Анализ методов скрытия информации в радиосетях связи

Московский Авиационный Институт

(национальный исследовательский университет)

«МАИ»

 

 

Кафедра «Информатики и  информационных технологий»

 

   Специальность: 090104

«Комплексная защита объектов информатизации»

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине: «Теория информационной безопасности и методология защиты информации»

 

 

 

Тема: «Анализ методов скрытия информации в радиосетях связи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент

 

Группа:

Проверил:

Оценка ______      ____________________________

   (дата, подпись преподавателя)

 

 

 

 

Серпухов 2012

 

Московский Авиационный Институт

(национальный исследовательский университет)

«МАИ»

 

 

Кафедра «Информатики и  информационных технологий»

 

   Специальность: 090104

«Комплексная защита объектов информатизации»

 

 

 

Задание на курсовую работу

 

по дисциплине: «Теория информационной безопасности и методология защиты информации»

 

 

 

Тема: «Анализ методов скрытия информации в радиосетях связи»

 

 

 

Особые требования (специальные вопросы, объем, форма  представления):

 

 

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

 

 

 

студент Ходаков В. В.

 

Группа: № 931

Руководитель: Красоткин Ю. И.

Задание получил:____________________________

      (дата, подпись студента)

 

 

Реферат

Отчет объемом 26 с., 2 рисунка, 3 таблицы, 9 использованных источников.

Ключевые слова: алгоритм, RSA, DES, ГОСТ 28147-89, ГОСТ, достоинства, недостатки, сравнение.

Цель работы — изучение и сравнительный анализ основных стандартов шифрования информации RSA, DES, ГОСТ 28147-89.

В процессе работы были изучены  основные стандарты шифрования информации. Также был проведен сравнительный анализ этих стандартов и был выбран наилучший для практического применения алгоритм шифрования. Кроме того были даны рекомендации к использованию алгоритмов на практике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...3

1. Скрытие информации методом скремблирования……………………….….4-12

1. Классификация……………………………………………………………..4-5
2. Основные характеристики…………………………………………...……5-7
3. Частотные преобразования………………………………………………..7-8
4. Временные преобразования……………………………………………….8-9
5. Роллинговые скремблеры…………………………………...……………9-10

     1.6. Сравнение………….…………………………………………………….10-12

2. Скрытие информации методом криптографических преобразований……12-21

2.1 Блочное кодирование………………………………………………...….12-15

2.2 Свёрточное кодирование……………………………………….……….15-16

2.3 Кодирование материнским кодом……………………...………………16-17

     2.4. Перфорирование материнского кода……………………..……………17-18

     2.5 Перемежение……………………………………………….………………..18

     2.6 Блочное перемежение………………………………………………………19

     2.7 Перемежение по N блокам……………………………………….……..19-21

     2.8 Сравнение………………………………………………………..…………..21

Заключение…………………………………………………………...……………..22

Список используемых источников……………………..…………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Каждый, кто пользуется какими-либо средствами связи, хочет ограничить возможности доступа посторонних людей к передаваемой информации. Надежная защита информации может быть обеспечена в системах цифровой радиосвязи, где применимы методы криптографии. Криптографические алгоритмы используются в ряде получивших широкое распространение цифровых стандартов сотовой связи, обеспечивая достаточно высокую степень защиты информации от несанкционированного доступа.

В отечественных системах радиосвязи цифровые технологии пока еще не нашли  столь широкого применения. По сравнению с аналоговыми радиостанциями стоимость цифровых радиосредств заметно выше. Подавляющее большинство российских пользователей используют парк аналоговых станций.

Тем не менее, желание ограничить доступ к своей информации от этого не становится меньше. Как правило, большинству пользователей не требуется гарантированная защита информации, достаточно обеспечить неразборчивость передаваемой информации при прослушивании ее посторонними с помощью обычных аналоговых радиостанций или сканирующих приемников. Оптимальным решением этой задачи является использование аналоговых скремблеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Скрытие информации методом скремблирования

1.1 Классификация

Под аналоговым скремблированием подразумевается преобразование исходного речевого сигнала с целью минимизации признаков речевого сообщения, в результате которого этот сигнал становится неразборчивым и неузнаваемым. При этом он занимает такую же полосу частот спектра, как и исходный сигнал. Необходимым свойством такого преобразования является возможность обратного преобразования для восстановления речевого сигнала на приемной стороне.

Технические средства, обеспечивающие защиту информации аналоговыми методами, называются скремблерами. Иногда их называют также маскираторами речи. Как правило, в сигнале, закрытом с помощью аналогового скремблера, все-таки сохраняются отдельные признаки открытого речевого сообщения.

В целом, аналоговые методы защиты информации обеспечивают меньшую  степень закрытия речевых сигналов по сравнению с цифровыми, однако при практической реализации они, как правило, более просты, дешевы, а также характеризуются достаточно высоким качеством восстановленного речевого сигнала.

При скремблировании  возможно преобразование речевого сигнала  по трем параметрам: амплитуде, частоте и времени. Однако в системах подвижной радиосвязи практическое применение нашли в основном частотные и временные преобразования сигнала, а также их комбинации. Возможные помехи в радиоканале существенно затрудняют точное восстановление амплитуды речевого сигнала, в связи с чем амплитудные преобразования при скремблировании практически не применяются.

При частотных преобразованиях сигнала в средствах подвижной радиосвязи чаще всего используются следующие виды скремблирования:

• частотная инверсия сигнала (преобразование спектра сигнала с помощью гетеродина и фильтра);
• разбиение полосы частот речевого сигнала на несколько поддиапазонов и частотная инверсия спектра в каждом относительно средней частоты поддиапазона;
• разбиение полосы частоты речевого сигнала на несколько поддиапазонов и их частотные перестановки.

При временных преобразованиях производится разбиение сигнала на речевые сегменты и их перестановки во времени. При этом, в основном, используются два способа закрытия:

• инверсия по времени сегментов речи;
• временные перестановки сегментов речевого сигнала.

Комбинированные методы преобразования сигнала предполагают использование одновременно нескольких различных способов скремблирования (как частотных, так и временных), число которых ограничивается, как правило, возможностями технической реализации аналоговых скремблеров.

1.2 Основные характеристики

Основными техническими характеристиками аналоговых скремблеров  являются уровень закрытия информации, остаточная разборчивость и качество восстановления сигнала.

Наиболее важной характеристикой  скремблера для пользователя, желающего  обеспечить защиту информации в своих  каналах связи, является уровень закрытия информации. Следует отметить, что, если для сложных цифровых систем передачи речи и данных понятие уровня закрытия строго регламентируется и определяется криптографической стойкостью информации, то для аналоговых скремблеров (особенно в системах подвижной радиосвязи) данное понятие носит условный характер, так как к настоящему времени на этот счет не выработано четких стандартов или правил.

В ряде случаев в качестве критериев уровня закрытия информации при сравнении различных средств  подвижной радиосвязи с аналоговым скремблированием можно использовать количество ключевых параметров и количество возможных ключей скремблера.

Под ключевым параметром аналогового скремблера обычно понимают какой-либо параметр преобразования речевого сигнала, значение которого необходимо знать для осуществления обратного преобразования сигнала на приемной стороне.

Ключом аналогового скремблера (по аналогии с цифровыми системами шифрования), как правило, называют конкретное секретное состояние некоторых параметров преобразования речевого сигнала. Количество ключей скремблера определяется множеством всевозможных значений ключа. Для скремблеров с одним ключевым параметром оно определяется числом возможных состояний этого параметра, для скремблеров с несколькими ключевыми параметрами - количеством возможных комбинаций значений этих параметров (как правило, произведением чисел состояний всех ключевых параметров).

Качество восстановления сигнала определяется искажениями сигнала при его частотных или временных преобразованиях. Фактически, эта характеристика отражает разборчивость и узнаваемость восстановленной речи. Приемлемым или коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи считается такое, когда слушатель без усилий может определить голос говорящего и смысл произносимого сообщения.

Наилучшим качеством  восстановления сигнала обладают частотные  инверторы, которые практически не ухудшают разборчивость и узнаваемость речи при правильной реализации. Более сложные методы частотных преобразований могут вносить некоторые искажения в речевой сигнал. Реализация высокого качества восстановления речи при временных преобразованиях требует достаточно сложной обработки.

Под остаточной разборчивостью понимают процент восстановленных фрагментов скремблированного речевого сигнала при прослушивании переговоров с помощью обычных УКВ-приемников или радиостанций, не оснащенных аналогичным скремблером.

Следует отметить, что  подавляющее большинство известных  аналоговых речевых скремблеров 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.

1.3 Частотные преобразования

При частотной инверсии преобразование спектра речевого сигнала эквивалентно повороту частотной полосы сигнала вокруг некоторой средней частоты (F_и). Принцип данного преобразования сигнала показан на рисунке 1: а) - исходный спектр сигнала, б) - спектр сигнала после инверсии.

Рисунок 1 — Принцип работы частотного инвертора речевого сигнала.

Несколько более сложный по сравнению  с частотной инверсией способ преобразования сигнала обеспечивает скремблер с разбиением полосы речевого сигнала на поддиапазоны с частотной инверсией сигнала в каждом поддиапазоне (полосно-сдвиговый инвертор). Обычно используется разбиение полосы на 2 поддиапазона. Принцип такого частотного преобразования для 2-х поддиапазонов показан на рисунке 2, где а) - исходный спектр сигнала; б) - спектр сигнала после преобразования, F_р - частота разбиения спектра сигнала; F_и1, F_и2 - частоты инверсии 1-го и 2-го поддиапазонов.

Рисунок 2 — Принцип работы полосно-сдвигового инвертора речевого сигнала при разбиении спектра сигнала на 2 поддиапазона.

Полосовые скремблеры используют способ разбиения полосы речевого сигнала на несколько поддиапазонов с частотными перестановками этих поддиапазонов. Принцип работы полосового скремблера с разбиением спектра сигнала на 4 полосы показан на рисунке 3.

Рисунок 3 — Принцип работы 4-х полосового скремблера.

Полосовой скремблер  может быть реализован на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). В таком  скремблере на передающей стороне производится прямое БПФ, частотная перестановка полос, а затем - обратное БПФ. На приемной стороне осуществляются аналогичные преобразования с обратной частотной перестановкой полос. В скремблерах с БПФ возможно достичь высокой степени защиты информации за счет увеличения количества перемешиваемых полос, однако на практике этот метод скремблирования в подвижной радиосвязи применяется редко в связи со сложностями технической реализации. Кроме этого, скремблеры с БПФ вносят в канал связи временную задержку.

1.4 Временные преобразования

Простейшим видом временного преобразования является временная инверсия, при которой исходный сигнал делится на последовательность временных сегментов и каждый из них передается инверсно во времени - с конца к началу. Принцип работы временного инвертора показан на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принцип работы временного инвертора.

В скремблере с временными перестановками речевой сигнал делится на временные кадры, каждый из которых в свою очередь подразделяется на сегменты, а затем сегменты речевого сигнала подвергаются перестановке. Принцип работы такого скремблера с фиксированным окном и числом временных сегментов в кадре, равном 6, показан на рисунке 5.

Рисунок 5 — Принцип работы скремблера с временными перестановками.

1.5 Роллинговые скремблеры

Все рассмотренные выше скремблеры предполагают фиксированные  параметры преобразования сигнала (фиксированные ключи) в течение передачи речевого сообщения и поэтому называются статическими.

Дополнительное повышение уровня закрытия информации может быть обеспечено изменением параметров преобразования сигнала во времени. Такие скремблеры называются динамическими, а в современной практике их принято обозначать термином роллинговые скремблеры (от англ. rolling).

Динамические скремблеры, как правило, существенно дороже скремблеров  с фиксированными параметрами преобразования сигнала, сильнее влияют на характеристики радиосредств и требуют начальной синхронизации. Однако их применение действительно затрудняет возможности перехвата переговоров, в особенности в реальном масштабе времени.

Это объясняется тем, что изменение  ключевых параметров во времени теоретически делает возможным резкое увеличение количества ключей, под которыми для роллинговых скремблеров обычно понимают некоторое значение, определяющее порядок изменения параметров преобразования сигнала. Например, ключом может быть начальное значение генератора псевдослучайной последовательности, в соответствии с которой меняется определенный ключевой параметр.

Временные преобразования сигнала  в сочетании с изменением ключевых параметров во времени достаточно сложны для реализации и требуют относительно длительной синхронизации, поэтому они пока не нашли свое применение в роллинговых скремблерах. Для способов частотного преобразования сигнала изменяемыми ключевыми параметрами могут быть частота инверсии (для частотного инвертора), частота разбиения полосы сигнала (для полосно-сдвигового инвертора), комбинация частотной перестановки поддиапазонов сигнала (для полосового скремблера). Большинство известных моделей роллинговых скремблеров используют наиболее простой принцип спектрального преобразования - частотный инвертор с изменением частоты инверсии сигнала во времени.

Различие скремблеров состоит  в числе частот инверсии, скорости их изменения и количестве ключей, определяющих длительность перебора возможных  комбинаций изменяемых параметров без  их повторения.

1.6 Сравнение

Обычно пользователя больше всего  интересует вопрос, какой скремблер  обеспечит наибольшую защиту информации. Следует сказать, что представленные аналоговые скремблеры не могут обеспечить гарантированную стойкость информации, поэтому их нельзя рассматривать как средства криптографической защиты информации (СКЗИ). Речь может идти только о затруднении прослушивания конкурентом или злоумышленником переговоров, ведущихся с помощью радиосредств, оснащенных скремблерами, в реальном масштабе времени. Как уже было сказано, некоторое представление о степени закрытия информации может дать количество ключевых параметров и количество ключей. Причем следует рассматривать эти параметры в совокупности, при равном количестве ключей преимущество имеют скремблеры с большим количеством ключевых параметров. Рассмотрим с этой точки зрения представленные виды скремблеров.

Для частотного инвертора единственным ключевым параметром является значение частоты инверсии сигнала. Размерность этого параметра, т. е. число возможных значений частот инверсии (число ключей) с ощутимыми искажениями, возникающими при прослушивании на соседней частоте, не превышает 20-30. Для перехвата переговоров, ведущихся с помощью радиосредств, оснащенных частотным инвертором, достаточно иметь аналогичную радиостанцию или сканирующий приемник с возможностью подбора частоты инверсии.

В полосно-сдвиговых инверторах в качестве основного ключевого параметра выступает частота разбиения полосы речевого сигнала F_р, размерность которой сопоставима с размерностью ключевого параметра частотного инвертора. Если частота разбиения является единственным ключевым параметром, то данный способ аналогового скремблирования обеспечивает закрытие речевой информации, сравнимое с частотной инверсией. В случае когда могут изменяться и частоты инверсии в каждой из полос, число ключей, соответственно и уровень закрытия информации, увеличиваются.

В полосовых скремблерах ключевыми параметрами системы является число частотных полос и кодовая комбинация их перестановки. Реально число полос не превышает 4-х, поэтому число возможных комбинаций – 24 (одна из них не является перестановкой).

Скремблеры с временными перестановками имеют несколько ключевых параметров: длительность сегмента речи, длительность временного отрезка и правило перестановки временных отрезков в сегменте. Различные сочетания значений этих параметров могут дать возможность реализации нескольких сотен ключей.

Роллинговые скремблеры предоставляют возможность использования в сети радиосвязи такого количества ключевых комбинаций, которое может измеряться миллионами или даже миллиардами. При этом уровень защиты определяется количеством градаций параметра сигнала, длиной ключа, т. е. числом возможных комбинаций параметра, скоростью изменения параметра.

Однако повышение степени  закрытия информации в гораздо большей  степени зависит от количества градаций ключевого параметра (например, количества частот инверсии сигнала), чем от длины  последовательности их перебора.

Следует отметить, что  при низкой скорости изменения частоты  инверсии (например, 1 раз в секунду) еще сохраняется возможность  понимания какой-то части передаваемой информации при ее прослушивании  с помощью радиостанции, оснащенной скремблером с фиксированной частотой инверсии. Однако при увеличении скорости до 5-10 раз в секунду возможность такого понимания резко снижается. Необходимость дальнейшего увеличения скорости смены параметра преобразования вызывает некоторые сомнения.

Перехват сообщений  в реальном масштабе времени в каналах связи, защищенных с помощью скремблеров с параметрами преобразования, изменяемыми во времени, возможен при применении специальных технических средств, позволяющих сначала определить ключевую последовательность (т. е. правила изменения параметров преобразования сигнала), а затем подстроиться под найденную ключевую последовательность. Вместе с тем, это оборудование должно быть значительно сложнее по сравнению со средствами перехвата переговоров абонентов, радиостанции которых оснащены скремблерами с фиксированными параметрами.

 

 

 

 

 

 

2. Скрытие информации методом криптографических преобразований

2.1 Блочное кодирование 

Блочный кодер обозначается (K2,K1), где K1 - число символов в блоке входной  последовательности, а K2 - число символов в блоке выходной последовательности. Отношение R=K1/K2 носит наименование скорости кодирования (coding rate) и характеризует меру избыточности, вносимую кодером.

В данном случае используется двоичный систематический кодер, т. е. кодер, у которого каждый символ входной и выходной последовательности соответствует одному биту, а в состав блока выходной информации полностью включается блок входной информации, который дополняется p-битовым кодом циклического контроля избыточности (CRC - Cyclic Redundancy Check). Таким образом, K1 битов типа 1 преобразуются в K2 бита типа 2, где K2=K1+p.

CRC-коды вычисляются по правилу:

 

F(X) = X^n-K1M(X) mod G(X),

где

M(X)=b₁(1)X^K1-1 + b₁(2)X^K1-2 + ... + b₁(K1-1)X^! + b₁(K1),

 

G(X) - формирующий полином,  различный для разных логических каналов;  
n-K1 - количество создаваемых битов четности.

Многочлен F(X) является многочленом  степени (n-K1-1) с коэффициентами f(0), f(1),.., f(n-K1-1), т. е.

 

F(X)=

 

Тогда K2 бит типа 2 имеют вид:

 

b₂(k) = b₁(k) при k = 1,2,.., K1  
b₂(k) = f(k-K1-1) при k = K1+1, K1+2,.., n.

 

Порождающий полином  для канала речевого трафика имеет  вид:

 

G(X) = 1 + X³ +X⁷,

 

для остальных каналов:

 

G(X) = 1 + X⁵ + X¹² + X¹⁶ .

Для одного из логических каналов - канала назначения доступа AACH - используется блочное кодирование на основе кода Рида-Маллера. Коды Рида-Маллера представляют собой класс линейных кодов с простым описанием и декодированием, осуществляемым методом простого голосования .

Порождающая матрица кода Рида-Маллера r-го порядка длиной 2^m определяется как совокупность блоков

 

G=

где G₀ - вектор размерности n=2^m, состоящий из одних единиц; G_p - (m х 2^m)- матрица, содержащая в качестве столбцов все двоичные m-последовательности; строки матрицы G_p получены из строк матрицы G₁ как все возможные произведения p строк из G₁.

При блочном кодировании канала AACH стандарта TETRA 14 бит входной информационной последовательности должно преобразовываться  в 30-разрядный выходной блок в соответствии с уравнением

 

[b₂(1), b₂(2),..,b₂(30)] = [b₁(1), b₁(2),..,b₁(14)] G,

 

где G - порождающая матрица, имеющая вид 

 

G = [I₁₄G_RM],

 

где I₁₄ - единичная матрица размером 14х14, а GRM - порождающая матрица кода Рида-Маллера размерностью 16х14.

Это означает, что при блочном  кодировании AACH первые 14 бит выходной последовательности соответствуют битам входного информационного блока, а последующие 16 бит образуются с помощью кода Рида-Маллера.

2.2 Свёрточное кодирование

Сверточное кодирование  обеспечивает преобразование K2 входных  бит типа 2, полученных в результате блочного кодирования, в K3 бит выходной последовательности, причем K3 > K2. Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких следующих друг за другом битов входной последовательности.

Сверточные кодеры обычно обозначаются как n, k, K, где n - количество бит в одном символе выходной последовательности, которые формируются за один такт работы кодера (соответствует числу сумматоров по модулю 2 в схеме кодера); k - количество бит в одном символе входной последовательности, поступающих на вход кодера за один такт; K - длина ограничения (constraint length), т. е. числовое значение, соответствующее длине сдвигового регистра, который участвует в формировании одного выходного символа. (Символы могут состоять из одного или нескольких бит.) При этом отношение R = k/n, как и в блочном кодере, называется скоростью кодирования.

Однако поскольку в данном случае непосредственно сверточное кодирование дополняется процедурой прореживания полученной информации,

изменяющей количество бит выходной последовательности, под  скоростью кодирования будем  понимать отношение суммарного количества бит входной последовательности к суммарному количеству бит выходной последовательности (K2/K3).

В связи с тем, что объемы блоков, а также требования по помехоустойчивости и скорости передачи информации в разных логических каналах отличны друг от друга, сверточные коды для этих логических каналов также различаются. Сверточное кодирование в данном случае состоит из двух процедур:

• кодирования "материнским" кодом с фиксированной скоростью (для канала речевых сообщений TCH/S она соответствует 1/3, для всех остальных каналов - 1/4);
• перфорирования (прореживания, выкалывания) полученной последовательности, т. е. пропуска некоторых кодированных символов с целью приведения структуры размещения бит в соответствие со структурой кадра. Изменение алгоритмов перфорирования позволяет обеспечить различную скорость сверточного кодирования для разных логических каналов.

2.3 Кодирование материнским кодом

При кодировании материнским кодом  используется сверточный кодер (n,1,5), где n - для канала трафика речи (TCH/S) равно 3, а для всех остальных каналов - 4.

Любой из порождающих многочленов  материнского кода может быть записан  в виде

 

 

где g_i,j = 0 или 1, j = 0,1,2,3,4.

Это означает, что закодированные биты определяются как

 

где сумма берется  по модулю 2, а b2(k-j)=0 при k≤j.

Порождающие многочлены материнского кода имеют вид:

• для канала трафика речи:  
  G₁(D) = 1 + D + D² + D² + D³ + D⁴  
  G₂(D) = 1 + D + D³ + D⁴  
  G₃(D) = 1 + D² + D⁴
• для остальных каналов:  
  G₁(D) = 1 + D + D⁴  
  G₂(D) = 1 + D² + D³ + D⁴  
  G₃(D) = 1 + D + D² + D⁴  
  G₄(D) = 1 + D + D³ + D⁴.

В качестве иллюстрации на рисунке 6 показана схема сверточного кодера для всех логических каналов, отличных от канала речевого трафика.

Рисунок 6 — Схема сверточного кодера логических каналов.

2.4 Перфорирование материнского кода

Перфорирование материнского кода производится путем отбора K3 битов  из nK2 битов V(k), полученных при сверточном кодировании. Отбор, т. е. определение битов выходной последовательности,