Безопасный голос

Безопасный голос (альтернативно защищенная речь или шифрование ) — это термин в криптографии, обозначающий шифрование голосовой связи по ряду типов связи, таких как радио, телефон или IP .

История

Внедрение шифрования голоса восходит к Второй мировой войне , когда безопасная связь имела первостепенное значение для вооруженных сил США. В то время к голосовому сигналу просто добавлялся шум, чтобы враги не могли подслушивать разговоры. Шум добавлялся путем воспроизведения записи шума синхронно с голосовым сигналом, и когда голосовой сигнал достигал приемника, шумовой сигнал вычитался, оставляя исходный голосовой сигнал. Чтобы вычесть шум, приемник должен иметь точно такой же шумовой сигнал, а записи шума делались только парами; один для передатчика и один для приемника. Наличие только двух копий записей не позволяло неправильному получателю расшифровать сигнал. Для внедрения системы армия заключила контракт с Bell Laboratories , и они разработали систему под названием SIGSALY . В SIGSALY десять каналов использовались для выборки спектра частот голоса от 250 Гц до 3 кГц, а два канала были выделены для выборки высоты голоса и фонового шипения. Во времена SIGSALY транзистор еще не был разработан, и цифровая выборка осуществлялась с помощью схем, использующих модель 2051. Тиратронная вакуумная лампа. Каждый терминал SIGSALY использовал 40 стоек с оборудованием весом 55 тонн и занимал большое помещение. Это оборудование включало радиопередатчики и приемники, а также большие проигрыватели для фонографов. Голос был записан на две виниловые граммофонные пластинки диаметром 410 миллиметров (16 дюймов), которые содержали звуковой тон с частотной манипуляцией (FSK). Пластинки проигрывались на больших точных проигрывателях синхронно с передачей голоса.

С момента появления шифрования голоса до сегодняшнего дня методы шифрования претерпели радикальные изменения. Цифровые технологии эффективно заменили старые аналоговые методы шифрования голоса, а благодаря использованию сложных алгоритмов шифрование голоса стало намного более безопасным и эффективным. Одним из относительно современных методов шифрования голоса является поддиапазонное кодирование . При поддиапазонном кодировании голосовой сигнал разделяется на несколько частотных диапазонов с использованием нескольких полосовых фильтров, которые охватывают определенные интересующие диапазоны частот. Выходные сигналы полосовых фильтров затем преобразуются в фильтр нижних частот для уменьшения полосы пропускания, что снижает частоту дискретизации. Сигналы нижних частот затем квантуются и кодируются с использованием специальных методов, таких как импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). После этапа кодирования сигналы мультиплексируются и отправляются по сети связи. Когда сигнал достигает приемника, к сигналу применяются обратные операции, чтобы вернуть его в исходное состояние. ^[1] Система скремблирования речи была разработана в Bell Laboratories в 1970-х годах Субхашем Каком и Никилом Джаянтом . ^[2] В этой системе матрицы перестановок использовались для скремблирования кодированных представлений (таких как импульсно-кодовая модуляция и ее варианты) речевых данных. Motorola разработала систему шифрования голоса под названием Digital Voice Protection (DVP) как часть своего первого поколения методов шифрования голоса. DVP использует метод самосинхронизирующегося шифрования, известный как обратная связь по шифру (CFB). Чрезвычайно большое количество возможных ключей, связанных с ранним алгоритмом DVP, делает алгоритм очень надежным и обеспечивает высокий уровень безопасности. Как и в других системах шифрования с симметричным ключом, ключ шифрования необходим для расшифровки сигнала с помощью специального алгоритма дешифрования.

Цифровой

Цифровая защищенная голосовая связь обычно включает в себя два компонента: дигитайзер для преобразования речи в цифровые сигналы и систему шифрования для обеспечения конфиденциальности. На практике сложно отправить зашифрованный сигнал по тем же голосового диапазона каналам связи , которые используются для передачи незашифрованного голоса, например, по аналоговым телефонным линиям или мобильным радиостанциям , из-за расширения полосы пропускания.

Это привело к использованию голосовых кодеров ( вокодеров ) для достижения сжатия речевых сигналов в узкой полосе пропускания. АНБ , STU-III KY-57 и SCIP являются примерами систем, работающих по существующим голосовым каналам. Система STE , напротив, требует широкополосных линий ISDN для нормального режима работы. Для шифрования GSM и VoIP стандартный протокол ZRTP можно использовать , которые изначально являются цифровыми, в качестве технологии сквозного шифрования .

Надежность защищенной голосовой связи значительно повышается за счет сжатия голосовых данных до очень низкой скорости передачи данных с помощью специального компонента, называемого кодированием речи , сжатием голоса или кодером голоса (также известным как вокодер ). К старым стандартам безопасного сжатия голоса относятся ( CVSD , CELP , LPC-10e и MELP ), где последним стандартом является современный алгоритм MELPe.

Цифровые методы, использующие сжатие голоса: MELP или MELPe.

MELPe используемый или расширенное MELP (линейное предсказание со смешанным возбуждением) — это стандарт кодирования речи Министерства обороны США, в основном в военных приложениях и спутниковой связи, защищенной голосовой связи и защищенных радиоустройствах. Его разработку возглавляли и поддерживали АНБ и НАТО. НАТО Стандарт безопасной голосовой связи MELPe правительства США также известен как MIL-STD-3005, а стандарт безопасной голосовой связи MELPe также известен как STANAG -4591.

Первоначальный MELP был изобретен Аланом МакКри примерно в 1995 году. ^[3] Этот первоначальный речевой кодер был стандартизирован в 1997 году и получил название MIL-STD-3005. ^[4] Он превзошел других вокодеров-кандидатов на конкурсе Министерства обороны США, в том числе: (а) Частотно-селективный гармонический кодер (FSHC), (б) Расширенное многополосное возбуждение (AMBE), (в) Улучшенное многополосное возбуждение (EMBE), (г) Синусоида Кодер преобразования (STC) и (e) кодер поддиапазона LPC (SBC). Из-за меньшей сложности ^{[ нужна ссылка ]} чем кодер Waveform Interpolative (WI), вокодер MELP выиграл конкурс Министерства обороны и был выбран для MIL-STD -3005.

В период с 1998 по 2001 год был создан новый вокодер на основе MELP со скоростью вдвое меньшей (т. е. 1200 бит/с), а к MIL-STD-3005 были добавлены существенные улучшения компаниями SignalCom (позже приобретенными Microsoft ), AT&T Corporation и Compandent. который включал (а) дополнительный новый вокодер с половинной скоростью (т. е. 1200 бит/с), (б) существенно улучшенное кодирование (анализ), (в) существенно улучшенное декодирование (синтез), (г) предварительную обработку шума для удаления фонового шума , (e) перекодирование между потоками битов 2400 бит/с и 1200 бит/с и (f) новый постфильтр. Эта довольно значительная разработка была направлена на создание нового кодера, работающего вдвое дешевле и обеспечивающего его совместимость со старым стандартом MELP. Этот расширенный стандарт MELP (также известный как MELPe) был принят как новый MIL-STD-3005 в 2001 году в виде приложений и дополнений к исходному MIL-STD-3005, обеспечивающих то же качество, что и старый стандарт MELP со скоростью 2400 бит/с. за половину ставки. Одним из величайших преимуществ нового MELPe со скоростью 2400 бит/с является то, что он использует тот же битовый формат, что и MELP, и, следовательно, может взаимодействовать с устаревшими системами MELP, но обеспечивает лучшее качество на обоих концах. MELPe обеспечивает гораздо лучшее качество, чем все старые военные стандарты, особенно в шумных условиях, таких как поле боя, транспортные средства и самолеты.

В 2002 году, после обширных соревнований и испытаний, стандарт MELPe Министерства обороны США со скоростью 2400 и 1200 бит/с был принят также в качестве стандарта НАТО , известного как STANAG -4591. ^[5] В рамках испытаний нового стандарта НАТО MELpe был протестирован против других кандидатов, таких как французский HSX (Гармоническое стохастическое возбуждение) и Турецкий SB-LPC (Линейное прогнозирующее кодирование с расщеплением диапазоном), а также старый защищенный голосовой сигнал. такие стандарты, как FS1015 LPC-10e (2,4 кбит/с), FS1016 CELP (4,8 кбит/с) и CVSD (16 кбит/с). Впоследствии MELPe выиграл также конкурс НАТО, превзойдя качество всех других кандидатов, а также качество всех старых стандартов защищенной голосовой связи (CVSD, CELP и LPC-10e ). Конкурс НАТО пришел к выводу, что MELPe существенно улучшила производительность (с точки зрения качества речи, разборчивости и помехоустойчивости), одновременно снизив требования к пропускной способности. Тестирование НАТО также включало тесты на совместимость, в ходе которых использовалось более 200 часов речевых данных, и проводилось тремя испытательными лабораториями по всему миру. Compandent Inc, в рамках проектов на базе MELPe, выполняемых для АНБ и НАТО , предоставила АНБ и НАТО специальную испытательную платформу, известную как устройство MELCODER , которая стала золотым эталоном для внедрения MELPe в реальном времени. Недорогое терминальное оборудование (DTE) FLEXI-232 производства Compandent , основанный на золотом эталоне MELCODER , очень популярен и широко используется для оценки и тестирования MELPe в режиме реального времени, по различным каналам и сетям, а также в полевых условиях.

Конкурс НАТО пришел к выводу, что MELPe существенно улучшила производительность (с точки зрения качества речи, разборчивости и помехоустойчивости), одновременно снизив требования к пропускной способности. Тестирование НАТО также включало тесты на совместимость, в ходе которых использовалось более 200 часов речевых данных, и проводилось тремя испытательными лабораториями по всему миру.

В 2005 году был добавлен новый вариант MELPe со скоростью 600 бит/с от Thales Group ( Франция ) (без масштабной конкуренции и испытаний, как это было для MELPe со скоростью 2400/1200 бит/с). ^[6] стандарту НАТО STANAG-4591, и предпринимаются более продвинутые попытки снизить битрейт до 300 бит/с и даже 150 бит/с. ^[7]

В 2010 году Lincoln Labs., Compandent , BBN и General Dynamics также разработали для DARPA устройство MELP со скоростью 300 бит/с. ^[8] Его качество было лучше, чем у MELPe со скоростью 600 бит/с, но задержка была больше.

См. также

Ссылки

^ Оуэнс, Ф.Дж. (1993). Обработка сигналов речи . Хаундмиллс: MacMillan Press. ISBN 0-333-51922-1 .
^ Как, С. и Джаянт, Н.С., Шифрование речи с использованием скремблирования сигналов. Технический журнал Bell System, том. 56, стр. 781–808, май – июнь 1977 г.
^ Модель вокодера LPC со смешанным возбуждением для кодирования речи с низкой скоростью передачи данных, Алан В. МакКри, Томас П. Барнвелл, 1995 в IEEE Trans. Обработка речи и звука (оригинальный MELP)
^ Аналого-цифровое преобразование голоса с помощью линейного прогнозирования смешанного возбуждения со скоростью 2400 бит/секунду (MELP), Министерство обороны США (MIL_STD-3005, оригинальный MELP)
^ СОВМЕСТИМЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ГОЛОСОВОЙ КОДЕР НАТО 1200 И 2400 БИТ/С, STANAG-4591, НАТО
^ ВАРИАНТ MELpe ДЛЯ 600 БИТ/С, УЗКОПОЛОСНЫЙ ГОЛОСОВОЙ КОДЕР НАТО, STANAG-4591, НАТО
^ Николс, Рэндалл К. и Леккас, Панос К. (2002). «Речевая криптология». Безопасность беспроводной сети: модели, угрозы и решения . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-138038-8 .
^ Алан МакКри, «Масштабируемая структура фонетического вокодера, использующая совместное прогнозирующее векторное квантование параметров MELP», в Proc. IEEE Международный. Конф. Acoust., Речь, Обработка сигналов, 2006, стр. I 705–708, Тулуза, Франция.

[1] Оуэнс, Ф.Дж. (1993). Обработка сигналов речи . Хаундмиллс: MacMillan Press. ISBN 0-333-51922-1 .

[2] Как, С. и Джаянт, Н.С., Шифрование речи с использованием скремблирования сигналов. Технический журнал Bell System, том. 56, стр. 781–808, май – июнь 1977 г.

[3] Модель вокодера LPC со смешанным возбуждением для кодирования речи с низкой скоростью передачи данных, Алан В. МакКри, Томас П. Барнвелл, 1995 в IEEE Trans. Обработка речи и звука (оригинальный MELP)

[4] Аналого-цифровое преобразование голоса с помощью линейного прогнозирования смешанного возбуждения со скоростью 2400 бит/секунду (MELP), Министерство обороны США (MIL_STD-3005, оригинальный MELP)

[5] СОВМЕСТИМЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ГОЛОСОВОЙ КОДЕР НАТО 1200 И 2400 БИТ/С, STANAG-4591, НАТО

[6] ВАРИАНТ MELpe ДЛЯ 600 БИТ/С, УЗКОПОЛОСНЫЙ ГОЛОСОВОЙ КОДЕР НАТО, STANAG-4591, НАТО

[7] Николс, Рэндалл К. и Леккас, Панос К. (2002). «Речевая криптология». Безопасность беспроводной сети: модели, угрозы и решения . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-138038-8 .

[8] Алан МакКри, «Масштабируемая структура фонетического вокодера, использующая совместное прогнозирующее векторное квантование параметров MELP», в Proc. IEEE Международный. Конф. Acoust., Речь, Обработка сигналов, 2006, стр. I 705–708, Тулуза, Франция.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]