Метод защищенной передачи информации на основе кодового зашумления в радиоканалах систем управления и обеспечения безопасности движения Ададуров, Александр Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ организации связи при управлении движением на железной дороге и принципа защищенной передачи информации по радиоканалам на основе кодового зашумления 11

1.1 Общая характеристика системы управления и обеспечения безопасности движения на российских железных дорогах 11

1.2 Существующие и перспективные системы связи и передачи информации управления движением на железнодорожном транспорте 20

1.3 Угрозы информационной безопасности и пути повышения защищенности ответственной информации, передаваемой в системе управления и обеспечения безопасности движения 35

1.4 Общая характеристика метода защищенной передачи информации по радиоканалам на основе кодового зашумления 46

1.5 Постановка задач исследований 60

2. Разработка сценариев организации защищенной радиосвязи в системе управления и обеспечения безопасности движения с обеспечением несимметричного канала утечки 63

2.1 Сценарный подход к организации защищенной передачи информации по радиоканалам на основе кодового зашумления 63

2.2 Сценарий организации радиосвязи с исключением доступа нарушителя в контролируемую зону и обеспечением несимметричного канала утечки за ее пределами 71

2.3 Сценарий организации радиосвязи с обеспечением несимметричного канала утечки за счет постановки маскирующих основной канал передачи информации структурных помех 79

2.4 Сценарий организации радиосвязи с фрагментацией сообщений и передачей части фрагментированных сообщений по дополнительному каналу передачи информации 87

Основные результаты и выводы по разделу 2 96

3. Разработка моделей совместно функционирующих несимметричных радиоканалов передачи информации и утечки при защищенной передаче информации на основе кодового зашумления ... 97

3.1 Структурные схемы несимметричных радиоканалов передачи информации и утечки при передаче информации на основе кодового зашумления 97

3.2 Формальные модели радиоканалов передачи информации и утечки при передаче информации на основе кодового зашумления

3.3 Исследование «секретной» пропускной способности и уровня информационной доступности радиоканала передачи информации с кодовым зашумлением 113

3.4 Методика и алгоритм выбора параметров блочного корректирующего кода при передаче информации по радиоканалу с кодовым зашумлением 122

Основные результаты и выводы по разделу 3 130

4. Описание метода защищенной передачи ответственных сообщений с использованием в качестве дополнительного канала передачи информации тональных рельсовых цепей 131

4.1 Анализ возможностей использования тональных рельсовых цепей как дополнительного канала передачи информации с фрагментацией сообщений 131

4.2 Вероятностные характеристики достоверности приема фрагментов сообщений в дополнительном канале передачи информации при пороговой схеме фрагментации 137

4.3 Исследование вероятности доставки фрагментированных сообщений при их передаче по дополнительному каналу 147

4.4 Методика и алгоритм выбора параметров блочного корректирующего кода дополнительных каналов передачи информации при передаче -фрагментов сообщений и схемы фрагментирования 154

Основные результаты и выводы по разделу 4 159

5. Разработка предложений по выбору сценариев организации защищенной радиосвязи и технической реализации передачи информации на основе кодового зашумления в системе управления и обеспечения безопасности движения 160

5.1 Алгоритм рационального выбора сценариев для организации защищенной передачи информации на основе кодового зашумления... 160

5.2 Программный комплекс для анализа условий связи в зоне обслуживания и выбора параметров радиоканала передачи информации с ограничением электромагнитной доступности 167

Основные результаты и выводы по разделу 5 177

Заключение 178

Список литературы 180

• Существующие и перспективные системы связи и передачи информации управления движением на железнодорожном транспорте
• Сценарий организации радиосвязи с исключением доступа нарушителя в контролируемую зону и обеспечением несимметричного канала утечки за ее пределами
• Исследование «секретной» пропускной способности и уровня информационной доступности радиоканала передачи информации с кодовым зашумлением
• Исследование вероятности доставки фрагментированных сообщений при их передаче по дополнительному каналу

Введение к работе

Актуальность работы. Железные дороги имеют развитую телекоммуникационную инфраструктуру связи, обеспечивающую управление процессом перевозок. В этой инфраструктуре значительная роль принадлежит средствам Системы Управления и Обеспечения Безопасности Движения (СУОБД). Основными функциями СУОБД являются контроль за тяговым подвижным составом (ТПС), управление светофорами и передача данных на ТПС. Важность этих функций определяет многоуровневое построение СОУБД и делает ее одним из ключевых элементов управления движением.

В современных условиях к системам связи на железных дорогах предъявляются жесткие требования по функциональным возможностям и качеству связи, которым могут соответствовать только цифровые системы радиосвязи, позволяющие обеспечить бесперебойную и помехоустойчивую связь с подвижными абонентами. Кроме того, в цифровых системах связи могут быть реализованы современные методы защищенной передачи информации (криптографические и некриптографические), обеспечивающие выполнение требований к информационной безопасности управления ТПС. Выполнение этих требований имеет особое значение при передаче ответственной информации (ответственных сообщений) – сообщений и команд управления, непосредственно связанных с управлением железнодорожной автоматикой и обеспечением безопасности движения.

Введение в эксплуатацию систем радиосвязи нового поколения позволяет создать единую сеть подвижной радиосвязи для абонентов различных служб железнодорожного транспорта и реализовать функции автоматического управления движением поездов. Однако в отличие от кабельных каналов радиоканалы с точки зрения условий распространения сигналов являются открытыми. Их электромагнитная доступность увеличивает опасность реализации угроз информационной безопасности при передаче по радиоканалам ответственных сообщений и требует принятия соответствующих мер по обеспечению защищенной передачи информации. Поэтому широкое использование систем радиосвязи в СУОБД должно сопровождаться анализом угроз информационной безопасности и разработкой специальных методов защищенной передачи ответственных сообщений.

Действующие правила организации радиосетей железнодорожного транспорта не содержат конкретных рекомендаций относительно безопасной передачи данных по радиоканалам и задают лишь общие функциональные требования по этому вопросу. Учитывая то обстоятельство, что в последнее время в теории связи все чаще рассматриваются некриптографические способы защиты информации, в качестве метода защищенной передачи информации по радиоканалам СУОБД в диссертационной работе рассматривается передача информации на основе кодового зашумления каналов. Данный некриптографический метод, основанный на случайном линейном кодировании сообщений с учетом свойств каналов передачи информации и утечки, был предложен А.Д.Вайнером и в дальнейшем развит им совместно с Л.Ю.Озаровым, а также В.И.Коржиком и В.А.Яковлевым.

Принципы кодового зашумления и возможности его использования для защищенной передачи информации позволяют считать его одним из перспективных методов передачи ответственных сообщений в СОУБД. Однако в радиоканалах подвижной радиосвязи далеко не всегда выполняется сформулированное в фундаментальных работах по кодовому зашумлению условие его эффективного использования – наличие несимметричного канала утечки, с помощью которого нарушитель осуществляет несанкционированный доступ к информации, передаваемой по радиоканалу. Отсюда следует актуальность задачи разработки научно обоснованных принципов организации защищенной передачи информации на основе кодового зашумления в радиоканалах СУОБД, а также в других системах радиосвязи железнодорожного транспорта.

Объектом исследования в диссертационной работе является цифровая радиотехническая система передачи информации с кодовым зашумлением каналов, как подсистема СУОБД, а предметом исследования – процесс защищенной передачи информации на основе кодового зашумления в цифровых радиоканалах СУОБД.

Целью исследования является повышение защищенности ответственной информации, передаваемой в СУОБД, на основе принципов кодового зашумления каналов.

Научная задача диссертационной работы состоит в разработке научно-методического аппарата реализации в цифровых системах радиосвязи СУОБД защищенной передачи информации на основе кодового зашумления. С учетом особенностей использования метода кодового зашумления в радиоканалах в работе с единых позиций рассматриваются как системные решения по организации радиосвязи с кодовым зашумлением каналов, так и технические решения по реализации конкретных методов передачи информации на основе кодового зашумления в многоуровневой СУОБД.

Достижение поставленной цели и решение научной задачи потребовало решения следующих частных задач исследований:

1. Анализ существующих систем управления и обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте и используемых в их составе существующих и перспективных систем цифровой связи.

2. Разработка сценариев организации радиосвязи в СУОБД с обеспечением несимметричного канала утечки для реализации метода кодового зашумления.

3. Описание формальных моделей радиоканалов передачи информации и утечки при кодовом зашумлении.

4. Разработка метода защищенной передачи ответственных сообщений с использованием в качестве дополнительного канала передачи информации тональных рельсовых цепей.

5. Разработка предложений по выбору сценариев организации защищенной радиосвязи и технической реализации передачи информации на основе кодового зашумления с учетом условий связи в зоне обслуживания.

На защиту выносятся:

1. Сценарии организации защищенной радиосвязи в СУОБД на основе кодового зашумления с реализацией несимметричного канала утечки за счет снижения электромагнитной и информационной доступности передаваемой информации.

2. Формальные модели совместно функционирующих несимметричных каналов передачи информации и утечки и алгоритм выбора параметров блочного корректирующего кода при защищенной передаче информации на основе кодового зашумления.

3. Метод защищенной передачи информации с фрагментацией сообщений и использованием тональных рельсовых цепей в качестве дополнительного канала передачи информации и предложения по его технической реализации в СУОБД.

4. Предложения по выбору сценариев организации защищенной радиосвязи в СУОБД и структуре программного комплекса для анализа условий радиосвязи в зоне обслуживания при технической реализации передачи информации на основе кодового зашумления.

Методы выполнения исследований. При решении поставленной научной задачи в диссертационной работе используются методы теории информации, теории радиосвязи и помехоустойчивого кодирования, системного анализа и защиты информации в телекоммуникационных системах. Частные задачи исследований решаются аналитическими и численными методами с использованием прикладных компьютерных программ.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяется корректным использованием выбранного математического аппарата, согласием теоретических результатов исследований с выполненными прикладными расчетами для реальных исходных данных, апробированием результатов диссертационных исследований на научных конференциях и их внедрением при разработке перспективных СУОБД,

Научная новизна диссертационной работы состоит в получении следующих результатов:

1. Обоснован сценарный подход к организации защищенной передачи информации по радиоканалам на основе кодового зашумления и разработаны три сценария организации радиосвязи с ТПС с обеспечением несимметричного канала утечки за счет снижения электромагнитной и информационной доступности передаваемой информации.

2. Разработаны формальные модели совместно функционирующих несимметричных каналов передачи информации и утечки и исследованы показатели защищенности и помехоустойчивости передачи информации на основе кодового зашумления при комбинированном случайном кодировании.

3. Разработан и исследован метод защищенной передачи информации в СУОБД с фрагментированием сообщений и использованием тональных рельсовых цепей в качестве дополнительного канала передачи информации для обеспечения несимметричного канала утечки.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:

3. 1. Разработанные сценарии организации радиосвязи с ТПС с обеспечением несимметричного канала утечки учитывают особенности функционирования радиоканалов СУОБД и при практической реализации позволяют некриптогорафическими методами обеспечить передачу ответственных сообщений с необходимым уровнем защиты от перехвата.

   2. Разработанный метод защищенной передачи информации с фрагментированием сообщений и использованием тональных рельсовых цепей в качестве дополнительного канала передачи информации ориентирован на использование в многоуровневой СУОБД и может быть реализован на основе существующих и перспективных систем связи с ТПС.

   3. Результаты исследования показателей защищенности и помехоустойчивости передачи информации на основе кодового зашумления и разработанный программный комплекс для анализа условий радиосвязи в зоне обслуживания позволяют научно обоснованно выбрать характеристики радиоканалов СУОБД при технической реализации защищенной передачи информации на основе кодового зашумления.

   Реализация и внедрение результатов исследований.

   Основные результаты диссертации реализованы:

   - в проектах Центральной Станции Связи (ЦСС) – Филиале ОАО «РЖД»;

   - в НИОКР и проектных разработках ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (НИИАС);

   - в учебном процессе ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС) по кафедре «Информатика и информационная безопасность».

   Апробация. Основные результаты работы были доложены на 2 Всероссийских и 4 Международных конференциях, а также на научных семинарах кафедры «Информатика и информационная безопасность» ПГУПС.

   Публикации. Материалы исследований по теме диссертации опубликованы в 18 научных работах, в том числе: в 15 статьях, из них 8 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России, и 3 отчетах НИОКР.

   Структура и объем диссертации.

   Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов основного содержания, заключения, списка литературы, включающего 88 наименований. Материалы диссертации изложены на 188 страницах, включающих 60 рисунков с графиками и иллюстрациями и 7 таблиц.

   Существующие и перспективные системы связи и передачи информации управления движением на железнодорожном транспорте

   Система АБТЦ является на сегодняшний день наиболее совершенной и эффективной из специализированных систем СУОБД и рекомендована к применению при строительстве новых и реконструкции эксплуатируемых участков железных дорог, на которых предусматривается автоблокировка. Средой передачи сигналов на локомотив и светофоры в ней являются бесстыковые рельсовые цепи, использующие сигналы тональной частоты.

   По объему передаваемой информации система является малоинформативной и обеспечивает передачу только ограниченного числа формализованных сообщений. Однако большинство передаваемых сообщений непосредственно связаны с обеспечением безопасности движения и относятся к разряду ответственных. С помощью системы АБТЦ осуществляется передача сообщений управления ТПС и светофорами, среди которых такие ответственные сообщения, как разрешение движения с необходимой скоростью при различной занятости блок-участков, сигналы экстренного торможения, показания перегонных и станционных светофоров и другие [6,11].

   В настоящее время в эксплуатации находится модернизированная система АБТЦ-М, в которой предусмотрены следующие возможности: - Передача сигналов управления при двухстороннем движении по каждому пути двухпутного перегона; - Наличие защитных участков для обоих направлений движения; - Контроль исправности жил кабеля рельсовых цепей; - Контроль замыкания кабеля питания ламп проходных светофоров; - Контроль правильности занятия и освобождения рельсовых цепей блок-участка (контроль потери шунта) с блокировкой светофоров и схем кодирования автоматической локомотивной сигнализации. Система АБТЦ-М работает в диапазоне частот от 475 до 925 Гц. Рабочий диапазон системы выбран на основании частотной характеристики тональных рельсовых цепей (ТРЦ) и малого уровня индустриальных помех и помех от подвижного состава, которые сосредоточены в диапазоне до 300 Гц. При длине ТРЦ до 1200 м режимы ее работы (нормальный, шунтовой и контрольный) выполняются без дополнительной регулировки при изменении сопротивления изоляции. При этом учитывается наличие дроссель-трансформаторов с междупутными перемычками для выравнивания тягового тока и подключения устройств тяговой сети, а также заземлений искусственных сооружений на рельсы. В рабочем диапазоне частот при используемой в системе частотной манипуляции и относительно небольших уровнях сигнала обеспечивается отношение сигнал/шум, достаточное для обеспечения вероятности ошибки (искажения) сообщения не хуже 10"4.

   Функциональная схема передачи информации на светофоры и локомотив с помощью ТРЦ приведена на рисунке 1.2.1. На рисунке выделено оборудование АБТЦ, с которым взаимодействует диспетчер или автоматика управления движением, ТРЦ, светофор и ТПС (локомотив). Диспетчер или автоматика управления движением являются источниками сообщений, светофоры и локомотивы - получателями сообщений.

   Блок контроля рельсовых цепей (БКРЦ) предназначен для контроля занятости/неисправности рельсовой цепи по анализу сигнала в приемопередающем тракте, в котором в качестве физического канала используется ограниченный участок рельсовой цепи, а также для формирования кода АЛСН(ЕН). Формируемые БКРЦ сигналы контроля рельсовой цепи подаются в рельсовую цепь через усилитель мощности (УМ) и устройство согласования (УС). Каждый БКРЦ может быть настроен на один из 10 частотных каналов. На перегоне частоты ТРЦ выбираются таким образом, что бы они не повторялись, как минимум, на трех соседних рельсовых цепях вдоль,перегона и на параллельных участках. Таким образом, исключается взаимовлияние соседних рельсовых цепей, что имеет место в числовой автоблокировке.

   При обрыве цепи (повреждении рельса) или появлении шунта (подвижной единицы) параметры рельсовой цепи изменяются, что приводит к уменьшению или пропаданию тока в замкнутой электрической цепи, образованной УС, УМ и приемником, и, следовательно, к изменению напряжения контролируемого сигнала на входе приемника. При отсутствии контролируемого сигнала или снижении его величины ниже заданного порогового уровня приемник формирует сигнал занятости (неисправности) рельсовой цепи.

   Рабочий диапазон частот системы АБТЦ от 475 до 925 Гц предопределяет ее низкую информативность. Основными сигналами управления ТПС в системе АБТЦ являются сигналы автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) или многозначной автоматической локомотивной сигнализации (АЛС-ЕН). По полученным от блоков управления данным в двухканальном блоке формирования кодовых команд (БФКК)гпроисходит формирование кода АЛСН(ЕН), который суммируется с выходным сигналом. Выходной сигнал по каналу обратной связи поступает в оба канала обработки формирова-теля кодового сигнала, где код АЛСЩЕН) сравнивается-с переданным.

   В состав системы автоматической локомотивной сигнализации АЛСН входят напольные передающие устройства, приёмные и дешифрующие устройства на подвижном составе, а также устройства, согласующие работу АЛСН с другими компонентами сигнализации и блокировки, индикаторы, датчики и исполнительные устройства на подвижном составе. Систему АЛСН дополняют также устройством для проверки бдительности машиниста и контроля скорости движения поезда, а наиболее совершенные системы — устройствами автоматического регулирования скорости.

   Расстановка шкафов системы АЛСН осуществляется по блок-участкам на основе принятого интервала попутного следования расчетных поездов. Длина такого блок-участка составляет от 1000 до 2600 м. [17] Сигнальный ток подается в рельсовую линию, по которой распространяется в обе стороны от точки подключения. Путевые приемники подключаются к релейным концам рельсовых цепей, обладая свойствами частотной селекции и пороговыми свойствами. Вся описанная аппаратура размещается в станционном помещении или релейных шкафах и соединяется с рельсовой линией при помощи сигнального кабеля. Доступ в помещения и к шкафам строго ограничен.

   Схема управления светофорами в системе АБТЦ-М представляет собой комплект из блока управления светофором станционный (БУСС) и одного или двух блоков управления светофорами перегонными (БУСП). БУСС и БУСП связаны модемной линией связи, по которой также осуществляется консольное питание блоков БУСП. БУСС представляет собой двухканальный обработчик с безопасной схемой сравнения, программно-блочной синхронизацией данных между каналами и безопасными исполнительными элементами (блоки питания БУСП).

   Система АЛСН используется на магистральных железных дорогах, где скорость движения пассажирских поездов не превышает 120 км/ч, а грузовых поездов - 80 км/ч. На линиях высокоскоростного движения со скоростями движения поездов до 200 км/ч требуется расширение значности локомотивной сигнализации, так как возрастает тормозной путь и необходимо передавать информацию о приближении поездов не за два, а за три или четыре блок-участка. Для этого система АЛСН недостаточно информативна. К числу ее недостатков также относятся малое число градаций скоростей, низкая точность их измерения и низкая потенциальная помехоустойчивость используемых методов кодирования и структуры сигнала. Организация высокоскоростного движения поездов и указанные недостатки АЛСН взывали необходимость создания современной системы локомотивной сигнализации АЛС-ЕН с расширенными функциональными возможностями, обладающей улучшенными эксплуатационными-и техническими характеристиками [11].

   Сценарий организации радиосвязи с исключением доступа нарушителя в контролируемую зону и обеспечением несимметричного канала утечки за ее пределами

   Сценарий организации радиосвязи с ТПС с исключением доступа нарушителя на контролируемую зону обеспечивает создание несимметричного канала утечки за счет снижения электромагнитной доступности радиоканала передачи информации за пределами охраняемого периметра зоны обслуживания. Доступ нарушителя в пределы охраняемого периметра предотвращается организационными мерами, а ухудшение условий приема сигналов за пределами охраняемого периметра достигается точным учетом местных условий приема сигналов и соответствующим выбором энергетического потенциала системы радиосвязи. В результате требуемое качество приема сигналов обеспечивается только в пределах охраняемого периметра. Поскольку нарушитель может находиться только за пределами охраняемого периметра, где качество приема сигналов ниже требуемого, канал утечки оказывается несимметричным. Тем самым создаются условия несимметричного канала утечки для использования метода кодового зашумления.

   Графическое представление сценария организации радиосвязи с исключением доступа нарушителя на контролируемую зону и обеспечением несимметричного канала утечки за ее пределами изображено на рисунке 2.2.1. Здесь показаны законные абоненты А (ДЦУ) и В (ТПС), находящиеся в пределах охраняемого периметра, и незаконный абонент (нарушитель) Е, находящийся за пределами охраняемого периметра.

   Создание охраняемого периметра в настоящее время предусматривается для целого ряда объектов телекоммуникационных сетей различной ведомственной принадлежности, в частности, узлов связи сетей фиксированной телефонной связи, сетей подвижной радиосвязи, сетей подвижной радиотелефонной связи, сетей подвижной спутниковой радиосвязи, сетей передачи данных [34]. Федеральный закон «О связи» (ст. 7) определяет ответственность операторов связи за обеспечение защиты средств и сооружений связи от несанкционированного доступа к ним как на этапе строительства и реконструкции, так и на этапе эксплуатации. Применительно к железной дороге и системам радиосвязи с ТПС охраняемый периметр может быть реализован на территориях станций и других объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта, а также на отдельных участках пути.

   Двумя основными условиями реализации данного сценария являются, во-первых, выполнение необходимых мероприятий по обеспечению охраны периметра и предотвращению допуска нарушителей в его пределы, во-вторых, точный расчет энергетического потенциала системы с учетом местных условий радиосвязи и определение охраняемой зоны обслуживания таким образом, чтобы ее периметр совпадал с границей зоны, в которой обеспечивается требуемое качество приема сигналов. При выполнении этих условий нарушитель, находящийся за пределами охраняемой зоны обслуживания, может принимать сигналы только с низким качеством.

   Качество связи в зоне обслуживания любой системы радиосвязи опреде ляется энергетическим потенциалом радиоканалов передачи информации, который характеризуется отношением сигнал/шум на входе приемного устройства. При анализе цифровых систем радиосвязи с посимвольным приемом сообщений величина отношения сигнал/шум определяется в виде q = Ec/N0, где Ес - энергия принимаемого сигнала, приходящаяся на информационный символ, No - спектральная плотность мощности шума (действующие шумы и помехи описываются моделью белого гауссовского шума). Потенциальная помехоустойчивость передачи информации характеризуется вероятностью ошибочного приема информационного символа р0, которая зависит от отношения сигнал/шум q и используемой структуры радиосигналов и для двоичного симметричного канала определяется выражением [...]: Величина ро является исходной для расчета вероятности ошибочного приема сообщения Рош с учетом используемых методов кодирования [41,55]. Зависимость ро=Ач) вида (2.2.1) соответствует оптимальному приему сигналов в условиях белого гауссовского шума, в общем случае она может иметь более" сложной характер, но всегдаІівляетсяійонотонньїй — чём больше отношение сигнал/шум q, тем меньше вероятность ошибочного приема информационного символа ро- В рассматриваемом случае передачи информации по радиоканалу и радиоперехвата вероятности ошибочного приема информационного символа в основном канале передачи информации р0] и в канале утечки ро2 зависят от используемой структуры сигналов и определяются отношениями сигнал/шум в основном канале qj ив канале утечки q2 соответственно. На рисунке 2.2.2 приведены зависимости Р(ГЛя) рассчитанные по формуле (2.2.1) для а=\ (кривая 1) и а=2 (кривая 2). Из графика видно, что в области значений 2 д 10 при изменении отношения сигнал/шум на 3 дБ имеет место изменение величины ро от 10" -10" до 10" -10" , что свидетельствует о существенном влиянии условий связи на достоверность передачи информации. В наибольшей степени это проявляется при а=2, что соответствует использованию фазоманипулированных сигналов, наилучших с точки зрения потенциальной помехоустойчивости. Таким образом, при отношении сигнал/шум в основном канале qi=%-lO и обеспечении несимметричного канала утечки с затуханием 3-4 дБ относительно основного канала, создаются условия для передачи информации с кодовым зашумлением. Пусть энергия принимаемого сигнала, приходящаяся на информационный символ, составляет Ее\ в основном канале и Ес2 в канале утечки. Условие более высокого отношения сигнал/шум qx = EcX/N0 и качества связи в основном канале по сравнению с отношением сигнал/шум q2 = Ec2/N0 и качеством связи в канале утечки q{ q2 выполняется благодаря соответствующему выбору энергетического потенциала основного канала. При ЕсХ Ес2 и N0 = const величина qi в пределах охраняемого периметра зоны радиосвязи превышает величину #2 за пределами периметра. На практике при передаче информации в цифровых системах радиосвязи задается требуемая (допустимая) вероятность ошибочного приема сообщения Рош или информационного символа ро. Исходя из этого с учетом известных соотношений вида р0 = f(q) для используемых структур сигналов определяется требуемая величина отношения сигнал/шум основного канала qx - Ecl /NQ, а по ней — мощность передатчика системы радиосвязи РПРД Энергия принимаемого сигнала Ес, приходящаяся на информационный символ, определяется мощностью принимаемого сигнала Рс и длительностью информационного символа: Ес=РсАт. В свою очередь, мощность сигнала на входе приемника определяется произведением [56]:

   Исследование «секретной» пропускной способности и уровня информационной доступности радиоканала передачи информации с кодовым зашумлением

   Для количественной характеристики степени защищенности сообщений, передаваемых при кодовом зашумлении каналов, используются параметры «секретной» пропускной способности основного канала передачи информации и уровня его информационной доступности.

   При передаче информации по радиоканалам с кодовым зашумлением «секретная» пропускная способность радиоканала является основной характеристикой потенциальной защищенности передачи информации, исходя из которой могут формулироваться критерии качества и защищенности переда- чи информации [40]. Понятие секретной пропускной способности вводится для обобщенной схемы передачи информации по основному каналу при наличии канала утечки, изображенной на рисунке 1.4.2. В соответствии с опре- делением «секретная» пропускная способность соответствует максимальной скорости передачи информации по основному каналу, при которой по каналу утечки информация не передается, что обеспечивается ограничением электромагнитной или информационной доступности передаваемой информации. Величина «секретной» пропускной Я$ и ее соотношение с реальной (шенноновской) пропускной способностью радиоканала С и скоростью передачи информации V характеризуют возможности защищенной передачи информации в условиях угрозы ее радиоперехвата нарушителем.

   «Секретная» пропускная способность определяет степень защищённости информации, передаваемой с кодовым зашумлением по основному каналу, относительно канала утечки. Как следует из рисунка 1.4.4, секретная пропускная способность тем ниже, чем ниже неопределенность и соответственно чем больше доступность передаваемой информации для нарушителя. При создании условий связи, характеризующихся несимметричным каналом утечки, обеспечивается выполнение условия Rs C. Тогда при передаче информации в основном канале на скоростях RS R C, превышающих секретную пропускную способность, законные абоненты могут получать сообщения со сколь угодно малой вероятностью ошибки (Н(аг \ ал) — 0), а неопределённость нарушителя относительно принятых сообщений в канале утечки оказывается близка к энтропии источника, определяемой априорным распределением вероятностей ( Н(аJ аа ) = Н{а1) ). Рассмотрим «секретную» пропускную способность радиоканала передачи информации при ограничении к нему электромагнитной доступности. Будем полагать, что условие несимметричного канала утечки обеспечивается в соответствии со сценарием 2 путем постановки нарушителю маскирующих структурных помех. При этом ситуация, когда нарушитель в соответствии со сценарием 1 находится за пределами охраняемого периметра в зоне с неблагоприятными условиями приема сигналов, выступает как частный случай по отношению к рассматриваемому. Взаимодействие источника сообщений А, законного абонента В и нарушителя Е при защищенной передаче информации с постановкой маскирующих структурных помех описывается формальной моделью, структурная схема которой приведена на рисунке 3.2.2. При передаче источником А сигнала XAJ, соответствующего у-ому сообщению, в соответствии с выражениями (3.2.3) и (3.2.4) законный получатель В принимает его в основном канале в виде YBj , а нарушитель принимает в канале утечки в виде ZEJ. При этом другой источник С излучает помеху VCj, маскирующую передачу у-го сообщения. Копия этой помехи по кабельной линии связи между В и С поступает к получателю сообщения В, который может осуществить ее компенсацию, а нарушитель Е такой возможности не имеет. Предполагается, что постановка маскирующих помех источником С осуществляется путем передачи кодовых комбинаций из некоторой случайным образом сгенерированной гауссовской кодовой книги и что между БС, являющимися источником помех С и получателем сообщений В, существует высокоскоростная линия связи (кабель) с пропускной способностью Сь большей, чем скорость передачи информации источником С (C[ Rc).

   Скорость передачи информации источником сообщений RA достигает «секретной» пропускной способности RS,AB радиоканала между законными абонентами А и В по отношению к нарушителю Е (RA=RS,AB), если: а) при числе посылок на сообщение п—» х исчезает ошибка при декоди ровании сообщения YBj законным абонентом В: Рош1 — О и Н{А\В) — 0. б) неопределенность нарушителя Е при декодировании сообщения ZEj, измеряемая как отношение уловной энтропии Н(Л\Е) К энтропии Н{Л) ис Определим две следующие функции. Первая функция C(qAB) — это стандартная (нормированная к единице полосы) пропускная способность радиоканала между источником А и получателем В и отношением сигнал/шум qAB Вторая функция SAB(RC) - это функция, характеризующая работу канала множественного доступа, образованного двумя источниками А, С и приемником В. Она определяет максимальную скорость для соединения АяВ при заданной скорости передачи информации Re источником С. При этом скорость передачи информации Rc не ограничена рамками пропускной способности рассматриваемого канала множественного доступа. При заданных отношениях сигнал/шум в радиоканалах между А и В qjs и между С и В и дСв функция SiB(Rc) будет иметь вид [70]: Сообщения, выступающие в качестве маскирующих помех, передаются БС С со скоростью RQ и выбираются с учетом установленного характера взаимодействия между БС В и С. В этом случае при C{ Rc для любого значения Rc выполняется SAB(Rc) = C(qAB), что означает возможность для БС С передать по высокоскоростной линии в реальном масштабе времени на БС В текущее кодовое слово Vcj, и возможность для БС В эффективно скомпенсировать помеховую составляющую при приеме сообщения YBj. При идеальной компенсации на БС В маскирующих помех от БС С в выражении (3.2.3) выполняется hCB=h B и yBZ=hABXA l+Ng a процесс передачи информации от А кВ с заданной скоростью RA является процессом, достигающим полной секретности при некоторой скорости передачи информа ции RS,AB, которая определяется введенными функциями C(qAB) и SAB(RC) [69,71]: Следует отметить, что для осуществления идеальной компенсации следует допустить полную синхронизацию между посылками от А и С в приемнике В. В самом неблагоприятном случае такая синхронизация может иметь место и в приемнике нарушителя Е, однако, не имея информации о структуре маскирующей помехи, он не может эффективно ее скомпенсировать.

   Исследование вероятности доставки фрагментированных сообщений при их передаче по дополнительному каналу

   Основным количественным показателем качества передачи дискретных сообщений является достоверность передачи информации, характеризуемая вероятностью ошибочного приема сообщения Рош. Для реализации защищенной передачи информации по радиоканалам на основе кодового зашумления необходимо обеспечить такие условия связи, чтобы в основном канале выполнялось Рош Рош.треб и вероятность ошибки Рош! была не выше требуемой Рош.трсб, а в канале утечки вероятность ошибки Роиа была как можно выше. Данное условие несимметричного канала утечки при ограничении электромагнитной доступности основного канала может быть достигнуто при соответствующим выборе параметров используемого для передачи сообщений корректирующего кода основного канала.

   Рассмотрим выбор параметров блочного корректирующего кода для передачи информации по радиоканалу с кодовым зашумлением. Рассматриваемые блочные коды могут использоваться самостоятельно, а также в составе каскадных и других схем кодирования совместно с другими кодами [55,72]. Будем полагать, что формирование сообщений осуществляется в соответствии с вариантами, приведенными в таблице 1.4.1. Достоверность передачи сообщения при наличии помех в канале передачи информации обеспечивается при введении в передаваемое «-разрядное сообщение г проверочных символов помехоустойчивого кода. Оставшиеся разряды заполняются или только к информационными символами или к информационными символами и / символами стохастического кода (во всех случаях выполняется п=к+1+г).

   При несимметричном канале утечки используемый корректирующий код должен обеспечивать требуемую достоверность передачи информации только законному абоненту. Вследствие ухудшения условий выделения передаваемых сообщений в канале утечки достоверность выделения сообщений нарушителем объективно ухудшается, и это ухудшение тем сильнее, чем хуже условия связи. Поэтому при плохом качестве канала утечки условия для реализации защищенной передачи информации с кодовым зашумлением могут быть достигнуты только при использовании помехоустойчивого кодирования за счет выбора таких параметров кода, при которых в канале утечки происходит «размножение» ошибок. Сообщение при этом состоит из к информационными и г проверочных символов помехоустойчивого кода.

   При хороших условиях связи в канале утечки создание условий для «размножения» ошибок может быть затруднено и даже невозможно. В этом случае в состав сообщения включают к информационных символов, г проверочных символов помехоустойчивого кода и / символов стохастического кода. При этом, как и в предыдущем случае, при несимметричном канале утечки информации ухудшаются условия выделения нарушителем передаваемых сообщений и требуемая достоверность передачи информации законному абоненту может обеспечиваться при меньшем числе проверочных символов корректирующего кода. При этом использование стохастического кода уменьшает информационную доступность основного канала передачи информации для нарушителя, не знающего кодовой книги. В обоих случаях при фиксированных пик скорость передачи информации по радиоканалу остается неизменной и обеспечивается выигрыш в скрытности передачи информации при переходе от симметричного к несимметричному каналу утечки.

   Принцип повышения уровня защищенности передачи при использовании метода кодового зашумления пояснялся рисунком 1.4.1. Будем полагать, что за счет ограничения электромагнитной доступности информации, передаваемой по радиоканалу системы ТРС (сценарии 1 и 2), имеется возможность создать связи в основном канале и в канале утечки условия, позволяющие при соответствующем выборе корректирующего кода основного канала (в общем случае применяемого в составе комбинированного случайного кода совместно со стохастическим кодом) обеспечить возможность защищенной передачи информации на основе кодового зашумления. Необходимо сформулировать принципы выбора параметров корректирующего кода п и г. В случае использования только корректирующего кода п=к+г. В случае совместного использования корректирующего и стохастического кода п=к+1+г, при этом возможность обнаружения и исправления ошибок по-прежнему определяется избыточностью корректирующего кода и соотношением между пи г.

   Величина Рош как в основном канале передачи информации, так и в канале утечки определяется вероятностью ошибочного приема информационного символа ро, связанной с характеристиками соответствующего радиоканала, и параметрами используемого корректирующего кода. Параметры корректирующего кода для основного канала передачи информации и для канала утечки являются одинаковыми (при анализе защищенности передачи информации допускается наихудший случай знания нарушителем структуры кодовой книги, с помощью которой формируется комбинированный случайный код). В этой ситуации параметры корректирующего кода ки г должны выбираться таким образом, чтобы в основном канале передачи информации с заданной вероятностью ошибочного приема информационного символа p0j выполнялось условие Рош Рош.треб-, что соответствует успешной передаче информации законному абоненту. Тогда в несимметричном канале утечки с вероятностью ошибочного приема информационного символа, вероятность ошибочного приема сообщений будет нарушителю будет затруднен НСД к передаваемой информации.

   Наибольший практический интерес при реализации метода кодового зашумления представляет использование корректирующих кодов, исправляющих ошибки. В этом случае вероятность ошибочного приема сообщения, передаваемого двоичным кодом, Рош связана с вероятностью ошибочного приема информационного символа/?0 выражением [28,41]:

   Похожие диссертации на Метод защищенной передачи информации на основе кодового зашумления в радиоканалах систем управления и обеспечения безопасности движения

   

   Развитие методов и средств обеспечения целостности и конфиденциальности регистрируемой информации системы информационной безопасности организации воздушного движенияЛёвин, Валерий Юрьевич

   

   Метод защищенной передачи информации на основе кодового зашумления Савельев Максим Феликсович

   

   Метод противодействия перехвату информации на основе зашумления канала передачи с использованием сверточных кодовТитова, Евгения Михайловна

   

   Региональная система информационной безопасности: угрозы, управление и обеспечениеКулаков Владимир Григорьевич

   Метод обнаружения информационных угроз безопасности передачи данных на основе анализа сетевой статистикиГирик, Алексей Валерьевич

   

   Методы защиты цифровой видеоинформации при ее передаче в распределенных компьютерных сетяхЩерба Евгений Викторович

   

   Защита информации от угроз нарушения целостности в высокоскоростных каналах передачи данныхСолтанов, Андрей Георгиевич

   Алгоритм защиты информации на основе тригонометрических функцийСизов, Владимир Петрович

   

   Модели оценки рисков несанкционированного доступа и утечки информации на основе модели Take-GrantБардычев, Василий Юрьевич

   

   Методика формирования рационального состава комплекса средств защиты информации на основе априорной оценки рискаГорохов Денис Евгеньевич