号，通过计算开关门信号的时间间隔获取秒脉冲的传输延时。作为关门信号的秒脉冲经光纤链路传输，其波形的变化将影响时间间隔计数器的关门时间，进而改变测量的传输时延。

本发明针对时间间隔计数器工作原理，提出了一种光纤时间同步系统中间人攻击方法，该方法对环回法与双向比对法均适用。

攻击系统可至于光纤链路任意位置，通过对单向秒脉冲波形进行控制，改变两端时间间隔计数器的关门时间，实现对时间同步系统的中间人攻击。具体的实施案例如下。

如图1所示，一种光纤时间同步系统中间人攻击系统，其特征在于，包括环形器1、攻击单元和环形器2，所述环形器1的2端口和环形器2的2端口均通过传输链路接入光纤时间同步系统，所述环形器1靠近光纤时间同步系统的主端，所述环形器2靠近光纤时间同步系统的从端；

在第i个补偿周期内，主端发射的秒脉冲在光纤链路中传输一段距离后，从环形器1的2端口进入攻击单元，经攻击单元调制后从环形器2的2端口射出回到原光纤时间同步系统的光纤链路中，传输到从端，被从端接收；从端发出的秒脉冲在光纤链路中传输一段距离后，从环形器2的2端口进入攻击单元，经攻击单元调制后从环形器1的2端口射出回到原光纤时间同步系统的光纤链路中，传输到主端，被主端接收，攻击完成。

如图2所示，所述攻击单元包括攻击实施单元和延时补偿单元，所述攻击实施单元的输入端A和延时补偿单元的输出端D可分别与环形器1的3端口和1端口连接，所述攻击实施单元的输出端B和延时补偿单元的输入端C分别与环形器2的1端口和3端口连接。

此连接方式攻击实施单元作用于从主端传输到从端的秒脉冲，延时补偿单元作用于从从端传输到主端的秒脉冲。若攻击实施单元对秒脉冲进行脉冲展宽操作，将使从端时钟超前，即Δt(i)<0；若攻击实施单元对秒脉冲进行脉冲压缩操作，将使从端时钟滞后，即Δt(i)>0。

攻击实施单元的输入端A和延时补偿单元的输出端D可分别与环形器2的3端口和1端口连接，所述攻击实施单元的输出端B和延时补偿单元的输入端C分别与环形器1的1端口和3端口连接。

此连接方式攻击实施单元作用于从从端传输到主端的秒脉冲，延时补偿单元作用于从主端传输到从端的秒脉冲。若攻击实施单元对秒脉冲进行脉冲展宽操作，将使从端时钟滞后，即Δt(i)>0；若攻击实施单元对秒脉冲进行脉冲压缩操作，将使从端时钟超前，即Δt(i)<0。

以对第i个补偿周期内的主端传输到从端的秒脉冲进行光脉冲波形控制为例，如图3所示，所述攻击实施单元包括耦合器1、波形检测单元、波形控制单元和耦合器2，所述耦合器1的COM端与环形器1的3端口连接，所述耦合器2的99％端口与环形器2的1端口连接，所述耦合器1的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述耦合器1的99％端口与波形控制单元的信号输入端连接，所述耦合器2的COM端与波形控制单元的信号输出端连接，所述耦合器2的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述波形检测单元的信号输出端与波形控制单元的信号输入端连接。

一种光纤时间同步系统中间人攻击方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定预期攻击延时结果，根据预期攻击延时结果计算波形控制参数，并测量秒脉冲从环形器1的3端口进入到环形器2的1端口输出的传输时间Δτ_delay；

波形控制参数τ和A的计算公式为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A＝101A₀

上式中，τ₀和τ分别为检测信号1和调制后秒脉冲的脉冲宽度，A₀和A分别为检测信号1和经波形控制单元调制后输出的秒脉冲强度，Δτ_attack为预期攻击延时结果。

S2、令秒脉冲从耦合器1的COM端进入，使耦合器1的1％端口输出信号作为检测信号1进入波形检测单元，使耦合器1的99％端口输出信号进入波形控制单元；

S3、根据波形控制参数利用波形控制单元对秒脉冲的脉冲宽度和强度进行调节，输出调制后秒脉冲到耦合器2的COM端；

S4、通过耦合器2将调制后秒脉冲分为两路信号，一路信号从耦合器2的1％端口输出，作为检测信号2，进入波形检测单元，另一路信号从99％端口输出作为被攻击秒脉冲信号，经环形器2的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S5、通过延时补偿单元为环形器2的3端口输出的秒脉冲信号提供Δτ_delay的延迟量，并经环形器1的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S6、将检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度信息反馈给波形控制单元，通过波形控制单元对下一个到来的秒脉冲信号进行动态调节，使检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件，完成攻击。所述检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A_1％＝1.01A₀

上式中，τ为检测信号2的脉冲宽度，检测信号2的脉冲宽度与调制后秒脉冲的脉冲宽度相同，A_1％为检测信号2的强度。

如图4所示，所述波形控制单元包括啁啾光栅、光开关和环形器3，所述啁啾光栅的左侧与光开关的选择通道1连接，所述啁啾光栅的右侧与光开关的选择通道2连接，所述光开关与环形器3的2端口连接，所述环形器3的1端口为波形控制单元的信号输入端，所述环形器3的3端口为波形控制单元的信号输出端。

秒脉冲进入波形控制单元，从光开关的1通道输入，2通道输出到光开关，光开关选择通道1或通道2接通，使秒秒冲经啁啾光栅调制，完脉冲展宽或压缩；调制后的秒脉冲从环形器3的2通道输入，3通道输出。

光开关选择通道1接通，秒脉冲从啁啾光栅左侧进入，经端面反射后从左侧输出，光脉冲将被展宽；光开关选择通道2接通，秒脉冲从啁啾光栅右侧进入，经端面反射后从右端输出，光脉冲将被压缩。

Claims (6)

1.一种光纤时间同步系统中间人攻击系统，其特征在于，包括环形器1、攻击单元和环形器2，所述环形器1的2端口和环形器2的2端口均通过传输链路接入光纤时间同步系统，所述环形器1靠近光纤时间同步系统的主端，所述环形器2靠近光纤时间同步系统的从端；

所述攻击单元包括攻击实施单元和延时补偿单元，所述攻击实施单元的输入端A和延时补偿单元的输出端D可分别与环形器1的3端口和1端口连接，所述攻击实施单元的输出端B和延时补偿单元的输入端C分别与环形器2的1端口和3端口连接。

2.根据权利要求1所述的光纤时间同步系统中间人攻击系统，其特征在于，所述攻击实施单元包括耦合器1、波形检测单元、波形控制单元和耦合器2，所述耦合器1的COM端与环形器1的3端口连接，所述耦合器2的99％端口与环形器2的1端口连接，所述耦合器1的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述耦合器1的99％端口与波形控制单元的信号输入端连接，所述耦合器2的COM端与波形控制单元的信号输出端连接，所述耦合器2的1％端口与波形检测单元的信号输入端连接，所述波形检测单元的信号输出端与波形控制单元的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的光纤时间同步系统中间人攻击系统，其特征在于，所述波形控制单元包括啁啾光栅、光开关和环形器3，所述啁啾光栅的左侧与光开关的选择通道1连接，所述啁啾光栅的右侧与光开关的选择通道2连接，所述光开关与环形器3的2端口连接，所述环形器3的1端口为波形控制单元的信号输入端，所述环形器3的3端口为波形控制单元的信号输出端。

4.一种光纤时间同步系统中间人攻击方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定预期攻击延时结果，根据预期攻击延时结果计算波形控制参数，并测量秒脉冲从环形器1的3端口进入到环形器2的1端口输出的传输时间Δτ_delay；

S2、令秒脉冲从耦合器1的COM端进入，使耦合器1的1％端口输出信号作为检测信号1进入波形检测单元，使耦合器1的99％端口输出信号进入波形控制单元；

S3、根据波形控制参数利用波形控制单元对秒脉冲的脉冲宽度和强度进行调节，输出调制后秒脉冲到耦合器2的COM端；

S4、通过耦合器2将调制后秒脉冲分为两路信号，一路信号从耦合器2的1％端口输出，作为检测信号2，进入波形检测单元，另一路信号从99％端口输出作为被攻击秒脉冲信号，经环形器2的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S5、通过延时补偿单元为环形器2的3端口输出的秒脉冲信号提供Δτ_delay的延迟量，并经环形器1的1端口进入2端口输出到光纤时间步系统传输链路中；

S6、将检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度信息反馈给波形控制单元，通过波形控制单元对下一个到来的秒脉冲信号进行动态调节，使检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件，完成攻击。

5.根据权利要求4所述的光纤时间同步系统中间人攻击方法，其特征在于，所述步骤S1中波形控制参数τ和A的计算公式为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A＝101A₀

上式中，τ₀和τ分别为检测信号1和调制后秒脉冲的脉冲宽度，A₀和A分别为检测信号1和经波形控制单元调制后输出的秒脉冲强度，Δτ_attack为预期攻击延时结果。

6.根据权利要求5所述的光纤时间同步系统中间人攻击方法，其特征在于，所述检测信号1和检测信号2的脉冲宽度和强度满足条件为：

τ＝τ₀-2Δτ_attack

A_1％＝1.01A₀

上式中，τ为检测信号2的脉冲宽度，检测信号2的脉冲宽度与调制后秒脉冲的脉冲宽度相同，A_1％为检测信号2的强度。

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