Воронеж 2012

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Воронежский институт

Кафедра информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

студентам 5 курса специального факультета

к практическому занятию по теме № 3 дисциплины

² Шифрование в аналоговой телефонии²

Тема 3. Практическая реализация временных преобразований речевого сигнала.

Учебные вопросы:

1. Основные принципы временных преобразований сигнала.

2. Стойкость систем временных перестановок.

Время: 2 часа

Обсуждено и одобрено на заседании методической секции

кафедры информационной безопасности

Протокол № 2 от 17 сентября 2012 г.

Составил:

профессор кафедры

информационной безопасности,

д. т. н., профессор

О. С. Авсентьев

Воронеж 2012

Учебно-воспитательные цели занятия:

Образовательные:

- изучение студентами простейших частотных преобразований спектра речевого сигнала;

- приобретение студентами практических навыков по построению устройств криптографических преобразований аналогового типа.

Развивающие:

- развитие комплексного восприятия проблемы обеспечения информационной безопасности;

- формирование профессионального мышления специалиста по защите информации.

Воспитательные:

- воспитание чувства служебного долга за обеспечение сохранности служебной и государственной тайны;

- формирование навыков профессионального общения и взаимодействия со специалистами в области защиты информации.

Учебные вопросы:

1. Основные принципы временных преобразований сигнала.

2. Стойкость систем временных перестановок.

Задачи:

- совершенствование знаний изучаемой дисциплины;

- определение частотных характеристик спектра речевых сигналов;

- ознакомление с элементами криптоанализа на основе использования избыточности языка;

- выработка комплексного представления об обеспечении безопасности информации при помощи криптографических средств;

- формирование навыков построения речи с использованием технической терминологии и самостоятельной работы с научно-технической литературой;

- проведение текущего контроля качества конспектирования лекционного материала и его изучения.

Форма проведения занятия - самостоятельная работа под руководством преподавателя (с элементами устного опроса по ранее изученному материалу).

Распределение времени и содержание структурных частей ЗАНЯТИЯ:

1. Организационная часть - 5 минут

Проверка наличия и готовности студентов к занятию (внешний вид, тетради, ручки).

2. Вступительная часть - 5 минут

Объявление темы, целей, задач, учебных вопросов занятия, значения изучаемой темы в процессе обучения специалистов по защите информации.

3. Основная часть - 60 минут

Письменный контроль (устный опрос) ранее изученного материала - 10 мин.

Контрольные вопросы.

1. Основные характеристики речевых сигналов.

2. Методы криптографических преобразований аналоговых речевых сигналов.

3. Принципы временных преобразований аналоговых речевых сигналов.

4. Принципы реализации временных преобразований.

Изучение учебных вопросов - 50 мин.

Преподаватель последовательно объявляет учебные вопросы занятия. Для каждого учебного вопроса делается вступительная теоретическая часть в тесной связи с ранее изученным материалом, при этом посредством устного опроса студентов проверяется уровень его усвоения.

Производится постановка задачи на самостоятельное работу студентов с использованием имеющейся литературы.

4. Подведение итогов - 5 минут.

Преподаватель подводит краткие итоги занятия, производит выборочный контроль качества конспектирования и усвоения предложенного материала, объявляет отметки.

Задание на самоподготовку:

Подготовить ответы на следующие вопросы:

1. Принципы временных преобразований речевого сигнала.

2. Количественная мера " качества" перестановки.

3. Причины плохих перестановок.

4. Основные проблемы практической реализации временных преобразований речевого сигнала.

5. Заключительная часть - 5 минут.

Преподаватель разъясняет курсантам значение изученного материала темы № 3 для формирования целостного представления о принципах построения шифрсистем РФ и перспективах их развития.

Л И Т Е Р А Т У Р А

Основная:

1. Алферов А. П., Зубов А. Ю., Кузьмин А. С., Черемушкин А. В. Основы криптографии: Учебное пособие. -М.: Гелиос АРВ, 2001. -480 с., ил.

2. В. Жельников. Криптография от папируса до компьютера. М, 1996.

Дополнительная:

1. Г. Фролов. Тайны тайнописи. М., 1992.

Задание по подготовке к практическому занятию

1. Изучить материал лекции по теме №3.

2. Повторить основные понятия, принципы моделирования и построения шифрсистем и их особенности.

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы, заданные на лекционном занятии по теме № 3.

1. Основные принципы временных преобразований сигнала.

Аналоговый сигнал делится на равные промежутки времени, называемые кадрами. Каждый кадр, в свою очередь, также делится на еще меньшие части, называемые сегментами. Входной сигнал преобразуется путем перестановки сегментов внутри каждого кадра. Для этого речевой сигнал на передающем конце записывается на магнитофонную ленту, которая " разрезается" на равные части, пронумерованные по порядку. Затем они перемешиваются и " склеиваются" в некотором другом порядке. Воспроизведенный со склеенной ленты сигнал передается по каналу связи и на приемном конце снова записывается на магнитофонную ленту, которая в свою очередь разрезается на те же части, как и при передаче. Части " склеиваются" в порядке возрастания номеров и сигнал восстанавливается.

Проиллюстрируем этот процесс следующим примером.

Задание студентам №1

Определить длительность во времени сегментов речевых сигналов и возможности по их перестановкам.

По результатам сделать качественные выводы о стойкости шифрования.

2. Стойкость систем временных перестановок.

На рис. 1 кадр разделен на 8 сегментов. Затем сегменты переставляются в соответствии с перестановкой

(1, 8, 3, 5, 7, 4, 2, 6).

При настройке системы необходимо выбрать длины кадров и сегментов. Так как внутри сегмента сигнал не разрушается, то сегменты желательно выбирать настолько короткими, чтобы в них не содержались целые фрагменты сообщения, например отдельные слова. С другой стороны, длина сегмента серьезно влияет на качество звучания передаваемого сигнала, что объясняется чисто техническими причинами. Чем меньше сегмент, тем ниже качество звучания. Поэтому в выборе длины сегмента необходим разумный компромисс.

Рис. 1.

При выборе длины кадра необходимо учитывать фактор временной задержки между входным аналоговым сигналом, поступающим в аппаратуру, и восстановленным аналоговым сигналом на приеме. Для того чтобы разобраться в этом, вернемся к последнему примеру (рис. 1).

Пусть сегмент составляет в нашем примере интервал времени в Т с. Тогда ввод восьми речевых сегментов на вход скремблера занимает 8T c. Перестановка сегментов могла быть такой, что восьмой сегмент оказался бы первым (то есть подлежащим передаче по каналу связи в первую очередь). В таком случае передача не может начаться прежде, чем в скремблер не будет введен весь кадр. Для этого потребуется 8T с. С начала передачи кадра до ее окончания требуется еще 8T с. Поэтому временная задержка неизбежна. Получатель не может начать расшифрование до получения всего кадра. Таким образом, даже если не учитывать время передачи, задержка составляет 16Т с на каждый сегмент речи. В общем случае для системы, оперирующей с m сегментами на кадр, время задержки может составлять 2тТ с. С точки зрения пользователя это нежелательно, и подобная задержка должна быть минимизирована. Однако для повышения надежности засекречивания желательны достаточно длинные кадры. Для того чтобы убедиться в этом, заметим следующее.

При обсуждении свойств фонем мы могли заметить, что свойства речевого звука сохраняются в течение достаточно большого интервала времени (структура формант медленно изменяется). Если кадр настолько мал, что он состоит из единственного тона, то независимо от того, как мы его будем скремблировать, результатом будет являться единственный непрерывный тон (с определенной потерей качества звука в результате нашего вмешательства). Нам не удастся добиться достаточного рассеивания сегментов в связи с их небольшим числом. Это может привести к тому, что значительные части слов окажутся неизменными, что позволит слушателю распознать часть сообщения.

Нет также очевидного способа выбора длины сегментов. На практике необходимо экспериментально проверять любой выбор длины сегмента. Обычно неплохим тестом для этого служит попытка воспроизвести на слух результат скремблирования произнесенных в произвольном порядке чисел от 1 до 10. Ясно, что эта задача значительно проще той, когда требуется узнать сообщение, о котором ничего неизвестно. Эксперименты показывают, что если длина кадра недостаточно велика, то рассматриваемые системы плохо выдерживают такой тест. В большинстве случаев в аппаратуре данного типа кадры делятся на число сегментов, заключенное в пределах от 8 до 16, причем обычно длительность каждого сегмента составляет от 20 до 60 мс.

Помимо выбора длин кадров и сегментов важным параметром является перестановка. Очевидно, что одни перестановки лучше других, и необходимо определить, как их следует выбирать и как управлять их выбором. Как и для преобразований инвертирования и частотных перестановок, имеется несколько вариантов использования базовой системы. Можно выбрать одну фиксированную перестановку для преобразования каждого кадра. Другой вариант связан с выбором (при помощи ключа) нескольких перестановок и периодическим их использованием. Лучшим способом является использование псевдослучайного генератора для выбора перестановки, применяемой для преобразования каждого кадра в отдельности. Для такого варианта актуален вопрос о длине периода соответствующей последовательности перестановок, так как повторное использование одной и той же перестановки нежелательно. В свою очередь, с этим связан выбор числа сегментов в кадре. Например, если это число равно 8 и каждый сегмент имеет длительность в 40 мс, то через 3, 6 час. непрерывной работы перестановки начнут повторяться.

Как мы уже отмечали, далеко не все перестановки являются " хорошими" с точки зрения надежности шифрования. Например, если прослушать сигнал после применения каждой из двух подстановок

(1)

то мы нашли бы в первом случае значительно более высокую остаточную разборчивость, чем во втором.

Замечание. В (1) рассматриваемые перестановки являются нижними строками подстановок, в которых верхние строки представляют собой исходные порядки сегментов, а нижние -порядки сегментов после перестановки.

Причина указанного различия перестановок (1) состоит в том, что в первой из них символы 1, 4, 5, 8 остаются неподвижными, а остальные смещаются лишь на соседние позиции, тогда как во второй происходит лучшее перемешивание.

Рассмотренный пример приводит к естественной количественной мере " качества" перестановки. Пусть для произвольной подстановки а символ a(i)обозначает позицию, на которую a перемещает i - й сегмент. Тогда смещение символа i после перестановки равно , а среднее смещение после перестановки характеризуется величиной

Для первой подстановки из (1) среднее смещение s(a) равно 0, 5, для второй — 2, 5. Величина s(a)называется сдвиговым фактором подстановки a. Замечено, что перестановки, приводящие к выходному сигналу с низкой остаточной разборчивостью, имеют большой сдвиговый фактор, хотя обратное может быть неверным. В качестве примера приведем подстановку a восьми элементов со сдвиговым фактором 4, которая плохо выдерживает " тесты на слух":

(2)

Помимо своего низкого сдвигового фактора первая подстановка в (1) имеет и другие нежелательные свойства. Рассмотрим, например, соседние сегменты 4 и 5. В скремблированном кадре они расположены в том же порядке, что и в исходном. Если сегменты имеют длительность в 40 мс, то рассматриваемая пара сегментов составляет около 80 мс. Как мы уже отмечали, большинство фонем могут быть узнаваемы в таком интервале времени. В той же подстановке, а также в подстановке (2), сегменты 6 и 8 являются соседними. Это также нежелательно. Дело в том, что, вообще, при прослушивании в скремблированном сигнале пары соседних сегментов типа i, i + 2 человеческий мозг в состоянии, как правило, восстановить пропущенный сегмент i +1, то есть восстановить соответствующую часть сообщения. Нечто подобное имеет место и в других случаях.

Задание студентам №2

Выбрать различные варианты перестановок сегментов кадра и определить их качество.

По результатам сравнения сделать качественные выводы о результативности методов временных преобразований речевого сигнала.

Предложить варианты построения устройств шифрования с учетом возможностей их практической реализации.

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Воронежский институт

Кафедра информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

к практическому занятию по теме № 3 дисциплины

² Шифрование в аналоговой телефонии²

Тема 3. Практическая реализация временных преобразований речевого сигнала.

Учебные вопросы:

1. Основные принципы временных преобразований сигнала.

2. Стойкость систем временных перестановок.

Время: 2 часа

Обсуждено и одобрено на заседании методической секции

кафедры информационной безопасности

Протокол № 2 от 17 сентября 2012 г.

Составил:

профессор кафедры

информационной безопасности,

д. т. н., профессор

О. С. Авсентьев

Воронеж 2012
Учебно-воспитательные цели занятия:

Образовательные:

- изучение студентами простейших частотных преобразований спектра речевого сигнала;

Развивающие:

- развитие комплексного восприятия проблемы обеспечения информационной безопасности;

- формирование профессионального мышления специалиста по защите информации.

Воспитательные:

- воспитание чувства служебного долга за обеспечение сохранности служебной и государственной тайны;

Учебные вопросы:

1. Основные принципы временных преобразований сигнала.

2. Стойкость систем временных перестановок.

Задачи:

- совершенствование знаний изучаемой дисциплины;

- определение частотных характеристик спектра речевых сигналов;

- ознакомление с элементами криптоанализа на основе использования избыточности языка;

- проведение текущего контроля качества конспектирования лекционного материала и его изучения.

Задание по подготовке к практическому занятию

1. Изучить материал лекции по теме № 3.

2. Повторить основные понятия, принципы моделирования и построения шифрсистем и их особенности.

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы, заданные на лекционных занятиях по теме № 3.

Распределение времени и содержание структурных частей ЗАНЯТИЯ:

1. Организационная часть - 5 минут

Прием рапорта. Проверка наличия и готовности студентов к занятию (внешний вид, тетради, ручки).

3. Вступительная часть - 5 минут

3. Основная часть - 60 минут

Письменный контроль (устный опрос) ранее изученного материала - 10 мин.

Контрольные вопросы:

1. Принципы временных преобразований речевого сигнала.

2. Количественная мера " качества" перестановки.

3. Причины плохих перестановок.

4. Основные проблемы практической реализации временных преобразований речевого сигнала.

Изучение учебных вопросов - 50 мин.

Производится постановка задачи на самостоятельное работу студентов с использованием имеющейся литературы.

4. Подведение итогов - 5 минут.

Задание на самоподготовку:

Подготовить ответы на следующие вопросы:

1. Принципы временных преобразований речевого сигнала.

2. Количественная мера " качества" перестановки.

3. Причины плохих перестановок.

4. Основные проблемы практической реализации временных преобразований речевого сигнала.

5. Заключительная часть - 5 минут.

Преподаватель разъясняет студентам значение изученного материала темы № 3 для формирования целостного представления о принципах построения шифрсистем РФ и перспективах их развития.

Л И Т Е Р А Т У Р А

Основная:

3. Алферов А. П., Зубов А. Ю., Кузьмин А. С., Черемушкин А. В. Основы криптографии: Учебное пособие. -М.: Гелиос АРВ, 2001. -480 с., ил.

4. В. Жельников. Криптография от папируса до компьютера. М, 1996.

Дополнительная:

1. Г. Фролов. Тайны тайнописи. М., 1992.