Скремблер

В телекоммуникациях скремблер сообщение — это устройство, которое транспонирует или инвертирует сигналы или иным образом кодирует на стороне отправителя, чтобы сделать сообщение неразборчивым для получателя, не оснащенного соответствующим образом настроенным устройством дескремблирования. В то время как шифрование обычно относится к операциям, выполняемым в цифровой области, скремблирование обычно относится к операциям, выполняемым в аналоговой области. Скремблирование осуществляется путем добавления компонентов к исходному сигналу или изменения некоторых важных компонентов исходного сигнала, чтобы затруднить извлечение исходного сигнала. Примеры последнего могут включать удаление или изменение импульсов вертикальной или горизонтальной синхронизации в телевизионных сигналах; телевизоры не смогут отображать картинку с такого сигнала. Некоторые современные скремблеры на самом деле являются устройствами шифрования , название сохранилось из-за сходства в использовании, а не из-за внутреннего действия.

В телекоммуникациях и записи скремблер — (также называемый рандомайзером ) это устройство, которое манипулирует потоком данных перед передачей. Манипуляции меняются дескремблером на принимающей стороне. Скремблирование широко используется в спутниковой , радиорелейной связи и модемах PSTN . Скремблер можно разместить непосредственно перед кодером FEC или после FEC, непосредственно перед модуляцией или линейным кодом . Скремблер в этом контексте не имеет ничего общего с шифрованием , поскольку цель состоит не в том, чтобы сделать сообщение неразборчивым, а в том, чтобы придать передаваемым данным полезные инженерные свойства.

Скремблер заменяет последовательности (называемые «белящими последовательностями ») другими последовательностями, не удаляя нежелательные последовательности, и в результате меняет вероятность появления нежелательных последовательностей. Очевидно, что это не является надежным, поскольку существуют входные последовательности, которые дают только нули, все единицы или другие нежелательные периодические выходные последовательности. Поэтому скремблер не является хорошей заменой линейного кода , который на этапе кодирования удаляет нежелательные последовательности.

Цели скремблирования

Скремблер (или рандомайзер) может быть:

Алгоритм, который преобразует входную строку в кажущуюся случайной выходную строку той же длины (например, путем псевдослучайного выбора битов для инвертирования), избегая таким образом длинных последовательностей бит одного и того же значения; в этом контексте рандомайзер также называют скремблером.
Аналоговый или цифровой источник непредсказуемых (т. е. с высокой энтропией), несмещенных и обычно независимых (т. е. случайных) выходных битов. «Истинно» генератор случайных чисел может использоваться для подачи (более практичного) детерминированного генератора псевдослучайных чисел , который расширяет случайное начальное значение.

Есть две основные причины использования скремблирования:

Обеспечить точное восстановление синхронизации на приемном оборудовании, не прибегая к избыточному линейному кодированию. Это облегчает работу схемы восстановления синхронизации (см. также восстановление тактовой частоты ), автоматической регулировки усиления и других адаптивных схем приемника (устраняя длинные последовательности, состоящие только из «0» или «1»).
Для рассеивания энергии на несущей, уменьшения помех между несущими . сигнала Это устраняет зависимость спектра мощности от фактически передаваемых данных, делая его более рассредоточенным для удовлетворения требований максимальной спектральной плотности мощности (поскольку, если мощность сосредоточена в узкой полосе частот, она может создавать помехи соседним каналам из-за интермодуляции ( также известная как кросс-модуляция), вызванная нелинейностью приемного тракта).

, скремблеры являются важными компонентами стандартов систем физического уровня Помимо чередующегося кодирования и модуляции . Обычно они определяются на основе регистров сдвига с линейной обратной связью (LFSR) из-за их хороших статистических свойств и простоты аппаратной реализации.

Органы по стандартизации физического уровня обычно называют шифрование нижнего уровня (физический уровень и канальный уровень ) также скремблированием. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Это вполне может быть связано с тем, что используемые (традиционные) механизмы также основаны на регистрах сдвига с обратной связью.

Некоторые стандарты цифрового телевидения , такие как DVB-CA и MPE , называют шифрование на канальном уровне скремблированием.

Типы скремблеров

Аддитивные (синхронные) скремблеры

Аддитивные скремблеры (их еще называют синхронными ) преобразуют входной поток данных путем применения псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS) (путем сложения по модулю два). Иногда используется предварительно рассчитанный PRBS, хранящийся в постоянной памяти , но чаще он генерируется сдвиговым регистром с линейной обратной связью (LFSR).

Чтобы гарантировать синхронную работу передающего и принимающего LFSR (то есть скремблера и дешифратора ), синхронизирующее слово необходимо использовать .

Синхронное слово — это шаблон, который помещается в поток данных через равные промежутки времени (то есть в каждом кадре ). Приемник ищет несколько синхрослов в соседних кадрах и, следовательно, определяет место, когда его LFSR должен быть перезагружен с заранее определенным начальным состоянием .

Аддитивный дескремблер — это то же самое устройство, что и аддитивный скремблер.

Аддитивный скремблер/дескремблер определяется полиномом его LFSR (для скремблера на рисунке выше это $1+z^{-14}+z^{-15}$ ) и его исходное состояние .

Мультипликативные (самосинхронизирующиеся) скремблеры

Мультипликативные скремблеры (также известные как сквозные ) называются так, потому что они выполняют умножение скремблера входного сигнала на передаточную функцию в Z-пространстве . Это дискретные линейные стационарные системы. Мультипликативный скремблер является рекурсивным, а мультипликативный дескремблер нерекурсивным. В отличие от аддитивных скремблеров, мультипликативные скремблеры не нуждаются в кадровой синхронизации, поэтому их еще называют самосинхронизирующими . Мультипликативный скремблер/дескремблер определяется аналогично полиномом (для скремблера на картинке это $1+z^{-18}+z^{-23}$ ), что также является передаточной функцией дешифратора.

Сравнение скремблеров

Скремблеры имеют определенные недостатки:

Оба типа могут не генерировать случайные последовательности при наихудших входных условиях.
Мультипликативные скремблеры приводят к умножению ошибок во время дескремблирования (т.е. однобитовая ошибка на входе дескремблера приведет к w ошибок на его выходе, где w равно числу отводов обратной связи скремблера).
Аддитивные скремблеры должны быть сброшены при синхронизации кадров; если это не удастся, произойдет массовое распространение ошибок, поскольку полный кадр не может быть дескремблирован. (Альтернативно, если вы знаете, что было отправлено, скремблер можно синхронизировать)
Эффективная длина случайной последовательности аддитивного скремблера ограничена длиной кадра, которая обычно намного короче периода PRBS. Добавляя номера кадров к синхронизации кадров, можно увеличить длину случайной последовательности, изменяя случайную последовательность в соответствии с номером кадра.

Шум

Первые шифраторы голоса были изобретены в Bell Labs незадолго до Второй мировой войны . Эти наборы состояли из электроники, которая могла смешивать два сигнала или, альтернативно, снова «вычитать» один сигнал. Два сигнала передавались телефоном и проигрывателем пластинок . Была получена соответствующая пара записей, каждая из которых содержала одинаковую запись шума . Запись воспроизводилась на телефоне, а смешанный сигнал передавался по проводу. Затем шум был вычтен на дальнем конце с использованием соответствующей записи, оставив исходный голосовой сигнал нетронутым. Подслушивающие будут слышать только шумный сигнал и не смогут понять голос.

Один из них, использовавшийся (помимо других обязанностей) для телефонных переговоров между Уинстоном Черчиллем и Франклином Д. Рузвельтом, был перехвачен и расшифрован немцами . По крайней мере, один немецкий инженер до войны работал в Bell Labs и придумал способ их взломать. Более поздние версии настолько отличались, что немецкая команда не смогла их расшифровать. Ранние версии были известны как « А-3 » (от корпорации AT&T ). Несвязанное устройство под названием SIGSALY использовалось для голосовой связи более высокого уровня.

Шум был воспроизведен на больших граммофонных пластинках шеллаком, сделанных парами, отправленных по мере необходимости и уничтоженных после использования. Это сработало, но было крайне неудобно. Просто добиться синхронизации двух записей оказалось сложно. Послевоенная электроника значительно облегчила работу с такими системами, создавая псевдослучайный шум на основе короткого входного тона. При использовании вызывающий абонент воспроизводит тональный сигнал в телефоне, а затем оба скремблера прослушивают сигнал и синхронизируются с ним. Однако это обеспечивало ограниченную безопасность, поскольку любой слушатель с базовыми знаниями электронных схем часто мог создать машину с достаточно похожими настройками, чтобы взломать связь.

Криптографический

Именно необходимость синхронизации шифраторов подсказала Джеймсу Х. Эллису идею несекретного шифрования , которая в конечном итоге привела к изобретению как RSA алгоритма шифрования , так и обмена ключами Диффи-Хеллмана задолго до того, как оба из них были публично заново изобретены Ривестом . Шамира и Адлемана , или Диффи и Хеллмана .

Новейшие шифраторы — это не шифраторы в прямом смысле этого слова, а, скорее, цифровые преобразователи в сочетании с шифровальными машинами. В этих системах исходный сигнал сначала преобразуется в цифровую форму, а затем цифровые данные шифруются и отправляются. Используя современные системы с открытым ключом , эти «шифраторы» гораздо более безопасны , чем их более ранние аналоговые аналоги. Только эти типы систем считаются достаточно безопасными для конфиденциальных данных.

Скремблирование с инверсией голоса может быть простым, от инвертирования полос частот вокруг статической точки до различных сложных методов случайного изменения точки инверсии в реальном времени и использования нескольких полос.

«Скремблеры», используемые в кабельном телевидении, предназначены для предотвращения случайной кражи сигнала, а не для обеспечения какой-либо реальной безопасности. Ранние версии этих устройств просто «инвертировали» один важный компонент ТВ-сигнала, повторно инвертируя его на стороне клиента для отображения. Более поздние устройства были лишь немного сложнее: они полностью отфильтровывали этот компонент, а затем добавляли его, исследуя другие части сигнала. В обоих случаях схему может легко построить любой достаточно хорошо осведомленный любитель. (см. Телевизионное шифрование .)

Электронные комплекты для скремблирования и дескремблирования можно приобрести у поставщиков-любителей. Энтузиасты сканеров часто используют их для прослушивания закодированных сообщений на автомобильных гонках и некоторых передач общественной службы. Это также распространено в радиоприемниках FRS . Это простой способ научиться скремблированию.

Термин «скремблирование» иногда неправильно используют, когда глушение имеется в виду .

Дешифровать

Дескремблирование в контексте кабельного телевидения — это процесс приема скремблированного или зашифрованного видеосигнала, который был предоставлен компанией кабельного телевидения для предоставления телевизионных услуг премиум-класса, обработан скремблером, а затем передан по коаксиальному кабелю и доставлен в домохозяйство, где установлен телевизор. Top Box повторно обрабатывает сигнал, дескремблируя его и делая доступным для просмотра на телевизоре . Дескремблер — устройство, восстанавливающее изображение и звук зашифрованного канала. Дешифратор необходимо использовать с преобразователем кабельного телевидения , чтобы иметь возможность расшифровать все каналы премиум-класса и каналы с оплатой за просмотр в системе кабельного телевидения.

См. также

Ссылки

^ EN 301 192, Спецификации для широковещательной передачи данных , Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 2004.
^ ETR 289, Поддержка использования скремблирования и условного доступа (CA) в системах цифрового вещания , Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 1996.

Внешние ссылки и ссылки

[1] Структура кадра DVB , канальное кодирование и модуляция для спутниковых служб 11/12 ГГц (EN 300 421)
V.34 ITU-T recommendation
Стандарт земной станции Intelsat IESS-308
В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

[1] EN 301 192, Спецификации для широковещательной передачи данных , Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 2004.

[2] ETR 289, Поддержка использования скремблирования и условного доступа (CA) в системах цифрового вещания , Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 1996.

[ 1 ]

[ 2 ]