Комплексная защита информации в каналах «земля-борт»

ВВЕДЕНИЕ

В статье «Новые возможности применения коротковолновой радиосвязи при решении боевой авиацией задач воздушно-космической обороны», опубликованной в № 2 за 2017 г. этого журнала, были рассмотрены вопросы новых информационных возможностей боевых летательных аппаратов за пределами радиогоризонта на базе технологий адаптивной коротковолновой радиосвязи, реализующих качество радиообмена, сравнимое с прямой видимостью.

Настоящий материал является продолжением темы в части одного из ключевых аспектов качества радиообмена, практически не затронутого в предыдущей статье, – возможности обеспечения комплексной защиты информации от всех возможных воздействий на нее в процессе передачи в каналах с непредсказуемыми характеристиками, в первую очередь коротковолновых. Тема статьи относится к вопросам сохранения целостности и скрытности информации в условиях помех и радиопротиводействия отечественной инновационной технологией комплексной защиты информации от помех, имитации и несанкционированного ознакомления, реализуемой стохастическими кодами с однократно вводимой избыточностью.

Возможность широкого применения этой технологии стала результатом многолетних исследований отечественных ученых в теории передачи данных и защиты информации д.т.н. Л.М. Финка, д.т.н. В.И. Коржика, к.т.н. С.А. Осмоловского, д.т.н. Г.А. Кабатянского, д.т.н. И.Ю. Жукова, д.т.н. М.А. Иванова и др. [1–49]. Особая роль в использовании свойств универсальности помехозащитных случайных кодов, создании научного фундамента и реализации комплексной защиты информации с помощью стохастических преобразований принадлежит С.А. Осмоловскому (1946–2018), ученику одного из теоретиков теории связи д.т.н. Л.М. Финка.

Настоящей статьей автор хотел бы отдать дань уважения многолетнему труду товарища и однокурсника.

Основным фактором искажения информации всегда было и остается постоянное наличие помех в каналах связи, особенно в радиоканалах. Борьба с ними традиционно ведется применением обнаруживающих и/или исправляющих ошибки помехозащитных кодов, реализуемых, как правило, в аппаратуре передачи данных (АПД). Наибольшее распространение в сетях воздушной связи ВКС получила АПД типа Р-098 («Перевал»), эксплуатируемая в течение нескольких последних десятилетий.

Средства радиопротиводействия способны полностью или частично подавлять информационный обмен и/или изменять и навязывать ложную информацию. Защиту от таких воздействий обеспечивают специальные коды имитозащиты, реализуемые в отдельных устройствах. Нейтрализовать подавление обмена сосредоточенными шумовыми помехами можно программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), изменением направления и ширины диаграмм излучения антенн и др.

Конфиденциальность информации, то есть защита от несанкционированного ознакомления, обеспечивается обычно специальной аппаратурой шифрования с использованием криптографических кодов. В ряде случаев в этой аппаратуре задачи сохранения конфиденциальности и имитозащиты решаются одновременно.

Все упомянутые функции защиты традиционно решаются независимо друг от друга схожими кодовыми конструкциями в различных типах аппаратуры, но имеют одну конечную цель – сохранение целостности информации. При этом нарушение конфиденциальности можно тоже рассматривать, в некотором смысле, как нарушение ее целостности-неприкосновенности для посторонних.

Все функции защиты обеспечиваются кодами, имеющими некоторую количественную избыточность, за счет чего формируются массивы так называемых «запрещенных» кодовых комбинаций, в которые под воздействием помех могут переходить несущие информацию «разрешенные» комбинации. Несколько отлично формируются криптографические коды сохранения скрытности, где главным отличительным фактором их конструкции является статистически равновероятная последовательность сигналов, передаваемая в канал и не зависящая от статистики появления отдельных букв в исходной шифруемой последовательности.

Интуитивное понимание влияния на верность принимаемых дискретных данных избыточного кодирования как инструмента повышения достоверности может дать аналогия с процессом конфиденциального разговора двух абонентов по телефонному каналу с большим зашумлением. В этом процессе «обмена данными» неразборчивые слова и даже отдельные буквы приходится повторять по нескольку раз по просьбе принимающего. Чем больше в итоге было уточнений и повторов, т.е. чем длиннее «кодовая конструкция – информационный блок», тем ближе принятая фраза к оригиналу, т.е. выше достоверность информации.

Можно предположить, что если абонент в условиях шумов способен хоть что-то принимать осмысленно, то возможно в конце концов добиться приема со 100 % достоверностью любой сложности фразы даже в тяжелейших помеховых условиях.

Аналогичный смысл этой фразы для дискретного канала содержится в одной из главных теорем информации К. Шеннона, которая утверждает, что, в принципе, можно получить сколь угодно большую достоверность принимаемой информации, если скорость ее передачи в канале меньше ее пропускной способности (т.е. наихудшего состояния слышимости – «пропускной способности» в приведенном примере, при котором еще существует возможность осмысленно принимать слова и после изменения которого в сторону снижения общение становится бесполезным из-за полного прекращения понимания смысла произнесенного).

Продолжая аналогию с телефонным разговором, также предположим, что в соседнем помещении некто хочет записать с помощью технических средств подслушанный разговор. Абонент такую возможность имеет в виду и для предотвращения несанкционированной записи включает воду из крана, «стохастический», т.е. случайный, шум которой делает невозможным сохранить смысл разговора при записи. Это сравнение схоже с влиянием случайных сигналов на секретность данных при дальнейшем рассмотрении в статье понятия q-ичного симметричного канала.

Важнейшим параметром оценки эффективности обмена данными служит достоверность получаемой информации, которая зависит главным образом от вероятности ошибки, не обнаруживаемой конкретным защитным кодом (р_но). Необнаруженная ошибка – это, по сути, потеря информации, возникающая изза превращения под воздействием помех «разрешенной» комбинации снова в «разрешенную», но соответствующую другому символу. Поэтому для уменьшения этой вероятности перехода желательно выбирать код, имеющий большой процент запрещенных кодовых комбинаций, что возможно только при увеличении числа избыточных символов, а значит, увеличении длины кодовой комбинации.

Из существующего множества избыточных кодов, которые обнаруживают и исправляют ошибки, на практике используется только очень малая их часть: коды Хэмминга, БЧХ, Рида – Соломона, сверточные и появившиеся недавно турбокоды [26]. Объясняется это в первую очередь тем, что распределение ошибок в реальных каналах связи таково, что ни один из этого множества кодов не позволяет обеспечить наперед заданную или гарантированную (в интересах повышения точности реализации конкретного информационного процесса) вероятность правильного приема информации в конкретном канале связи.

Все они создавались с ориентацией на некоторые математические модели каналов, которые лишь в очень грубых чертах описывают свойства реальных каналов связи [5][8].

Наиболее часто применяемой при расчете параметров помехозащитного кода является модель некоего идеализированного канала, называемая «двоичным симметричным каналом» (ДСК), где ошибки имеют равные вероятности искажения «0» или «1».

Наиболее ярким образцом нестационарных каналов являются коротковолновые. Нестабильность их характеристик, а также наличие постоянных группирующихся помех не позволило до сегодняшнего дня создать их математическую модель приемлемой точности.

Начался поиск такой модели, желательно универсальной, под которую можно было бы создать код, который при заданных значениях n и k (где n – длина кодовой комбинации с избыточностью в битах, k – длина информационных бит в кодовой комбинации) обеспечивает в любых каналах связи некоторую гарантированную величину р_но. При этом желательно, чтобы при малых р_но (порядка 10^–9–10^–8) потребителю практически не выдавалась бы ложная информация, а уменьшение скорости передачи (n/k) информации должно явиться сигналом для перехода к другому качеству канала связи.

Способ создания такого кода был разработан коллективом специалистов военной Академии связи в 70-х годах прошлого столетия во главе с д.т.н. Л.М. Финком [1].

В статье «Универсальное стохастическое кодирование в системах с решающей обратной связью» был математически обоснован способ получения заданной вероятности необнаруженной ошибки методом случайного кодирования с помощью стохастических преобразований.

Под случайным кодированием, введенным в рассмотрение К. Шенноном для помехоустойчивого кодирования, понимают случайный выбор кодовых слов из множества возможных комбинаций с длиной, равной длине кода.

Полученная в этой работе формула (1) вероятности необнаруженной ошибки в любом канале настолько проста, что становится очевидной необходимость построения очень длинных кодов с большой избыточностью для получения малой р_но

p_но < 1/2^n-k. (1)

Создание нового универсального кода было неразрывно связано с практической реализацией новой модели канала, так называемого q(ку)-ичного симметричного канала, без которого новый код не имело смысла использовать, т. к. это, по сути, две стороны одной медали. С новой моделью появилась необходимость пересмотра некоторых традиционных взглядов на правила построения, кодирования и декодирования помехоустойчивых кодов.

Понятие q-ичного симметричного канала, строго говоря, уже существовало, но только как математическая абстракция. Заслуга С.А. Осмоловского заключается в превращении абстракции в реальную модель и создании под нее помехоустойчивых случайных избыточных кодов, в дальнейшем называемых стохастическими, которые в q-ичном симметричном канале обладают рядом оригинальных свойств. Автор пришел к выводу, что ни один из классических кодов в рамках новой модели использовать не имеет смысла из-за потери их свойств, связанных с обнаружением, локализацией и исправлением ошибок: необходимо создать новый код, использующий факт наличия преобразованного дискретного канала. В реализованной им схеме (рис. 1) применено предложенное в [1] двойное последовательное преобразование: операций кодирования (кодер K) и прямого cтохастического преобразования с использованием псевдослучайной последовательности на передающей стороне (R) и операций обратного стохастического преобразования и декодирования на приемной стороне. Совокупность из двух стохастических преобразователей R и R^–1, соединенных дискретным каналом связи ДК, образует q-ичный симметричный канал.

Двоичное сообщение разбивается на L-разрядные двоичные наборы – q-ичные символы, общее количество таких символов q = 2^L, nL-разрядная кодовая последовательность рассматривается как n-разрядный кодовый блок, состоящий из q-ичных символов, из которых k – информационные, а n – k – избыточные.

В блоке кодирования К происходит преобразование информации И в двоичный n,k код с дальнейшим формированием в кодовые блоки длиной n q-ичных символов, где k символов – информационные. Затем информация поступает в блок прямого стохастического преобразования R, реализующий функцию рандомизации (Random) данных в двоичном дискретном канале (ДК) на случайных таблицах с дважды стохастическими матрицами переходов, блок обратного стохастического преобразования, реализующий функцию R¹, блок декодирования, в котором происходит обнаружение и исправление ошибок и выдача потребителю И¹ [2]. Рандомизация двоичных последовательностей служит также средством повышения точности описания исходов декодирования. Блоки R и R¹ осуществляют преобразование каждого q-ичного символа, при этом результат преобразования статистически не зависит от результатов преобразования других символов кодовой последовательности, что присуще криптографическим алгоритмам.

Свойство, которым теперь обладает преобразованный канал, заключается в равновероятности всех ситуаций, в которых происходят ошибки декодирования.

Таким образом, был практически создан дискретный канал новой модели, в котором каждая ошибка L-разрядного q-ичного символа равна вероятности ошибки всех его остальных (q – 1) символов. При этом вероятность появления каждой ситуации, приводящей к ошибке декодирования, можно легко рассчитать, что позволило обеспечить наперед заданную вероятность правильного приема информации [2]. Автор обосновал длину q-ичного символа L равной 32 бит, при которой pно гарантирована не хуже 10^–9.

Современная тенденция к повышению точности обработки информационных потоков является объективной, что требует пересмотра требований к гарантированной вероятности ошибок в принимаемых данных после декодирования в сторону ее уменьшения до 10^–9 с обычной сегодня, в большинстве случаев, 10^–6.

Такое повышение достоверности информации необходимо сегодня в системах управления при передаче координат целей высокоточным средствам поражения, при обработке и хранении больших объемов данных (big data), команд на применение спецоружия, управления БПЛА, для защиты информации при передаче открытых ключей в общей сетевой среде, идентификации «свой-чужой», передачи информации в декаметровом диапазоне волн и т.п.

В основу построения стохастических кодов с исправлением ошибок положен принцип локализации правильно принятой последовательности, использующий, в том числе, и некоторые положения современной теории линейных двоичных кодов [7].

Кратность исправляемых стохастическими кодами ошибок имеет вид t = d – 2 (где d – кодовое расстояние) [3]. Для большинства помехозащитных кодов t = d – 1/2.

Оптимальные параметры (n,k,q)-кодов для обеспечения максимальной скорости передачи n/k связаны с качеством канала (вероятностью искажения q-ичного символа p_q), максимальной кратностью исправляемых ошибок d – 2 и длиной кода n выражением np_q= d – 2.

Стохастические коды имеют тесную взаимосвязь между свойствами помехозащищенности и информационной скрытности, что позволяет при соответствующей реализации одновременно дополнительно обеспечивать секретность и контроль целостности передаваемой информации.

Практический метод такой реализации предложен д.т.н. М.А. Ивановым, специалистом в области защиты информации. Учитывая, что процедуры создания средств обеспечения секретности в нашем государстве жестко регламентированы и новые методы ее обеспечения должны быть специфицированы установленным порядком, предложено решение этих задач выполнять в соответствии с хорошо адаптируемыми под стохастические коды требованиями размеров блочных шифров стандарта ГОСТ Р 34.12-2015 «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры».

Чтобы получить необходимые дополнительные функции, предложено реализовать в качестве блоков R и R^–1 (рис. 1) многораундовые стохастические преобразования, а для генерации параметров стохастического преобразования – многовыходной генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), имеющий двухступенчатую конструкцию и специфицированный в ГОСТ Р 34.12-2015 для реализации шифрования методом гаммирования.

Реализация предложенной схемы передачи данных позволяет обеспечить универсальную защиту передаваемых данных единым алгоритмом с одноразовым внесением избыточности. При этом решается задача защиты от помех элементами стохастического помехоустойчивого кодирования, а секретность и целостность информации обеспечиваются за счет иных, криптографических по сути, схем прямого и обратного стохастического преобразования и требованиями к ГПСП, специфицированными в ГОСТ Р 34.12-2015 [5].

Исправляющая способность стохастических кодов была испытана в рамках выполненной в Концерне ВКО ОКР «Арго» (автор выполнял функции Главного конструктора) на ансамбле из четырех стохастических кодов различной длины (8,2; 8,4; 16,7; 16,11), которые в коротковолновом канале обеспечили возможность использования адаптации к его состояниям с повышением исправляющей способности различными длинами одновременно с сигнально-кодовыми конструкциями примененных КВ модемов.

При управлении авиацией, где зачастую необходим только режим однонаправленной передачи с требуемой гарантированной вероятностью, применение стохастических кодов, исправляющих ошибки, может иметь хорошую перспективу. Исправление ошибок, в принципе, способствует качественному улучшению сетевых технологий, прежде всего в части повышения их производительности, поскольку отказ от алгоритмических методов защиты информации методом переспроса при обнаружении ошибки и переход к кодовым методам исправления существенно повышает производительность дорогостоящих сетевых ресурсов. Кроме того, при исключении временных потерь на перезапрос увеличивается скорость обмена данными в радиосетях.

Ну и, безусловно, возможность программно реализовать одной кодовой конструкцией еще две важные функции защиты информации – имитостойкость и скрытность – является пока уникальной по критерию «эффективность–стоимость».

Практическое применение для работы в коротковолновом канале стохастические коды нашли в разработке специальной аппаратуры «Весна-4М».

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование стохастических преобразований в области комплексной защиты информации не имеет аналогов.

Достижением отечественной науки, признанным за рубежом [4][49], можно считать создание новой модели q-ичного канала и ансамблей случайных стохастических кодов. Их наличие позволило получать высокие гарантированные достоверности с оптимальными для конкретного состояния канала скоростями обмена данными в широком классе каналов с непредсказуемыми параметрами, в частности коротковолнового диапазона.

В течение всего сеанса связи, когда характеристики таких каналов могут меняться неоднократно, применение ансамблей кодов обеспечивает устойчивый обмен за счет выбора из ансамбля оптимальной к каждому состоянию канала длины кода.

Использование q-ичного симметричного канала в этом диапазоне может стать лучшей альтернативой, причем «бесплатной», специальной процедуре перемежения, нашедшей широкое применение в коротковолновых модемах. Эта процедура предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, поскольку пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на одиночные ошибки.

Теми же кодовыми конструкциями при необходимости обеспечивается секретность информации.

Стохастические коды могут занять свое место для универсальной защиты информации с минимальными затратами в перспективных системах управления ВКС, гражданской авиации, включая радиоканалы управления пилотируемыми и особенно беспилотными летательными аппаратами, где необходим высокий уровень защиты от всех воздействий без применения шифрующей аппаратуры [6][50].

Они эффективны для защиты информации в любых каналах обмена данными, при их хранении в памяти ЭВМ, для защиты от перехвата и дешифровки трафика в локальных вычислительных сетях [50], а также при обращении информации на разных видах носителей.

Автор: Ватрухин Е.М. 

 

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"