Scrambler

Scrambler ( angl.  scramble  - encrypt , mix ) - softwarové nebo hardwarové zařízení ( algoritmus ), které provádí scrambler -  reverzibilní převod digitálního toku bez změny přenosové rychlosti za účelem získání vlastností náhodné sekvence . Po zakódování je výskyt "1" a "0" ve výstupní sekvenci stejně pravděpodobný. Kódování je vratný proces, to znamená, že původní zprávu lze obnovit použitím reverzního algoritmu.

Šikmé cíle

Jak je aplikováno na telekomunikační systémy, scrambling zvyšuje spolehlivost synchronizace zařízení připojených ke komunikační lince (poskytuje spolehlivý výběr hodinového kmitočtu přímo z přijímaného signálu) a snižuje úroveň rušení vyzařovaného do sousedních linek vícežilového kabelu. Další oblastí použití scramblerů je ochrana přenášených informací před neoprávněným přístupem.

Pro scramblovací algoritmy jsou extrémně důležité rychlost operace a náhodný charakter sekvence, aby ji nebylo možné obnovit v případě zachycení nepřítelem. Proces kódování může zahrnovat přidání určitých složek k původnímu signálu nebo změnu důležitých částí signálu, aby se zkomplikovala rekonstrukce původního signálu nebo aby signál získal určité statistické vlastnosti.

Scramblery se používají ve veřejných telefonních sítích , satelitní a radioreléové komunikaci , digitální televizi a také k ochraně laserových disků před kopírováním.

Typicky se skramblování provádí v poslední fázi digitálního zpracování, těsně před modulací.

Typy scramblerů

Samosynchronizující scramblery

Hlavní částí scrambleru je generátor pseudonáhodné sekvence (RRP) ve formě lineárního n-kaskádového zpětnovazebního registru , který generuje sekvenci maximální délky .

Vlastností samosynchronizujícího scrambleru ( SS scrambler ) je to, že je řízen zakódovanou sekvencí, tedy tou, která je přenášena do kanálu. Proto u tohoto typu scrambleru není vyžadováno žádné speciální nastavení stavů scrambleru a descrambleru: zakódovaná sekvence se zapíše do posuvných registrů scrambleru a descrambleru, čímž se nastaví do identického stavu. Pokud dojde ke ztrátě synchronizace mezi scramblerem a descramblerem, doba obnovy synchronizace nepřekročí počet cyklů rovný počtu buněk registru scrambleru.

Na přijímací straně dochází k extrakci původní sekvence přidáním modulo 2 přijaté kódované sekvence se sekvencí na výstupu posuvného registru. Například pro obvod znázorněný na obrázku je vstupní sekvence převedena pomocí scrambleru v souladu s poměrem na vyslanou binární sekvenci . V přijímači z této sekvence je sekvence tvořena stejným posuvným registrem jako na příjmu .

Jak vyplývá z principu fungování schématu, s jednou chybou v sekvenci jsou chybné i následující osmnáctý a dvacátý třetí znak (v tomto příkladu). Obecně bude účinek chybně přijatého bitu pociťován krát, kde a je  počet zpětných vazeb v posuvném registru. SS scrambler-descrambler má tedy vlastnost šíření chyb. Tato nevýhoda SS scrambler-descrambler omezuje počet zpětných vazeb v posuvném registru; v praxi toto číslo nepřesahuje a = 2.

Druhá nevýhoda scrambleru SS je spojena s možností vzniku tzv. „kritických situací“ na jeho výstupu za určitých podmínek, kdy výstupní sekvence nabývá periodického charakteru s periodou menší než je délka PSS. Aby se tomu zabránilo, scrambler a descrambler poskytují speciální přídavné řídicí obvody, které detekují přítomnost periodicity prvků na vstupu a narušují ji.

Aditivní scramblery

Při aditivním kódování musí být stavy registrů scrambleru a descrambleru předem nastaveny identicky. V scrambleru s instalací (AD-scrambler) , stejně jako v CC scrambleru, se vstupní signál a PSP sečtou, ale výsledný signál není přiveden na vstup registru. V descrambleru také zakódovaný signál neprochází posuvným registrem, takže nedochází k šíření chyb.

Sekvence sčítané ve scrambleru jsou nezávislé, takže jejich perioda je vždy rovna nejmenšímu společnému násobku period vstupní sekvence a SRP a neexistuje žádný kritický stav. Absence efektu šíření chyb a potřeba speciální logiky k ochraně před nežádoucími situacemi činí preferovanou metodu aditivního scrambleru, pokud nebereme v úvahu náklady na řešení problému synchronizace scrambleru a descrambleru. Jako nastavovací signál v systémech digitálního přenosu dat se používá rámcový synchronizační signál.

Ochrana telefonních hovorů

Audio scramblery se aktivně používají k ochraně telefonních hovorů. Při scramblování je možné převádět řečový signál ve třech parametrech: amplituda , frekvence a čas . V mobilních radiokomunikačních systémech však našly praktické uplatnění především frekvenční a časové transformace signálu a také jejich kombinace. Případné rušení v rádiovém kanálu výrazně komplikuje přesné obnovení amplitudy řečového signálu, a proto se amplitudové transformace při skramblování prakticky nepoužívají.

Hlavní metody převodu řečového signálu:

Frekvenční konverze

Při frekvenční inverzi je transformace spektra řečového signálu ekvivalentní otočení frekvenčního pásma signálu kolem určité průměrné frekvence F a  je inverzní frekvencí.

O něco složitější způsob konverze signálu než frekvenční inverze poskytuje scrambler s rozdělením pásma řečového signálu na subpásma s frekvenční inverzí signálu v každém subpásmu (band-shift invertor). Obvykle se pásmo dělí na 2 dílčí pásma.

Scramblery šířky pásma používají metodu rozdělení pásma řečového signálu do několika dílčích pásem s frekvenčními permutacemi těchto dílčích pásem. Pásmový scrambler může být implementován na základě rychlé Fourierovy transformace (FFT) . V takovém scrambleru se na vysílací straně provádí dopředná FFT, frekvenční permutace pásem a poté inverzní FFT. Na přijímací straně se provádějí podobné převody s reverzní frekvenční permutací pásem. U scramblerů s FFT je možné dosáhnout vysokého stupně informační bezpečnosti zvýšením počtu promíchaných pásem, nicméně v praxi se tento způsob scrambler v mobilních radiokomunikacích používá jen zřídka kvůli obtížím technické realizace. Kromě toho kódovače FFT zavádějí do komunikačního kanálu časové zpoždění.

Časové transformace

Nejjednodušším typem časové transformace je časová inverze , při které je původní signál rozdělen do posloupnosti časových úseků a každý z nich je přenášen inverzně v čase - od konce k začátku.

V scrambleru časové permutace je řečový signál rozdělen do časových rámců, z nichž každý je dále rozdělen na segmenty, a poté jsou segmenty řečového signálu permutovány.

Kombinované transformace

Pro další zvýšení stupně uzavřenosti řeči se používá kombinace časového a frekvenčního zakódování. V takovém scrambleru je po analogově-digitální konverzi spektrum digitalizovaného řečového signálu rozděleno na frekvenčně-časové prvky, které jsou pak smíchány na frekvenčně-časové rovině v souladu s jedním z kryptografických prvků a bez dalšího sečteny. mimo frekvenční rozsah původního signálu.

Televize

Scramblery se používají v digitální a kabelové televizi k poskytování přístupu k placenému obsahu a zabránění krádeži vysílaného signálu. Dřívější verze těchto zařízení invertovaly jednu ze složek televizního signálu a obnovily ji na straně klienta. Později pokročilejší scramblery začaly filtrovat jednu ze složek signálu a přenášet data bez ní. K obnovení původní sekvence přidáním chybějící části signálu dochází na straně uživatele.

Kryptografie

Potřeba synchronizovat scramblery přivedla Jamese Ellise k myšlence kryptosystémů s veřejným klíčem , což následně vedlo k vytvoření šifrovacího algoritmu RSA a protokolu Diffie-Hellman .

Moderní scramblery se velmi liší od původních scramblerů. Jedná se o komplexní digitalizační zařízení kombinovaná se šifrovacími zařízeními. V takových systémech je původní signál digitalizován, poté jsou data zašifrována a odeslána. V kombinaci s asymetrickými šifrovacími systémy jsou tyto „kódovače“ bezpečnější než jejich dřívější protějšky. Pouze takové systémy jsou považovány za dostatečně spolehlivé, aby zvládly kritická data.

Viz také

Poznámky

Literatura

Odkazy