◆陳愛(ài)國(guó)

海光纜安全防護(hù)分析

◆陳愛(ài)國(guó)

（92912部隊(duì) 浙江 315122）

海光纜通信是主要的跨?？缪笸ㄐ欧绞?，是水下信息傳輸網(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(jì)、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(yùn)維階段運(yùn)用海光纜全方位監(jiān)控、入侵檢測(cè)等技術(shù)措施保障海光纜安全。

海光纜；安全防護(hù)；入侵檢測(cè)

海光纜通信具有較好的保密性能、較強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸速度快、傳輸成本低，在遠(yuǎn)距離通信中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，承擔(dān)了90%以上的洲際通信任務(wù)[1]。海光纜不僅是全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)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(cè)保護(hù)、地震海嘯災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)防，海底資源勘探與開發(fā)與利用等，都離不開光電復(fù)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(dǎo)致全球?qū)拵ЬW(wǎng)中斷，特別是隨著海洋權(quán)益爭(zhēng)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(hù)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(fēng)險(xiǎn)，分別為海底環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、海面目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)、海光纜自身風(fēng)險(xiǎn)和人為風(fēng)險(xiǎn)。海底環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)包括海流、海床運(yùn)動(dòng)、海底環(huán)境等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；海面風(fēng)險(xiǎn)包括航運(yùn)、漁業(yè)、海洋工程等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；海光纜自身風(fēng)險(xiǎn)包括海光纜路由位置、自身質(zhì)量、施工質(zhì)量等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；人為風(fēng)險(xiǎn)包括信息竊聽(tīng)等信息安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 海底環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

海洋環(huán)境復(fù)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(yùn)動(dòng)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(huì)對(duì)海光纜造成嚴(yán)重破壞。如2006年12月的臺(tái)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(biāo)風(fēng)險(xiǎn)

在海面目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)中，船錨是威脅海光纜安全的主要因素，經(jīng)統(tǒng)計(jì)錨害占到人為因素對(duì)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(shí)可能會(huì)將海光纜拉斷。海洋漁業(yè)活動(dòng)中，拖網(wǎng)、張網(wǎng)等作業(yè)，漁具會(huì)刺入海底一定深度，造成海光纜損傷，特別是對(duì)于新埋設(shè)還來(lái)不及底土回淤的海光纜威脅更大。

1.3 海光纜自身風(fēng)險(xiǎn)

海光纜自身風(fēng)險(xiǎn)包括海光纜質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)。海光纜質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)，海底環(huán)境惡劣，較強(qiáng)的海底壓力和拉力、長(zhǎng)期與海床的磨損、海光纜抗腐蝕等性能等都會(huì)影響海光纜安全；施工風(fēng)險(xiǎn)是海光纜在埋設(shè)施工、維修作業(yè)時(shí)未嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求實(shí)施，影響海光纜安全。

1.4 法律障礙

現(xiàn)在人們保護(hù)海光纜的法律意識(shí)不強(qiáng)的主要原因是海光纜是跨海、跨洋乃至跨洲通信線路，各國(guó)保護(hù)水平與標(biāo)準(zhǔn)并不完全一致，盡管各國(guó)有司法互助協(xié)議等機(jī)制，但在實(shí)際操作中面臨諸多困難，特別是各國(guó)立法和相關(guān)國(guó)際公約等工作都比較滯后，比如美國(guó)對(duì)蓄意破壞國(guó)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(fēng)險(xiǎn)來(lái)自人類活動(dòng)而不是環(huán)境或技術(shù)威脅的主要原因之一。

1.5 網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)

由于海光纜路由的特殊性，不僅定位難度大，信號(hào)在封閉的光纜中傳輸，信號(hào)竊取、信號(hào)干擾等難度也大，即使能夠竊取信號(hào)，信號(hào)傳輸也困難，與其他通信系統(tǒng)相比，海光纜傳輸相對(duì)安全可靠。但自20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)家安全局首次成功進(jìn)行海底光纜竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)開始，特別是美海軍“吉米·卡特”號(hào)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(tīng)，標(biāo)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(hù)分析

海光纜通信在用戶端，光信號(hào)最終要轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，連接有線網(wǎng)絡(luò)，目前有線網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施與技術(shù)比較成熟，但數(shù)據(jù)流從安全防護(hù)水平較高的有線網(wǎng)絡(luò)流向水平較低的海光纜時(shí)，可能會(huì)因海光纜安全防護(hù)薄弱導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn)，必須結(jié)合海光纜自身特點(diǎn)，加強(qiáng)安全防護(hù)工作。

2.1 海光纜線路安全加固

物理?yè)p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(zhǎng)，在設(shè)計(jì)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(qiáng)度防護(hù)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(dòng)、捕魚、疏浚、海洋資源開發(fā)、航運(yùn)（錨地和禁錨區(qū)）活動(dòng)等信息，為海光纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝施工、運(yùn)行維護(hù)提供翔實(shí)的環(huán)境資料。

（2）科學(xué)的路由設(shè)計(jì)

本著便于施工、便于維護(hù)，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(fēng)險(xiǎn)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(yùn)動(dòng)的區(qū)域、海洋捕魚活動(dòng)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(yīng)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(yàn)，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(jiān)固、抗壓能力強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、材料輕、微彎不敏感等特性；在海光纜適應(yīng)性方面，根據(jù)不同的水深及海區(qū)活動(dòng)特點(diǎn)，既要考慮保護(hù)海光纜不受損壞，又要考慮施工和維護(hù)難度，在淺水區(qū)（200米以內(nèi)），人類活動(dòng)較多，重點(diǎn)考慮海光纜物理保護(hù)，通常選擇雙鎧海光纜，強(qiáng)化自身抗損毀能力；在中等水深區(qū)域（200-1500米），受人類活動(dòng)影響相對(duì)較少．通常采用結(jié)構(gòu)相對(duì)輕便的單鎧海光纜，既減輕了施工維護(hù)難度，又具備一定的物理保護(hù)能力；在深水區(qū)（大于1500米），海光纜基本不受人類活動(dòng)影響，主要考慮減輕施工維護(hù)難度，一般選用輕量保護(hù)型海光纜。

（4）精確的埋設(shè)施工

海光纜埋設(shè)階段，要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工。一是要選擇合適的埋設(shè)機(jī)具，針對(duì)不同的海底地質(zhì)，選擇合適的安裝設(shè)備，例如埋設(shè)機(jī)具選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致埋設(shè)深度過(guò)淺，增加海光纜遭人為損壞的風(fēng)險(xiǎn)；二是要正確控制船速，海上施工，受風(fēng)浪影響較大，船速控制不好會(huì)導(dǎo)致埋設(shè)機(jī)具躍動(dòng)式前進(jìn)，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(jì)要求，避免日后維護(hù)、修復(fù)困難；四是海光纜張力要準(zhǔn)確控制，避免施工風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)發(fā)生海光纜本體旋轉(zhuǎn)的情況，即使能勉強(qiáng)將海光纜布放入海．一旦發(fā)生故障也會(huì)因自重問(wèn)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(cè)與預(yù)警

為了保證海光纜穩(wěn)定暢通，需對(duì)海光纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)排除故障隱患。海光纜線路監(jiān)測(cè)通常采用光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），基本原理是遠(yuǎn)程測(cè)試單元（RTU）監(jiān)測(cè)設(shè)備配合快速故障定位等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海光纜線路監(jiān)測(cè)[4]，RTU監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)嵌OTDR，將測(cè)試光耦合到被測(cè)光纖中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的OTDR測(cè)試結(jié)果與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析海光纜傳輸性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)排除隱患。但OTDR技術(shù)僅對(duì)無(wú)中繼或從岸站到第一個(gè)中繼器間光纜段有效，對(duì)于有中繼海光纜，可以周期性地對(duì)所有中繼器進(jìn)行測(cè)試并與紀(jì)錄進(jìn)行比較，當(dāng)某一個(gè)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(shí)，線路監(jiān)控設(shè)備會(huì)顯示中繼器中相應(yīng)的指標(biāo)變化的狀況。

（2）海光纜線路入侵檢測(cè)

入侵檢測(cè)技術(shù)是針對(duì)海光纜線路受到惡意入侵、攻擊（如信息竊聽(tīng)、信息注入）的一種有效監(jiān)測(cè)手段，入侵海光纜，會(huì)引起海光纜線路性能變化，通過(guò)檢測(cè)海光纜線路的機(jī)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(duì)入侵點(diǎn)進(jìn)行定位，并給出相應(yīng)的預(yù)警。用于海光纜入侵檢測(cè)的技術(shù)有基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)（φ－OTDR）、基于偏振光時(shí)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(dòng)隔離的，需要另外鋪設(shè)擾動(dòng)隔離的光纖，工程復(fù)雜，所以海光纜很少采用這兩種方案。

OTDR技術(shù)已廣泛應(yīng)用到海光纜線路的工程維護(hù)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(cè)海光纜擾動(dòng)情況，對(duì)擾動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行判定。這種方法存在兩個(gè)不足，一是檢測(cè)距離受限，對(duì)超長(zhǎng)距離海光纜不適用；二是海底光纜會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響，如何將竊聽(tīng)者行為與正常外力區(qū)別開來(lái)，需要采集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)光纖中，外界的入侵行為會(huì)造成光纖擾動(dòng)，影響光信號(hào)在探測(cè)光纖中的相位變化和瑞利反射變化，變化后的探測(cè)信號(hào)與本地光源在探測(cè)器上相干產(chǎn)生拍頻，通過(guò)解調(diào)拍頻的頻率就可以定位入侵的位置，無(wú)須另外鋪設(shè)傳感介質(zhì)，有較高的空間分辨率，探測(cè)靈敏度高，可滿足超長(zhǎng)距離的監(jiān)測(cè)。

2.3 海光纜故障及時(shí)維修

海光纜維修技術(shù)復(fù)雜，工程難度大，海光纜中斷造成的損失大，及時(shí)、準(zhǔn)確探測(cè)到海光纜的路由及故障點(diǎn)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(diǎn)，但OTDR技術(shù)只能測(cè)試無(wú)中繼海光纜故障點(diǎn)，電壓測(cè)試、電容測(cè)試等技術(shù)只能檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)到故障點(diǎn)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(jī)器人（ROV），前端裝備探測(cè)器、攝像頭等設(shè)備，船上操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，測(cè)出故障海光纜位置，操縱ROV機(jī)械臂進(jìn)行海光纜打撈、檢測(cè)、修復(fù)，再由ROV的埋設(shè)犁刀“挖出”溝槽，埋設(shè)海光纜。

3 結(jié)語(yǔ)

海光纜通信屬于光通信系統(tǒng)，陸地光纜網(wǎng)安全防護(hù)措施與技術(shù)均適用于海光纜通信系統(tǒng)。海光纜信號(hào)最終要轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨著光傳輸速率的不斷增加，電網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)難以適應(yīng)大容量、高速率、長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓庑盘?hào)，如現(xiàn)有的一些電網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)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(luò)提供安全隔離等服務(wù)、電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在使用到具有高比特率的光纖線路的網(wǎng)絡(luò)和傳輸層時(shí)，很容易受到業(yè)務(wù)中斷攻擊等。因此，海光纜的安全防護(hù)需依賴光網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]隗小斐，吳學(xué)智. COTDR技術(shù)在海光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].信息通信，2017．

[2]裘忠良. 保護(hù)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(duì)海底光纜進(jìn)行竊聽(tīng)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.