Устройства защиты информации для средств УКВ радиосвязи. Скремблеры.

Устройства защиты информации для средств УКВ радиосвязи.

Овчинников А.М., Лазин А.С.

Источник: журнал «Специальная Техника»

В статье рассмотрены устройства защиты информации — скремблеры, которые могут использоваться в средствах УКВ радиосвязи.

Описаны возможные принципы их реализации и основные параметры.

Рассмотрены конкретные модели скремблеров и приведены их технические характеристики.

Многие службы безопасности и различные охранные структуры в своей работе используют средства УКВ радиосвязи для организации диспетчерской связи между сотрудниками при охране объектов, сопровождении транспортных средств, проведении каких-либо мероприятий и т.д.

При этом часто возникает потребность обеспечить защиту информации, передаваемой в локальных сетях радиосвязи.

Существуют два основных метода закрытия речевых сигналов: аналоговое скремблирование и дискретизация речи с последующим шифрованием.

Cкремблеры

Аналоговые скремблеры преобразуют исходный речевой сигнал (без перевода его в цифровую форму) таким образом, чтобы при прослушивании канала с помощью радиостанции, не оснащенной подобным устройством, были созданы существенные затруднения для разборчивости передаваемой информации.

При этом при скремблировании преобразованный речевой сигнал, обладая свойствами неразборчивости и неузнаваемости, занимает такую же полосу частот спектра, как и исходный сигнал.

В цифровых устройствах защиты информации (УЗИ) речевые компоненты преобразуются в цифровой поток данных и смешиваются с некоторой псевдослучайной последовательностью, вырабатываемой ключевым генератором.

Полученное таким образом закрытое речевое сообщение передается в канал связи, на приемном конце которого производятся обратные преобразования с целью получения открытого речевого сигнала.

Основными техническими характеристиками скремблеров, которые необходимо оценивать при выборе конкретного типа устройства защиты информации, являются уровень закрытия информации, остаточная разборчивость, качество восстановления сигнала, влияние на параметры радиостанций, уровень технического исполнения (габариты, потребление, возможность установки в различные типы станций и т.п.).

Наиболее важной характеристикой скремблера для пользователя, желающего обеспечить защиту информации в своих каналах связи, является уровень закрытия информации.

Следует отметить, что данное понятие носит условный характер, т.к. к настоящему времени на этот счет не выработано четких стандартов или правил.

Вместе с тем, условно можно разделить все УЗИ на средства защиты информации от непреднамеренного перехвата (т.е. от прослушивания лицами, не использующими специальные средства перехвата чужих переговоров) и средства защиты информации от несанкционированного доступа (т.е. от прослушивания возможными конкурентами, целью которых является именно перехват чужих переговоров, и оснащенных для этого специальными техническими средствами).

Естественно, что средства защиты информации от несанкционированного доступа, в свою очередь, можно разделить на несколько уровней, обеспечивающих различный уровень закрытия переговоров в зависимости от степени оснащенности конкурента.

В литературе часто встречается классификация УЗИ по времени дешифрования информации после ее записи.

Однако такая классификация больше применима для сложных криптографических систем военного назначения, а не для сетей УКВ радиосвязи, где ценность передаваемой информации не так велика, и опасность представляет, как правило, только перехват переговоров в реальном масштабе времени.

Поэтому в качестве критерия уровня закрытия информации для средств УКВ радиосвязи более целесообразно использовать стоимость технических средств, обеспечивающих перехват сообщений в реальном масштабе времени.

Под остаточной разборчивостью понимают степень возможности восстановления речевого сообщения при прослушивании его с помощью технических средств, не оснащенных данным типом УЗИ.

В какой-то мере остаточная разборчивость является составной частью характеристики уровня закрытия информации, однако, остаточная разборчивость характеризует степень неразборчивости сообщений при их прослушивании без применения специальных средств, а уровень закрытия информации показывает защищенность переговоров и при преднамеренном перехвате с использованием специальной аппаратуры.

Количественно остаточная разборчивость может быть оценена процентом восстановленных фрагментов сообщения при прослушивании переговоров с помощью радиосредств, не оснащенных данным типом УЗИ.

(Часто требования к остаточной разборчивости задаются как максимально допустимый класс разборчивости речи по ГОСТ 16600-72.)

Естественно, что наибольшую степень защиты информации обеспечивают скремблеры с минимальной остаточной разборчивостью.

Следует, однако, отметить, что практически все известные аналоговые речевые скремблеры 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.

Качество восстановления сигнала является важнейшей эксплуатационной характеристикой скремблеров.

Оно определяется искажениями сигнала при его частотных или временных преобразованиях.

Может быть выражено разборчивостью (не путать с остаточной разборчивостью!) и узнаваемостью 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.

Точную количественную оценку разборчивости речи можно получить путем измерения процента правильно переданных тестовых сообщений при проведении длительных и трудоемких артикуляционных испытаний.

Влияние скремблеров на параметры радиостанций проявляется, прежде всего, в ухудшении их чувствительности за счет уменьшения соотношения сигнал/шум на входе приемника.

Кроме этого, при преобразованиях сигнала, связанных с изменением любых параметров преобразования во времени, требуется некоторый временной интервал для синхронизации таймерных устройств передающей и приемной стороны. Это заставляет оператора выдерживать паузу между нажатием тангенты “передача” на радиостанции и началом речи.

Как правило, уменьшение остаточной разборчивости сопровождается ухудшением, как качества восстановления сигнала, так и параметров радиостанций. Это объясняется тем, что, желая увеличить степень защиты информации, разработчики идут на различные ухищрения, приводящие к дополнительным искажениям либо спектра, либо временных параметров сигнала.

Для пользователей средств УКВ радиосвязи крайне важен уровень технического исполнения скремблеров.

Т.к. конструктивно скремблеры представляют собой малогабаритные микроэлектронные узлы, которые устанавливаются внутрь корпуса радиостанции, предпочтителен выбор аналоговых УЗИ с минимальными габаритами и энергопотреблением.

Естественно, что минимизация габаритов позволяет расширить применимость скремблеров, т.к. обеспечивается возможность их установки в большее количество радиосредств.

Большинство структур безопасности оснащено профессиональными средствами УКВ радиосвязи зарубежных фирм таких, как Motorola, Kenwood, Yaesu, Standard, Alinco, Icom и др., использующими аналоговые виды модуляции сигнала (частотный или фазовый).

Для подобного рода радиосредств в подавляющем большинстве в качестве устройств защиты информации применяются аналоговые речевые скремблеры.

Преобразования сигнала в аналоговых скремблерах осуществляются в спектральной либо во временной области.

Для малогабаритных скремблеров, применяемых в УКВ радиостанциях, чаще всего используются следующие виды преобразования сигнала:

— частотная инверсия сигнала;

— разбиение полосы частот речевого сигнала на несколько поддиапазонов (обычно на два) и частотная инверсия спектра в каждом относительно средней частоты поддиапазона;

— разбиение полосы частоты речевого сигнала на несколько поддиапазонов (как правило, на четыре) и их частотные перестановки;

— разбиение сигнала на речевые сегменты и их перестановки во времени.

По режиму работы аналоговые УЗИ могут представлять собой как статические системы, параметры преобразования сигнала, в которых остаются неизменными в течение всей передачи речевого сообщения, так и динамические системы, в которых параметры преобразования изменяются во времени (например, изменение частоты разбиения полосы речевого сигнала с определенной периодичностью).

Частотная инверсия является простейшим видом аналогового скремблирования.

В таком скремблере (частотном инверторе) осуществляется преобразование речевого спектра, равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг некоторой средней точки, выступающей в качестве некоторого ключа системы.

При этом достигается эффект преобразования низких частот в высокие, и наоборот. Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия информации, т.к. при перехвате легко устанавливается величина частоты, соответствующая средней точке инверсии в полосе спектра речевого сигнала.

Практически для перехвата переговоров, ведущихся с помощью радиосредств, оснащенных частотным инвертором, достаточно иметь аналогичную радиостанцию с возможностью подбора частоты инверсии (500-1000$).

Кроме этого, следует отметить, достаточно высокую остаточную разборчивость скремблеров с частотной инверсией. Вместе с тем, частотные инверторы обладают максимальным качеством восстановления сигнала и практически не ухудшают разборчивость и узнаваемость речи.

Некоторое повышение уровня закрытия информации обеспечивает скремблер с разбиением полосы речевого сигнала на поддиапазоны с частотной инверсией сигнала в каждом поддиапазоне (полосно-сдвиговый инвертор).

При этом в качестве ключа системы выступает точка разбиения. Однако и такой способ аналогового скремблирования не обеспечивает надежного закрытия и обладает достаточно высокой остаточной разборчивостью.

Так же, как и в случае частотной инверсии, для перехвата переговоров достаточно иметь радиостанцию, оснащенную аналогичным скремблером, с возможностью подбора частоты разбиения сигнала.

Полосовые скремблеры, использующие способ разбиения полосы речевого сигнала на несколько поддиапазонов с частотными перестановками этих поддиапазонов обладают приблизительно теми же характеристиками по уровню закрытия информации и остаточной разборчивости, как и полосно-сдвиговые инверторы.

В данном случае ключом системы является кодовая комбинация перестановки частотных полос.

Дополнительное повышение уровня закрытия информации обеспечивается изменением параметров преобразования сигнала во времени (динамические скремблеры).

Для способов частотного преобразования сигнала такими 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).

При этом уровень защиты определяется количеством градаций параметра сигнала, длиной ключа, т.е. числом возможных комбинаций параметра, скоростью изменения параметра.

Теоретически для перехвата сообщений в реальном масштабе времени в каналах связи, защищенных с помощью скремблеров с параметрами преобразования, изменяемыми во времени, необходимо применение 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, практически для многих конкретных типов скремблеров с динамически меняющимися параметрами перехват переговоров может производиться более простыми методами.

Динамические скремблеры, как правило, существенно дороже скремблеров с фиксированными параметрами преобразования сигнала, сильнее влияют на характеристики радиосредств, требуют начальной синхронизации, что ограничивает их применение для некоторых приложений.

Наряду с частотными, в аналоговых скремблерах могут быть использованы временные преобразования сигнала.

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.

Показано, что для достижения неразборчивости медленной речи необходимо, чтобы длина сегмента составляла около 250 мс. Это означает, что задержка в канале связи будет составлять 500 мс, что может в ряде случаев быть неприемлемым.

Для повышения уровня закрытия прибегают к способу перестановки временных отрезков речевого сигнала в пределах фиксированного кадра.

Правило перестановок является ключом системы, изменением которого можно существенно повысить степень закрытия речи.

Остаточная разборчивость зависит от длительностей отрезков сигнала и кадра и с увеличением последнего уменьшается.

Уменьшение времени задержки может быть получено путем использования скремблера с перестановкой временных сегментов со скользящим окном.

В нем число комбинаций возможных перестановок ограничено таким образом, что задержка любого отрезка не превосходит установленного максимального значения.

Каждый отрезок исходного речевого сигнала как бы имеет временное окно, внутри которого он может занимать произвольное место при скремблировании.

Это окно скользит во времени по мере поступления в него каждого нового отрезка сигнала. Задержка при этом снижается до длительности окна.

Следует отметить, что существуют и другие более сложные виды аналогового скремблирования такие, как быстрое преобразование Фурье (БПФ), различные комбинации временного и частотного преобразования и т.д., однако они пока не нашли широкого применения в средствах УКВ радиосвязи, ввиду сложности их аппаратной реализации в приемлемых габаритах и с малым энергопотреблением.

УЗИ выпускаются как производителями средств УКВ радиосвязи для радиостанций собственного изготовления (Kenwood, Standard и др.), так и фирмами, специализирующиеся на производстве скремблеров для средств ближней УКВ радиосвязи.

На отечественном рынке УЗИ последние представлены такими фирмами, как Transcrypt, Selectone, Midian и др.

Кроме этого, известны и отечественные средства защиты информации, предназначенные для совместной работы с импортными радиостанциями.

Представим основные наиболее известные модели.

Наибольшее количество известных моделей скремблеров реализуют частотную инверсию сигнала. Все они имеют близкие параметры.

Одними из первых на отечественном рынке появились модели скремблеров фирмы Selectone, такие как SТ-20 и более поздняя модель ST-022.

ST-20 работает в диапазоне частот 300-2400 Гц и обеспечивает инверсию сигнала относительно 8 возможных номиналов частот в диапазоне от 2,6 до 3,7 КГц (частота инверсии устанавливается программно).

Диапазон напряжения питания — от 5,2 до 18В, ток потребления — менее 4 мА.

Диапазон рабочих температур — от минус 30 до +70 С.

Габаритные размеры – 20.96х38.20х3. 81 мм.

Модель ST-022 отличается от ST-20 расширенным диапазоном частот (до 3000 Гц) и напряжения питания (до 24 В), а также несколько уменьшенными размерами (20х25х4 мм).

Стоимость скремблеров фирмы Selectone — в пределах $40-60 (2010 год).

Простейшие модели скремблеров фирмы Transcrypt SC20-400 и SC20-401 обладают характеристиками, аналогичными ST-20 и ST-022;

Речевой диапазон частот, 4 варианта частоты инверсии, напряжение питания — от 5 до 12В, ток потребления — 3 мА, диапазон рабочих температур — от минус 20 до +60 С, габаритные размеры — 39х21х4 мм.

Стоимость скремблеров — около $50 (2010 год).

Семейство частотных инверторов фирмы Midian предоставляет пользователю выбор конкретной модели для использования в составе своих радиосредств.

VPU-1 и VPU-8 — отличающиеся друг от друга габаритами скремблеры для использования в дуплексных радиостанциях (в зависимости от модификации имеют различные частоты инверсии);

VPU-2 (15 программируемых частот инверсии) и VPU-7 (одна фиксированная частота инверсии) — миниатюрные скремблеры, обеспечивающие только симплексный режим работы.

Стоимость скремблеров – от $ 35 до 70 (2010 год), их параметры представлены в таблице 1

Фирма Kenwood выпускает скремблер KVS-1 для использования совместно со своими радиостанциями. Его параметры также приведены в таблице 1.

Стоимость скремблера — $ 80 (2010 год).

Аналогичный скремблер марки РСК-32 выпускается российским НТЦ “ИНТЕР-ВОК”.

Таблица 1.

Более сложное преобразование сигнала предлагают полосно-сдвиговые инверторы, разработанные НТЦ “ИНТЕР-ВОК”.

Принцип работы микросборок 04ХК011 (“Сонет”), 04ХК012, 04ХК014А, 04ХК015А, 04ХК017А состоит в разделении речевого спектра на две части, низкочастотную и высокочастотную, каждая из которых разворачивается вокруг своих средних частот.

Все они работают в диапазоне речевых частот — 300-3400 Гц, имеют малые габариты и малый ток потребления (в пределах единиц мА).

Имеется возможность изменения частоты разбиения полосы речевого сигнала 04ХК014 -1 градация, 04ХК015 — 2, 04ХК016А — 3, 04ХК017 и 04ХК018А — 4, 04ХК011 и 04ХК012 — 32 градации.

Все микросборки работают от напряжения питания +5 В, кроме 04ХК011, которая обеспечивает работоспособность в диапазоне от 6 до 13В

Указанные скремблеры обладают повышенной по сравнению с частотными инверторами степенью закрытия информации.

В технических данных указывается, что скремблеры обеспечивают остаточную разборчивость речи (т е разборчивость при прослушивании посторонними лицами) не более 10 %.

В то же время гарантируется сохранение высокого качества речи при прослушивании с помощью радиостанции, оснащенной аналогичным скремблером (сохранение 1 класса разборчивости при измерении по методике ГОСТ 16600-72).

Скремблеры имеют очень малые размеры (минимальные габаритные размеры — 15х15х6,5 мм — имеет микросборка 04ХК018А) и устанавливаются внутрь корпуса практически любых радиостанций.

Стоимость скремблеров, включая стоимость установки их в радиостанцию, составляет от 50 до 80 $ (2010 год).

Наиболее известным в России представителем класса полосовых скремблеров является скремблер типа CVS-240 марки Standard (торговая марка концерна Marantz), который устанавливается в радиосредства, выпускаемые данным производителем.

Принцип его работы состоит в разделении полосы речевого сигнала на 4 поддиапазона и перестановке этих поддиапазонов. Код перестановки устанавливается с помощью перемычек.

По субъективным оценкам (точные испытания не проводились) данный скремблер обеспечивает степень закрытия информации, сравнимую с полосно-сдвиговыми инверторами.

Вместе с тем, при установке скремблера в радиостанции типа НХ240 марки Standard было получено резкое снижение разборчивости и узнаваемости речи

Стоимость скремблера — 170 $ (цена 2010 года).

Большая номенклатура динамических скремблеров выпускается фирмой Tramscrypt.

Принцип их работы аналогичен частотным инверторам с изменением частоты инверсии сигнала во времени. Число возможных частот инверсии — 16.

Различные модели скремблеров этой фирмы отличаются скоростью изменения переменного параметра: от 1 раза в секунду для SC20-406J и SC20-410 до 1000 раз в секунду для SC20-460 и SC20-500.

Параметры скремблеров представлены в таблице 2.

Кроме собственно функции преобразования сигнала, модули фирмы Transcrypt обеспечивают реализацию дополнительных функций таких, как избирательный и аварийный вызов, селективный доступ, возможность дистанционного управления радиостанцией по радиоканалу.

Данные модули устанавливаются в радиостанции различных фирм, в частности Motorola Standard Johnson.

Гарантируется работоспособность скремблеров в диапазоне рабочих температур -30…+60 С.

Таблица 2

Бытует мнение о высокой степени закрытия информации, обеспечиваемой с помощью данных скремблеров, что заставляет пользователей радиосредств приобретать модули фирмы Transcrypt, несмотря на их высокую стоимость.

Однако справедливость этого мнения представляется, мягко говоря, преувеличенной.

Несмотря на большую длину ключевой последовательности (псевдослучайной последовательности изменения частоты разбиения полосы сигнала), собственно число значении переменного параметра невелико (16) и не обеспечивает надежного закрытия.

Как показали исследования радиосредств, оснащенных скремблерами, модели SC20-410 при прослушивании переговоров с помощью радиостанции с установленным частотным инвертором с фиксированной частотой инверсии сигнала можно разобрать от 50 до 80 % передаваемой информации.

Принцип работы скремблеров требует синхронизации передающих и приемных радиосредств, что требует от оператора делать паузу после нажатия тангенты “передача” на радиостанции.

Для модулей фирмы Transcrypt время синхронизации составляет 300 500 мс

Аналогичное семейство динамических скремблеров MOT-TVS/VPU-10 выпускается фирмой Midian.

Параметры скремблера VPU-10 аналогичны параметрам SC20-406J и SC20-410 те переключение частоты инверсии происходит 1 раз в секунду.

Скремблеры TVS-1 и TVS-2 обладают большим быстродействием (точные данные о частоте переключения частоты инверсии отсутствуют), а также обеспечивают дополнительные сервисные функции аналогичные скремблерам фирмы Transcrypt.

Более подробные сведения о технических параметрах динамических скремблеров фирмы Midian отсутствуют

Временные преобразования осуществляет скремблер, разработанный НИИ микроэлектронной аппаратуры (НИИМА) “Прогресс” (условное обозначение Ml).

Он выполнен в виде бескорпусного микромодуля на керамической подложке с использованием специализированных БИС дельта-кодера и дельта-декодера, устройства шифрования и памяти.

Речевой сигнал, поступающий на вход, преобразуется кодером адаптивного дельта-кодека в цифровую форму и записывается в память в виде последовательности речевых сегментов.

Из 32 сегментов образуется кадр.

В соответствии с записанным кодом устройство шифрования создает псевдослучайную последовательность перестановок этих сегментов в кадре.

После временных преобразований декодер адаптивного дельта кодека восстанавливает на выходе скремблера исходный речевой сигнал внутри каждого сегмента.

В режиме приема по синхросигналу производятся кадровая синхронизация и обратные преобразования для восстановления исходного сигнала.

Использование специализированных БИС позволяет при энергопотреблении 75 мВт обеспечить удовлетворительное качество восстановления речевого сигнала и малую (3-5 %) остаточную разборчивость Габаритные размеры скремблера 42х15х3 мм.

Как видно из обзора, пользователи средств УКВ радиосвязи имеют широкий выбор средств защиты информации для своих радиостанций и локальных сетей радиосвязи.

Приобрести аналоговые скремблеры можно в фирмах, занимающихся поставкой средств подвижной радиосвязи.

Специалисты этих фирм подскажут модель скремблера и установят ее в ваши радиостанции.

Вместе с тем желающим приобрести средства УКВ радиосвязи обеспечивающие защиту информации хотелось бы все таки рекомендовать при закупке радиосредств подходить к проблеме комплексно, то есть на начальном этапе определиться с требованиями по уровню защиты информации чтобы не пересматривать свой подход к этому вопросу уже в ходе эксплуатации радиосредств что, как правило, труднее и дороже.

При закупке крупной партии средств радиосвязи целесообразно проконсультироваться у независимых специалистов (а не в фирме, заинтересованной в продаже, прежде всего своей продукции).

Кроме этого, как видно из обзора представленных моделей, следует учитывать, что аналоговые скремблеры никогда не обеспечат защиту от преднамеренного прослушивания ваших переговоров.

При этом финансовые затраты лиц, планирующих перехват ваших переговоров, не будут являться для них препятствием. Для надежной защиты передаваемой информации необходимо использовать радиостанции с передачей сигнала в цифровой форме с определенным алгоритмом маскировки.

Такую защиту может обеспечить применение существенно более дорогих цифровых радиостанций или использование цифровых УЗИ для аналоговых радиосредств, разработки которых проводятся рядом организаций.

Литература

1. С.В. Дворянкин, Д.В. Девочкин «Методы закрытия речевых сигналов в телефонных каналах» “Конфидент”, №5 июль-сентябрь 1995г

2. В. Мочкин «Микроэлектронные устройства защиты речевой информации для радиостанций и телефонных аппаратов» CHIP NEWS” №5 б 1997r

3. В.В. Фомин, В.Н. Дудник, В.Е. Лепин, Т.В. Батенева, М.С. Подлубный «Способ кодирования речевых сигналов для устройств радио-и телефонной связи» -Сб “Техника радиосвязи”, вып 3 1997r