Аннотация. 
Разработка метода скремблирования речевых сигналов

В работе проанализированы наиболее распространенные типы скремблирования как речевых сигналов так и сигналов в целом. На основе полученных данных разработан новый метод скремблирования основан на изменении кодирующих битов с помощью чисел Фибоначчи.

Ключевые слова: скремблирование; аудио потоки.

Abstract

The work analyzes the most common types of scrambling speech signals as well as signals in general. Based on the data, a new method based on the change in scrambling coding bits using Fibonacci numbers.

Keywords: scrambling; audio streams.

УДК 004

Развитие криптографии в наше время, в основном, связано с широким использованием компьютерных сетей и в частности глобальной сети Интернет, по которой передают очень большие объемы информации военного, государственного, коммерческого и частного содержания, не допускает возможности доступа к ней посторонних лиц, а с другой, появление новых мощных вычислительных ресурсов сделала возможной дискредитации ряда криптографических систем. Несмотря на широчайшее внедрение автоматизированных и компьютеризированных систем обработки информации, человеческая речь остается одним из важнейших путей информационного взаимодействия. Более того, при децентрализации политической и экономической систем и соответствующем увеличении доли оперативной информации, непосредственно связывает самостоятельных в принятии решений людей, значимость речевого обмена возрастает. Информационная безопасность цифрового аудио сигнала стала очень актуальной темой исследований благодаря популярности Интернет-общения и разных цифровых прикладных библиотек которые нуждаются в защите права интеллектуальной собственности и поэтому увеличивается потребность в обеспечении конфиденциальности речевого обмена. 1].

Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы может быть шифрование или кодирование информации. Цифровые медиа шифруют данных перед распространением и только авторизованные пользователи, имеющие подходящий ключ для расшифровки, могут иметь доступ к понятному содержания. Для сокрытия аудио информации может использоваться скремблирование как вид шифрования. При скремблировании цифровые аудио сигналы представляются в виде случайной последовательности набора значений двоичной системы счисления, которая не позволяет узнать его настоящий смысл человеком или компьютерной системой.

Некоторые методы, которые скремблируют аудио сигнал или видеосигнал достаточно исследованными, известными и давно внедрены. Такие системы, однако, как правило, являются относительно дорогими и сложными. Много таких системы включают разбитие длинного звукового сигнала на несколько частотных поддиапазонов и только тогда их скремблируют. Этот подход является достаточно дорогим хотя и действительно обеспечивает достаточно высокий уровень защиты.

Актуальность проблемы защиты информации связана с большим ростом возможностей вычислительной техники в том числе и в целях преднамеренного взлома. Развитие методов, средств и форм автоматизации процессов обработки информации и массовое применение персональных компьютеров делают информацию очень уязвимой и доступной, особенно при ее передаче, и поэтому нет сомнений в необходимости серьезно заботиться об информационной безопасности. Для противодействия компьютерным преступлениям в сфере медиа или уменьшение ущерба от них, необходимо грамотно выбирать меры и средства обеспечения защиты информации от кражи и несанкционированного подслушивания.

Цель и задачи исследования

Целью исследований является повышение защиты передачи аудио сигналов на основании обоснования уровня защиты методов скремблирования и создание нового на основе кодов Фибоначчи, реализованного программным путем.

Данная работа представляет собой теоретический анализ и создание нового современного алгоритма скремблирования и обоснование уровня устойчивости алгоритма. Разработка алгоритмов скремблирования является одним из перспективных аспектов создания надежных алгоритмов кодирования информации в компьютерных сетях.

Для успешного достижения поставленной цели необходимо эффективно решить следующие взаимосвязанные задачи:

• 1) выбор, анализ и рационализация методов скремблирования для обоснования уровня устойчивости системы;
• 2) дальнейшее развитие алгоритма оценки уровня устойчивости систем шифрования на основе использования алгоритма генерирования псевдослучайной последовательности двоичных значений чисел Фибоначчи;
• 3) исследование и дальнейшее развитие методов генерирования псевдослучайной последовательности чисел создание средств их практической реализации;
• 5) формирование правил создания параметров кодируемого алгоритма;
• 6) исследования в компьютерных системах полученной оценки устойчивости разрабатываемого метода скремблирования.

Объект исследования — алгоритмы шифрования аудио сигналов на базе аппаратной и программной реализации.

Предмет исследования — анализ методов скремблирования, выявление их уязвимостей для предотвращения последних в разрабатываемом скремблере.

Методы исследования. Для проведения поставленных в данной работе исследований, используются результаты из таких областей знаний: компьютерные системы и сети и теория информации для обоснования уровня защиты речевой информации; при исследовании методов криптоанализа — кодирование на основе чисел Фибоначчи, скремблирования сигналов на основе аппаратных и программных реализаций. Научная новизна полученных результатов. Впервые разработан метод, который отличается от существующих учетом базы на которой разрабатывается и использованных подходов, позволяет повысить качество процесса скремблирования аудио сигналов.

Большой опыт применения систем защиты информации (ЗИ) показывает, что эффективной может быть только хорошая комплексная система защиты, которая может объединять следующие мероприятия: законодательные, морально-этические, физические, административные, технические, криптографические, программные. 2].

Выбор системы ЗИ всегда зависит от предполагаемого способа возможного нападения. Решение этой задачи зависит от формы представления информации (электромагнитный сигнал, аудио -, видео -, цифровая информация), а способ защиты — от предполагаемой формы воздействия на информацию, используемого носителя информации, состояния информационного носителя, от того, производится защита информации непрерывно или в мере выявления факта нападения.

Одним из наиболее уязвимых каналов утечки информации являются телефонные линии общего пользования и интернет соединения, с помощью которых осуществляется большое количество конфиденциальных и секретных переговоров. Современная аппаратура съема информации позволяет легко прослушивать эти каналы. Наиболее простой способ получения информации — непосредственное подключение к линии в любой точке от абонентского окончания (телефонного аппарата) до входа в АТС, включая распределительные щиты и шкафы и коммуникационные колодцы. При использовании аппаратуры съема высокого класса практически невозможно определить есть ли несанкционированное подключение к линии. В таком случае единственным способом защиты информации является превращение ее к такому виду, с которого злоумышленник не сможет понять ее содержание в течение какого-то определенного времени или не понять сообщение вообще. 3].

В системах речевой связи известны два основных метода закрытия речевых сигналов: дискретизации языка с последующим шифрованием и аналоговое скремблирования. Под скремблированием понимается изменение ключевых характеристик речевого сигнала таким образом, что полученный модулированный сигнал, имея свойства неузнаваемости и неразборчивости, занимает такую же полосу частот спектра, как и начальный что был открыт. Какой бы сложной ни была процедура скремблирования, наименьший элемент, с которым она оперирует, — это преобразованный фрагмент речевого сигнала, который нельзя сделать короче какого-то определенного интервала из-за интерференционных явлений при передаче в канале.

Основными свойствами скремблера являются:

• 1) низкая сложность реализации;
• 2) высокое качество восстановленной речи;
• 3) наличие остаточной информации в закрытом сигнале, которая может быть использована конкурирующей стороной.

Цифровые системы закрытия речи не передают какой-либо части первоначального речевого сигнала как ето делают аналоговые. Языковые компоненты кодируются в цифровой поток данных, который в дальнейшем смешивается с псевдослучайной последовательностью по одному из криптографических алгоритмов, полученное таким образом закрытое речевое сообщение передается с помощью модема в канал связи, на другом конце которого производятся обратные преобразования с целью получения открытого речевого сигнала. Такие системы называют кодерами — это процедуры, представляющие речевой сигнал моделью; параметры модели, изменяющихся во времени, шифруют как поток данных и передают с помощью модемов. 3].

Основными свойствами кодеров являются:

• 1) большая сложность реализации, как правило, на основе цифровых сигнальных процессоров (DSP);
• 2) качество восстановленной речи определяется скоростью передачи данных в канале и сложностью модели;
• 3) принципиальное отсутствие остаточной какой-либо информации в закрытом сигнале, любой алгоритм шифрования данных создает некоррелированный поток данных, исключает статистические зависимости между закрытым и открытым представлениями сигнала.

Криптографические алгоритмы делятся на два класса: асимметричные (двух ключевые) и симметричные (одно ключевые).

К алгоритмам первого классу относятся все методы шифрования (перестановка, подстановка, сдерживания) с использованием одного ключа, который хранится в тайне и передается по защищенным каналам связи. Среди стандартных алгоритмов наиболее известны: стандарт шифрования данных (DES), ГОСТ 28 147–89.

Наиболее распространенной системой шифрования с открытым ключом является система RSA, криптостойкость этого алгоритма основана на тяжести решение задач разложения больших чисел на простые сомножители. Все эти алгоритмы обеспечивают очень высокое качество шифрования, но ни один из них не подходит для шифрования речевых сигналов так как это вызовет большую задержку при передаче данных в связи с длительностью обработки входных сигналов.

Основными характеристиками любой криптосистемы является ее максимальная безопасность и производительность. Так, система RSA работает примерно в тысячи раз медленнее чем скремблирование и требует, чтобы ключи были очень долгие. Хотя очевидно, что использование систем с открытым ключом может быть ограничено задачей обмена ключами с последующим их применением в классической криптографии, то есть использование так называемых гибридных систем. 3].

В скремблере алгоритм защиты не является изолированным, а заложенный в сам алгоритм преобразования речевого сигнала. Шифрование здесь заключается в формировании генератором псевдослучайной последовательности битов, определяющих значения индексов в алгоритме преобразования речевого сигнала.

В вокодерах и кодерах, в отличие от шифрования данных (текста), шифрование параметрической информации, содержащей непредсказуемые компоненты, является очень специфической задачей. По мнению многих специалистов, операции гаммирования с обратной связью и замены не являются необходимыми для шифрования параметрической информации. Предполагается, что единственной операцией должно быть получение без обратной связи цифрового потока параметрической информации. При получении цифрового потока выполняется операция сложения по модулю 2 поразрядно, то есть каждый бит последовательности гаммы состоит из соответствующих битом последовательности данных.

Алгоритм генерации кодирующих битов должен удовлетворять ряду условий для «хорошего» генератора случайных чисел (бит). Длина цикла генератора должна быть такой, чтобы исключить повторение последовательности на некотором достаточно большом интервале времени при условии непрерывной работы генератора. При построении генератора применяются алгоритмы формирования m — последовательностей (в простых реализациях), линейных конгруэнтных последовательностей или комбинированные алгоритмы с двумя разнородными генераторами, один из которых формирует псевдослучайные коды, а другой выполняет их перестановки или же возможны другие, менее употребляемые, варианты.

Скремблирование обеспечивает преобразование выходного двоичного сигнала в сигнал, по своим свойствам близок к случайному с одинаковым шансом появления символов «0» и «1» и отсутствием корреляционных связей между ними. В результате вероятность образования последовательности из нулей равна Рk = 0,5^k. Например, вероятность появления последовательностей с 5, 10, 15, 20 нулей равна соответственно 3*10^-2; 9*10^-4;3*10^-5 ;9*10^-7. [4]. Таким образом, скремблирования уменьшает вероятность появления длинных последовательностей нулей и это увеличивает зашумленность исходящего сигнала.

Скремблирование осуществляется путем поразрядного суммирования по mod2(?) информационной последовательности символов Х вх (t) с псевдослучайной последовательностью (ПСП) Y (t), который формируется генератором ПВП который в нашем случае будет работать на основе чисел Фибоначчи. В результате суммирования по mod2 формируется скремблируемый цифровой сигнал Z (t) = Х вх (t)? Y (t).

На приемной стороне скремблирования сигнала осуществляется путем повторного добавления по mod2 принятые сигналы Z с ПВП, то есть при отсутствии препятствий Х вх (t) = Z (t)? Y (t) = Х вх (t)? Y (t)? Y (t) = Х вх (t), то есть выходной сигнал в результате скремблирования восстанавливается .

Структурная схема описания работы скремблера-дескремблера приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Структурная схема скремблера-дескремблера.

Синхронизация генераторов ПСП на передающей и приемной сторонах осуществляется управляющими сигналами от генераторного оборудования ЦСП.

Развитие криптографии в наше время связан с использованием компьютерных сетей, в частности глобальной сети Интернет, по которой передают большие объемы информации военного, государственного, коммерческого и частного содержания, не допускает возможности доступа к ней посторонних лиц, а с другой, появление новых мощных вычислительных средств сделала возможной дискредитации ряда криптографических систем.

алгоритм шифрования кодер скремблирование.