03 декабря 2021

Testing Phone-Sized Faraday Bags

Мэтт Блейз (Matt Blaze) - заведующий кафедрой компьютерных наук и права в Джорджтаунском университете, специалист в области безопасности систем управления и криптографии. В своём блоге он разместил довольно объёмную статью, посвященную испытаниям «клетки Фарадея» небольшого размера. Как известно, клетка Фарадея – это устройство для экранирования чего-либо от внешнего электромагнитного поля.
Сокращено
= = =
https://www.mattblaze.org/blog/faraday/

Тестирование клеток Фарадея размером с телефон
Надежные инструменты для современного параноика.

Еще в недалеком прошлом, если вы проявили терпение и были достаточно осведомлены, вы могли бы реконструировать поведение практически любого электронного устройства, просто внимательно осмотрев его и разобравшись в схемах. Но те времена заканчиваются. Сегодня практически любое электронного оборудования контролируется микропроцессорами и программным обеспечением, и хотя это в целом хорошая новость для функциональности, это также плохая новость для безопасности (и для того, чтобы иметь хоть какой-то шанс быть уверенным в том, что именно делают ваши гаджеты). Для таких устройств, как смартфоны, программное обеспечение запускает почти все аспекты пользовательского интерфейса, включая то, как и когда оно включается и выключается, и, если на то пошло, что на самом деле означает «выключено».
Сложное программное обеспечение, мягко говоря, сложно понять. Особенно для гаджетов, которые оснащены микрофонами, камерами, датчиками местоположения и окружающей среды, а также каналами связи (например, смартфоны), ошибки и уязвимости безопасности в программном обеспечении, которое их контролирует, могут иметь серьезные последствия для конфиденциальности.

Сложность надежного полного отключения программных устройств больше не является чисто гипотетической проблемой. Некоторые поставщики даже признали его востребованным. Например, некоторые телефоны Apple iPhone будут продолжать передавать маяки отслеживания «Найти устройство» даже после того, как они якобы были отключены. Неправильное поведение или вредоносное программное обеспечение может вызвать подобное поведение даже на устройствах, которые «официально» не поддерживают его, создавая возможность для вредоносных программ, которые превращают ваш телефон в постоянно включенное тайное устройство слежения, независимо от того, отключили ли вы его. Эти риски усугубляются несъемными батареями, используемыми во многих последних смартфонах.

Иногда вам может понадобиться убедиться, что смартфон действительно изолирован от окружающего мира, даже если у запущенного на нем программного обеспечения есть другие идеи. Что касается радиоприемников в телефонах (которые могут передавать и принимать сигналы сотовой связи, Wi-Fi, Bluetooth и NFC, а также принимать сигналы местоположения GPS), мы можем добиться этого, заключив устройство в небольшую клетку Фарадея.

Клетка Фарадея сильно ослабляет входящие и исходящие радиосигналы. Её можно использовать, чтобы убедиться, что устройство (например, мобильный телефон) не передает или не принимает сигналы. Клетка Фарадея в принципе проста: это сплошной проводящий контейнер, полностью закрывающий источник сигнала, так что разность высокочастотного напряжения между любыми двумя точками на клетке всегда равна нулю. Но на самом деле построить такую клетку, хорошо работающую на практике, может быть непросто. Любое отверстие может создать переход, который действует как ВЧ-источник и значительно снижает эффективное затухание.

Существуют довольно дорогие (40–80 долларов США) коммерческие футляры с экранирующим эффектом, сделанные специально для сотовых телефонов, и существует множество импровизированных методов экранирования, которые вошли в фольклор в Интернете. Возникает вопрос, насколько хорошо они на самом деле работают? Это трудно достоверно проверить без доступа к специализированной лаборатории радиочастотных испытаний. Но, к счастью, у меня есть такая возможность. Хотя я не могу конкурировать с полномасштабной коммерческой испытательной лабораторией EMC, моя скромная установка может производить умеренно точные измерения затухания сигнала, обеспечиваемого различными коммерческими экранирующими пакетами и самодельными конструкциями, на большинстве частот, которые нам небезразличны.

Я протестировал три коммерческих пакета, а также три обычно рекомендуемых импровизированных метода экранирования.

Методология и установка

На фотографии показан портативный приемник Rohde & Schwarz PR100 рядом с испытательной камерой Ramsey Electronics модели STE3000B RF.

Цель клетки Фарадея - уменьшить силу (ослабить) радиосигналы, проходящие между внешней стороной клетки и внутренней частью клетки, до уровня, который делает их практически незаметными для злоумышленника. «Идеальная» клетка Фарадея обеспечит бесконечное затухание, но в реальном физическом мире все, что мы можем построить, не будет идеальным.

Итак, какое затухание нам нужно? Радиоинженеры измеряют затухание в децибелах (дБ), которые представляют собой логарифмическую единицу, выражающую отношение разницы величин двух сигналов. 20 дБ представляют собой изменение амплитуды (вольт) в 10 раз, 40 дБ - в 100 раз, 60 дБ - в 1000 и т. д. (0 дБ означает отсутствие изменений вообще). Таким образом, ослабление 20 дБ преобразует сигнал 1 вольт в сигнал 0,1 вольт, а ослабление 80 дБ преобразует 1 вольт в 0,0001 вольт.

Что это значит для нас? С практической точки зрения, ослабления 80 или 90 дБ вполне достаточно, если только ваш телефон не находится в пределах нескольких футов от антенны вышки сотовой связи (что в любом случае является небезопасным местом для вашего тела). Поэтому мы хотим, чтобы наша клетка Фарадея обеспечивала хотя бы такое же затухание на интересующих частотах.

Сотовые телефоны обмениваются данными в широком диапазоне частот, мы сосредоточимся здесь на частотах от 1 до 6 ГГц.

Как мы измеряем затухание? Нам нужно сравнить силу сигнала на заданной частоте, проходящего через стенку клетки, с силой того же сигнала на том же расстоянии без клетки. Разница (в дБ) - это ослабление, обеспечиваемое клеткой на этой частоте. Таким образом, нам необходимо организовать эксперимент с источником сигнала и измерителем напряженности РЧ поля, который позволяет нам измерять уровни сигнала с тестируемым чехлом и без него.

Мой генератор сигналов намного меньше моего измерительного приемника, поэтому я буду помещать его внутрь экранирующего футляра. Нашим источником сигнала был генератор сигналов ERASynth Micro. Он (плюс небольшая антенна и аккумулятор USB) может поместиться в защитный чехол размером с мобильный телефон.

Обратите внимание, что измерение уровня сигнала включает в себя передачу маломощных радиосигналов по воздуху между генератором сигналов и приемником. Это делает измерения потенциально уязвимыми для помех от других источников сигнала и радиочастотного шума в данной местности. Чтобы уменьшить влияние шума, мы проводим все измерения внутри другой, более крупной клетки Фарадея, специальной «испытательной камеры RF», предназначенной для обеспечения изолированной радиочастотной среды для подобных экспериментов.

Базовые измерения

Измерения проводились на частотах 1, 2, 3. 4, 5 и 6 ГГц с генератором, излучающим мощность 10 дБмВт, за исключением частот 1 ГГц и 6 ГГц, где мы использовали мощность 14 и 15 дБм соответственно, чтобы частично компенсировать пониженную мощность и снижение КПД антенны на краях диапазона.

Результаты были следующими:
Частота Уровень шума (N) Мощность сигнала (S) Динамический диапазон (S-N)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     -26,3     79,2     105,5
2,0     -28,1     85,6      113,7
3,0     -25,8     88,3      114,1
4,0     -20,8     81,8      102,6
5,0     -21,2      79,4     100,6
6,0      -20,6     77,9     98,5

# 1: Чехол с окошком от EDEC за $58.00

Первый пакет, который мы протестировали, был коммерческий продукт, чехол с окошком для мобильного телефона EDEC. EDEC продает различные пакеты на своем веб-сайте. а также ткань для защиты от радиочастот и сопутствующие товары. Результаты измерений:

Базовая частота (B) Мощность сигнала (S) Затухание (B-S)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     79,2     -22,2      101,4
2,0     85,6     -19,5     105,1
3,0     88,3     -15,4     103,7
4,0     81,8      2,4        79,4
5,0     79,4     10,1      69,3
6,0     77,9     11,0      66,9
Этот чехол достаточно хорошо показал себя (затухание более 100 дБ) на частоте 3 ГГц, но его эффективность резко упала на частоте 4 ГГц и выше. Опасаясь, что у меня неисправный или поврежденный пакет, я попробовал второй образец, но получил почти идентичные результаты. Этот чехол, безусловно, более чем достаточен для ослабления сигналов Bluetooth, Wi-Fi 2,4 ГГц, GPS и большинства сотовых сигналов ниже 3 ГГц, но может быть недостаточным для защиты от скрытой утечки сигналов на более высоких частотах.

# 2: сумка EDEC OffGrid за $40.00

Наша следующая сумка была от того же производителя и, как мне кажется, является более поздней моделью. Он имеет более легкую конструкцию и использует другой механизм закрытия с застежкой-липучкой и магнитом. Смотрового окна нет.

Базовая частота (B) Мощность сигнала (S) Затухание (B-S)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     79,2     -22,6     101,8
2,0     85,6     -25,2     110,8
3,0     88,3     -17,7     106,0
4,0     81,8     -18,7     100,5
5,0     79,4     -18,5     97,9
6,0     77,9     -11,5     89,4
Эта сумка отлично зарекомендовала себя во всем диапазоне, несмотря на более легкую конструкцию по сравнению с «оконной» моделью того же бренда, протестированной выше. Затухание на этих частотах, вероятно, более чем достаточно для предотвращения утечки сигнала.

# 3: Mission Darkness Window Pouch за $23.00

«Mission Darkness» - еще один поставщик сумочек с эффектом Фарадея. Они продаются на Amazon, а также на веб-сайте компании. Mission Darkness по внешнему виду похож на чехол с окошком от EDEC и имеет аналогичную застежку-липучку, сложенную вдвое. Однако, как мы увидим, все произошло по-другому.

Базовая частота (B) Мощность сигнала (S) Затухание (B-S)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     79,2     -25,7     104,9
2,0     85,6     -24,6     110,2
3,0     88,3     -20,8     109,1
4,0     81,8     -18,8     100,6
5,0     79,4     -17,7     97,1
6,0     77,9     -18,7     96,6
Он показал отличные характеристики во всем частотном диапазоне с более чем достаточным затуханием для обеспечения надежной работы на частотах до 6 ГГц. Примечание: в действительности я был предрасположен не любить этот продукт. Все на их веб-сайте наводит на мысль, что они обманывают доверчивых покупателей. Помимо сумок для телефонов, они продают несколько заведомо поддельных товаров (одеяла и шляпы Фарадея!) И используют на своем веб-сайте смущающие «тактические» образы. Но измерения говорят сами за себя; этот конкретный продукт, кажется, действительно работает хорошо.

Самодельная упаковка # 1: электростатические и майларовые пакеты

Производители майларовых пакетов часто используются для защиты чувствительной электроники от статических разрядов. Но работают ли они как клетки Фарадея? Если вы работаете с электронными компонентами, у вас, вероятно, уже есть ящик, полный таких пакетов, что делает их фактически бесплатными. Я измерил параметры нескольких разных пакетов.

Базовая частота (B) Мощность сигнала (S) Затухание (B-S)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     79,2     72,2     7,0
2,0     85,6     79,7     6,9
3,0     88,3     80,7     7,6
4,0     81,8     74,1     7,7
5,0     79,4     72,6     6,8
6,0     77,9     69,1     8,8
Ни один из моих майларовых или электростатических не обеспечивал ослабление более 9 дБ. Если ваши майларовые пакеты бесплатны, не рассчитывайте получить от них много. Не рекомендую.

Самодельная упаковка # 2: металлическая коробка из-под печенья

Металлические коробки из-под печенья кажутся многообещающими в качестве клеток Фарадея. Они сделаны из металла, который полностью закрывает содержимое. Я тестировал жестяную коробку среднего размера, которая подходила для размещения генератора сигналов и которая также помещалась в корпусе для испытаний. Обратите внимание, что положение покрытой оловом коробки было крайне критическим; всего несколько миллиметров перемещения давали разные измерения на несколько дБ. Вероятно, это было связано с введением в испытательный стенд относительно большой поверхности олова, отражающей радиочастоты.

Базовая частота (B) Мощность сигнала (S) Затухание (B-S)
(ГГц) (дБмкВ) (дБмкВ) (дБ)
1,0     79,2     40,4     38,8
2,0     85,6     42,1     43,5
3,0     88,3     49,4     38,9
4,0     81,8     48,6     33,2
5,0     79,4     49,3     30,1
6,0     77,9     49,1     28,8
Хотя коробка из-под печенья работала намного лучше, чем майларовые пакеты, и могла обеспечить хоть какое-то полезное затухание при некоторых обстоятельствах, этого было недостаточно для обеспечения значимой гарантированной изоляции сигнала. Тем не менее, она была единственным среди испытанных футляров в плане обеспечения вкусных закусок во время измерений.

Самодельная упаковка # 3: прочная алюминиевая фольга

«Оберните его в фольгу» - это, пожалуй, самый распространенный совет, который можно найти в Интернете для изготовления импровизированной клетки Фарадея. В своих экспериментах я обнаружил, что иногда могу добиться ослабления примерно на 90 дБ, аккуратно обернув генератор фольгой и дважды загнув швы со всех сторон, что неплохо (сравнимо с коммерческими пакетами). К сожалению, результаты были крайне противоречивыми, и их было трудно повторить. Тот же метод, который обеспечил ослабление на 90 дБ в одном тесте, в следующий раз даст только 50 дБ без визуально очевидных различий. Чрезвычайно сложно получить хороший высокочастотный шов, по крайней мере, с той фольгой, которую я использовал.

Проблема усугубляется отсутствием практического способа испытать импровизированный корпус из фольги в полевых условиях. Поскольку он, по сути, одноразовый, у вас не будет возможности определить, удалось ли вам правильно сложить и запечатать его. (И даже если бы вы могли, вы бы уничтожили свою работу, как только откроете сумку.) Таким образом, несмотря на превосходные результаты в лучшем случае, алюминиевая фольга кажется непрактичной для использования в реальном мире. Нет смысла приводить здесь таблицу измерений, это было бы бессмысленно.

Выводы
Если это еще не стало ясным, точные измерения затухания, обеспечиваемые клеткой Фарадея, требуют дорогостоящего оборудования и сложной техники. Но для большинства целей вам, вероятно, не нужны точные измерения.

Быстрый и надежный тест «годен/не годен» можно выполнить с помощью Apple AirTag и iPhone: бросьте AirTag в тестируемую сумку и посмотрите, сможет ли телефон определить его местонахождение. Этот тест, конечно, не скажет вам точного уровня затухания, но он скажет вам, достаточно ли затухания для большинства практических целей. Он также может определить, в порядке ли сумка.

Менее полезный тест - просто положить телефон в контейнер и посмотреть, звонит ли он при вызове. Но у этого есть серьезное ограничение: вы, вероятно, не знаете, как далеко находится вышка сотовой связи, какую частоту она использует или уровень ее сигнала. Таким образом, даже если сумка проходит этот тест в одном месте, нет гарантии, что экранирование окажется адекватным в другом месте.



По крайней мере, в тестируемых мной диапазонах частот два коммерческих пакета Faraday (EDEC OffGrid и Mission Darkness Window) показали отличные характеристики, достаточные для обеспечения гарантированного экранирования сигнала в большинстве реальных условий. Ни одно из импровизированных решений не сработало почти так же хорошо, хотя алюминиевая фольга в идеальных условиях (которые трудно воспроизвести) иногда может обеспечивать сопоставимые уровни затухания.

Сотовые службы 5G работают в диапазоне миллиметровых волн (более 20 ГГц), которые выходят за пределы диапазона моих измерений. Возможно, что тестируемые здесь контейнеры работают схожим образом на этих частотах, но также возможно, что они будут работать намного хуже. 5G пока не получил широкого распространения в сотовой инфраструктуре, но ситуация может быстро измениться. Как только это произойдет, потребуется дополнительное тестирование.

Большинству из нас почти наверняка не нужен пакет Фарадея. Но для некоторых людей при определенных обстоятельствах угрозы, такие как отслеживание местоположения, могут быть серьезными и могут подвергнуть их реальной опасности. Они заслуживают эффективной и измеримой защиты.
= = =
Лично меня удивили две вещи.
Во-первых, скромные результаты коробки из-под печенья. Казалось бы, столько самодельных радиоконструкций появляется ежегодно в подобных коробках, да и вид их вызывает ощущение 100-процентной надёжности, а вот нет…
Во-вторых, уже ставшая интернет мемом шапочка из фольги теперь уже не кажется такой супер защитой, многое, оказывается, зависит от того, как намотать :)

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Извините, в связи с огромным количеством спама, все ваши комментарии могут появляться с небольшой задержкой.
Буду рад, если вы не забудете подписаться под своим комментарием :)