Скремблирование
2.1 Обзор данного метода
При оценке стойкости шифрования речевых сигналов в аналоговой форме необходимо, в первую очередь, учитывать возможности человеческого восприятия при прослушивании результирующего сигнала и попытке восстановить какую-либо информацию. Это восприятие очень субъективно: одни люди воспринимают на слух значительно лучше других. В связи с этим говорят о так называемой остаточной разборчивости сигнала. Под остаточной разборчивостью понимают процент восстановленных фрагментов скремблированного речевого сигнала при прослушивании переговоров с помощью обычных УКВ-приемников или радиостанций, не оснащенных аналогичным скремблером. Остаточная разборчивость характеризует степень неразборчивости сообщений при их прослушивании без применения специальных средств, а уровень закрытия информации показывает защищенность переговоров и при преднамеренном перехвате с использованием специальной аппаратуры. Естественно, что наибольшую степень защиты информации обеспечивают скремблеры с минимальной остаточной разборчивостью. Следует, однако, отметить, что практически все известные аналоговые речевые скремблеры в той или иной мере сохраняют остаточную разборчивость. В прослушиваемом речевом сигнале, защищенном скремблером, сохраняется информация о темпе речи, улавливаются паузы. При несложных способах защиты опытный оператор может разобрать (в зависимости от наличия сведений о тематике ведущихся переговоров) от 10 до 50 % передаваемой информации.
Однако, как правило, уменьшение остаточной разборчивости сопровождается ухудшением, как качества восстановления сигнала, так и параметров радиостанций[3].
2.2 Частотные преобразования
Инверсия
спектра (частотная инверсия). Под
инверсией спектра понимается преобразование
спектра речевого сигнала эквивалентно
повороту частотной полосы сигнала
вокруг некоторой средней частоты
,
также известной как несущая частота.
Пусть имеется некоторый сигнал,
расположенный в диапазоне 300-3000 Гц
(рисунок 4):
Рисунок 4 - Речевой сигнал
[3] - Овчинников А.М., Лазин А.С. Устройства защиты информации для средств УКВ радиосвязи
Для
преобразования будем пользуются
следующими положениями: пусть
– одна из гармоник, подаваемая вместе
с сигналом
– на вход устройства, называемого
смесителем, то его выходом будет сигнал.
При рассмотрении каждой гармоники
сигнала и соответствующего выхода
смесителя получим следующий график
(рисунок 5):
Рисунок 5 - Гармоники исходного сигнала, и выход сместителя
Между несущей частотой находятся два диапазона, называемые верхним и нижним диапазонами соответственно. Верхний диапазон аналогичен исходному сигналу, лишь перемещенному вверх (каждая частотная компонента увеличивается на ). Нижний диапазон является зеркальным отражением исходного сигнала. Теперь, выбирая подходящую несущую частоту и используя смеситель для перемещения верхнего диапазона, мы можем получить инвертированный речевой сигнал (рисунок 6):
Рисунок 6 - Инвертированный речевой сигнал
Выбором несущей частоты для различных сигналов каждый из них может быть перенесен в другой частотный диапазон. Это дает возможность передавать несколько телефонных сигналов по одному каналу. Преобразование инверсии не зависит от секретного ключа. Это — кодирование, являющееся нестойким против атак противника, обладающего аналогичным оборудованием. Развитие идеи инверсного кода, позволяющее ввести секретный ключ, состоит в использовании так называемой циклической инверсии.
Циклическая инверсия. Суть преобразования циклической инверсии: если инвертированный сигнал находится в том же диапазоне, что и исходный сигнал (300 — 3000 Гц), то несущая частота равна 3300 Гц. Для другой несущей частоты, скажем 4000 Гц, получим инвертированный сигнал со спектром (рисунок 7):
Рисунок 7 - Инвертированный с несущей частотой равной 4000 Гц
Этот сигнал не попадает в исходную полосу. Можно договориться переносить часть спектра, превышающую 3000 Гц, в нижнюю часть исходного спектра (рисунок 8):
Рисунок 8 - Пример циклической инверсии
В таком переносе части спектра и заключается идея циклической инверсии. Типичный инвертор имеет от 4 до 16 различных несущих частот. Это дает такое же число возможных циклических сдвигов. С помощью ключа можно выбирать несущую частоту так, как это делается для шифра простой замены. Можно использовать также генератор псевдослучайных чисел, который выбирает изменяемую несущую частоту. Обычно для этого используют интервал в 10 или 20 мс. Подобные системы имеют две серьёзные слабости. Во-первых, в каждый момент времени имеется лишь небольшое число возможных несущих частот, в силу чего исходный сигнал может быть восстановлен их перебором с помощью сравнительно простого оборудования. Во-вторых, что более важно, остаточная разборчивость выходного сигнала для такого метода неприемлемо высока, что проявляется при непосредственном прослушивании. Третий способ изменения сигнала в частотной области состоит в делении диапазона.
Частотная перестановка диапазонов. Суть данного метода заключается в разбиении спектра на равные части, диапазоны, которые могут быть различным образом переставлены, а также каждый из них инвертирован. Пример (рисунок 9, 10):
Рисунок 9 - Речевой сигнал Рисунок 10 - Частотная перестановка диапазонов
Если же использовать лишь перестановки полос, то остаточная разборчивость большинства из диапазонов приблизительно равна 10 %. А это не дает большой гарантии стойкости. Некоторые причины этого легко понять. Так будет, например, если некоторые поддиапазоны остаются неизменными. Кроме того, известно, что обычно более 40 % энергии сигнала лежит в первых двух поддиапазонах, соответствующих первой форманте. Если криптоаналитик найдет правильные позиции первых двух поддиапазонов и переместит их на нужные места, он частично восстановит сигнал и получит неплохой шанс понять фрагмент сообщения. Увеличение количества диапазонов ведет к ухудшению качества сигнала на выходе.