Транспортные и мультисервисные системы и сети связи.-1

Рис. 2.4.1. Устройство IP-камеры

Видеокамеры характеризуются следующими параметрами:

Формат (округленное значение диагонали матрицы в дюймах);

142

Разрешающая способность (характеризует способность видеокамеры различать мелкие детали и удаленные предметы);

Чувствительность или минимальная освещенность (характеризует способность видеокамеры наблюдать объекты при пониженной освещенности и даже в темноте, измеряется в люксах (лк));

Борьба с изменениями освещенности (в составе видеокамеры имеется электронный затвор, который регулирует время накопления зарядов);

Отношение сигнал/шум;

Система автоматической регулировки усиления;

Гамма-коррекция (указывает на то, что в видеокамере заведомо вводится нелинейная зависимость выходного видеосигнала от освещенности объекта для компенсации нелинейной зависимости яркости свечения кинескопа в видеомониторе от модулирующего напряжения);

Компенсация встречной засветки;

Баланс белого (является специфическим параметром цветных видеокамер, служит для правильной цветопередачи изображения на объекте при различных типах источника освещения);

Напряжение питания (постоянный ток 12 В или сетевое напряжение 220 В);

Диапазон рабочих температур;

Конструктивное исполнение.

2.5Общие сведения о VPN

Аббревиатура VPN расшифровывается как Virtual Private Network - "виртуальная частная сеть". Суть этой технологии в том, что при подключении к VPN серверу при помощи специального программного обеспечения поверх общедоступной сети в уже установленном соединении организуется зашифрованный канал, обеспечивающий высокую защиту передаваемой по этому каналу информации за счѐт применения специальных алгоритмов шифрования.

В общем случае VPN - это объединение локальных сетей или отдельных машин, подключенных к сети общего пользования, в единую виртуальную (наложенную) сеть, обеспечивающую секретность и целостность передаваемой по ней информации (прозрачно для пользователей).

Использование технологии VPN необходимо там, где требуется защита корпоративной сети от воздействия вирусов, злоумышленников, просто любопытных, а также от других угроз, являющихся результатом ошибок в конфигурировании или администрировании сети.

Виртуальные частные сети (VPN), создаваемые на базе арендуемых и коммутируемых каналов связи сетей общего пользования (и, в первую очередь, Интернет), являются отличной альтернативой изолированным корпоративным сетям, причем, альтернативой, обладающей рядом несомненных преимуществ:

•низкая стоимость арендуемых каналов и коммуникационного оборудования;

•развитая топология сети (широкий географический охват);

•высокая надежность;

•легкость масштабирования (подключения новых сетей или пользователей);

•легкость изменения конфигурации;

143

•контроль событий и действий пользователей. Какими свойствами должна обладать

VPN?

Можно выделить три фундаментальных свойства, превращающих наложенную корпоративную сеть, построенную на базе сети общего пользования, в виртуальную частную сеть:

•шифрование;

•аутентификация;

•контроль доступа.

Только реализация всех этих трех свойств позволяет защитить пользовательские машины, серверы предприятия и данные, передаваемые по физически незащищенным каналам связи, от внешних нежелательных вторжений, утечки информации и несанкционированных действий.

2.5.1 Классификация VPN

Классифицировать VPN решения можно по нескольким основным параметрам: 1. По типу используемой среды:

•Защищенные VPN сети. Наиболее распространѐнный вариант приватных частных сетей. C его помощью возможно создать надежную и защищенную подсеть на основе ненадѐжной сети, как правило, Интернета. Примером защищенных VPN являются: IPSec, OpenVPN и PPTP.

•Доверительные VPN сети. Используются в случаях, когда передающую среду можно считать надѐжной и необходимо решить лишь задачу создания виртуальной подсети в рамках большей сети. Вопросы обеспечения безопасности становятся неактуальными. Примерами подобных VPN решений являются: MPLS и L2TP. Корректнее сказать, что эти протоколы перекладывают задачу обеспечения безопасности на другие, например L2TP, как правило, используется в паре с IPSec.

2.По способу реализации:

•VPN сети в виде специального программно-аппаратного обеспечения. Реализация VPN

сети осуществляется при помощи специального комплекса программно-аппаратных средств. Такая реализация обеспечивает высокую производительность и, как правило, высокую степень защищѐнности.

•VPN сети в виде программного решения. Используют персональный компьютер со специальным программным обеспечением, обеспечивающим функциональность VPN.

•VPN сети с интегрированным решением. Функциональность VPN обеспечивает комплекс, решающий также задачи фильтрации сетевого трафика, организации сетевого экрана и обеспечения качества обслуживания.

3.По назначению:

•Intranet VPN. Используют для объединения в единую защищенную сеть нескольких распределѐнных филиалов одной организации, обменивающихся данными по открытым каналам связи.

•Remote Access VPN. Используют для создания защищенного канала между сегментом корпоративной сети (центральным офисом или филиалом) и одиночным пользователем, который, работая дома, подключается к корпоративным ресурсам с домашнего компьютера или, находясь в командировке, подключается к корпоративным ресурсам при помощи ноутбука.

•Extranet VPN. Используют для сетей, к которым подключаются «внешние» пользователи (например, заказчики или клиенты). Уровень доверия к ним намного ниже, чем к сотрудникам компании, поэтому требуется обеспечение специальных «рубежей» защиты, предотвращающих или ограничивающих доступ последних к особо ценной, конфиденциальной информации.

144

4.По типу протокола:

Существуют реализации виртуальных частных сетей под TCP/IP, IPX и AppleTalk. Но на сегодняшний день наблюдается тенденция к всеобщему переходу на протокол TCP/IP, и абсолютное большинство VPN решений поддерживает именно его.

5.По уровню сетевого протокола:

По уровню сетевого протокола на основе сопоставления с уровнями эталонной сетевой модели ISO/OSI.

2.5.2 Построение VPN

Существуют различные варианты построения VPN. При выборе решения требуется учитывать факторы производительности средств построения VPN. Например, если маршрутизатор и так работает на пределе мощности своего процессора, то добавление туннелей VPN и применение шифрования/дешифрования информации могут остановить работу всей сети из-за того, что этот маршрутизатор не будет справляться с простым трафиком, не говоря уже о VPN. Опыт показывает, что для построения VPN лучше всего использовать специализированное оборудование, однако если имеется ограничение в средствах, то можно обратить внимание на чисто программное решение. Рассмотрим некоторые варианты построения VPN.

2.5.3 VPN на базе брандмауэров

Брандмауэры большинства производителей поддерживают туннелирование и шифрование данных. Все подобные продукты основаны на том, что трафик, проходящий через брандмауэр шифруется. К программному обеспечению собственно брандмауэра добавляется модуль шифрования. Недостатком этого метода можно назвать зависимость производительности от аппаратного обеспечения, на котором работает брандмауэр. При использовании брандмауэров на базе ПК надо помнить, что подобное решение можно применять только для небольших сетей с небольшим объемом передаваемой информации.

В качестве примера VPN на базе брандмауэра можно назвать Microsoft® Internet Security and Acceleration (ISA) Server 2006.

Функциональные возможности использования VPN в ISA Server 2006:

■политика брандмауэра, применяемая к соединениям VPN-клиентов;

■политика брандмауэра, применяемая к VPN-соединениям конфигурации узел-в-узел;

■VPN-карантин или временная изоляция;

■отображение пользователей для VPN-клиентов;

■поддержка клиентов SecureNAT для VPN-соединений;

■виртуальная частная сеть конфигурации «узел-в-узел» с применением туннельного режима протокола IPSec;

■публикация VPN-серверов по протоколу РРТР (Point-to-Point Tunneling Protocol,

сквозной туннельный протокол);

■поддержка аутентификации секретным ключом Pre-shared Key для VPN-соединений по протоколу IPSec;

■улучшенная работа сервера имен для VPN-клиентов;

■мониторинг соединений VPN-клиентов.

2.5.4 VPN на базе маршрутизаторов

Другим способом построения VPN является применение для создания защищенных каналов маршрутизаторов. Так как вся информация, исходящая из локальной сети, проходит

145

через маршрутизатор, то целесообразно возложить на этот маршрутизатор и задачи шифрования.

Примером оборудования для построения VPN на маршрутизаторах является оборудование компании Cisco Systems. Начиная с версии программного обеспечения IOS 11.3, маршрутизаторы Cisco поддерживают протоколы L2TP и IPSec. Помимо простого шифрования проходящей информации Cisco поддерживает и другие функции VPN, такие как идентификация при установлении туннельного соединения и обмен ключами.

Для повышения производительности маршрутизатора может быть использован дополнительный модуль шифрования ESA. Кроме того, компания Cisco System выпустила специализированное устройство для VPN, которое так и называется Cisco 1720 VPN Access Router (маршрутизатор доступа к VPN), предназначенное для установки в компаниях малого и среднего размера, а также в отделениях крупных организаций.

2.5.5 VPN на базе программного обеспечения

Следующим подходом к построению VPN являются чисто программные решения. При реализации такого решения используется специализированное программное обеспечение, которое работает на выделенном компьютере, и в большинстве случаев выполняет роль proxyсервера. Компьютер с таким программным обеспечением может быть расположен за брандмауэром.

Пример:

■ OpenVPN - свободная реализация технологии виртуальной частной сети (VPN) с открытым исходным кодом для создания зашифрованных каналов типа точка-точка или сервер-клиенты между компьютерами. Она позволяет устанавливать соединения между компьютерами находящимися за NAT-firewall без необходимости изменения его настроек. OpenVPN была создана Джеймсом Йонаном (James Yonan) и распространяется под лицензией

GNU GPL.

2.5.6VPN на базе сетевой ОС

■В качестве VPN сервера можно использовать Windows NT Server 4.0, Windows 2000 Server, или Windows Server 2003/2008. Сам по себе сервер VPN очень прост. Это ничто иное, как усиленный Windows 2003/2008 Server, на котором запущены службы маршрутизации и удаленного доступа (Routing and Remote Access Services (RRAS)). После того, как произошла аутентификация входящего VPN соединения, сервер VPN просто работает как маршрутизатор, который предоставляет клиенту VPN доступ в частную сеть.

■FreeBSD. VPN сервер реализуется на основе Multi-link PPP Daemon (MPD). MPD - это основанная на netgraph реализация PPP-протокола мультисвязи для FreeBSD. MPD спроектирован быть быстрым и гибким, обрабатывая конфигурацию и обращения в режиме пользователя, направляя пакеты данных напрямую в ядро.

2.5.7VPN на базе аппаратных средств

Главное преимущество таких VPN - высокая производительность, поскольку быстродействие обусловлено тем, что шифрование в них осуществляется специализированными микросхемами.

Специализированные VPN-устройства обеспечивают высокий уровень безопасности, однако они дороги.

146

3. Фракталы и вейвлеты

Цифровые изображения занимают вес большую часть информационного мира. Развитие Интернета, наряду с доступностью все более мощных компьютеров и прогрессом в технологии производства цифровых камер, сканеров и принтеров, привели к широкому использованию цифровых изображений. Отсюда постоянный интерес к улучшению алгоритмов сжатия данных, представляющих изображения, Сжатие данных важно как для скорости передачи, так н эффективности хранения. Кроме многих видов коммерческого использования, технологии сжатия представляют также интерес для военных, например, приложения обработки данных телеметрии, полученных от перехватчиков ракет, или для архивного хранения данных об изображении местности для моделирования оборонительных действий. Решение проблемы сжатия изображения или в более общем смысле, кодирования изображения, использовало достижения и стимулировало развитие многих областей техники и математики.

Для начала приведем определение терминов относящихся к фрактал и вейвлет преобразованиям.

Фрактал (лат. fractus — дробленый, сломанный, разбитый) — сложная геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. В более широком смысле под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющие дробную метрическую размерность (в смысле Минковского или Хаусдорфа), либо метрическую размерность, строго большую топологической.

Фрактал - это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба.

Фрактал - самоподобное множество нецелой размерности.

Вейвлеты (от англ. wavelet), всплески (гораздо реже - вэйвлеты) - это математические функции, позволяющие анализировать различные частотные компоненты данных.

Однако это частное определение - в общем случае анализ сигналов производится в плоскости вейвлет-коэффициентов (масштаб - время - уровень) (Scale-Time-Amplitude). Вейвлет-коэффициенты определяются интегральным преобразованием сигнала. Полученные вейвлет-спектрограммы принципиально отличаются от обычных спектров Фурье тем, что дают четкую привязку спектра различных особенностей сигналов ко времени.

Следует отметить, что слово «фрактал» не является математическим термином и не имеет общепринятого строгого математического определения. Оно может употребляться, когда рассматриваемая фигура обладает какими-либо из перечисленных ниже свойств:

Обладает нетривиальной структурой на всех шкалах. В этом отличие от регулярных фигур (таких, как окружность, эллипс, график гладкой функции): если мы рассмотрим небольшой фрагмент регулярной фигуры в очень крупном масштабе, он будет похож на фрагмент прямой. Для фрактала увеличение масштаба не ведѐт к упрощению структуры, на всех шкалах мы увидим одинаково сложную картину.

Является самоподобной или приближѐнно самоподобной.

Обладает дробной метрической размерностью или метрической размерностью, превосходящей топологическую.

Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например, побережья, облака, кроны деревьев, кровеносная система и система альвеол человека или животных.

147

Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера.

3.1 Вейвлетное сжатие Вейвлетное сжатие - общее название класса методов кодирования изображений,

использующих двумерное вейвлет-разложение кодируемого изображения или его частей. Обычно подразумевается сжатие с потерей качества.

Существенную роль в алгоритмах вейвлетной компрессии играет концепция представления результатов вейвлет-разложения в виде нуль-дерева (zero-tree).

Упорядоченные в нуль-дереве битовые плоскости коэффициентов вейвлет-разложения огрубляются и кодируются далее с использованием алгоритмов сжатия без потерь.

Суть метода

Вейвлетная компрессия в современных алгоритмах компрессии изображений позволяет значительно (до двух раз) повысить степень сжатия чѐрно-белых и цветных изображений при сравнимом визуальном качестве по отношению к алгоритмам предыдущего поколения, основанным на дискретном косинусном преобразовании, таких, например, как JPEG.

3.2Непрерывное вейвлет-преобразование

Непрерывное вейвлет-преобразование (англ. continuous wavelet transform, CWT) -

вейвлет-преобразование, определяемое как

где τ представляет трансляцию, s представляет масштаб и ψ(t) — вейвлет-родитель

(mother wavelet).

Изначальная функция может быть восстановлена с помощью обратного преобразования

где

называется постоянной допустимости и Ψ — преобразование Фурье от ψ. Для того, чтобы обратное преобразование было успешным, постоянная допустимости должна соответствовать критерию допустимости

.

Также следует отметить, что критерий допустимости подразумевает, что Ψ(0) = 0, так что интеграл от вейвлета должен быть равен нулю.

Для работы с дискретными изображениями используется вариант вейвлет - преобразования, известный как алгоритм Малла , названный в честь его изобретателя Стефана Малла́(фр. Stephane Mallat). Исходное изображение раскладывается на две составляющие — высокочастотные детали (состоящие в основном из резких перепадов яркости), и сглаженную уменьшенную версию оригинала. Это достигается применением пары фильтров, причѐм каждая из полученных составляющих вдвое меньше исходного изображения. Как правило, используются фильтры с конечным импульсным откликом, в которых пикселы, попавшие в небольшое «окно», умножаются на заданный набор коэффициентов, полученные значения суммируются, и окно сдвигается для расчѐта следующего значения на выходе. Между вейвлетами и фильтрами есть тесная связь. Вейвлеты непосредственно не фигурируют в

148

алгоритмах, но если итерировать соответствующие фильтры на изображениях, состоящих из единственной яркой точки, то на выходе будут все отчѐтливей проступать вейвлеты.

Поскольку изображения двумерны, фильтрация производится и по вертикали, и по горизонтали. Этот процесс повторяется многократно, причѐм каждый раз в качестве входа используется сглаженная версия с предыдущего шага. Так как изображения «деталей» состоят обычно из набора резких границ, и содержат обширные участки где интенсивность близка к нулю. Если допустимо пренебречь некоторым количеством мелких деталей, то все эти значения можно просто обнулить. В результате получается версия исходного изображения, хорошо поддающаяся сжатию. Для восстановления оригинала снова применяется алгоритм Малла, но с парой фильтров, обратной к исходным.

Алгоритмы JPEG и MPEG, в отличие от вейвлетного, сжимают по отдельности каждый блок исходного изображения размером 8 на 8 пикселов. В результате, за счѐт потери данных при сжатии, на восстановленном изображении может быть заметна блочная структура. При вейвлетном сжатии такой проблемы не возникает, но могут появляться искажения другого типа, имеющие вид «призрачной» ряби вблизи резких границ. Считается, что такие артефакты в среднем меньше бросаются в глаза наблюдателю, чем «квадратики», создаваемые JPEG.

Для работы с различными классами изображений могут использоваться различные фильтры. Возможно, поэтому всѐ ещѐ не существует единого стандарта для вейвлетного сжатия.

3.3Фрактальное сжатие

Фрактальная архивация основана на том, что с помощью коэффициентов системы итерируемых функций изображение представляется в более компактной форме. В 1981 году Джон Хатчинсон опубликовал статью "Фракталы и самоподобие", в которой была представлена теория построения фракталов с помощью системы итерируемых функций (IFS,

Iterated Function System).

Прежде чем рассматривать процесс архивации, разберем, как IFS строит изображение. Строго говоря, IFS - это набор трехмерных аффинных преобразований, переводящих одно

изображение в другое. Преобразованию подвергаются точки в трехмерном пространстве (x координата, у координата, яркость).

Наиболее наглядно этот процесс продемонстрировал сам Барнсли в своей книге "Фрактальное сжатие изображения". В ней введено понятие Фотокопировальной Машины, состоящей из экрана, на котором изображена исходная картинка, и системы линз, проецирующих изображение на другой экран. Каждая линза проецирует часть исходного изображения. Расставляя линзы и меняя их характеристики, можно управлять получаемым изображением. На линзы накладывается требование они должны уменьшать в размерах проектируемую часть изображения. Кроме того, они могут менять яркость фрагмента и проецируют не круги, а области с произвольной границей.

Существующие алгоритмы фрактального сжатия, как правило, придерживаются следующей схемы кодирования. Кодируемое изображение разбивается на множество неперекрывающихся блоков (ранговых областей), для каждого из которых, в пределах этого же изображения, ищется блок большего размера (домен), пикселы которого путѐм некоторого преобразования, задаваемого несколькими коэффициентами, переводились бы в пикселы ранговой области. При этом для поиска оптимального соответствия ранговых областей и

149

доменов необходим полный перебор вариантов, что влечѐт за собой значительные вычислительные затраты. Из преобразований, переводящих домены в ранговые области, формируется отображение, переводящее изображение в изображение. При этом кодом изображения будут являться местоположение и размеры ранговых областей, а также коэффициенты преобразований, описывающих самоподобие внутри изображения. Количество бит, необходимых для описания кода, будет существенно меньше количества бит, необходимых для описания исходного изображения. Коэффициентом сжатия называется отношение битового представления изображения к битовому представлению кода. В известных фрактальных методах сжатия изображений значение этого коэффициента может достигать 100 при приемлемом качестве восстановления.

Для восстановления закодированного таким образом изображения используется принцип сжатых отображений, который гласит, что сжимающее отображение, действующее в полном метрическом пространстве, имеет единственную неподвижную точку. Отображение, действующее на полном метрическом пространстве изображений, формируется из преобразований, переводящих домены в ранговые области. Неподвижной точкой такого отображения (при условии, что оно является сжимающим) будет восстановленное полутоновое изображение.

Итак, пусть полутоновое изображение разбито на N ранговых областей Ri, для каждой из которых найден соответствующий домен Di и преобразование wi, задаваемое коэффициентами (ci1,ci2,…,ciK), такое что для каждого rÎ Ri существует dÎ Di такое что r=wi(d). Причѐм преобразования wi должны являться сжимающими, т.е. такими, что для всех dl,dkÎ Di выполняется

где 0 £ s < 1. Из N преобразований wi сформируем отображение W, переводящее изображения Fj в изображение Fj+1

Следует учесть, что преобразования wi действуют только на соответствующие домены Di изображения F. Доказано, что если преобразования wi являются сжимающими, то и отображение W также является сжимающим.

Для восстановления изображения, закодированного таким образом, нужно запустить итерационный процесс, используя в качестве стартового любое изображение F0 (соответствующего размера). Согласно принципу сжатых отображений, отображение W будет иметь единственную неподвижную точку отображения (аттрактор), такую что F’=W(F’). Эта точка пространства изображений и будет восстановленным изображением, которое повторяет исходное с некоторой точностью. Задача построения оптимального кода изображения при использовании фрактального сжатия, как уже было сказано, требует значительных вычислительных затрат. Простейший путь ускорения вычислений заключается в использовании различных алгоритмов сужения поиска или вообще отказе от поиска. При использовании последнего алгоритма изображение разбивается на неперекрывающиеся квадратные блоки, каждый из которых разбит на четыре одинаковых квадратных подблока. Каждый блок является доменом для своих подблоков, а подблоки - ранговыми областями. Задача кодирования изображения в этом случае сводится к проверке подобия ранговой области домену, содержащему эту область. В случае отсутствия подобия соответствующий подблок снова разбивается на четыре квадратных ―подподблока‖ и сам становится доменом для своих подблоков.

150