Литвиненко А.В. Методы и средства защиты информации

Подождите немного. Документ загружается.

Аналоговые скремблеры 431

Рис. 19.3. Схема широкополосной системы закрытия речи

Рис. 19.4. Схема узкополосной системы закрытия речи

Тактический, или низкий, уровень используется для защиты информации от прослу-

шивания посторонними лицами на период, измеряемый от минут до дней. Существует

много простых методов и способов обеспечения такого уровня защиты с приемлемой

стойкостью.

Стратегический, или высокий, уровень ЗИ от перехвата используется в ситуациях,

подразумевающих

, что высококвалифицированному, технически хорошо оснащенному

специалисту потребуется для дешифрования перехваченного сообщения период времени

от нескольких месяцев до нескольких лет.

Часто применяется и понятие средней степени защиты, занимающее промежуточное

положение между тактическим и стратегическим уровнем закрытия.

По результатам проведенных исследований можно составить диаграммы (рис

19.5), показывающие взаимосвязь между различными методами закрытия речевых

сигналов, степенью секретности и качеством восстановленной речи.

Следует отметить, что такое понятие, как качество восстановленной речи, строго го-

воря, достаточно условно. Под ним обычно понимают узнаваемость абонента и разбор-

чивость принимаемого сигнала.

432 Глава 19. Скремблирование

Рис. 19.5. Сравнительные диаграммы разных

методов закрытия речевых сигналов

Аналоговое скремблирование

Среди современных устройств закрытия речевых сигналов наибольшее распростра-

нение имеют устройства, использующие метод аналогового скремблирования. Это по-

зволяет, во-первых, снизить стоимость таких устройств, во-вторых, эта аппаратура при-

меняется в большинстве случаев в стандартных телефонных каналах с полосой 3 кГц, в-

третьих, она обеспечивает коммерческое качество дешифрованной речи, и, в-четвертых

гарантирует достаточно высокую степень закрытия речи.

Аналоговые скремблеры преобразуют исходный речевой сигнал посредством изме-

нения его амплитудных, частотных и временных параметров в различных комбинациях.

Скремблированный сигнал затем может быть передан по каналу связи в той же полосе

частот, что и открытый. В аппаратах такого типа используется один или несколько

сле-

дующих принципов аналогового скремблирования.

1. Скремблирование в частотной области: частотная инверсия (преобразование

спектра сигнала с помощью гетеродина и фильтра), частотная инверсия и смещение

(частотная инверсия с меняющимся скачкообразно смещением несущей частоты),

разделение полосы частот речевого сигнала на ряд поддиапазонов с последующей

их перестановкой и инверсией.

2. Скремблирование во временной области — разбиение фрагментов на сегменты с

перемешиванием их по времени с последующим прямым и (или) инверсным считы-

ванием.

3. Комбинация временного и частотного скремблирования.

Аналоговое скремблирование 433

Как правило, все перестановки каким-либо образом выделенных сегментов или уча-

стков речи во временной и (или) в частотной областях осуществляются по закону псев-

дослучайной последовательности (ПСП). ПСП вырабатывается шифратором по ключу,

меняющемуся от одного речевого сообщения к другому.

На стороне приемника выполняется дешифрование цифровых кодов, полученных из

канала связи

, и преобразование их в аналоговую форму. Системы, работа которых осно-

вана на таком методе, являются достаточно сложными, поскольку для обеспечения вы-

сокого качества передаваемой речи требуется высокая частота дискретизации входного

аналогового сигнала и, соответственно, высокая скорость передачи данных (не менее

2400 бод). По такому же принципу можно разделить и устройства дискретизации

речи с

последующим шифрованием.

Несмотря на всю свою сложность, аппаратура данного типа используется в коммер-

ческих структурах, большинство из которых передает данные по каналу связи со скоро-

стями модуляции от 2,4 до 19,2 кбит/с, обеспечивая при этом несколько худшее качество

воспроизведения речи по сравнению с обычным телефоном. Основным же преимущест-

вом

таких цифровых систем кодирования и шифрования остается высокая степень за-

крытия речи. Это достигается посредством использования широкого набора криптогра-

фических методов, применяемых для защиты передачи данных по каналам связи.

Так как скремблированные речевые сигналы в аналоговой форме лежат в той же по-

лосе частот, что и исходные открытые, это означает, что

их можно передавать по обыч-

ным каналам связи, используемым для передачи речи, без какого-либо специального

оборудования (модема). Поэтому устройства речевого скремблирования не так дороги и

значительно проще, чем устройства дискретизации с последующим цифровым шифро-

ванием.

По режиму работы аналоговые скремблеры можно разбить на два класса:

• статические системы, схема кодирования которых остается неизменной в течение

всей передачи речевого сообщения;

• динамические системы, постоянно генерирующие кодовые подстановки в ходе пере-

дачи (код может быть изменен в процессе передачи в течение каждой секунды).

Очевидно, что динамические системы обеспечивают более высокую степень защиты,

поскольку резко ограничивают возможность легкого прослушивания переговоров по-

сторонними лицами.

Процесс аналогового скремблирования представляет собой сложное преобразование

речевого сигнала с его

последующим восстановлением (с сохранением разборчивости

речи) после прохождения преобразованного сигнала по узкополосному каналу связи,

подверженному воздействию шумов и помех. Возможно преобразование речевого сигна-

ла по трем параметрам: амплитуде, частоте и времени. Считается, что использовать

амплитуду нецелесообразно, так как изменяющиеся во времени соотношения сиг-

нал/шум делают чрезвычайно сложной задачу точного

восстановления амплитуды сиг-

нала. Поэтому практическое применение получили только частотное и временное

скремблирование, а также их комбинации. В качестве вторичных ступеней скремблиро-

434 Глава 19. Скремблирование

вания в таких системах могут использоваться некоторые виды амплитудного скрембли-

рования.

Существует два основных вида частотных скремблеров — инверсные и полосовые.

Оба основаны на преобразованиях спектра исходного речевого сигнала для сокрытия

передаваемой информации и восстановления полученного сообщения путем обратных

преобразований.

Инверсный скремблер (рис. 19.6) осуществляет преобразование речевого спектра,

равносильное повороту частотной полосы речевого

сигнала вокруг некоторой средней

точки. При этом достигается эффект преобразования низких частот в высокие и наобо-

рот.

Рис. 19.6. Принцип работы инвертора речи

Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия, так как при перехвате

легко устанавливается величина частоты, соответствующая средней точке инверсии в

полосе спектра речевого сигнала.

Некоторое повышение уровня закрытия обеспечивает полосно-сдвиговый инвертор,

разделяющий полосу на две субполосы. При этом точка разбиения выступает в роли не-

которого

ключа системы. В дальнейшем каждая субполоса может инвертироваться во-

круг своей средней частоты. Этот вид скремблирования, однако, также слишком прост

для вскрытия при перехвате и не обеспечивает надежного закрытия. Повысить уровень

закрытия можно путем изменения по некоторому закону частоты, соответствующей точ-

ке разбиения на полосы речевого сигнала (ключа системы).

Речевой

спектр можно также разделить на несколько частотных полос равной шири-

ны и произвести их перемешивание и инверсию по некоторому правилу (ключ системы).

Так функционирует полосовой скремблер (рис. 19.7).

Аналоговое скремблирование 435

Рис. 19.7. Принцип работы четырехполосного скремблера

Изменение ключа системы позволяет повысить степень закрытия, но требует введе-

ния синхронизации на приемной стороне системы. Основная часть энергии речевого

сигнала сосредоточена в небольшой области низкочастотного спектра, поэтому выбор

вариантов перемешивания ограничен, и многие системы характеризуются относительно

высокой остаточной разборчивостью.

Существенное повышение степени закрытия речи

может быть достигнуто путем реа-

лизации в полосовом скремблере быстрого преобразования Фурье (БПФ). При этом ко-

личество допустимых перемешиваний частотных полос значительно увеличивается, что

обеспечивает высокую степень закрытия без ухудшения качества речи. Можно дополни-

тельно повысить степень закрытия путем осуществления задержек различных частотных

компонент сигнала на разную величину. Схема такой

системы показана на рис. 19.8.

Рис. 19.8. Основная форма реализации аналогового скремблера на основе БПФ

Главным недостатком использования БПФ является возникновение в системе боль-

шой задержки сигнала (до 300 м/с), обусловленной необходимостью использования ве-

совых функций. Это приводит к затруднениям в работе дуплексных систем связи.

Временные скремблеры основаны на двух основных способах закрытия: инверсии

по

времени сегментов речи и их временной перестановке. По сравнению с частотными

436 Глава 19. Скремблирование

скремблерами, задержка у временных скремблеров намного больше, но существуют раз-

личные методы ее уменьшения.

В скремблерах с временной инверсией речевой сигнал делится на последовательность

временных сегментов, каждый из которых передается инверсно во времени — с конца.

Такие скремблеры обеспечивают ограниченный уровень закрытия, зависящий от дли-

тельности сегментов. Для достижения

неразборчивости медленной речи необходимо,

чтобы длина сегментов составляла около 250 мс. Задержка системы в таком случае со-

ставляет около 500 мс, что может оказаться неприемлемым в некоторых приложениях.

Для повышения уровня закрытия прибегают к способу перестановки временных

отрезков речевого сигнала в пределах фиксированного кадра (рис. 19.9).

Рис. 19.9. Схема работы временнóго скремблера с

перестановками в фиксированном кадре

Правило перестановок является ключом системы, изменением которого можно су-

щественно повысить степень закрытия речи. Остаточная разборчивость зависит от дли-

ны отрезков сигнала и длины кадра (чем длиннее последний, тем хуже разборчивость).

Главный недостаток скремблера с фиксированным кадром — большая

величина вре-

мени задержки (приблизительно 2 кадра). Этот недостаток устраняется в скремблере с

перестановкой временных отрезков речевого сигнала со скользящим окном. В нем коли-

чество перестановок ограничено таким образом, чтобы задержка не превышала установ-

ленного максимального значения. Каждый отрезок исходного речевого сигнала как бы

имеет временное окно, внутри которого

он может занимать произвольное место при

скремблировании. Это окно скользит во времени по мере поступления в него каждого

нового отрезка сигнала. Задержка при этом снижается до длительности окна.

Используя комбинацию временного и частотного скремблирования, можно значи-

тельно повысить степень закрытия речи. Комбинированный скремблер намного слож-

нее обычного и требует компромиссного

решения по выбору уровня закрытия, остаточ-

ной разборчивости, времени задержки, сложности системы и степени искажений в вос-

становленном сигнале. Количество же всевозможных систем, работающих по такому

принципу, ограничено лишь воображением разработчиков.

В качестве примера такой системы рассмотрим скремблер, схема которого представ-

лена на рис. 19.10. В этом скремблере операция частотно-временны

х перестановок дис-

кретизированных отрезков речевого сигнала осуществляется с помощью четырех про-

цессоров цифровой обработки сигналов, один из которых может реализовывать функ-

цию генератора ПСП.

Аналоговое скремблирование 437

Рис. 19.10. Блок-схема комбинированного скремблера

В таком скремблере спектр оцифрованного аналого-цифровым преобразованием ре-

чевого сигнала разбивается посредством использования алгоритма цифровой обработки

сигнала на частотно-временные элементы. Эти элементы затем перемешиваются на час-

тотно-временной плоскости в соответствии с одним из криптографических алгоритмов

(рис. 19.11) и суммируются, не

выходя за пределы частотного диапазона исходного сиг-

нала.

Рис. 19.11. Принцип работы комбинированного скремблера

В представленной на рис. 19.10 системе закрытия речи используется четыре процес-

сора цифровой обработки сигналов. Количество частотных полос спектра, в которых

производятся перестановки с возможной инверсией спектра, равно четырем. Макси-

мальная задержка частотно-временного элемента по времени равна пяти. Полученный

таким образом закрытый сигнал с

помощью ЦАП переводится в аналоговую форму и

подается в канал связи. На приемном конце производятся обратные операции по восста-

новлению полученного закрытого речевого сообщения. Стойкость представленного ал-

горитма сравнима со стойкостью систем цифрового закрытия речи.

438 Глава 19. Скремблирование

Скремблеры всех типов, за исключением простейшего (с частотной инверсией), вно-

сят искажение в восстановленный речевой сигнал. Границы временных сегментов нару-

шают целостность сигнала, что неизбежно приводит к появлению внеполосных состав-

ляющих. Нежелательное влияние оказывают и групповые задержки составляющих рече-

вого сигнала в канале связи. Результатом искажений является увеличение минимально

допустимого

соотношения сигнал/шум, при котором может осуществляться надежная

связь.

Однако, несмотря на указанные проблемы, методы временного и частотного скремб-

лирования, а также комбинированные методы успешно используются в коммерческих

каналах связи для защиты конфиденциальной информации.

Цифровое скремблирование

Альтернативным аналоговому скремблированию речи является шифрование речевых

сигналов, преобразованных в цифровую форму, перед их передачей (см. рис. 19.3). Этот

метод обеспечивает более высокий уровень закрытия по сравнению с описанными выше

аналоговыми методами. В основе устройств, работающих по такому принципу, лежит

представленные речевого сигнала в виде цифровой последовательности, закрываемой по

одному из криптографических

алгоритмов. Передача данных, представляющих дискре-

тизированные отсчеты речевого сигнала или его параметров, по телефонным сетям, как

и в случае устройств шифрования алфавитно-цифровой и графической информации,

осуществляется через устройства, называемые модемами.

Основной целью при разработке устройств цифрового закрытия речи является сохра-

нение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия

слушателем. Од-

ним из путей является сохранение формы речевого сигнала. Это направление применяет-

ся в широкополосных цифровых системах закрытия речи. Однако более эффективно ис-

пользовать свойства избыточности информации, содержащейся в человеческой речи.

Это направление разрабатывается в узкополосных цифровых системах закрытия речи.

Ширину спектра речевого сигнала можно считать приблизительно равной 3,3 кГц, а

для достижения хорошего качества восприятия необходимо соотношение сигнал/шум

примерно 30 дБ. Тогда, согласно теории Шеннона, требуемая скорость передачи дискре-

тизированной речи будет соответствовать величине 33 кбит/с.

С другой стороны, речевой сигнал представляет собой последовательность фонем,

передающих информацию. В английском языке, например, около 40 фонем, в немецком

— около 70 и т.д. Таким

образом, для представления фонетического алфавита требуется

примерно 6-7 бит. Максимальная скорость произношения не превышает 10 фонем в се-

кунду. Следовательно, минимальная скорость передачи основной технической инфор-

мации речи — не ниже 60-70 бит/с.

Сохранение формы сигнала требует высокой скорости передачи и, соответственно,

использования широкополосных каналов связи. Так при импульсно-кодовой модуляции

(ИКМ), используемой

в большинстве телефонных сетей, необходима скорость передачи,

равная 64 кбит/с. В случае применения адаптивной дифференциальной ИКМ скорость

понижается до 32 кбит/с и ниже. Для узкополосных каналов, не обеспечивающие такие

Цифровое скремблирование 439

скорости передачи, требуются устройства, снижающие избыточность речи до ее переда-

чи. Снижение информационной избыточности речи достигается параметризацией рече-

вого сигнала, при которой сохраняются существенные для восприятия характеристики

речи.

Таким образом, правильное применение методов цифровой передачи речи с высокой

информационной эффективностью, является крайне важным направлением разработки

устройств цифрового закрытия речевых сигналов. В

таких системах устройство кодиро-

вания речи (вокодер), анализируя форму речевого сигнала, производит оценку парамет-

ров переменных компонент модели генерации речи и передает эти параметры в цифро-

вой форме по каналу связи на синтезатор, где согласно этой модели по принятым пара-

метрам синтезируется речевое сообщение. На малых интервалах времени (до 30мс)

параметры сигнала могут рассматриваться, как постоянные. Чем короче интервал анали-

за, тем точнее можно представить динамику речи, но при этом должна быть выше ско-

рость передачи данных. В большинстве случаев на практике используются 20-

миллисекундные интервалы, а скорость передачи достигает 2400 бит/с.

Наиболее распространенными типами вокодеров являются полосные и с линейным

предсказанием

. Целью любого вокодера является передача параметров, характеризую-

щих речь и имеющих низкую информационную скорость. Полосный вокодер достигает

эту цель путем передачи амплитуды нескольких частотных полосных речевого спектра.

Каждый полосовой фильтр такого вокодера возбуждается при попадании энергии рече-

вого сигнала в его полосу пропускания. Так как спектр речевого сигнала изменяется от-

носительно медленно, набор амплитуд выходных сигналов фильтров образует пригод-

ную для вокодера основу. В синтезаторе параметры амплитуды каждого канала управ-

ляют коэффициентами усиления фильтра, характеристики которого подобны

характеристикам фильтра анализатора. Таким образом, структура полосового вокодера

базируется на двух блоках фильтров — для анализа и для синтеза. Увеличение количе-

ства каналов улучшает разборчивость

, но при этом требуется большая скорость переда-

чи. Компромиссным решением обычно становится выбор 16-20 каналов при скорости

передачи данных около 2400 бит/с.

Полосовые фильтры в цифровом исполнении строятся на базе аналоговых фильтров

Баттерворта, Чебышева, эллиптических и др. Каждый 20-миллисекундный отрезок вре-

мени кодируется 48 битами, из них 6 бит отводится на информацию

об основном тоне,

один бит на информацию “тон–шум”, характеризующую наличие или отсутствие вока-

лизованного участка речевого сигнала, остальные 41 бит описывают значения амплитуд

сигналов на выходе полосовых фильтров.

Существуют различные модификации полосного вокодера, приспособленные для ка-

налов с ограниченной полосой пропускания. При отсутствии жестких требований на ка-

чество синтезированной речи удается

снизить количество бит передаваемой информа-

ции с 48 до 36 на каждые 20 мс, что обеспечивает снижение скорости до 1200 бит/с. Это

возможно в случае передачи каждого второго кадра речевого сигнала и дополнительной

информации о синтезе пропущенного кадра. Потери в качестве синтезированной речи от

440 Глава 19. Скремблирование

таких процедур не слишком велики, достоинством же является снижение скорости пере-

дачи сигналов.

Наибольшее распространение среди систем цифрового кодирования речи с после-

дующим шифрованием получили системы, основным узлом которых являются вокодеры

с линейным предсказанием речи (ЛПР).

Математическое представление модели цифрового фильтра, используемого в вокоде-

ре с линейным предсказанием, имеет вид

кусочно-линейной аппроксимацией процесса

формирования речи с некоторыми упрощениями: каждый текущий отсчет речевого сиг-

нала является линейной функцией

P предыдущих отсчетов. Несмотря на несовершенст-

во такой модели, ее параметры обеспечивают приемлемое представление речевого сиг-

нала. В вокодере с линейным представлением анализатор осуществляет минимизацию

ошибки предсказания, представляющего собой разность текущего отсчета речевого сиг-

нала и средневзвешенной суммы предыдущих отсчетов. Существует несколько методов

минимизации ошибки. Общим для всех является то, что

при оптимальной величине ко-

эффициентов предсказания спектр сигнала ошибки приближается к белому шуму и со-

седние значения ошибки имеют минимальную коррекцию. Известные методы делятся на

две категории: последовательные и блочные, которые получили наибольшее распро-

странение.

В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя пара-

метрами: амлитудой, решением “тон/шум” и

периодом основного тока для вокализован-

ных звуков. Так, согласно федеральному стандарту США, период анализируемого отрез-

ка речевого сигнала составляет 22,5 мс, что соответствует 180 отсчетам при частоте дис-

кретизации 8 кГц. Кодирование в этом случае осуществляется 54 битами, что

соответствует скорости передачи 2400 бит/с. При этом 41 бит отводится на кодирование

десяти коэффициентов предсказания, 5 — на

кодирование величины амплитуды, 7 — на

передачу периода основного тона и 1 бит определяет решение “тон/шум”. При осущест-

влении подобного кодирования предполагается, что все параметры независимы, однако

в естественной речи параметры коррелированы и возможно значительное снижение ми-

нимально допустимой скорости передачи данных без потери качества, если правило ко-

дирования оптимизировать с учетом зависимости

всех параметров. Такой подход извес-

тен под названием векторного кодирования. Его применение к вокодеру с линейным

предсказанием позволяет снизить скорость передачи данных до 800 бит/с и менее, с

очень малой потерей качества.

Основной особенностью использования систем цифрового закрытия речевых сигна-

лов является необходимость использования модемов. В принципе возможны следующие

подходы

к проектированию систем закрытия речевых сигналов.

1. Цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного устройства

подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию по одному из крипто-

графических алгоритмов, затем поступает через модем в канал связи, на приемной

стороне которого осуществляются обратные операции по восстановлению речевого

сигнала, в которых задействованы модем и дешифратор (см. рис. 19.3, 19.4). Модем

представляет собой отдельное

устройство, обеспечивающее передачу данных по од-