局域网的电磁能量泄漏

引言
　　许多局域网（LAN）采用相互间互连的工作站计算机，通常使用某种便宜的电缆传输至远方的计算机。一种最受欢迎的同轴电缆是RG—59，外径为1/4英寸，阻抗为75Ω，是柔软并便于安装的产品。它很容易在有限的空间里拉开，尤其是价格便宜。如果互连电缆RG—59，或（和）它同等质量的RG—58（50Ω）确实工作得很好，那么，问题是什么呢？
　　问题在于这些普通电缆的外导体是编织层，它会引起能量泄漏。一些能使人体受到伤害的问题已经出现，而且，确实在一些国家已就此作出了规定。对于大多数国家来说，这些规定都是以ANSI C95.1 1982为基础的。泄漏电平是非常低的，甚至在设计不良的装置中也是如此，所以这就是不被关心的原因。
　　信息泄漏是另一个问题。工业谍报活动是大多数机构隐蔽的业务活动。没有一个机构愿意受骗或受到谍报活动的破坏。从局域网的泄漏中非法获取是不困难的，也没有风险。不需要进入室内或在受害者计算机系统上留下痕迹。它可以在远处进行，有时可在千米之遥甚至更远。附近的宾馆或汽车旅馆就是用来获取非法信息的理想地点。
编织层电缆
　　编织层电缆的泄漏机理在于编织层本身，其外导体不是实心的，而是编织的（图1）。电缆上的信号为差模，两个紧邻的导体载有同一线路的、方向相反的电流。在开路线情况下存在本地场，但辐射几乎完全抵消。在同轴电缆中，一个导体在另一个的内部，而且在理想情况下（即理想导体情况下），没有相反方向的外部场，典型的电视双线馈线周围甚至也没有准静态场。然而，在实际中，并不存在这种“理想”的同轴线。有些称为“硬同轴线”的，接近理想情况，但价廉的RG—59却不是这一种。
图1 编织层同轴电缆泄漏机理
　　编织层起到一种被古老的儿童游戏称为“窗户内外”的电子模型。编织层导体拾取电流并转移至外侧。经过任何给定的较短长度，外侧的实际电平是较低的。在每个交叉点上有一个短距作用，而且，在聚乙烯外套管处发生一些衰减。聚乙烯的表面电阻为每方块5～10MΩ。如果外套管没有轻微的导电性，则在安装时产生的静电能通过乙烯套管向内导体产生电弧，而且最后将发生击穿。
　　不论所有这些因素如何，足够的能量将到达电缆的外部，沿电缆伸展形成电流环路或“驻波”。这些都是发生辐射的“热点”。无论通过的是什么信息，都将辐射并可能窃收。最强的辐射频率是在计算机的时钟频率上，但也可能在高达十次或十五次谐波上。辐射图既不便预测也不是一个简单的图形。
窃收系统
　　既使辐射电平很低，但只要处于频谱的高频位置，则这种辐射对电平非常低的信号就有令人惊讶的运载能力。对这些计算机信号如果不进行抑制，既使在几公里之外都能被检测到。简单系统的方框图示于图2。基本系统由能将局域网泄漏的信号显示在空白的TV频道上的变频器组成，而电视机是可以在市场上买到的。该电视机只需将行、场振荡器改装成可调谐振器即可，以便将屏蔽显示锁定在所辐射的信号上。一旦获得信号，锁相环将锁定在所跟的目标上。更完善的系统则可能还包括一台计算机。
图2 用于检测局域网泄漏的一种窃收系统
　　定向天线不是绝对需要的一有一个鞭状天线就可以了，但定向天线可以协助检出特殊的信号，并从其它信号中鉴别出来。因为一个设计良好的环形天线具有可调整的零方位，可用于控制不需要信号。视频记录仪是另一个有用的附件，用来为进一步研究而记录所需的资料。
起 因
　　这里有一个问题，就是为什么人人都要找那么多麻烦？不用怀疑，某些人这样做正是为了对抗。大多数可能的动机是获得对方在冲突或隐蔽领域中有关对方计划的情报。通常，为方便起见，计算机给出的数据都是由局域网准备好或进行交换的。而不道德的对方绝不能进入，这就是在接近对方区域时的主要优点。如果敌人更接近，则还可以采用更多的办法。
局域网的对策
　　看来就象老生常谈，而实际上最好的对策首先就是恰当地进行安装。当适当地进行安装和端接以后，“硬同轴线”所具有的电平衰减量十分接近最优良的分贝损耗。它们的费用也十倍或十五倍于RG—58或59。如果所需的保护信息十分重要，这个费用应当认为是合理的。
　　光纤也是初始安装时的良好选择，但这种互联要求在每个端口设置特殊的变换器。这种变换器也有其自身的问题。
　　几位制造商采用双层编织电缆，这要比廉价电缆好一些。一位制造商宣称他的产品具有90dB/m的辐射泄漏衰减电平。然而，这个说法是很保守的。本文作者曾测量过他们的某些产品，衰减均在110dB/m以上。这与单层编织电缆的60至70dB相比较，就可以看出其优越性。编织层电缆的屏蔽效能是编织紧密程度的函数。某些廉价电缆编织层仅覆盖70%的表面。如果经常使用这种电缆，则往往是由于经费贫乏。
　　当电缆不断延伸时，纯辐射泄漏的衰减下降得十分迅速。例如，如果衰减量是70dB/m，而两米长的一段损耗掉3dB，则只剩下67dB。每增加一倍长度，则损失3dB。当然，它不会成为零。一条渐近线所达到的极限值是基于电缆接地阻抗和电缆套管内有损材料阻抗的比值，该极限约在11至14dB附近。
问题能被解决吗？
　　一旦安装完毕，如果再提出改动，费用通常是很高的。然而，如果能抑制大部分辐射，这还是值得的。局域网线路外侧电流环路的辐射图示于图3。哪里的电流较大，哪里就有辐射。因此不难找到高泄漏电流的这些点。它们就出现在用间断点划出的区域中，“间断点”说明的可以是一些事物中的任何一个。方向的突变就是常见的一种，它如同一个T形。
　　当这些场不足以对人体造成伤害时，它们可看作是辐射器。这时需要衰减外侧电流。在电流环路中央放置有损铁氧体，辐射就将被衰减。该铁氧体材料必须有高μ值和大的磁损耗。这类器件的模型是一个电感和一个电阻并联，放置在电流的峰值点上（图4）。
图3 同轴电缆外侧辐射电流环路 图4 线路加上有损铁氧体负载时的等效电路
　　如果将抑制器加在每个主要频率的峰值点上，但低电平而又是主要的辐射环通常将可能出现在某些谐波含量上。由于方波的脉冲性质，数字化的数据流谐波很丰富。如果这些更高频率的环路仍很明显，它们也需要抑制。这些谐波应被抑制到能恢复原始数据，正如同基波情况一样。它们更难以窃收和分析，而需要比图2所示更好或更成熟的设备。
电磁干扰
　　然而，无意的泄漏对于得到许可的、该频段的用户来说，就可能存在一个潜在的干扰问题，为此还必须进行抑制。一项研究揭示，计算机所发生较强的十五次谐波正好在波长为两米的业余频段（144～148MHz）。它已足够使移动的操作者在十五哩外无法将信号输入重发器。重新布置电缆和作一些屏蔽，将解决这个问题。
电磁发射和抗扰度
　　PC型计算机不是容许产生较强辐射的。它们必须遵守FCC规范第15部分、J分部有关B型机的规定。1934年制订的通信条例于1982年修订，经FCC批准规定了抗扰度标准，但没有作出指令。由于来自国际市场和外国政府的压力，这个问题最终提交ANSI C63第5委员会。在他们的工作开始以前这个问题就得到了解决，并被FCC采纳。新的标准预期称为抗扰度，所抗干扰电场在1V/m量级。
　　另一个问题是脉冲干扰，可以通过电流线和局域网进入本地计算机。电源线上可同时滤除共模和差模干扰，后者可用低通滤波器滤除。在数据线上滤除差模干扰是更困难的，因为有可能使所需要的信号发生畸变，或至少使它发生显著衰减。计算机信号是具有快速上升和下降时间的良好方波，但如果理想的方波具有由基波至接近“日光”的频率分量，则滤波器是不能用的。滤波器将滤除更高的频率分量，并使脉冲前后沿变圆，在计算机处理之前可能需要进行微分和复原。这种系统是有效的，但需要对网络增加经费。
复合因数
　　在计算机设计中有两种趋势使局域网问题加重。第一种趋势是，使用更高的时钟频率已成为未来计算机的关键特征。随着频率的增加，编织层电缆的屏蔽效能将下降。这意味着电缆的走向，将有更多的“热区”。第二种设计趋势是，相对于更高的速率，开关状态之间的阈值愈低。这使局域网对干扰更敏感。后者在对付非法窃收来说不是个问题，但却关系到网络的稳定性。
小 结
　　如果互连电缆不采用硬同轴线或带有金属化聚酯树脂膜的双层编织网电缆，局域网就会发生泄漏。泄漏的能量将被辐射出去，并可能被窃收。所包含的任何信息都可能被截获。来自局域网的泄漏对人体伤害是极小的，但如果对此提出问题，则还需要进一步“论证”。来自局域网的泄漏可以被充分抑制，以便对抗简单的窃收仪器而提供足够的安全。如果泄漏成为问题或引起怀疑，则应进行跟踪并抑制辐射，通常这将比在安装期采用优质电缆或光纤的费用更高。