Скремблер (VtjybQlyj)

Скремблер (англ. scramble — шифровать, перемешивать) — программное или аппаратное устройство (алгоритм), выполняющее скремблирование — обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности. После скремблирования появление «1» и «0» в выходной последовательности равновероятны. Скремблирование — обратимый процесс, то есть исходное сообщение можно восстановить, применив обратный алгоритм.

Цели скремблирования

Применительно к телекоммуникационным системам скремблирование повышает надёжность синхронизации устройств, подключённых к линии связи (обеспечивает надёжное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала), и уменьшает уровень помех, излучаемых на соседние линии многожильного кабеля. Другая область применения скремблеров — защита передаваемой информации от несанкционированного доступа.

Для алгоритмов скремблирования исключительно важны скорость работы и случайный характер последовательности, чтобы его нельзя было восстановить в случае перехвата противником. Процесс скремблирования может включать в себя добавление определённых компонент к исходному сигналу либо изменение важных частей сигнала для того, чтобы усложнить восстановление вида исходного сигнала либо для придания сигналу определённых статистических свойств.

Скремблеры применяются в телефонных сетях общего пользования, спутниковой и радиорелейной связи, цифровом телевидении, а также для защиты лазерных дисков от копирования.

Обычно скремблирование осуществляется на последнем этапе цифровой обработки непосредственно перед модуляцией.

Типы скремблеров

Самосинхронизирующиеся скремблеры (СС)
Аддитивные скремблеры (с установкой)

Самосинхронизирующиеся скремблеры

Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде линейного n-каскадного регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины $2^{n}-1$ .

Особенностью самосинхронизирующегося скремблера (СС скремблера) является то, что он управляется скремблированной последовательностью, то есть той, которая передаётся в канал. Поэтому при данном виде скремблирования не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера: скремблированная последовательность записывается в регистры сдвига скремблера и дескремблера, устанавливая их в идентичное состояние. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время восстановления синхронизма не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.

На приёмной стороне выделение исходной последовательности происходит путём сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с последовательностью на выходе сдвигового регистра. Например, для схемы, приведённой на рисунке, входная последовательность $IN$ с помощью скремблера в соответствии с соотношением $OUT=IN\oplus (R_{18}\oplus R_{23})$ преобразуется в посылаемую двоичную последовательность $OUT$ . В приёмнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как на приёме, формируется последовательность $IN'=OUT\oplus (R_{18}\oplus R_{23})=IN\oplus (R_{18}\oplus R_{23})\oplus (R_{18}\oplus R_{23})=IN$ .

Как следует из принципа действия схемы, при одной ошибке в последовательности $IN$ ошибочными получаются также последующие восемнадцатый и двадцать третий символы (в данном примере). В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет сказываться a раз, где a — число обратных связей в регистре сдвига. Таким образом, СС скремблер-дескремблер обладает свойством размножения ошибок. Данный недостаток СС скремблера-дескремблера ограничивает число обратных связей в регистре сдвига; практически это число не превышает a = 2.

Второй недостаток СС скремблера связан с возможностью появления на его выходе при определённых условиях так называемых «критических ситуаций», когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Чтобы предотвратить это, в скремблере и дескремблере предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют наличие периодичности элементов на входе и нарушают её.

Аддитивные скремблеры

При аддитивном скремблировании требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с установкой (АД-скремблере), как и в СС скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированный сигнал также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит.

Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому их период всегда равен наименьшему общему кратному величин периодов входной последовательности и ПСП и критическое состояние отсутствует. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости в специальной логике защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее, если не учитывать затрат на решение задачи синхронизации скремблера и дескремблера. В качестве сигнала установки в цифровых системах передачи данных используют сигнал цикловой синхронизации.

Защита телефонных переговоров

Аудиоскремблеры активно применяются для защиты телефонных переговоров. При скремблировании возможно преобразование речевого сигнала по трём параметрам: амплитуде, частоте и времени. Однако в системах подвижной радиосвязи практическое применение нашли в основном частотные и временные преобразования сигнала, а также их комбинации. Возможные помехи в радиоканале существенно затрудняют точное восстановление амплитуды речевого сигнала, в связи с чем амплитудные преобразования при скремблировании практически не применяются.

Основные методы преобразования речевого сигнала:

Частотные преобразования
- Частотная инверсия сигнала (преобразование спектра сигнала с помощью гетеродина и фильтра)
- Разбиение полосы частот речевого сигнала на несколько поддиапазонов и частотная инверсия спектра в каждом относительно средней частоты поддиапазоне
- Разбиение полосы частоты речевого сигнала на несколько поддиапазонов и их частотные перестановки
Временные преобразования
- Инверсия по времени сегментов речи
- Временные перестановки сегментов речевого сигнала
Комбинированные методы

Частотные преобразования

При частотной инверсии преобразование спектра речевого сигнала эквивалентно повороту частотной полосы сигнала вокруг некоторой средней частоты F_и — частоты инверсии.

Несколько более сложный по сравнению с частотной инверсией способ преобразования сигнала обеспечивает скремблер с разбиением полосы речевого сигнала на поддиапазоны с частотной инверсией сигнала в каждом поддиапазоне (полосно-сдвиговый инвертор). Обычно используется разбиение полосы на 2 поддиапазона.

Полосовые скремблеры используют способ разбиения полосы речевого сигнала на несколько поддиапазонов с частотными перестановками этих поддиапазонов. Полосовой скремблер может быть реализован на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). В таком скремблере на передающей стороне производится прямое БПФ, частотная перестановка полос, а затем — обратное БПФ. На приёмной стороне осуществляются аналогичные преобразования с обратной частотной перестановкой полос. В скремблерах с БПФ возможно достичь высокой степени защиты информации за счёт увеличения количества перемешиваемых полос, однако на практике этот метод скремблирования в подвижной радиосвязи применяется редко в связи со сложностями технической реализации. Кроме этого, скремблеры с БПФ вносят в канал связи временную задержку.

Временные преобразования

Простейшим видом временного преобразования является временная инверсия, при которой исходный сигнал делится на последовательность временных сегментов и каждый из них передаётся инверсно во времени — с конца к началу.

В скремблере с временными перестановками речевой сигнал делится на временные кадры, каждый из которых в свою очередь подразделяется на сегменты, а затем сегменты речевого сигнала подвергаются перестановке.

Комбинированные преобразования

Для дальнейшего повышения степени закрытия речи используется комбинация временного и частотного скремблирования. В таком скремблере после аналого-цифрового преобразования спектр оцифрованного речевого сигнала разбивается на частотно — временные элементы, которые затем перемешиваются на частотно — временной плоскости в соответствии с одним из криптографических элементов и суммируются, не выходя за пределы частотного диапазона исходного сигнала.

Телевидение

Скремблеры используются в цифровом и кабельном телевидении для предоставления доступа к платному контенту и предотвращения кражи транслируемого сигнала. Ранние версии этих устройств инвертировали одну из составляющих телесигнала, восстанавливая её на клиентской стороне. Позже более совершенные скремблеры стали фильтровать одну из компонент сигнала и передавать данные без неё. Восстановление исходной последовательности с помощью добавления недостающей части сигнала происходит на стороне пользователя.

Криптография

Необходимость синхронизации скремблеров привела Джеймса Эллиса^[англ.] к идее криптосистем с открытым ключом, что впоследствии привело к созданию алгоритма шифрования RSA и протокола Диффи-Хеллмана.

Современные системы скремблирования сильно отличаются от оригинальных скремблеров. Это сложные оцифровывающие устройства, совмещённые с устройствами шифрования. В таких системах исходный сигнал преобразуется в цифровую форму, затем данные шифруются и отправляются. Будучи совмещёнными с системами асимметричного шифрования, эти «скремблеры» являются более криптостойкими, чем их ранние аналоги. Только такие системы считаются достаточно надёжными для работы с важными данными.

См. также

Примечания

Литература

С. В. Кунегин,. Системы передачи информации. — М.: в/ч 33965, 1997. — 317 с.

Конахович Г. Ф., Климчук В. П., Паук С. М. Защита информации в телекоммуникационных системах. — К.:"МК-Пресс", 2005. — 288 с.

Крис Касперски,. Техника защиты компакт-дисков от копирования. — KPNC, 2004. — 155 с.

Ссылки

Скремблеры // «Методы и средства защиты информации» (курс лекций), Беляев А. В. // ЧФ СПбГТУ
Устройства для защиты переговоров, ведущихся по сотовому телефону. Скремблер // Кунегин С. В. Коммерческие речевые шифраторы, 2005, реферат.
Цифровое скремблирование. Часть 1 (рус.)
Линейные коды // Кунегин С. В.
Скремблирование передаваемых данных // Журнал «Искусство схемотехники», Шевкопляс Б. В.
Sudoku Associated Two Dimensional Bijections for Image Scrambling // Yue Wu, Student Member, IEEE, Sos Agaian, Senior Member, IEEE, and Joseph P. Noonan, Life Member, IEEE.
Скремблирование на уровне кодового слова для mimo-передачи // Патент RU 2426254, Маллади Дурга Прасад, Монтохо Хуан.
Методы защиты информации в системах конвенциональной радиосвязи // Овчинников А. М.