Scrambler

Scrambler ( eng.  scramble  - encrypt , mix ) - en mjukvara eller hårdvaruenhet ( algoritm ) som utför scrambling  - en reversibel omvandling av en digital ström utan att ändra överföringshastigheten för att erhålla egenskaperna hos en slumpmässig sekvens . Efter förvrängning är utseendet på "1" och "0" i utdatasekvensen lika troligt. Förvrängning är en reversibel process, det vill säga att det ursprungliga meddelandet kan återställas genom att använda den omvända algoritmen.

Förvränga mål

Såsom applicerat på telekommunikationssystem ökar förvrängning tillförlitligheten av synkroniseringen av enheter anslutna till kommunikationslinjen (ger tillförlitligt val av klockfrekvensen direkt från den mottagna signalen) och minskar nivån av störningar som avges till intilliggande linjer i en flerkärnig kabel. Ett annat tillämpningsområde för scramblers är skyddet av överförd information från obehörig åtkomst.

För förvrängningsalgoritmer är operationshastigheten och sekvensens slumpmässiga karaktär extremt viktiga så att den inte kan återställas i händelse av avlyssning av fienden. Krypteringsprocessen kan innefatta att lägga till vissa komponenter till den ursprungliga signalen eller att ändra viktiga delar av signalen för att komplicera rekonstruktionen av den ursprungliga signalen eller för att ge signalen vissa statistiska egenskaper.

Scramblers används i offentliga telefonnätverk , satellit- och radioreläkommunikation , digital-TV , såväl som för att skydda laserskivor från kopiering.

Vanligtvis utförs kryptering i det sista steget av digital bearbetning, strax före modulering.

Typer av scramblers

Självsynkroniserande scramblers

Huvuddelen av scramblern är en pseudo-slumpsekvensgenerator (RRP) i form av ett linjärt n-kaskadåterkopplingsregister som genererar en sekvens med maximal längd .

En egenskap hos en självsynkroniserande scrambler ( SS scrambler ) är att den styrs av en förvrängd sekvens, det vill säga den som sänds till kanalen. Med denna typ av förvrängning krävs därför ingen speciell inställning av tillstånden för förvrängaren och avkodaren: den förvrängda sekvensen skrivs till förvrängarens och avkodarens skiftregister, vilket sätter dem till ett identiskt tillstånd. Om synkronism går förlorad mellan förvrängaren och förvrängaren, överskrider inte synkroniseringsåterställningstiden antalet cykler lika med antalet krypteringsregisterceller.

På den mottagande sidan sker extraheringen av den ursprungliga sekvensen genom modulo 2-addition av den mottagna krypterade sekvensen med sekvensen vid skiftregistrets utgång. Till exempel, för kretsen som visas i figuren, konverteras ingångssekvensen med hjälp av en scrambler i enlighet med förhållandet till den skickade binära sekvensen . I mottagaren, från denna sekvens, bildas sekvensen av samma skiftregister som vid mottagningen .

Som följer av principen för driften av schemat, med ett fel i sekvensen , är de efterföljande artonde och tjugotredje tecknen (i detta exempel) också felaktiga. I allmänhet kommer effekten av en felaktigt mottagen bit att märkas a gånger, där a  är antalet återkopplingar i skiftregistret. Sålunda har SS-krypterings-avkodaren egenskapen att felutbredning. Denna nackdel med SS-krypterings-avkodaren begränsar antalet återkopplingar i skiftregistret; i praktiken överstiger inte detta antal a = 2.

Den andra nackdelen med SS-förvrängaren är förknippad med möjligheten att uppträda så kallade "kritiska situationer" vid dess utgång under vissa förhållanden, när utgångssekvensen får en periodisk karaktär med en period som är mindre än längden på PSS. För att förhindra detta tillhandahåller scramblern och descrambleren speciella ytterligare styrkretsar som upptäcker närvaron av periodiciteten av element vid ingången och bryter mot den.

Additiv scramblers

Med additiv kryptering måste tillstånden för krypterings- och avkodningsregistren vara identiskt inställda i förväg. I scramblern med installationen (AD-scrambler) , som i CC scramblern, summeras insignalen och PSP, men den resulterande signalen matas inte till registrets ingång. I en avkodare passerar inte heller den förvrängda signalen genom skiftregistret, så ingen felutbredning inträffar.

Sekvenserna som summeras i förvrängaren är oberoende, så deras period är alltid lika med den minsta gemensamma multipeln av perioderna för ingångssekvensen och SRP, och det finns inget kritiskt tillstånd. Frånvaron av felutbredningseffekten och behovet av speciell logik för att skydda mot oönskade situationer gör den additiv förvrängningsmetoden att föredra, om vi inte tar hänsyn till kostnaden för att lösa problemet med att synkronisera förvrängaren och avkodaren. Som inställningssignal i digitala dataöverföringssystem används en ramsynkroniseringssignal.

Skydd av telefonsamtal

Audio scramblers används aktivt för att skydda telefonsamtal. Vid scrambling är det möjligt att konvertera en talsignal i tre parametrar: amplitud , frekvens och tid . I mobilradiokommunikationssystem har emellertid främst frekvens- och tidstransformationer av signalen, såväl som deras kombinationer, funnit praktisk tillämpning. Eventuell störning i radiokanalen komplicerar avsevärt den exakta återställningen av amplituden för talsignalen, och därför används praktiskt taget inte amplitudtransformationer under kryptering.

De viktigaste metoderna för omvandling av talsignaler:

Frekvenskonverteringar

Med frekvensinversion är omvandlingen av spektrumet för en talsignal ekvivalent med att vända signalens frekvensband runt en viss medelfrekvens F och  är inversionsfrekvensen.

En något mer komplex signalomvandlingsmetod än frekvensinversion tillhandahålls av en scrambler som delar upp talsignalbandet i delband med en frekvensinvertering av signalen i varje delband (band-shift inverter). Vanligtvis är bandet uppdelat i 2 underband.

Bandbreddsförvrängare använder en metod för att dela upp ett talsignalband i flera delband med frekvenspermutationer av dessa delband. En bandförvrängare kan implementeras baserat på Fast Fourier Transform (FFT) . I en sådan scrambler utförs en framåtriktad FFT på sändningssidan, en frekvenspermutation av banden och sedan en invers FFT. På den mottagande sidan utförs liknande omvandlingar med omvänd frekvenspermutation av banden. I förvrängare med FFT är det möjligt att uppnå en hög grad av informationssäkerhet genom att öka antalet sammanblandade band, men i praktiken används denna metod för förvrängning i mobilradiokommunikation sällan på grund av svårigheterna med teknisk implementering. Dessutom introducerar FFT-förvrängare en tidsfördröjning i kommunikationskanalen.

Temporala transformationer

Den enklaste typen av tidstransformation är tidsinvertering , där den ursprungliga signalen är uppdelad i en sekvens av tidssegment och var och en av dem sänds omvänt i tiden - från slutet till början.

I en tidspermutationsförvrängare är talsignalen uppdelad i tidsramar, som var och en i sin tur är uppdelad i segment, och sedan permuteras segmenten av talsignalen.

Kombinerade transformationer

För att ytterligare öka graden av talstängning används en kombination av tids- och frekvensförvrängning. I en sådan scrambler, efter analog-till-digital-omvandling, delas spektrumet av den digitaliserade talsignalen upp i frekvens-tidselement, som sedan blandas på frekvens-tid-planet i enlighet med ett av de kryptografiska elementen och summeras utan att gå utanför originalsignalens frekvensområde.

TV

Scramblers används i digital- och kabel-tv för att ge tillgång till betalinnehåll och förhindra stöld av sändningssignalen. Tidiga versioner av dessa enheter inverterade en av komponenterna i TV-signalen och återställde den på klientsidan. Senare började mer avancerade scramblers filtrera en av signalkomponenterna och överföra data utan den. Att återställa den ursprungliga sekvensen genom att lägga till den saknade delen av signalen sker på användarens sida.

Kryptografi

Behovet av att synkronisera scramblers ledde James Ellis till idén om offentliga nyckelkryptosystem , vilket sedan ledde till skapandet av RSA -krypteringsalgoritmen och Diffie-Hellman-protokollet .

Moderna scrambling-system skiljer sig mycket från de ursprungliga scramblers. Dessa är komplexa digitaliseringsenheter , kombinerade med krypteringsenheter. I sådana system digitaliseras originalsignalen, sedan krypteras och skickas data. I kombination med asymmetriska krypteringssystem är dessa "scramblers" säkrare än sina tidigare motsvarigheter. Endast sådana system anses vara tillräckligt tillförlitliga för att hantera kritiska data.

Se även

Anteckningar

Litteratur

Länkar