Scrambler

Scrambler ( eng.  scramble  - encrypt , mix ) - olyan szoftver vagy hardver eszköz ( algoritmus ) , amely kódolást hajt végre - egy digitális adatfolyam  reverzibilis átalakítása az átviteli sebesség megváltoztatása nélkül egy véletlen sorozat tulajdonságainak megszerzése érdekében . A kódolás után az "1" és a "0" megjelenése a kimeneti sorrendben egyformán valószínű. A kódolás visszafordítható folyamat, vagyis az eredeti üzenet visszaállítható a fordított algoritmus alkalmazásával.

Célok titkosítása

A távközlési rendszerekben alkalmazott kódolás növeli a kommunikációs vonalhoz csatlakoztatott eszközök szinkronizálásának megbízhatóságát (az órafrekvencia megbízható kiválasztását közvetlenül a vett jelből biztosítja), és csökkenti a többmagos kábel szomszédos vonalaira kibocsátott interferencia szintjét. A kódolók másik alkalmazási területe a továbbított információk védelme a jogosulatlan hozzáféréstől.

A kódoló algoritmusok esetében rendkívül fontos a művelet sebessége és a sorozat véletlenszerűsége, hogy az ellenség elfogása esetén ne tudjon visszaállítani. A kódolási folyamat magában foglalhatja bizonyos komponensek hozzáadását az eredeti jelhez, vagy a jel fontos részeinek megváltoztatását, hogy megnehezítsék az eredeti jel rekonstrukcióját, vagy hogy a jel bizonyos statisztikai tulajdonságokat adjon.

A Scramblereket nyilvános telefonhálózatokban , műholdas és rádiórelé kommunikációban , digitális televíziózásban , valamint a lézerlemezek másolás elleni védelmére használják.

A kódolást általában a digitális feldolgozás utolsó szakaszában, közvetlenül a moduláció előtt hajtják végre.

A kódolók típusai

Önszinkronizáló kódolók

A scrambler fő része egy pszeudo-véletlen sorrendgenerátor (RRP) , lineáris n-kaszkád visszacsatoló regiszter formájában , amely maximális hosszúságú sorozatot generál .

Az önszinkronizáló scrambler ( SS scrambler ) sajátossága, hogy egy kódolt szekvencia vezérli, vagyis az, amelyik a csatornára kerül. Ezért ennél a fajta kódolásnál nincs szükség a scrambler és a descrambler állapotának speciális beállítására: a kódolt szekvencia a scrambler és a descrambler eltolási regisztereibe kerül, és azokat azonos állapotba állítja. Ha megszakad a szinkron a kódoló és a dekódoló között, a szinkronizálás helyreállítási ideje nem haladja meg a kódoló regiszter celláinak számával megegyező ciklusok számát.

A vevő oldalon az eredeti szekvencia kinyerése a vett kódolt szekvencia modulo 2 hozzáadásával történik az eltolási regiszter kimenetén lévő szekvenciával. Például az ábrán látható áramkör esetében a bemeneti szekvenciát egy scrambler segítségével az aránynak megfelelően alakítjuk át az elküldött bináris sorozatmá . A vevőben ebből a sorozatból a sorozatot ugyanaz az eltolási regiszter alkotja, mint a vételnél .

Amint az a séma működési elvéből következik, a sorozat egy hibája esetén a következő tizennyolcadik és huszonharmadik karakter (ebben a példában) is hibás. Általánosságban elmondható, hogy egy hibásan vett bit hatása a -szor lesz érezhető , ahol a  a visszacsatolások száma az eltolási regiszterben. Így az SS scrambler-descrambler rendelkezik a hibaterjedés tulajdonságával. Az SS scrambler-descrambler ezen hátránya korlátozza a visszacsatolások számát a váltási regiszterben; a gyakorlatban ez a szám nem haladja meg az a = 2-t.

Az SS scrambler második hátránya az úgynevezett „kritikus helyzetek” megjelenésének lehetőségével jár a kimenetén bizonyos feltételek mellett, amikor a kimeneti szekvencia periodikus karaktert kap, amelynek periódusa kisebb, mint a PSS hossza. Ennek megakadályozására a scrambler és a decrambler speciális kiegészítő vezérlő áramköröket biztosít, amelyek észlelik az elemek periodicitását a bemeneten, és megsértik azt.

Additive scramblers

Az additív kódolásnál a kódoló és a dekódoló regiszter állapotát előzetesen azonos módon kell beállítani. A telepített scramblerben (AD-scrambler) , akárcsak a CC scramblerben, a bemeneti jel és a PSP összegzésre kerül, de a kapott jel nem kerül a regiszter bemenetére. A dekódolóban a kódolt jel szintén nem megy át a shift regiszteren, így nem történik hibaterjedés.

A scramblerben összegzett szekvenciák függetlenek, így periódusuk mindig egyenlő a bemeneti sorozat és az SRP periódusainak legkisebb közös többszörösével, és nincs kritikus állapot. A hibaterjedési hatás hiánya és a nem kívánt helyzetek elleni védelem speciális logikájának szükségessége az additív kódolási módszert előnyösebbé teszi, ha nem vesszük figyelembe a scrambler és a descrambler szinkronizálási problémájának megoldási költségét. A digitális adatátviteli rendszerekben beállító jelként keretszinkronizáló jelet használnak.

Telefonbeszélgetések védelme

Az audio kódolókat aktívan használják a telefonbeszélgetések védelmére. A kódolás során a beszédjelet három paraméterre lehet átalakítani: amplitúdó , frekvencia és idő . A mobil rádiókommunikációs rendszerekben azonban elsősorban a jel frekvencia- és időtranszformációi, valamint ezek kombinációi találtak gyakorlati alkalmazásra. A rádiócsatornában fellépő esetleges interferencia jelentősen megnehezíti a beszédjel amplitúdójának pontos visszaállítását, ezért az amplitúdótranszformációt gyakorlatilag nem alkalmazzák a kódolás során.

A beszédjel átalakításának fő módszerei:

Gyakorisági konverziók

Frekvenciainverzió esetén a beszédjel spektrumának átalakítása egyenértékű a jel frekvenciasávjának egy bizonyos átlagos F frekvencia körüli elforgatásával, és  ez az inverziós frekvencia.

A frekvencia inverziónál valamivel bonyolultabb jelátalakítási eljárást biztosít a kódoló, amely a beszédjel sávját alsávokra bontja úgy , hogy az egyes részsávokban a jelet frekvencia inverterként (sáveltolásos inverter) végzi. Általában a sáv 2 alsávra oszlik.

A sávszélesség -kódolók egy beszédjel-sávot több alsávra particionálnak, ezen alsávok frekvenciapermutációival. A gyors Fourier transzformáción (FFT) alapuló sávkódoló megvalósítható . Egy ilyen kódolóban egy előremenő FFT-t hajtanak végre az adó oldalon, a sávok frekvenciapermutációját, majd egy inverz FFT-t. A vevő oldalon hasonló átalakításokat hajtanak végre a sávok fordított frekvencia-permutációjával. Az FFT-vel ellátott scramblerekben a kevert sávok számának növelésével magas fokú információbiztonság érhető el, azonban a gyakorlatban a mobil rádiókommunikációban ezt a kódolási módot a technikai megvalósítás nehézségei miatt ritkán alkalmazzák. Ezenkívül az FFT kódolók késleltetést vezetnek be a kommunikációs csatornába.

Időbeli transzformációk

Az időtranszformáció legegyszerűbb típusa az időinverzió , amelyben az eredeti jelet időszegmensek sorozatára osztják, és mindegyiket az időben fordítottan továbbítják - a végétől az elejéig.

Az időpermutációs kódolóban a beszédjelet időkeretekre osztják, amelyek mindegyike szegmensekre van felosztva, majd a beszédjel szegmenseit permutálják.

Kombinált transzformációk

A beszédzártság fokának további növelése érdekében az idő- és frekvenciakódolás kombinációját alkalmazzák. Egy ilyen scramblerben az analóg-digitális átalakítás után a digitalizált beszédjel spektruma frekvencia-idő elemekre oszlik, amelyeket aztán a frekvencia-idő síkon az egyik kriptográfiai elemnek megfelelően összekevernek, és összeadás nélkül összeadják. az eredeti jel frekvenciatartományán túl.

Televízió

A scramblereket a digitális és kábeltelevízióban használják, hogy hozzáférést biztosítsanak a fizetős tartalomhoz, és megakadályozzák a sugárzott jel ellopását. Ezeknek az eszközöknek a korai verziói megfordították a TV-jel egyik összetevőjét, visszaállítva azt a kliens oldalon. Később a fejlettebb scramblerek elkezdték szűrni az egyik jelkomponenst, és anélkül is továbbítanak adatokat. Az eredeti sorrend visszaállítása a jel hiányzó részének hozzáadásával a felhasználó oldalán történik.

Kriptográfia

A kódolók szinkronizálásának szükségessége vezette James Ellis t a nyilvános kulcsú kriptorendszerek ötletéhez , amely ezt követően az RSA titkosítási algoritmus és a Diffie-Hellman protokoll létrehozásához vezetett .

A modern kódoló rendszerek nagyon különböznek az eredeti kódolóktól. Ezek összetett digitalizáló eszközök , titkosító eszközökkel kombinálva. Az ilyen rendszerekben az eredeti jelet digitalizálják, majd az adatokat titkosítják és elküldik. Az aszimmetrikus titkosítási rendszerekkel kombinálva ezek a "kódolók" biztonságosabbak, mint korábbi társaik. Csak az ilyen rendszerek tekinthetők elég megbízhatónak a kritikus adatok kezelésére.

Lásd még

Jegyzetek

Irodalom

Linkek