Скремблирование (Дескремблирование).

Введение

Вопросы информационной безопасности занимают особое место в жизни общества в связи с возрастающей ролью информации и требуют к себе все большего внимания. Безопасность связи при передаче речевых сообщений основывается на использовании большого количества различных методов закрытия сообщений, меняющих характеристики речи таким образом, что она становится неразборчивой и неузнаваемой дли подслушивающего лица, перехватившего закрытое речевое сообщение. При этом главной целью при разработке систем передачи речи является сохранение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия слушателем.

Одним из самых распространенных методов закрытия речевых сообщений являются методы скремблирования, которые впервые появились в 40-х годах прошлого века. Среди последних достижений в этой области следует отметить широкое использование интегральных микросхем, микропроцессоров и цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС). Все что обеспечивает высокую надежность устройств закрытия речи с уменьшением их размера и стоимости.

1. Цель работы:

Целью данной работы является изучение работы программной модели скремблера. Данная программная модель позволяет проводить скремблирование речевых сигналов с помощью различных способов: скремблирование во временной и частотной областях, а также производить сравнительный анализ того, какой из способов скремблирования дает наилучший результат (наименее узнаваемый сигнал). Также предоставляется возможность исследования влияния различных параметров скремблирования (длина окна сигнала, количество блоков в окне, тип перестановки блоков в окне) на выходной сигнал

Порядок проведения работы.

2.1. Изучить теоретический материал и рекомендованную литературу.

2.2. Выполнить задание на лабораторную работу.

2.3. Ответить на контрольные вопросы.

Теоретическая часть.

Безопасность связи при передаче речевых сообщений основывается на использовании большого количества различных методов закрытия сообщений, меняющих характеристики речи таким образом, что она становится неразборчивой и неузнаваемой при прослушивании. Основной целью при разработке систем закрытия речевых сообщений является сохранение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия слушателем.

В речевых системах связи используются два метода закрытия речевых сигналов, разделяющихся по способу обработки и передачи речи.

Рис1. Схема закрытия речи:

по каналам связи: скремблирование и дискретизация речи с последующим шифрованием

Системы на основе шифрования речи не передают никакой части речевого сигнала. Речевые компоненты кодируются в цифровой поток данных, который смешивается с псевдослучайной последовательностью, вырабатываемой генератором по одному из соответствующих алгоритмов, и полученное таким образом сообщение передается с помощью модема в канал связи (рис. 1). Недостатками метода являются необходимость специальных широкополосных каналов. Для методов, использующих узкополосные каналы, необходимо использование алгоритмов кодирования высокой сложности.

Другим методом является метод речевого скремблирования, что означает перемешивание, смешивание.

Под скремблированием понимается изменение характеристик речевого сигнала так, чтобы полученный сигнал, обладая свойствами неразборчивости и неузнаваемости, занимал такую же полосу частот, что и исходный, открытый сигнал. При использовании этого метода в закрытом сигнале присутствуют куски исходного сообщения, преобразованные в частотной и(или) временной областях. Т.е. такие системы могут быть атакованы криптоаналитиком противника на уровне анализа звуковых сигналов.

Аналоговое скремблирование. Наибольшая часть аппаратуры засекречивания речевых сигналов использует в настоящее время метод аналогового скремблирования, поскольку:

· необходимая для этого аппаратура применяется в большинстве случаев в стандартных телефонных каналах с полосой 0,2 - 3,4 кГц;

· обеспечивается коммерческое качество дешифрованной речи;

· гарантируется достаточно высокая стойкость закрытия.

Системы скремблирования можно разделить на два следующих класса:

· статические, схема кодирования которых остается неизменной в течение всей передачи сообщения; такие системы не обладают сколько ни будь значительной стойкостью, но вполне приемлемы как модели реальных систем скремблирования и учебные пособия;

· динамические, постоянно генерирующие кодовые подстановки в ходе передачи;

В настоящий момент системы скремблирования построены следующим образом, исходный аналоговый речевой сигнал дискретизируется с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), подвергается цифровой обработке и преобразовывается снова в аналоговый речевой сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Преобразование речи в цифровую форму. Известно, что речевой сигнал занимает полосу частот 300-3400 Гц, которая гарантирует высокую разборчивость речи и узнаваемость диктора по голосу. Отсюда следует, что необходимая частота дискретизации, которая, исходя из теоремы Котельникова, не должна быть меньше 6,8кГц, в стандартных линиях связи она принята равной 8 кГц. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой, на первом шаге происходит периодическая дискретизация сигнала. В дискретах содержится вся информация, необходимая для восстановления исходного сигнала на приеме, если дискреты формируются с частотой 8 кГц. Второй шаг в процессе аналого-цифрового преобразования состоит в квантовании по уровню, т. е. определении того, на какой интервал амплитуд из группы смежных интервалов приходится значение дискрета. По существу, в процессе квантования амплитуда каждого дискрета, которая может принимать непрерывные значения, заменяется дискретной величиной, размещенной в середине соответствующего шага квантования. Поскольку квантованные дискреты имеют дискретные уровни, они представляют собой многоуровневый цифровой сигнал. В стандартных системах связи разрядность преобразованного сигнала равна 12.

Для передачи квантованные по амплитуде дискреты преобразуются в двоичные кодовые комбинации, которые передаются затем в виде двоичных импульсов. На приемной стороне линии цифровой передачи поток двоичных цифровых сигналов восстанавливается и воссоздаются величины квантованных дискретов. Затем для интерполяции между величинами дискретов и восстановления исходной формы сигнала используется фильтр нижних частот. Если ошибок в передаче не было, сигнал на выходе идентичен входному, за исключением небольшого искажения в результате квантования: разности между величиной дискрета и ее квантованным представлением. При большом числе шагов квантования (и, следовательно, достаточном числе разрядов в кодовой комбинации для их представления) шаги квантования могут быть достаточно малы для того, чтобы существенно уменьшить заметность искажений квантования.

В системах скремблирования обычно используют преобразования сигнала по времени и по частоте, а также их комбинации.

Для реализации частотных скремблеров используют дискретное преобразование Фурье.

Дискретное преобразование Фурье. Если x_n - периодическая последовательность с периодом N, то дискретным преобразованием Фурье (ДПФ) называется пара взаимно однозначных преобразований [2]:

k=0,1,...,N-1; (1)

n=0,1,...,N-1. (2)

(1) определяет прямое ДПФ, а (2) - обратное ДПФ.

Дискретное преобразование Фурье C_k является периодической функцией по аргументу k с периодом N. ДПФ может быть использовано для представления последовательности x_n конечной длины N, определенной при n=0,1,...,N-1 и равной нулю вне интервала [0,N-1]. Действительно, такую последовательность можно рассматривать как один период соответствующей периодической последовательности.

При частотном скремблировании временная последовательность x_n, полученная в результате преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму, разбивается на окна длиной N. Длина окна выбирается таким образом, чтобы после скремблирования сигнал был достаточно неразборчив, но не более 0,3 секунд, что связано с эффектом так называемого «эха». Известны два типа частотных скремблирования: частотная инверсия и полосовое разбиение спектра речевого сигнала. Инверсное скремблирование основано на повороте спектральной последовательности относительно некоторой точки, что равносильно повороту частотной полосы речевого сигнала относительно некоторой частоты (см. рис.2), используя для этого выражение (1) для дискретного преобразование Фурье. Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия.

Рис.2Принцип работы инвертора спектра

Полосовое скремблирование основано на разделении спектра на несколько частотных полос и их перемешивании по некоторому принципу (см. рис.3). Данное преобразование осуществляется также с помощью дискретного преобразования Фурье. Коэффициенты С_k разбиваются на группы, исходя из необходимых частотных полос:

(1…k₁), (k₁+1…k₂),.... (k_d+1…N).

Рис.3.Принцип работы полосового частотного скремблера

Группы коэффициентов меняют местами согласно выбранному порядку полос частот и производят обратное преобразование Фурье. В результате получается речевой сигнал с искаженным спектром, который обеспечивает неразборчивость сигнала. На приемном пункте выполняется обратная процедура. После преобразования принятого сигнала в цифровую форму, производят операцию ДПФ, восстанавливают правильную последовательность частотных полос спектра и применяют обратное ДПФ. Исходный цифровой сигнал преобразовывают в аналоговый сигнал цифроаналоговым преобразователем.

Можно дополнительно повысить степень закрытия путем осуществления задержек различных частотных компонент сигнала на различное время.

Изменение ключа системы позволяет повысить степень закрытия, но требует введения синхронизации на приемной стороне системы. Система обладает достаточно высокой криптостойкостью.

На рис.4 представлена блок схема скремблирования речевого сигнала с использованием частотного метода.

Рис.4.Принцип работы скремблера с использованием преобразования Фурье.

Часто используют комбинацию из первых двух систем, что обеспечивает еще лучшее закрытие голосового сигнала.

Временные скремблеры. В скремблерах с временной перестановкой сигнал делится на фрагменты над которыми осуществляется перестановка отсчетов речевого сигнала (например инверсия), причем фрагмент (кадр) может быть как фиксированным так и скользящим. Принцип работы такой системы представлен на рис.5. У таких скремблеров уровень закрытия, зависит от длительности сегментов, а также создают значительные задержки при работе

Рис.5.Временной скремблер

В скремблерах с временной инверсией происходит временная инверсия на фрагментах речевого сигнала. Разборчивость сигнала зависит от размера фрагмента, чем больший фрагмент, тем лучшее закрытие речевого сигнала.

На практике обычно используется комбинация этих двух методов.

Программная модель скремблера. Данная программная система моделирует скремблер, работающий с телефонным каналом связи с полосой пропускания от 200 Гц до 3,4 КГц.

В модели представлены несколько видов операций скремблирования:

· временной скремблер, производящий операции над блоками фиксированного размера (250 мс) с фиксированным порядком перестановки (статический);

· полосовой частотный скремблер, производящий операции над блоками фиксированного размера (250 мс) с фиксированным порядком перестановки (статический), использует прямое и обратное ДПФ;

· инвертирующий частотный скремблер, производящий операции над блоками фиксированного размера (250 мс), использующий прямое и обратное ДПФ, инверсия идет относительно средней точки спектральной последовательности.

Описание работы этих скремблеров представлены в предыдущем разделе.

В качестве исходных сигналов скремблера использованы звуковые файлы в формате WAV, записанные с частотой дискретизации 8 КГц в формате моно.

Реализация программной модели выполнена на языке ObjectPascal в системе визуального программирования Borland Delphi 4.0 фирмы Inprise.

Скремблер может выполнять загрузку звуковых файлов в формате WAV, их скремблирование или дескремблирование по одному из нескольких алгоритмов с изменяемыми параметрами, запись результата в файлы в формате WAV, а также визуализировать и озвучить как исходный, так и обработанный звук.

4. Выполнение работы.

Рис. 6. Общий вид рабочего экрана программы.

На рис.6 показан общий вид рабочего экрана системы.

Загрузка и сохранение файлов.

Для загрузки звуковых файлов в формате WAV необходимо выбрать пункт Файл | Загрузить файл, после чего с звуковой информацией данного файла можно проводить все необходимые операции.

Если после обработки сигнала требуется сохранить его необходимо выбрать пункт Файл | Сохранить файл.

Настройки скремблера определяют параметры текущей операции скремблирования (дескремблирования). В число настроек входят: тип скремблирования и порядок перестановки блоков.

Для изменения настроек необходимо выбрать Настройки | Настройки скремблера.

7.Окно настройки режима скремблера

Выбор типа скремблирования осуществляется путем нажатия одной из четырех кнопок:

· нет перестановки - скремблирование и дескремблирование не проводится, в этом случае порядок перестановки блоков несущественен;

Скремблирование (Дескремблирование).

Для выполнения операции скремблирования (дескремблирования) необходимо выбрать пункт Операции | Скремблирование (или Операции | Дескремблирование).

· временная перестановка - перестановка восьми временных блоков по 256 отсчетов каждый в пределах блока из 2048 отсчетов. Порядок перестановки блоков задается;

· частотная перестановка - перестановка восьми спектральных блоков по 256 отсчетов каждый в пределах блока из 2048 отсчетов. Порядок перестановки блоков задается;

· частотная инверсия - инверсия спектра в блоке из 2048 отсчетов. Порядок перестановки блоков несущественен;