Szyfrator - Scrambler

W telekomunikacji , A Mieszacz jest urządzeniem transponuje lub odwraca sygnałów lub inaczej koduje komunikat przy stronie nadawcy, aby komunikat niezrozumiały w odbiorniku nie są wyposażone w odpowiedni zestaw urządzenia deszyfrowania. Podczas gdy szyfrowanie zwykle odnosi się do operacji wykonywanych w domenie cyfrowej , szyfrowanie zwykle odnosi się do operacji przeprowadzanych w domenie analogowejdomena. Szyfrowanie jest realizowane poprzez dodanie komponentów do oryginalnego sygnału lub zmianę niektórych ważnych komponentów oryginalnego sygnału w celu utrudnienia ekstrakcji oryginalnego sygnału. Przykłady tych ostatnich mogą obejmować usuwanie lub zmianę impulsów synchronizacji pionowej lub poziomej w sygnałach telewizyjnych; telewizory nie będą w stanie wyświetlić obrazu z takiego sygnału. Niektóre nowoczesne scramblery są w rzeczywistości urządzeniami szyfrującymi , nazwa pozostała ze względu na podobieństwa w użyciu, w przeciwieństwie do operacji wewnętrznych.

W telekomunikacji i nagrania , A Mieszacz (określanego także jako randomizer ) jest urządzeniem, które przetwarza strumień danych przed przekazaniem. Manipulacje są odwracane przez deszyfrator po stronie odbiorczej. Szyfrowanie jest szeroko stosowane w komunikacji satelitarnej , przekaźnikowej i modemach PSTN . Scrambler można umieścić tuż przed koderem FEC lub za kodem FEC, tuż przed kodem modulacji lub linii . W tym kontekście scrambler nie ma nic wspólnego z szyfrowaniem , ponieważ jego celem nie jest uczynienie wiadomości niezrozumiałą, ale nadanie przesyłanym danym użytecznych właściwości inżynierskich.

Scrambler zastępuje sekwencje (nazywane sekwencjami wybielającymi ) innymi sekwencjami bez usuwania sekwencji niepożądanych, co w efekcie zmienia prawdopodobieństwo wystąpienia sekwencji uciążliwych. Oczywiście nie jest to niezawodne, ponieważ istnieją sekwencje wejściowe, które dają same zera, jedynek lub inne niepożądane okresowe sekwencje wyjściowe. Scrambler nie jest zatem dobrym substytutem kodu liniowego , który poprzez etap kodowania usuwa niepożądane sekwencje.

Cele kodowania

Scrambler (lub randomizer) może być:

1. Algorytm, który konwertuje ciąg wejściowy na pozornie losowy ciąg wyjściowy o tej samej długości (np. przez pseudolosowy wybór bitów do odwrócenia), dzięki czemu unika się długich sekwencji bitów o tej samej wartości; w tym kontekście randomizer jest również określany jako scrambler.
2. Analogowe lub cyfrowe źródło nieprzewidywalnych (tj. o wysokiej entropii), bezstronnych i zwykle niezależnych (tj. losowych) bitów wyjściowych. Określenie „prawdziwie” losowy generator może być użyty do paszy (bardziej praktyczne) deterministyczne pseudolosowych generatora liczb losowych , który rozciąga się na losowy wybór wartości.

Istnieją dwa główne powody, dla których stosuje się szyfrowanie:

• Aby umożliwić dokładne odzyskiwanie taktowania w sprzęcie odbiorczym bez uciekania się do nadmiarowego kodowania linii. Ułatwia pracę układu odzyskiwania taktowania (patrz również Odzyskiwanie zegara ), automatycznej kontroli wzmocnienia i innych układów adaptacyjnych odbiornika (eliminując długie sekwencje składające się tylko z „0” lub „1”).
• Do rozpraszania energii na nośniku, zmniejszając zakłócenia sygnału między nośnikami . Eliminuje zależność widma mocy sygnału od rzeczywistych przesyłanych danych, czyniąc go bardziej rozproszonym, aby spełnić wymagania dotyczące maksymalnej gęstości widmowej mocy (ponieważ jeśli moc jest skoncentrowana w wąskim paśmie częstotliwości, może zakłócać sąsiednie kanały z powodu intermodulacji ( znana również jako modulacja krzyżowa) spowodowana nieliniowością drogi odbiorczej).

Poza kodowaniem i modulacją z przeplotem, szyfratory są podstawowymi składnikami standardów systemów warstwy fizycznej . Są one zwykle definiowane w oparciu o rejestry przesuwne z liniowym sprzężeniem zwrotnym (LFSR) ze względu na ich dobre właściwości statystyczne i łatwość implementacji sprzętowej.

Często organy standardów warstwy fizycznej odwołują się do szyfrowania w niższej warstwie (warstwa fizyczna i warstwa łącza ) również jako szyfrowanie. Może tak być, ponieważ stosowane (tradycyjne) mechanizmy opierają się również na rejestrach przesuwnych ze sprzężeniem zwrotnym. Niektóre standardy telewizji cyfrowej , takie jak DVB-CA i MPE , nazywają szyfrowanie w warstwie łącza szyfrowaniem.

Rodzaje szyfratorów

• Mieszacze addytywne (synchroniczne)
• Multiplikatywne (samosynchronizujące się) szyfratory

Mieszacze addytywne (synchroniczne)

Skrambler addytywny (deszyfrator) stosowany w DVB

Skramblery addytywne (nazywane również synchronicznymi ) przekształcają strumień danych wejściowych, stosując pseudolosową sekwencję binarną (PRBS) (przez dodawanie modulo-dwa). Czasami używany jest wstępnie obliczony PRBS przechowywany w pamięci tylko do odczytu , ale częściej jest generowany przez rejestr przesuwny z liniowym sprzężeniem zwrotnym (LFSR).

Aby zapewnić synchroniczne działanie nadawczego i odbiorczego LFSR (czyli skramblera i deszyfratora ), należy użyć słowa synchronizującego .

Słowo synchronizacji to wzorzec umieszczany w strumieniu danych w równych odstępach czasu (czyli w każdej ramce ). Odbiornik wyszukuje kilka słów synchronizacji w sąsiednich ramkach, a tym samym określa miejsce, w którym jego LFSR musi zostać ponownie załadowany ze wstępnie zdefiniowanym stanem początkowym .

Dodatek deszyfrator jest tylko samo urządzenie jako dodatku szyfratora.

Addytywny scrambler/descrambler jest zdefiniowany przez wielomian jego LFSR (dla skramblera na powyższym rysunku jest to ) i jego stanu początkowego . ${\ Displaystyle 1 + z ^ {-14} + z ^ {-15}}$

Multiplikatywne (samosynchronizujące się) szyfratory

Multiplikatywny scrambler użyty w zaleceniu V.3434

Multiplikatywny deszyfrator użyty w zaleceniu V.34

Multiplikatywne mieszacze (znane również jako przepust ) są tak nazywane, ponieważ pełnią one mnożenia sygnału wejściowego przez szyfratora w funkcji przenoszenia , w Z przestrzeni . Są to dyskretne liniowe systemy niezmiennicze w czasie . Multiplikatywny scrambler jest rekurencyjny, a multiplikatywny deszyfrator jest nierekurencyjny. W przeciwieństwie do scramblerów addytywnych, multiplikatywne scramblery nie potrzebują synchronizacji ramek, dlatego nazywane są również samosynchronizującymi . Multiplikatywny scrambler/descrambler jest podobnie zdefiniowany przez wielomian (dla skramblera na rysunku jest to ), który jest również funkcją przenoszenia deszyfratora. ${\ Displaystyle 1 + z ^ {-18} + z ^ {-23}}$

Porównanie scramblerów

Scramblery mają pewne wady:

• Oba typy mogą nie generować losowych sekwencji w najgorszych warunkach wejściowych.
• Multiplikatywne scramblers prowadzić do błędów mnożenie podczas dekodowania (tj błąd single-bitowe na wejściu deszyfratora będzie skutkować w błędach na jego wyjściu, gdzie w równa liczbie kranów zwrotnych mieszaczom'S).
• Mieszacze addytywne muszą zostać zresetowane przez synchronizację ramki; jeśli to się nie powiedzie, spowoduje to masową propagację błędów, ponieważ nie będzie można odszyfrować całej ramki.
• Efektywna długość losowej sekwencji mieszacza addytywnego jest ograniczona długością ramki, która zwykle jest znacznie krótsza niż okres PRBS. Dodając numery ramek do synchronizacji ramek, można wydłużyć długość sekwencji losowej, zmieniając losową sekwencję zgodnie z numerem ramki.

Hałas

Pierwsze szyfratory głosowe zostały wynalezione w Bell Labs tuż przed II wojną światową . Zestawy te składały się z elektroniki, która mogła miksować dwa sygnały lub alternatywnie „odjąć” jeden sygnał z powrotem. Dwa sygnały były dostarczane przez telefon i gramofon . Utworzono pasującą parę rekordów, z których każdy zawierał ten sam zapis szumu . Nagranie zostało odtworzone w telefonie, a zmiksowany sygnał przesłano przewodem. Szum został następnie odjęty na drugim końcu za pomocą pasującego nagrania, pozostawiając nienaruszony oryginalny sygnał głosowy. Podsłuchujący słyszeli tylko hałaśliwy sygnał, nie mogąc zrozumieć głosu.

Jednym z tych, używane (między innymi obowiązków) dla rozmów telefonicznych między Winston Churchill i Franklin D. Roosevelt został przechwycony i odkodowany przez Niemców . Przynajmniej jeden niemiecki inżynier pracował w Bell Labs przed wojną i wymyślił sposób na ich złamanie. Późniejsze wersje były na tyle różne, że niemiecki zespół nie był w stanie ich rozszyfrować. Wczesne wersje były znane jako „ A-3 ” (od AT&T Corporation ). Do komunikacji głosowej wyższego poziomu użyto niepowiązanego urządzenia o nazwie SIGSALY .

Szum był dostarczany na dużych płytach fonograficznych z szelaku, wykonywanych parami, wysyłanych w razie potrzeby i niszczonych po użyciu. To zadziałało, ale było niezwykle niezręczne. Samo osiągnięcie synchronizacji dwóch rekordów okazało się trudne. Powojenna elektronika znacznie ułatwiła pracę z takimi systemami, tworząc pseudolosowy szum oparty na krótkim tonie wejściowym. Podczas używania dzwoniący odtwarzał ton w telefonie, a następnie oba moduły szyfrujące słuchałyby sygnału i synchronizowały się z nim. Zapewniało to jednak ograniczone bezpieczeństwo, ponieważ każdy słuchacz z podstawową wiedzą na temat obwodów elektronicznych mógł często wyprodukować maszynę o podobnych ustawieniach, aby włamać się do komunikacji.

Kryptograficzne

To była konieczność synchronizacji Scramblers że zaproponował James H. Ellis pomysł na zakaz szyfrowania tajnego , co ostatecznie doprowadziło do wynalezienia zarówno RSA algorytm szyfrowania oraz Diffie-Hellman oraz przed albo został reinvented publicznie przez Rivesta , Shamir i Adleman lub Diffie i Hellman .

Najnowsze szyfratory nie są szyfratorami w dosłownym tego słowa znaczeniu, ale raczej digitizerami połączonymi z maszynami szyfrującymi. W tych systemach pierwotny sygnał jest najpierw konwertowany na postać cyfrową, a następnie dane cyfrowe są szyfrowane i wysyłane. Korzystając z nowoczesnych systemów klucza publicznego , te „scramblery” są znacznie bezpieczniejsze niż ich wcześniejsze analogowe odpowiedniki. Tylko te typy systemów są uważane za wystarczająco bezpieczne dla danych wrażliwych.

Szyfrowanie inwersji głosu może być tak proste, jak odwracanie pasm częstotliwości wokół punktu statycznego do różnych złożonych metod losowej zmiany punktu inwersji w czasie rzeczywistym i przy użyciu wielu pasm.

„Scramblery” używane w telewizji kablowej są zaprojektowane tak, aby zapobiegać przypadkowej kradzieży sygnału, a nie zapewniać żadnego realnego bezpieczeństwa. Wczesne wersje tych urządzeń po prostu „odwracały” jeden ważny składnik sygnału telewizyjnego, ponownie odwracając go po stronie klienta w celu wyświetlenia. Późniejsze urządzenia były tylko nieco bardziej złożone, całkowicie odfiltrowując ten składnik, a następnie dodając go badając inne fragmenty sygnału. W obu przypadkach obwody mogą być z łatwością zbudowane przez każdego doświadczonego hobbystę. (Patrz Szyfrowanie telewizji ).

Zestawy elektroniczne do szyfrowania i deszyfrowania są dostępne u dostawców hobbystów. Entuzjaści skanerów często używają ich do podsłuchiwania zaszyfrowanych komunikatów podczas wyścigów samochodowych i niektórych transmisji publicznych. Jest to również powszechne w radiach FRS . To łatwy sposób na naukę kodowania.

Termin „kodowanie” jest czasami błędnie używany, gdy chodzi o zagłuszanie .

Odszyfruj

Rozkodowania w telewizji kablowej kontekście jest akt robienia jajecznicy lub zaszyfrowany sygnał wideo, który został dostarczony przez spółkę telewizji kablowej dla telewizyjnych premii usług, przetwarzane przez szyfratora a następnie dostarczany przez kabel koncentryczny i dostarczone do użytku domowego, gdzie SEt- Top box ponownie przetwarza sygnał, deszyfrując go i udostępniając do oglądania na telewizorze . Deszyfrator to urządzenie, które przywraca obraz i dźwięk zaszyfrowanego kanału. Aby móc odszyfrować wszystkie kanały premium i pay-per-view systemu telewizji kablowej, należy używać deszyfratora z konwerterem telewizji kablowej .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne i referencje

• [1] Struktura ramek DVB , kodowanie i modulacja kanałów dla usług satelitarnych 11/12 GHz (EN 300 421)
• Zalecenie V.34 ITU-T
• Stacja naziemna INTELSAT Standard IESS-308
•  Ten artykuł zawiera  materiał z domeny publicznej z dokumentu General Services Administration : „Federal Standard 1037C” .(na poparcie MIL-STD-188 )