автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Защита информации в радиоканалах передачи речи

УДК:681.327.12:534.782+621.376.57 На правах рукописи Для служебного пользования экз. №4

Большов Олег Анатольевич

ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В РАДИОКАНАЛАХ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2001

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте (техническом университете)

Научный руководитель : д.т.н., профессор Куприянов А. И.

Официальные оппоненты : д.т.н. Сахаров А. В.

к.т.н., доцент Василевский В. В.

Ведущая организация : Государственный научно-исследовательский

испытательный институт проблем технической защиты информации Государственной технической комиссии при Президенте Российской Федерации

Защита состоится " "_2001г. в_час. на заседании

диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском государственном авиационном институте по адресу: 125933 , г.Москва, А-80, ГСП - 3,Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного авиационного института.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан -20- О ЮН & 2001г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

Сычев М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Информационная революция, происшедшая в мире за последние годы, привела к интенсивному развитию средств связи и вычислительной техники. Однако, наряду с интенсивным развитием средств и систем передачи все более значимой становится проблема защиты информации. Защита информации в системах связи - весьма важная составляющая обеспечения гарантий безопасности личности. Но не только этого. Различные системы и сети связи всегда использовались для передачи информации конфиденциального характера и с более или менее высоким эффектом применяли разнообразные способы защиты от ущерба, который может быть причинен несанкционированным доступом к циркулирующим в системах сведениям. Разнообразие средств и способов защиты информации в системах связи едва ли меньше, чем способов информационной агрессии против таких систем. Но целесообразность применения средств и методов обеспечения информационной безопасности должна определяться качеством речи в акустическом канале разведывательного приемника. До тех пор пока оператор средств перехвата не разбирает речевые сообщения нет необходимости в противодействии радиоэлектронной разведки противника. Но разбирает речевые сообщения - и уже требуется разрабатывать специальные методы и обосновывать оптимальные мероприятия по маскировке речевых сообщений от технических средств оппонента. Сказанное позволяет утверждать, что актуальной является проблема определения пороговых уровней безопасных мощностей сигналов как в акустических, так и в радио- каналах утечки речевой информации. Актуальность указанной проблемы подтверждается тем, что показатель устойчивости против несанкционированного доступа к сигналу не является основным показателем качества при создании РЭС. Так целью защищаемой системы является организация линии передачи или извлечения информации с требуемым уровнем показателя качества (скоростью и достоверностью передачи информации, разборчивостью в акустическом канале приемника абонента и

т.п.). Однако при штатных условиях эксплуатации радиосистемы всегда имеются технические каналы утечки за счет побочных и непреднамеренных электромагнитных излучений, которыми сопровождается передача речи. При этом для системы противодействия техническим разведкам конкурента представляет интерес оценка максимально допустимого соотношения сигнал/шум на входе приемника радиоперехвата, при котором еще обеспечивается достаточная защищенность информации и исключается возможность ознакомления несанкционированного пользователя с речевым сообщением. Последнее условие также отражает особую актуальность проблемы защиты информации в радиоканалах передачи речи.

Актуальность исследований в области информационной безопасности констатируется и рядом принятых в последнее время законов, не имеющих аналогов во всей предшествующей истории России, а также соответствующими подзаконными актами, которых уже много, но еще явно недостаточно для четкого и корректного регулирования отношений в области защиты информации. Актуальность проблемы защиты информации демонстрируют решения ряда авторитетных международных форумов и нормативные документы Директивных органов. Прежде всего - Решения Государственной технической комиссии при Президенте Российской Федерации.

Учитывая отмеченные выше особенности обеспечения безопасности информации, исходя из практических потребностей, для диссертационных исследований была избрана проблема оценки степени защищенности информации, с которой оперируют технические системы, создающие каналы утечки за счет побочных и непреднамеренных электромагнитных излучений речепреобра-зующих устройств.

Целью диссертации является решение научно-технических задач оценивания опасности утечки речевой информации в процессе функционирования защищаемых систем, которые не применяют шифрацию, скремблирование и другие методы обеспечения информационной защиты.

Для достижения поставленной цели в процессе подготовки диссертации использованы методы исследований, базирующиеся на положениях, результатах и выводах теории разборчивости речи, теории потенциальной помехоустойчивости, теории радиотехнических систем, прикладных аспектов теории игр и технической кибернетики.

Научная новизна полученных в диссертации результатов обусловлена следующим.

1. Дано теоретическое обоснование норм защищенности информации в радиоканалах передачи речи; сформулированы условия, при которых не обеспечивается разборчивость речевых сообщений.

2. Разработана модель идеального средства разведки, использующего для несанкционированного доступа к информации всю энергию и все априорные сведения о сигнале. Такая модель стабильна, инвариантна относительно конкретной технической конфигурации средства разведки и поэтому реализует потенциально достижимое качество приема и выделения информации при перехвате.

3. Определены потенциальные характеристики защищенности информации в радиоканалах передачи речи и пороговые сигналы для технических каналов перехвата речевой информации.

4. Предложена структура оптимальной помехи для маскировки речевого сигнала на выходе технического канала утечки информации. Применение такой помехи обеспечивает максимальное снижение разборчивости речи в полосе акустического канала, оканчивающегося слуховым аппаратом оператора средств перехвата.

5. Предложены и исследованы расчетно-экспериментальные методы оценки достоверности определения безопасных уровней сигналов в радиоканале утечки информации.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что её основные положения и результаты использованы:

1. в работах "Витраж-17", которые выполнялись согласно постановлению Правительства РФ от 22 февраля 2000 г. №145-14.

2. при разработке концепции и методов оптимизации ресурсного обеспечения информационных технологий в системе образования/ЛЭтчет по НИР. Тема412-00-01. - М.: МАИ.2000 г.

3. при чтение пробных лекций на факультете Радиоэлектроники летательных аппаратов в Московском государственном авиационном институте (техническом университете).

Положения, выносимые на защиту:

модель идеального средства разведки, которое обнаруживает радиосигнал, определяет его параметры и выделяет сообщение с использованием всей энергии и всей априорной для разведки информации о нем;

методики определения вероятностных показателей защищенности от несанкционированного доступа к речевой информации, учитывающие пороговые статистические свойства слухового аппарата оператора средств перехвата речевых сообщений, а также характеристик, параметров и других свойств сигналов как в акустических, так и в радиоканалах утечки информации;

экспериментально-расчетный способ нормирования пороговых сигналов на входе приемника радиоперехвата информации, представляемой в цифровом виде, при которых гарантируется разборчивость; оптимальная активная маскировка сообщений в акустическом канале разведывательного приемника достигается за счет применения имитирующей помехи, огибающая корреляционной функции которой совпадает по форме с огибающей автокорреляционной функции речевого сигнала.

Диссертационная работа прошла апробацию и обсуждение на V Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1999).

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 научных статьях и 2 научно-технических отчетах.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы из 223 наименований. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинописного текста и содержит 53 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, перечислены основные положения выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации дается обзор общих сведений о системах передачи речевой информации, оценивается информативность речевого сигнала, а также формулируются условия защищенности информации в радиоканалах передачи речи.

Во втором разделе диссертации рассматриваются потенциальные возможности и характеристики защиты сигналов в радиолинии передачи аналоговых речевых сообщений от перехвата и восстановления их (сообщений) средствами разведки. Стратегия защиты сводится к определению некоторых пороговых соотношений сигнал/шум на входе разведывательного приемника, при которых оператор разбирает сообщения слабо, на пределе возможного. Экспериментальная зависимость разборчивости речи, измеренной как вероятность правильного узнавания слога, от соотношения сигнал/шум в акустическом канале приведена на рис. 1.

0,8

0,6

0,4

0,2

7

0,001

0,01

0,1

10

Рис.1. Зависимость вероятности правильного узнавания слога от соотношения сигнал/шум в акустическом канале.

Считается, что для удовлетворительной разборчивости речи необходимо обеспечить W=0,2. Как видно из рис.1, этому условию отвечает соотношение сигнал/шум на уровне Я8Ы*=0,026. В дальнейшем для определения максимально допустимого соотношения сигнал/шум в радиоканале утечки речевой информации, при котором оператор средств перехвата еще не разбирает речевые сообщения, используются обе величины: пороговая вероятность для разборчивости У/=0,2 и пороговое соотношение сигнал/шум явь1Х=0,026. При этом, основываясь на модели идеального средства разведки (СР), использующего всю энергию принимаемого излучения и всю доступную априорную информацию о сигнале, исследуется два основных вида модуляции: амплитудная и угловая (в зависимости от того, какой из трех параметров - амплитуда, фаза или частота изменяется по закону передаваемого сообщения).

Диаграммы обмена между соотношением сигнал/шум в полосе разведывательного приемника и коэффициентом глубины АМ при фиксированном соотношении сигнал/шум на выходе демодулятора qBЬIX, представлены на рис.2.

Рис. 2. Область разброса пороговых значений сигнал/шум для реальных демодудяторов — от оптимального до квадратичного.

Нижняя граница заштрихованной области соответствует оптимальному демодулятору сигнала с линейной модуляцией, а верхняя - квадратичному детектору.

Таким образом, заштрихованная на рис.2 полоса дает представление о разбросе оценок порогового соотношения сигнал/шум при линейной модуляции, обусловленном различием моделей процесса демодуляции. Любая реальная схема демодулятора обеспечивает пороговое выходное соотношение сигнал/шум при явх большем, чем нижняя граница заштрихованной на рис.2 области.

Диаграмма обмена между мощностью входного сигнала и индексом частотной модуляции приведена на рис.3 для определенной выше пороговой вероятности правильного узнавания слога \У=0,2.

10

0,1

0,01

ЧвхКм)

№'=0,2

III

чр. —►

0,01 0,1 1 10 100 Рис.3. Диаграмма для определения порогового соотношения сигнал/шум на входе частотного детектора.

1

Фазовая модуляция обычно не применяется для передачи непрерывных сообщений. Тем не менее, для полноты картины можно построить диаграмму для определения порогового соотношения сигнал/шум при ФМ непрерывным сообщением. Как показано, для оценки порогового сигнала при ФМ можно пользоваться той же диаграммой рис.3, если учесть связь между индексами модуляции и шириной спектра сигнала при ЧМ и ФМ.

Особенности сигналов в технических каналах утечки речевой информации приводят к тому, что для обнаружения работы систем и средств связи оптимальными оказываются энергетические приемники. Для таких приемников в диссертации найдены рабочие характеристики и пороговые сигналы обнаружения речевых передач. На рис.4 приведены рабочие характеристики энергетических обнаружителей сигналов передачи речевых сообщений.

0,1 1 10 100

Рис.4. Рабочие характеристики энергетического обнаружителя сигнала с неизвестной частотой.

Эти графики показывают, с какой вероятностью будет обнаруживаться сигнал, пороговый для распознавания речи, при разных индексах угловой модуляции. Исследование характеристик обнаружения при АМ не имеет смысла, так как произведенные расчеты с очевидностью показывают, что при любых мыслимых значениях шам входное соотношение сигнал/шум достаточно для надежного обнаружения.

Полученные данные предназначены для разработки норм защищенности аналоговых систем связи.

Оценки степени защищенности сигналов цифровых систем передачи речевой информации посвящен третий раздел диссертации. На основании эмпирических данных о порогах слуховой чувствительности человека определены аналитические выражения дня диаграмм обмена между соотношением сигнал/шум на входе приемника радиоразведки и значностью двоичного безызбыточного кода. Эти диаграммы построены как для параметрического компандирования (рис.5,6) так и непосредственного преобразования (рис.7) речевых сигналов на передающей стороне защищаемой системы (ЗС).

' Яв;

0,84 0,82 0,8 0,78 0,76 0,74 0,72 0,7 0,68 0,66 0,64 0,62

п=па —►

3 4 5 6 7 8

Рис.5. Пороговое соотношение сигнал/шум в полосе приемника радиоперехвата для формантного вокодера (кривая 2) и гибридного вокодера (кривая 3).

0,4 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,3

\У=0,2

3 4 5 6 7 8

Рис.6. Диаграмма для определения порогового соотношения сигнал/шум на входе приемника радиоразведки (кривая 1 — полосной вокодер).

п

1,16 1,08 1

0,92 0,84 0,76 0,68 0,6 0,52

х:

■ ^/=0,2-

п

Рис. 7.Диаграммы обмена между соотношением сигнал/шум на входе разведывательного приемника и значностью двоичного безызбыточного кода (кривые 4, 5 — широкополосный канал связи).

Как установлено в результате диссертационных исследований, улучшение технических характеристик (уменьшение мощности шумов квантования) в основном и/или спектральном канале ЗС приводит к уменьшению порогового соотношения сигнал/шум на входе несанкционированного приемника. При этом пороговое соотношение сигнал/шум, обеспечивающее защиту информации в радиоканалах утечки при цифровой передаче, составляет величину порядка 0,34...1,2. С увеличением числа безызбыточных символов, образующих кодовую комбинацию, пороговое соотношение сигнал/шум уменьшается и на характер этой зависимости не влияет способ цифрового преобразования речевых сигналов (то есть натуральное и/или эффективное кодирование). Что подтверждается известными данными о существовании нестрогого конфликта между СР и ЗС. Защита речевых сообщений, передаваемых по связной линии, достигается при санкционированном приеме в надпороговой области (соотношение

сигнал/шум, приведенное ко входу приемника абонента, превышает пороговый уровень) и несанкционированном перехвате непреднамеренных электромагнитных излучений РЭС в подпороговой области.

При работе средств радиоперехвата с излучениями выше пороговых принципиальным моментом является безусловное признание необходимости противодействия системе, осуществляющей информационную агрессию. Активная маскировка речевого сигнала в полосе акустического канала, оканчивающегося слуховым аппаратом оператора средства разведки, рассмотрена в четвертом разделе диссертации. Оптимальная стратегия маскировки предполагает определение статистических характеристик аддитивной помехи, при которых обеспечивается максимальное снижение разборчивости речи. Для иллюстрации на рис.8,9 показаны графики корреляционной функции и спектральной плотности мощности оптимальной помехи. Оптимальной в том смысле, что при любой другой ограниченной (нормированной) по мощности флюктуационной помехи не может обеспечиваться большее искажение речевой информации.

Рис.8. Графики корреляционных функций речевого сигнала и аддитивной случайной помехи, ограниченной по мощности.

Рис.9. Спектральное представление речевого сигнала и оптимальной помехи.

На основе развитого подхода устанавливается, что огибающая корреляционной функции случайной аддитивной помехи должна совпадать по форме с огибающей автокорреляционной функции речевого сигнала. Технические устройства, реализующие такую помеху для защиты речевой информации от восстановления сообщения средствами разведки и опознавания элементов речевого сигнала неавторизованными пользователями, обеспечивают одинаковую эффективность (качество маскировки) и с любой другой структурой помехи (например, с белым шумом), но при большей мощности маскирующего процесса. То есть предложенная в диссертации структура оптимальной имитирующей помехи наиболее предпочтительна с энергетической точки зрения.

Для проверки и тестирования качества предлагаемых методик расчета предельных характеристик защищенности речевой информации, передаваемой по связной линии, необходимо проводить дорогостоящие полигонные испытания. Поэтому, в пятом разделе диссертации разработан совершенно новый способ анализа достоверности определения пороговых сигналов, использующий лишь технические данные измерений характеристик излучения при штатных условиях эксплуатации защищаемой системы (то есть при работе с основным излуче-

нием в надпороговой области). Альтернативный способ основан на нормировании пороговых сигналов на входе приемника радиоперехвата информации при которых гарантируется разборчивость и не требует дополнительных материальных затрат.

Основные результаты диссертации

1. Изменение экономических отношений и безусловное признание прав граждан и юридических лиц на владение, использование и распоряжение интеллектуальной собственностью придает особую актуальность проблеме защиты конфиденциальной информации, передаваемой по каналам связи.

2. Мероприятия и средства обеспечения защиты информации должны планироваться и осуществляться с учетом степени опасности каналов утечки (то есть нормативов защищенности).

3. Оценку степени защищенности каналов передачи речи целесообразно проводить на основе модели идеального средства разведки, использующего всю априорную информацию о сигнале и работающего без потерь энергии сигнала за все время его наблюдения.

4. Для определения показателей защищенности информации в системах связи необходимо основываться на характеристиках разборчивости речи и задавать пороговые уровни безопасных мощностей сигналов в технических каналах утечки информации исходя из этих характеристик. Обнаружение речевой передачи при перехвате сигналов систем связи возможно при существенно больших пороговых мощностях, нежели обнаружение излучения. Этот эффект должен учитываться при организации защиты систем и средств связи от несанкционированного доступа к циркулирующей в них информации (защиты от перехвата речевых сообщений).

5. Имитационный эксперимент подтверждает достоверность предлагаемых методик оценки степени защищенности как вокодерных, так и полувокодерных

устройств. Анализ точности математического моделирования выполнен без специальных измерений и наблюдений сигнала, на основе лишь технических условий и данных измерений характеристик излучения при штатной эксплуатации.

6. Наилучшей помехой для маскировки речевого сообщения в акустическом канале разведывательного приемника является имитирующая помеха, огибающая корреляционной функции которой (помехи) совпадает по форме с огибающей автокорреляционной функции сообщения. Оптимальная помеха обеспечивает максимальное снижение разборчивости речи на выходе приемника средства разведки. Имитирующая помеха с указанными свойствами характеризуется меньшей мощностью, чем любая другая помеха, обеспечивающая одинаковое с ней качество маскировки (снижение разборчивости).

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1. Большое О. А., Шевцов В.А. Пороговые сигналы в каналах передачи и утечки информации при вокодерной связи // Труды 5-й Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" Т.2, стр.1276...1283, г. Воронеж, 1999 г.

2. Разработка концепции и методов оптимизации ресурсного обеспечения информационных технологий в системе образования // Отчет по НИР. Тема№ 412-00-01. - М.: МАИ, 2000 г.

3. Разработка методического аппарата оценки возможностей перехвата информации в каналах радиосвязи, включая цифровые и вокодерные каналы (каналы с преобразованной речью) // Отчет по НИР "Витраж-17".-М.:МАИ, 2000 г.

4. Большое O.A., Куприянов А.И. Пороговые сигналы в каналах передачи и утечки информации, передаваемой с помощью звукового модема. // Радиотехника. - 2001, № 3. - с. 55-61.

5. Большов O.A. Синтез оптимальной помехи для маскировки речевого сигнала. // Радиотехника. - 2001, № 3. - с. 62-68.

6. Большов O.A., Куприянов А.И. Пороговые сигналы в каналах передачи и утечки информации, передаваемой с помощью широкополосных модемов. -http://www.mai.ru, электронный журнал «Труды МАИ», 2001, № 4.