СИГСАЛЫ

Выставка SIGSALY в Национальном криптологическом музее

SIGSALY (также известная как X System , Project X , Ciphony I и Green Hornet ) — безопасная речевая система, использовавшаяся во время Второй мировой войны на самом высоком уровне союзников для связи . Он был пионером ряда концепций цифровой связи , включая первую передачу речи с использованием импульсно-кодовой модуляции .

Название SIGSALY было не аббревиатурой, а прикрытием, напоминающим аббревиатуру — часть SIG была распространена в названиях армейских войск связи (например, SIGABA ). ^[1] Прототип был назван «Зеленый Шершень» в честь радиошоу «Зеленый Шершень он звучал как жужжание шершня , напоминая музыкальную тему шоу. », потому что для любого, кто пытался подслушать разговор, ^[2]

Разработка

На момент своего создания в междугородной телефонной связи использовался скремблер речи «А-3», разработанный компанией Western Electric . Он работал по принципу инверсии голоса . У немцев была станция прослушивания на голландском побережье, которая могла перехватить и прервать движение А-3. ^[1]

Хотя телефонные шифраторы использовались обеими сторонами во время Второй мировой войны, они, как известно, в целом не были очень безопасными, и обе стороны часто взламывали зашифрованные разговоры друг друга. Проверка звукового спектра с помощью анализатора спектра часто давала важные сведения о методе скремблирования. Небезопасность большинства схем телефонного скремблера привела к разработке более безопасного скремблера, основанного на принципе одноразового блокнота .

Прототип был разработан в Bell Telephone Laboratories под руководством А. Б. Кларка при содействии британского математика Алана Тьюринга . ^[1]^[3] и продемонстрирован армии США. Армия была впечатлена и в 1942 году заключила с Bell Labs контракт на поставку двух систем. SIGSALY поступила на вооружение в 1943 году и оставалась на вооружении до 1946 года.

Операция

SIGSALY использовала маску случайного шума для шифрования голосовых разговоров, закодированных вокодером . Последнее использовалось для минимизации количества избыточности (которой много в голосовом трафике), чтобы уменьшить объем шифруемой информации. ^[2]

При кодировании голоса использовался тот факт, что речь меняется довольно медленно по мере движения компонентов горла. Система извлекает информацию о голосовом сигнале 50 раз в секунду (каждые 20 миллисекунд). ^[4]

десять каналов, охватывающих полосу пропускания телефона (250–2950 Гц); выпрямляются и фильтруются, чтобы определить, сколько энергии находится в каждом из этих каналов.
другой сигнал, указывающий, является ли звук звонким или глухим ;
если озвученный, то сигнал, указывающий высоту тона ; она также варьировалась менее чем на 25 Гц.

Далее каждый сигнал проверялся на предмет его амплитуды один раз каждые 20 миллисекунд. ^[4] Для сигналов полосовой амплитуды амплитуда конвертировалась в один из шести уровней амплитуды со значениями от 0 до 5. Уровни амплитуд имели нелинейный масштаб, с широкими шагами между уровнями при высоких амплитудах и более узкими при низких амплитудах. Эта схема, известная как « компандирование » или «сжатие-расширение», использует тот факт, что точность речевых сигналов более чувствительна к низким амплитудам, чем к высоким. Сигнал основного тона, который требовал большей чувствительности, кодировался парой шестиуровневых значений (одно грубое и одно точное), что в общей сложности давало тридцать шесть уровней.

Криптографический ключ , состоящий из серии случайных значений из одного и того же набора из шести уровней, вычитался из каждого выбранного значения амплитуды голоса, чтобы зашифровать их перед передачей. Вычитание выполнялось с использованием модульной арифметики : метод «зацикливания», означающий, что если был отрицательный результат, он добавлялся к шести, чтобы дать положительный результат. Например, если значение амплитуды голоса равно 3, а случайное значение равно 5, то вычитание будет работать следующим образом:

3-5\equiv -2,\ -2+6\equiv 4{\pmod {6}}\,

— давая значение 4.

Затем передавалось значение выборки, при этом каждый уровень выборки передавался на одной из шести соответствующих частот в полосе частот, схема, известная как « частотная манипуляция (FSK)». Принимающий SIGSALY считывал значения частот, преобразовывал их в образцы и добавлял к ним значения ключей для их расшифровки. Сложение также выполнялось по модулю: из любого значения больше пяти вычиталось шесть. В соответствии с приведенным выше примером, если получающий SIGSALY получил выборочное значение 4 с соответствующим случайным значением 5, то сложение будет следующим:

4+5\equiv 9,\ 9-6\equiv 3{\pmod {6}}\,

— что дает правильное значение 3.

Чтобы преобразовать семплы обратно в голосовой сигнал, их сначала снова превратили в дюжину низкочастотных вокодированных сигналов. Была использована инверсия процесса вокодера, которая включала:

источник белого шума (используется для невокализованных звуков);
генератор сигналов (используется для вокализованных звуков), генерирующий набор гармоник с базовой частотой, управляемой сигналом основного тона;
переключатель, управляемый вокальным/невокализованным сигналом, для выбора одного из этих двух в качестве источника;
набор фильтров (по одному на каждую полосу), каждый из которых принимает на вход один и тот же источник (источник, выбираемый переключателем), а также усилители, усиление которых контролировалось сигналами амплитуды полосы.

Значения шума, используемые для ключа шифрования, первоначально были получены с помощью больших ртутных выпрямляющих вакуумных ламп и сохранены на граммофонной пластинке. Затем запись была продублирована и передана в системы SIGSALY на обоих концах разговора. Пластинки служили одноразовым блокнотом SIGSALY , и их распространение строго контролировалось (хотя, если бы одна из них была конфискована, это не имело бы особого значения, поскольку за всю историю производилось только по одной паре пластинок). В целях тестирования и настройки использовалась система генерации псевдослучайных чисел, состоящая из реле, известная как «молотилка».

Пластинки воспроизводились на проигрывателях , но поскольку время – синхронизация часов – между двумя терминалами SIGSALY должно было быть точным, проигрыватели ни в коем случае не были обычными проигрывателями. Скорость вращения проигрывателей тщательно контролировалась, а запись начиналась в строго определенное время, основанное на точных стандартах времени суток. Поскольку каждая пластинка давала только 12 минут ключа , каждая SIGSALY имела две вертушки, причем вторая пластинка «стояла в очереди», пока первая «играла».

Использование

Терминал SIGSALY был массивным, состоящим из 40 стоек с оборудованием. Он весил более 50 тонн и потреблял около 30 кВт мощности, поэтому для его хранения требовалось помещение с кондиционером. Слишком большой и громоздкий для общего использования, он использовался только для голосовой связи самого высокого уровня. ^[5]

В конечном итоге по всему миру было установлено около десятка терминалов SIGSALY. Первый был установлен в здании Пентагона , а не в Белом доме, у которого была добавочная линия , поскольку президент США Франклин Рузвельт знал о настойчивых требованиях британского премьер-министра Уинстона Черчилля , чтобы он мог позвонить в любое время суток или ночь. Второй был установлен на 60 метров (200 футов) ниже уровня улицы в подвале универмага Selfridges на Оксфорд-стрит в Лондоне , недалеко от посольства США на Гросвенор-сквер . Первая конференция состоялась 15 июля 1943 года, и ее использовали как генерал Дуайт Д. Эйзенхауэр в качестве командующего SHAEF , так и Черчилль, прежде чем были установлены пристройки к посольству, Даунинг-стрит, 10 и военным помещениям кабинета министров . ^[1] Один был установлен на корабле и сопровождал генерала Дугласа Макартура во время его кампаний в южной части Тихого океана . Всего во время Второй мировой войны система поддерживала около 3000 телефонных конференций высокого уровня.

Установку и обслуживание всех машин SIGSALY осуществляли специально сформированные и проверенные сотрудники 805-й роты связи США Корпуса связи армии . Система была громоздкой, но работала очень эффективно. Когда союзники вторглись в Германию, группа расследований обнаружила, что немцы записали значительные объемы трафика из системы, но ошибочно пришли к выводу, что это сложная система телеграфного кодирования. ^[1]^{[ не удалось пройти проверку ]}

Значение

SIGSALY была отмечена рядом «новинок»; этот список взят из (Bennett, 1983):

Первая реализация зашифрованной телефонии
Первая квантованная передача речи
Первая передача речи методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)
Первое использование компандированного PCM
Первые примеры многоуровневой частотной манипуляции (FSK).
Первая полезная реализация сжатия полосы пропускания речи.
Первое использование FSK-FDM (мультиплексирование с частотной манипуляцией и частотным разделением каналов) в качестве жизнеспособного метода передачи через среду с замиранием.
Первое использование многоуровневой « глазковой схемы » для регулировки интервалов выборки (новый и важный инструментальный метод).

См. также

Распространение спектра
STU-III — более новая система шифрования голоса.
Кодирование речи

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и История SIGSALY , Патрик Д. Уидон, Агентство национальной безопасности/Центральная служба безопасности
^ Перейти обратно: ^а ^б «Вокс Экс Машина» . 99% невидимость . Проверено 28 марта 2022 г.
^ Лиат Кларк; Ян Стедман. «Достижения Тьюринга: взлом кодов, искусственный интеллект и рождение информатики» . Проверено 12 февраля 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Джон Д. Пол. «Восстановление фрагмента первого цифрового скремблера голоса» .IEEE-спектр.2019.
^ Бун, СП; Петерсон, Р.Р. (июль 2000 г.). Начало цифровой революции: SIGSALY, Безопасная цифровая голосовая связь во Второй мировой войне (pdf) . Агентство национальной безопасности.

Примечания

Уильям Р. Беннетт, научный сотрудник IEEE, «Секретная телефония как исторический пример связи с расширенным спектром», IEEE Transactions on Communications , Vol. КОМ-31, № 1, январь 1983 г., 99.
Уидон, П., «История Сигсалы», Центральная служба безопасности Агентства национальной безопасности, январь 2009 г.

Дальнейшее чтение

Совершенно секретные сообщения Второй мировой войны, Дональд Мел, Корпус связи армии США. Полная история SIGSALY и SIGTOT. Книгу можно получить в Ассоциации войск связи США, некоммерческой организации.
Доктор медицинских наук Фаген (редактор), Национальная служба в войне и мире (1925–1975) , Том II истории техники и науки в системе Bell (Bell Telephone Laboratories, 1978), стр. 296–317

Внешние ссылки

«История СИГСАЛЫ»
«Начало цифровой революции»
«Патент США № 3967067 «Секретная телефония» 1941 года на систему».
Изображения и описание SIGSALY на Wayback Machine (архивировано 27 января 2007 г.)
Ральфу Миллеру приписывают ряд соответствующих патентов, описанных в томе II «Истории техники и науки в системе Bell» .
Образец голоса, закодированного вокодером КО-6 , более поздней системы, похожей по характеристикам на SIGSALY: Тайная история вокодера.

Эта статья или ее более ранняя версия включает в себя материалы из книги Грега Гебеля « Коды, шифры и взлом кодов» .

[autogenerated1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и История SIGSALY , Патрик Д. Уидон, Агентство национальной безопасности/Центральная служба безопасности

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б «Вокс Экс Машина» . 99% невидимость . Проверено 28 марта 2022 г.

[3] Лиат Кларк; Ян Стедман. «Достижения Тьюринга: взлом кодов, искусственный интеллект и рождение информатики» . Проверено 12 февраля 2013 г.

[jpaul-4] Перейти обратно: ^а ^б Джон Д. Пол. «Восстановление фрагмента первого цифрового скремблера голоса» .IEEE-спектр.2019.

[5] Бун, СП; Петерсон, Р.Р. (июль 2000 г.). Начало цифровой революции: SIGSALY, Безопасная цифровая голосовая связь во Второй мировой войне (pdf) . Агентство национальной безопасности.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]