Для решения первой задачи используют комплекс организационно-правовых и технических мероприятий, направленных на установление режима хранения и эксплуатации технических средств обработки и передачи конфиденциальных сведений:
- применение средств ограничения доступа к указанным техническим средствам;
- устранение технических каналов утечки информации;
- шифрование первичных сообщений.
Вторая задача решается путем корректного выбора технических параметров системы, обеспечивающих её нормальное функционирование в условиях воздействия неблагоприятных внешних факторов и помех. Методы решения этой задачи рассматриваются ниже.
Парольная защита доступа к аппаратуре передачи данных организуется как для решения задач дифференциации пользователей системы по степени допуска к обрабатываемой информации, так и для затруднения несанкционированного приведения системы в рабочее состояние. Такая защита может быть организована либо средствами операционных систем ЭВМ, включенных в системы передачи и обработки данных либо применением для идентификации пользователей электронных карт.
Исходными данными для таких оценок являются срок жизни защищаемой информации Тжи, допустимая вероятность дешифровки данных Рдоп за время Тжи , длина ключа шифрования Lкл , вероятность Рк(d) того что какая-либо часть ключа (d символов) cкомпроментирована (известна злоумышленнику). Помимо этого необходимо знать количество технических средств N, выделяемых для дешифровки, и их быстродействие Т0 - время анализа одного ключа.
При оценке надежности шифрования будем исходить из широко используемого в криптографии принципа: противнику о шифре известно всё, кроме ключа шифрования. Возможно также, что он располагает некоторой информацией о ключе шифрования, например, известно множество используемых ключей либо какая то часть ключа.
Оценка надежности шифрования может быть выполнена по следующей методике.
1) Определяем размер множества возможных ключей , где m - количество символов алфавита шифруемого сообщения. Если какая-либо часть ключа (d символов) скомпроментированна с вероятностью Рк(d), то в качестве оценки размера множества возможных ключей можно принять математическое ожидание количества не скомпрометированных ключей
, (1.1)
где - средняя длина нескомпроментированной части ключа.
. (1.2)
2) Определяем среднее время анализа множества возможных ключей в предположении, что все нескомпроментированные ключи равновероятны.
, (1.3)
где Т0 - время анализа одного ключа;
N - количество единиц технических средств, которые могут быть выделены злоумышленником на дешифровку перехваченных сигналов.
Величину Т0 можно определить либо подсчитав число тактов работы процессора ЭВМ, затрачиваемых на анализ одного ключа, либо экспериментально, измерив его на ЭВМ такого же класса при дешифровке одного блока данных. Полученную оценку среднего времени дешифровки можно рассматривать в качестве её верхней границы. Квалифицированный криптоаналитик может существенно сократить указанное время. Хотя этот фактор и не поддается математическому анализу, его необходимо принимать во внимание при выборе средств и параметров шифрования.
3) Определяем вероятность дешифровки сообщения за время жизни информации:
, (1.4)
Очевидно, что условием эффективной защиты является выполнение неравенства:
.
В настоящее время известно большое количество алгоритмов шифрования . Они реализуются программно либо аппаратно. Аппаратные варианты реализации шифрования обладают на порядок более высоким быстродействии по сравнению с программными, а с появлением программируемых логических интегральных схем большой емкости приобретают главное преимущество программных реализаций - гибкость. По этим причинам аппаратный вариант шифрования в большей мере удовлетворяет требованиям технического задания.
Среди криптоалгоритмов, которые удобнее реализовывать аппаратно, для задач, поставленных техническим заданием, в наибольшей мере подходят блочные криптоалгоритмы, среди которых известные DES, ГОСТ и AES, стандартизованные в США и России .
Основным преимуществом алгоритма АES является его гибкость, криптостойкость и высокое быстродействие при реализации и использовании в различных приложениях обработки данных. Каждый блок данных шифруется независимо от других, поэтому можно осуществлять независимую передачу блоков данных и произвольный доступ к зашифрованным данным. Ни временная, ни позиционная синхронизация для операций шифрования не нужна. Алгоритм вырабатывает зашифрованные данные, в которых каждый бит является функцией от всех битов открытых данных и всех битов ключей. Различие лишь в одном бите данных даёт в результате равные вероятности изменения для каждого бита зашифрованных данных. АES может быть реализован аппаратно и программно, но базовый алгоритм всё же рассчитан на реализацию в электронных устройствах специального назначения. Это свойство АES выгодно отличает его от методов шифрования с использованием псевдослучайных последовательностей. Один из недостатков АES заключается в том, что одинаковые данные будут одинаково выглядеть в зашифрованном тексте.
Остановим свой выбор на криптоалгориме АES, ввиду его более высокой криптостойкости и матричной реализации на аппаратном уровне, по сравнению с алгоритмом ГОСТ и DES.
1.4 Характеристики линии связи
В задании на проектирование в качестве линии связи определен радиоканал. Для передачи сообщений по указанной линии связи информационные сообщения необходимо преобразовать в форму, обеспечивающую решение задачи проектирования: выбрать модуляцию, временные и амплитудные параметры сигнала и способы кодирования сообщений.
1.4.1 Выбор несущей частоты сигнала
Несущая частота сигнала является одним из важнейших параметров системы радиосвязи. От величины зависит дальность связи, вид радиоканала (тропосферный, ионосферный, спутниковый), уровень помех в канале связи, скорость передачи информации, размеры и характеристики антенн и т.д.
Основные соображения, которыми руководствуются при выборе несущей частоты для системы радиосвязи, можно сформулировать следующим образом:
- передаваемый по радиоканалу радиосигнал должен удовлетворять условию узкополосности:
,
- несущая частота определяет путь распространения сигнала от пункта передачи к пункту приема; например, радиоволны с частотами выше 50ч60 МГц распространяются в тропосфере в пределах прямой видимости, хорошо отражаются от различных препятствий, размеры которых превышают длину радиоволны, причем с увеличением несущей частоты растет затухание радиоволны в атмосфере; радиоволны другими с частотами обладают иными свойствами - могут распространяться с малыми потерями на большие расстояния, огибать препятствия, проникать вглубь Земли и воды и т.д.;
- несущая частота определяет габариты и возможность построения антенн с высокими техническими характеристиками - большим коэффициентом усиления и низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности;
- несущая частота должна удовлетворять рекомендациям МККР по выбору рабочих частот радиосистем различного назначения.
При выборе несущей частоты следует учитывать, что при дальности радиосвязи, превышающей расстояние прямой видимости:
, (1.5)
между передающей и приемной антеннами, расположенными соответственно на высотах hпер и hпр, для несущих частот, превышающих 30 МГц, радиоканал необходимо строить в виде цепочки ретрансляторов радиосигнала, каждая пара которых должна находиться в пределах прямой видимости друг друга.
Исходя из приведенных выше соображений по выбору несущей частоты , выберем микроволновый диапазон 2400-2483,5 МГц, предназначенный для внутриофисных систем передачи данных .
1.4.2 Распространение радиосигнала
Для прямого луча антенны энергия, передаваемая изотропным излучателем к принимающему сигнал приемнику, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними в длинах волн. Потери энергии в свободном пространстве задаются следующим образом:
Потери [дБ]=, (1.6)
где - расстояние [км];
- частота [МГц].
На практике из величины потерь в свободном пространстве, вычитают коэффициент усиления мощности передающих и принимающих антенн.
Основные потери в системе микроволновой связи - затухание сигнала в атмосфере . Поглощение энергии сигнала зависит от влажности атмосферы, а так как энергия, кроме того, поглощается землей, то потери определяются и высотой пути над землей. Поглощение дождем, хотя и считается незначительным, на частотах ниже 3 ГГц косвенно все же сказывается и соответственно принимается во внимание.
На излучаемый сигнал могут сильно влиять объекты, находящиеся от пути прохождения волны. Эти эффекты могут возникать либо из-за дифракции, отклоняющей волну от направления прямой видимости между антеннами, либо ввиду свойств сигнала отражаться от препятствий, прокладываю новые пути распространения.
Дополнительные потери на пути распространения микроволны вызываются вторжением тел в первую зону Френеля или их приближением к ней.
На распространение волн также влияет рефракция. Инверсии температуры могут вызвать канальный эффект, и в результате возникновения интерференции возможна потеря сигнала.
Для нормальной работы линии связи, прежде всего, необходимо выполнение условия энергетического баланса:
Рпр мин отн Рпер отн. +Ап dлс , (1.7)
где Рпр.мин.отн - чувствительность приемника системы связи (относительный уровень минимальной мощности сигнала на его входе, при котором обеспечиваются требуемые показатели качества его работы: отношение сигнал/шум либо вероятность ошибок);
Рпер.отн - относительный уровень минимальной мощности сигнала передатчика системы связи;
Ап - погонное (удельное) затухание сигнала в линии связи (затухание на единицу длины);
dлс - протяженность (длина) линии связи.
Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.
Приведенное соотношение позволяет выбрать энергетические параметры системы связи: мощность сигнала передатчика, чувствительность приемника, параметры антенн для радиоканала, затухание для проводной линии связи.
1.4.3 Пропускная способность линии связи
Характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, (Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с) и т.д.
Пропускная способность линии связи зависит, от амплитудно-частотной характеристики так и от спектра передаваемых сигналов. Необходимым условием неискаженной передачи сигнала является превышение полосы пропускания линии связи Fлс ширины спектра сигнала Fс, передаваемого по линии связи:
Fлс Fс ,
В противном случае сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться, а значит, информация не сможет передаваться с заданной скоростью. Предельное значение пропускной способности С канала связи можно оценить по формуле Шеннона:
С Fс log2(1+). (1.8)
где =Pc/Pш- - отношение сигнал/шум на выходе линии связи.
1.5 Полосовая модуляция
Цифровая модуляция - это процесс преобразования цифровых символов в сигналы, совместимые с характеристиками канала. В случае полосовой модуляции импульсы заданной формы модулируют синусоиду - несущее колебание. Для радиопередачи на нужное расстояние несущая преобразуется в электромагнитное поле.
При цифровой модуляции, синусоида на интервале называется цифровым символом. Синусоиды могут отличаться по амплитуде, частоте и фазе. Основные типы полосовой модуляции/демодуляции перечислены на рисунке 1.2 .
Рисунок 1.2 - Виды полосовой модуляции
Если для детектирования сигналов приемник использует информацию о фазе несущей, процесс называется когерентным детектированием, если подобная информация не используется, процесс именуется некогерентным детектированием. Отметим, что в цифровой связи термины демодуляция и детектирование используются как синонимы .
Преимуществом некогерентных систем перед когерентными, является простота построения детектора, ввиду отсутствия необходимости согласования по фазе с принятой несущей, но за это приходится платить большей вероятностью битовой ошибки.
Остановим свой выбор на некогерентной бинарной частотной манипуляции (ЧМн - FSK) ввиду простоты построения приемного устройства, не требующего фазовой синхронизации несущей частоты. Следовательно, в системе необходимо реализовать только символьную синхронизацию.
В соответствии с рекомендацией МККР на диапазон 2400-2483,5 МГц, при частотной манипуляции шаг сетки частот выбирается в соответствии с выражением :
2402 МГц + 1МГц N, (1.9)