13.2. Цифровое шифрование.

Теперь, рассмотрим цифровой способ закрытия, при котором речевой непрерывный сигнал предварительно преобразуется в дискретный вид[13]. Согласно одной из основных теорем теории информации, любой непрерывный сигнал может быть без потерь заменен последовательным набором своих мгновенных значений, если они берутся с частотой, не менее чем в 2 раза превышающей самую высокочастотную составляющую этого сигнала. Для стандартного телефонного канала это означает, что такая дискретизация должна происходить с частотой не менее 6 кГц, так как верхняя частотная составляющая телефонного сигнала ограничивается верхним частотным пределом телефонного канала, равным всего 3 кГц.

Дискретизация непрерывного сигнала.

Максимальное расстояние между точками t1, t2, t3 ... на временной оси (рис. 256) не должно превышать T=1/2F, где F - максимальная частотная составляющая непрерывного сигнала. В этом случае непрерывная кривая полностью описывается последовательностью дискретных значений [Аi] и временным интервалом t.

Рис. 256. Пример временной дискретизации непрерывного сигнала

Если мы представим эти значения в виде набора чисел, то переведем сигнал в цифровую форму. Теперь эти числа можно будет легко зашифро-

417

вать любым известным способом. В этом плане способ цифрового шифрования является более универсальным, и на рынке предлагаются такие типы скремблеров, которые могут шифровать все виды передаваемой информации - от буквенно-цифровой до изображений. При этом все предварительно преобразуется в цифровую форму. В канал связи выдается набор дискретных знаков (как правило, нулей и единиц).

Однако и здесь возникают некоторые особенности. Первая особенность - это необходимость быстрой выработки огромного объема символов шифра, естественно, если мы хотим сохранить высокое качество сигнала. В самом деле, если нам надо передать минимально необходимые 6000 мгновенных значений сигнала в секунду, а его динамический диапазон равен, скажем, 20 дБ (это означает, что максимальная амплитуда сигнала в 10 раз больше его минимального значения), то в 1 с нам нужно сформировать не менее 6000x4 = 24000 двоичных знаков шифра (дело в том, что для представления 10 в двоичной системе счисления нам требуется 4 двоичных знака), то есть скорость формирования шифра и передачи кодированной информации в линию в этом случае должна быть не менее 24 кбит/с, что достаточно проблематично осуществить по стандартному телефонному каналу.

Следовательно, второй особенностью при цифровом шифровании речевого сигнала является требование наличия гораздо более широкой полосы частот для передачи двоичного сигнала в зашифрованном виде, чем имеется у стандартного телефонного канала. Это сильнейшее ограничение на применение цифрового шифрования, работающего по такой схеме.

Только использование специфичных характеристик речевого сигнала и применение различных сложных технических и математических способов позволяют резко сузить требуемую полосу и передать зашифрованный цифровым способом речевой сигнал по стандартному телефонному каналу.

Преобразование речевого сигнала.

Обычно для преобразования речевого сигнала используется так называемый вокодер - устройство, выделяющее существенные параметры речи и преобразующее их в цифровую форму. Однако в этом случае, хотя речь и сохраняет требуемую разборчивость, опознать собеседника по тембру голоса часто бывает затруднительно, так как голос воспроизводится речевым синтезатором и имеет однообразный «металлический» оттенок. Правда, если для сигнала, зашифрованного цифровым способом, использовать канал с широкой полосой (волоконно-оптическую линию или радио-релейную связь), то можно сделать качество речевого сигнала достаточно высоким.

418

Для нормальной работы телефона с устройством защиты на отечественных телефонных каналах скорость передачи информации на выходе блока шифрации, а значит и вокодера, не должна превышать 4800 бит/с. При этом слоговая разборчивость достигает 99 % при вполне удовлетворительной узнаваемости голоса абонента. Кстати, обычный телефонный канал считается каналом среднего качества, если обеспечивает слоговую разборчивость порядка 85-88 %.

По результатам ряда исследований на московских телефонных линиях получены следующие данные: нормальную работу на скорости передачи 2400 бит/с обеспечивают почти 90 % каналов связи, на скорости 4800 бит/с - уже только 60 % и на скорости 9600 бит/с - всего 35 %. Следовательно, наиболее надежную работу обеспечит аппаратура со скоростью передачи информации 2400 бит/с. В идеале слоговая разборчивость должна быть не хуже, чем в обычном телефонном канале.

Синхронизация и ввод ключей.

При цифровом шифровании речевого сигнала сложной проблемой (вследствие высоких скоростей передачи информации) является и проблема ввода ключей, а также проблема синхронизации. Необходимо добиться того, чтобы шифраторы на приемном и передающем концах линии связи начинали работать строго одновременно и не уходили ни на один такт во время всего сеанса. При этом должны сохраниться такие ценные качества телефонной связи, как удобство ведения разговора и быстрота вхождения в связь. Это удается достичь только за счет существенного усложнения аппаратуры, зачастую с введением в ее состав устройств компьютерного типа. Поэтому пусть вас не удивляет очень высокая стоимость хорошего цифрового скремблера.

Зато к несомненным достоинствам систем с цифровым шифрованием можно отнести высокую надежность закрытия информации, особенно при использовании стандартизированных на государственном уровне алгоритмов шифрования таких, как DES (США) и ГОСТ 28147-89 (Россия).

Алгоритм DES (Data Encryption Standard) стал результатом плодотворного сотрудничества трех организаций Национального бюро стандартов (NBS), Управления национальной безопасности (NSA) и фирмы IBM. Он стал одним из первых «открытых» шифроалгоритмов, схемы которого были опубликованы еще 17 марта 1975 года. Секретными для него являются только ключи, с помощью которых осуществляется кодирование и декодирование информации.

Другим преимуществом систем цифрового кодирования является возможность применения открытого распределения ключей: в такой аппа-

419

ратуре перед каждым сеансом связи передатчик и приемник автоматически обмениваются открытыми ключами, на основе которых вычисляется секретный сеансовый ключ. Использование этого метода снимает проблему изготовления и рассылки ключей, а также исключает утечку информации из-за недобросовестного хранения и обращения с ключевыми носителями. Недостатками устройств этого класса являются техническая сложность, неустойчивая работа в каналах с большим затуханием и низкая узнаваемость голоса абонента.

При ведении переговоров работа генератора псевдослучайной последовательности происходит по заданному алгоритму, причем начальная установка для каждого нового разговора вырабатывается и устанавливается в шифраторе заново сразу после ввода ключа, при этом в хорошем скремблере синхронизация осуществляется настолько быстро, что собеседники этого просто не замечают. Выпускаются также универсальные телефонные шифраторы, которые могут работать с различными видами линий связи. При этом степень закрытия остается одинаково высокой, а качество речи тем выше, чем шире полоса пропускания канала. Такая универсальность достигается с помощью модемов и дополнительных связных устройств (рис. 257).

Рис. 257. Схема организации закрытого канала связи

Сравнительная оценка аналогового и цифрового закрытия сигналов.

В табл. 33 приведена сравнительная характеристика двух принципов закрытия речевого сигнала (аналогового и цифрового). Преимущества цифрового метода шифрования над аналоговым хорошо видны из таблицы. Однако они достигаются за счет отказа в большей части случаев от стандартного телефонного канала или за счет применения сложной и очень дорогостоящей аппаратуры. Ясно, что когда интенсивность переговоров не-

420

высока, применение таких устройств может стать экономически неоправданным.

Таблица 33.

Характеристики	Вид преобразования
	Аналоговое	Цифровое
Наличие переговоров в линии связи	Есть отчетливые признаки	Нет никаких признаков, так как при отсутствии переговоров в линию идет чистый шифр
Распределение амплитуды-сигнала	Есть ритм и громкость	Однородная двоичная последовательность
Остаточная разборчивость	Есть признаки начала слова и фразы, паузы	Постоянный однородный шум
Кратковременный спектр сигнала	Спектральные характеристики неоднородны	Однородный

Основной характеристикой цифровых шифраторов является применение того или иного криптографического алгоритма. При этом надежность алгоритма считается высокой, если число ключевых комбинаций более 10^25. Следует помнить, что длина ключа у таких устройств порядка 30 цифр, что крайне затрудняет его ввод с клавиатуры. Следовательно, при приобретении оборудования необходимо обращать внимание на то, в какой форме выполнен ключевой носитель, насколько он надежен и прост в обращении. Если вы, например, купили более дешевый прибор с ручным вводом ключа, то при необходимости срочно позвонить, набирая номер, не давайте волю эмоциям - «нервные клетки не восстанавливаются».