Введение к работе
Актуальность работы. В связи с интенсивным развитием и растущим многообразием различных видов проводной и беспроводной связи на железнодорожном транспорте необходимость защиты больших объемов передаваемой информации стоит достаточно остро. Из-за высокой стоимости технологий, решающих задачу генерации, хранения и распределения ключей, начиная с 1975 года, происходит интенсивная разработка методов защиты информации от несанкционированного доступа на основе алгоритмов помехоустойчивого кодирования.
Исследования в области помехоустойчивого кодирования и защиты информации таких российских и зарубежных ученых как Колесника В.Д., Дж. Форни, Р. Йохансона, К.Ш. Зигангирова, Н.А. Шехуновой, Гао, Возенкрафта Дж., Блейхута Р., Джекобса И., А. Витерби, П.Д. Зегжды, Г.А. Кабатянского, В.В. Зяблова и др. позволили не только развить математический аппарат теории помехоустойчивых кодов, но и эффективно применять данный аппарат к разнообразным задачам защиты передаваемой информации.
Особенно интересно решение задачи защиты информации от несанкционированного доступа помехоустойчивыми кодами с кодовым зашумлением. Система, решающая данную задачу, ориентирована на резкое ухудшение положения приемника-перехватчика, пытающегося получить несанкционированный доступ к передаваемой информации. Данная система, построенная на помехоустойчивом кодировании, одновременно с подавлением перехватчика обеспечивает увеличение уровня надежности передаваемых сообщений. Крупный вклад в теорию кодового зашумления внесли Вайнер А.Д., Маурер У.М., В.А. Яковлев, В.И. Коржик, С.А. Осмоловский, М.Ф. Савельев и полученные ими результаты однозначно и неоспоримо показывают, что использование в системах связи помехоустойчивых блоковых кодов обеспечивает одновременное повышение вероятности достоверной передачи и достижение защищенности конфиденциальной информации.
В то же время применение в качестве способа противодействия перехвату зашумления канала передачи с использованием сверточных кодов во многих случаях может не только обеспечить более низкую вероятность успешного перехвата (повышение уровня защищенности информации), сохраняя не меньший уровень верности передачи по сравнению с эталонным блоковым зашумлением, но и навязать перехватчику, который пытается обеспечить несанкционированный доступ к информации, политику, выгодную легитимному пользователю. Таким образом, исследование методов защиты конфиденциальной информации посредством использования сверточного кодирования является весьма актуальной задачей.
Объектом исследования является система передачи информации с дополнительными свойствами, позволяющими организовать кодовое зашумление на основе сверточных кодов для противодействия перехвату, а предметом – системы сверточного кодирования, допускающие применение алгебраических алгоритмов исправления ошибок и обеспечивающие защиту информации от перехвата.
Целью исследования является обеспечение требуемого уровня конфиденциальности передачи данных и управляющих команд и разработка метода противодействия перехвату информации путем кодового зашумления на основе сверточного кодирования.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ модели противодействия перехвату в системах передачи информации с использованием кодового зашумления;
разработка систем формирования сверточных кодов для организации кодового зашумления и противодействия перехвату, допускающих алгебраические алгоритмы исправления ошибок, основанные на принципах построения кодов Боуза-Чоудхури-Хоквингема и Рида – Соломона;
разработка алгебраических методов исправления ошибок в системах сверточного кодирования;
разработка комплексного метода противодействию перехвату информации путем кодового зашумления канала передачи систем сверточного кодирования с алгебраическим декодированием;
оценка качества передачи информации в каналах с перехватом при применении систем сверточного кодирования с кодовым зашумлением.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы абстрактной алгебры, теории вероятности, теории систем передачи информации, информационной безопасности и защиты информации и теории помехоустойчивого кодирования.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
методы формирования систем сверточного кодирования для противодействия перехвату, сформированных на основе мажоритарных (пороговых) кодов, кодов БЧХ и РС, и позволяющих исправлять заранее фиксированное число ошибок алгебраическими методами и эффективно реализовывать кодовое зашумление;
алгоритмы исправления ошибок алгебраическими методами в разработанных системах сверточного кодирования;
метод противодействия перехвату информации, основанный на комплексном применении систем сверточного кодирования, протокола передачи конфиденциальной информации по открытому каналу связи и зашумления канала передачи с использованием сверточных кодов;
результаты численного анализа предложенной системы связи по каналу с перехватом и моделирования, которые показывают, что кодовое зашумление с помощью разработанных систем сверточного кодирования обеспечивает надежную связь и малую вероятность успешного перехвата.
Научной новизной обладают следующие результаты диссертационной работы:
методы построения систем сверточных кодов с алгебраическим декодированием для зашумления канала передачи информации;
алгебраические алгоритмы исправления ошибок в сверточных кодах и их использование в схеме кодового зашумления;
оценивание влияния протокола Маурера на характеристики систем сверточного кодирования;
метод разработки системы противодействия перехвату информации на основе использования зашумления канала передачи с использованием систем сверточного кодирования и применения протокола Маурера для усиления асимметрии каналов;
оценки предложенных систем сверточного кодирования для простых каналов, показавшие высокую эффективность предлагаемых систем сверточного кодирования для надежной связи при высоком уровне подавления перехватчика.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается за счет корректного применения использованного математического аппарата, близостью и согласованностью полученных расчетных оценок с теоретическими выводами, а также апробацией результатов диссертационного исследования на научно-технических конференциях, публикациях в научных изданиях и практическими внедрениями.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные системы сверточного кодирования с кодовым зашумлением подготовлены для практической реализации в системах передачи данных и управляющих команд для обеспечения надежной связи и защиты от перехвата. Эффективность применения подтверждена численным анализом систем, результатами моделирования и обеспечивается простыми процедурами кодирования и декодирования.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты диссертации использованы в ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», Комитете по информатизации и связи («СПб ИАЦ»), а также внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Петербургского государственного университета путей сообщения», ФГОУ ВПО «Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения», ФГОУ ВПО «Петербургского государственного электротехнического университета» и ФГОУ ВПО «Пензенского государственного педагогического университета».
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Восьмой, Девятой, Десятой и Одиннадцатой научных сессиях СПбГУАП (2005, 2006, 2007, 2008 гг.), на научных семинарах СПбГУАП (2008-2010 гг.) и ПГУПС (2009 г.), на заседаниях кафедры Информационных систем СПбГУАП (2009-2010 г.) и кафедры Информатики и информационной безопасности ПГУПС (2010 г.), на Восьмой общероссийской научно-технической конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации» (2009 г.), на 14-й международной научно-практической конференции «Инфотранс-2009» (2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ (статьи и доклады на научно-технических и научно-практических конференциях), из них две в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного содержания с выводами по каждому разделу, заключения, списка используемых источников, включающего 95 наименований. Материалы диссертации изложены на 178 страницах машинописного текста, включающих 21 иллюстрацию и 8 таблиц, а также приложения объемом 42 страницы, включая 6 таблиц и 4 рисунка.
