Защита речевой информации в телефонных линиях связи

Посредством дискретного кодирования речи с последующим шифрованием всегда достигалась высокая степень закрытия, но в прошлом этот метод не находил широкого распространения в повсеместно имеющихся узкополосных каналах связи из-за низкого качества восстановления передаваемой речи.

Последние достижения в развитии низкоскоростных дискретных кодеров позволили значительно улучшить качество речи без снижения надежности закрытия.

Говоря об уровне, или степени, секретности систем закрытия речи, следует отме¬тин, что эти понятия весьма условные. К настоящему времени не выработано на этот счет четких стандартов или правил. Однако в ряде источников основные уровни защиты определяют как тактический и стратегический, что в некотором смысле пересекается с понятиями практической и теоретической стойкости криптографичес¬ких систем закрытия данных:

- тактический, или низкий, уровень используется для защиты информации от подслушивания посторонними лицами на период времени, измеряемый минутами или дня¬ми. Существует большое количество простых методов, способных обеспечить такой уро¬вень защиты при приемлемой стоимости;

- стратегический, или высокий, уровень защиты информации от перехвата исполь¬зуется в ситуациях, подразумевающих, что высоко квалифицированному, технически хо¬рошо оснащенному специалисту потребуется для дешифрования перехваченного сооб¬щения период времени от нескольких месяцев до многих и многих лет.

Часто используется и понятие средней степени защиты, занимающее промежуточное положение между тактическим и стратегическим уровнем закрытия.

Можно составить диаграмму (рис.2), показывающую связь между различными методами закрытия речевых сигналов, степенью секретности и каче¬ством восстановленной речи. Понятие "качество речи", используемое на диаграмме, весьма условно. Под ним, как правило, понимают узнаваемость абонента и разборчивость при¬нимаемого речевого сигнала.

Аналоговое скремблирование

Наибольшая часть аппаратуры засекречивания речевых сигналов использует в на¬стоящее время метод аналогового скремблирования, поскольку, во-первых, это дешевле, во-вторых, эта аппаратура применяется в большинстве случаев в стандартных телефонных каналах с полосой 3 кГц, в-третьих, обеспечивается коммерческое качество дешифрованной речи и, в-четвертых, гарантируется достаточно высокая стойкость зак¬рытия,

Аналоговые скремблеры преобразуют исходный речевой сигнал посредством изме¬нения его амплитудных, частотных и временных параметров в различных комбинациях. Скремблированный сигнал может затем быть передан по каналу связи в той же полосе частот, как и исходный, открытый. В аппаратах такого типа используется один или не¬сколько принципов аналогового скремблирования из числа перечисленных ниже:

1) скремблирование в частотной области: частотная инверсия (преобразование спек¬тра сигнала с помощью гетеродина и фильтра), частотная инверсия и смещение (частот¬ная инверсия с меняющимся скачкообразно смещением несущей частоты), разделение полосы частот речевого сигнала на ряд поддиапазонов с последующей их перестановкой и инверсией;

2) скремблирование во временной области (разбиение блоков или частей речи на сегменты с перемешиванием их во времени с последующим прямым и/или реверсив¬ным считыванием);

3) комбинация временного и частотного скремблирования.

Как правило, все перестановки каким-либо образом выделенных сегментов или уча¬стков речи во временной и/или в частотной областях осуществляются по закону псев¬дослучайной последовательности, вырабатываемой шифратором по ключу, меняющему¬ся от одного речевого сообщения к другому.

На стороне приемника выполняется дешифрование цифровых кодов, полученных из канала связи, и преобразование в аналоговую форму. Системы, работа которых ос¬нована на таком методе, являются достаточно сложными, поскольку для обеспечения высокого качества передаваемой речи требуется высокая частота дискретизации входно¬го аналогового сигнала и соответственно высокая скорость передачи данных но каналу связи. Каналы связи, которые обеспечивают скорость передачи данных только 2400 бод, называются узкополосными, в то время, как другие, обеспечивающие скорость переда¬чи свыше 2400 бод, относятся к широкополосным. По этому же принципу можно разде¬лять и устройства дискретизации речи с последующим шифрованием.

Несмотря на всю свою сложность, аппаратура данного типа представлена на коммер¬ческом рынке рядом моделей, большинство из которых передает данные по каналу связи со скоростями модуляции от 2.4 до 19.2 кбит/с, обеспечивая при этом несколько худшее качество воспроизведения речи по сравнению с обычным телефоном. Основным же преимуществом таких цифровых систем кодирования и шифрования остается высокая сте¬пень закрытия речи, получаемая посредством использования широкого набора криптографических методов, применяемых для защиты передачи данных по каналам связи.

Методы речевого скремблирования впервые появились во время второй мировой воины. Среди последних достижений в этой области следует отметить широкое исполь¬зование интегральных схем, микропроцессоров и процессоров цифровой обработки сиг¬налов (ЦПОС). Все это обеспечило высокую надежность устройств закрытия речи с умень¬шением их размера и стоимости.

Аналоговым скремблерам удалось избежать многих трудностей, связанных с пере¬дачей речевого сигнала и/или его параметров, присущих цифровым системам закрытия речи, и в тоже время достичь определенного уровня развития, обеспечивающего сред¬нюю и даже высокую степень защиты речевых сообщений. Поскольку скремблированные речевые сигналы в аналоговой форме лежат в той же полосе частот, что и исходные открытые, это означает, что их можно передавать по обычным коммерческим каналам связи, используемым для передачи речи, без затребования какого-либо специального оборудования, такого, как, например, модемы. Поэтому устройства речевого скремблирования не так дороги и значительно менее сложны, чем устройства дискретизации с последующим цифровым шифрованием.

Аналоговые скремблеры, по их режиму работы, можно разбить на два следующих класса:

1) статические системы, схема кодирования которых остается неизменной в течение всей передачи речевого сообщения;

2) динамические системы, постоянно генерирующие кодовые подстановки в ходе передачи (код может быть изменен в процессе передачи несколько раз в течение каждой секунды).

Очевидно, что динамические системы обеспечивают более высокую степень защиты, поскольку резко ограничивают возможность легкого прослушивания переговоров посто¬ронними лицами.

Процесс аналогового скремблирования представляет собой сложное преобразование речевого сигнала с его последующим восстановлением (с сохранением разборчивости речи) после прохождения преобразованного сигнала по узкополосному каналу связи, подвер¬женному воздействию шумов.

Возможно преобразование речевого сигнала по трем параметрам: амплитуде, часто¬те и времени. Считается, что использовать амплитуду нецелесообразно, так как изменя¬ющиеся во времени затухание канала и отношение сигнал/шум делают чрезвычайно сложным точное восстановление амплитуды переданного сигнала. Практическое приме¬нение получило только частотное и временное скремблирование и их комбинации. Как вторичные ступени скремблирования в этих системах могут использоваться ограничен¬ные виды амплитудного скремблирования.

Как уже отмечалось выше, существует два основных вида частотных скремблеров инверсный и полосовой. Оба основаны на преобразованиях спектра исходного речевого сигнала для скрытия передаваемой информации и восстановлении полученного речевого сообщения путем обратных преобразований.

Инверсный скремблер осуществляет преобразование речевого спектра, равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг некоторой средней точки (рис.3). При этом достигается эффект преобразования низких частот в высокие частоты, и наоборот.

Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия, так как при перехвате легко устанавливается величина частоты, соответствующая средней точке инверсии в полосе спектра речевого сигнала.

Некоторое повышение уровня закрытия обеспечивает полосно-сдвиговый инвертор, осуществляющий разделение полосы на две субполосы, при этом точка разбиения выс¬тупает в роли некоторого ключа системы. В дальнейшем каждая субполоса инвертируется вокруг своей средней частоты. Этот вид скремблирования, однако, также слишком прост для вскрытия при перехвате и не обеспечивает надежного закрытия. Повысить уровень закрытия можно путем изменения по некоторому закону частоты, соответствующей точке разбиения полосы речевого сигнала (ключа системы).

Речевой спектр можно также разделить на несколько частотных полос равной шири¬ны и произвести их перемешивание и инверсию по некоторому правилу (ключ систе¬мы). Так функционирует полосовой скремблер (рис.4).

Изменение ключа системы позволяет повысить степень закрытия, но требует введе¬ния синхронизации на приемной стороне системы. Основная часть энергии речевого сиг¬нала сосредоточена в небольшой области низкочастотного спектра, поэтому выбор вари¬антов перемешивания ограничен, и многие из систем характеризуются относительно высокой остаточной разборчивостью.

Существенное повышение степени закрытия речи может быть достигнуто путем реа¬лизации в полосовом скремблере быстрого преобразования Фурье (БПФ). При этом количество допустимых перемешиваний частотных полос значительно увеличивается, что обеспечивает высокую степень закрытия без ухудшения качества речи. Можно дополни¬тельно повысить степень закрытия путем осуществления задержек различных