Скремблер - Scrambler

Для использования в других целях см. Скремблер (значения).

В телекоммуникации, а скремблер это устройство, которое транспонирует или инвертирует сигналы или иным образом кодирует сообщение на стороне отправителя, чтобы сделать сообщение неразборчивым для получателя, не оснащенного соответствующим образом настроенным устройством дескремблирования. В то время как шифрование обычно относится к операциям, проводимым в цифровой домен, скремблирование обычно относится к операциям, выполняемым в аналог домен. Скремблирование выполняется путем добавления компонентов к исходному сигналу или изменения некоторых важных компонентов исходного сигнала, чтобы затруднить извлечение исходного сигнала. Примеры последнего могут включать удаление или изменение вертикальных или горизонтальных синхроимпульсов в телевизионных сигналах; телевизоры не смогут отображать изображение с такого сигнала. Некоторые современные скремблеры на самом деле шифрование устройств, название осталось из-за сходства в использовании, в отличие от внутренней работы.

В телекоммуникации и запись, а скремблер (также называемый рандомизатор) - это устройство, которое манипулирует потоком данных перед передачей. Манипуляции отменяются дескремблер на принимающей стороне. Скремблирование широко используется в спутниковое, радиореле коммуникации и PSTN модемы. Скремблер можно разместить непосредственно перед FEC кодировщик, или он может быть размещен после FEC, непосредственно перед модуляцией или линейный код. Скремблер в этом контексте не имеет ничего общего с шифрование, поскольку целью является не сделать сообщение непонятным, а придать передаваемым данным полезные инженерные свойства.

Скремблер заменяет последовательности (называемые последовательности отбеливания) в другие последовательности, не удаляя нежелательные последовательности, и, как следствие, это изменяет вероятность появления неприятных последовательностей. Ясно, что это не является надежным, поскольку есть входные последовательности, которые дают все нули, все единицы или другие нежелательные периодические выходные последовательности. Следовательно, скремблер не является хорошей заменой линейный код, который на этапе кодирования удаляет нежелательные последовательности.

Цели скремблирования

Скремблер (или рандомизатор) может быть:

  1. Алгоритм, преобразующий входную строку в, казалось бы, случайный строка вывода той же длины (например, псевдослучайно выбор битов для инвертирования), что позволяет избежать длинных последовательностей битов с одинаковым значением; в этом контексте рандомизатор также называется скремблером.
  2. Аналоговый или цифровой источник непредсказуемых (т.е. с высокой энтропией), несмещенных и обычно независимых (т.е. случайных) выходных битов. "Настоящий" генератор случайных чисел может использоваться для подачи (более практично) детерминированный псевдослучайный генератор случайных чисел, что расширяет случайное семя ценность.

Есть две основные причины, по которым используется скремблирование:

  • Чтобы обеспечить точное восстановление синхронизации на приемном оборудовании, не прибегая к избыточному кодированию линии. Это облегчает работу схема восстановления синхронизации (смотрите также Восстановление часов ), автоматическая регулировка усиления и другие адаптивные схемы приемника (исключение длинных последовательностей, состоящих только из «0» или «1»).
  • Для рассеивания энергии по несущей, уменьшая межнесущий сигнал вмешательство. Устраняет зависимость сигнала от спектр мощности фактически передаваемых данных, делая их более рассредоточенными для удовлетворения требований максимальной спектральной плотности мощности (поскольку, если мощность сконцентрирована в узкой полосе частот, она может создавать помехи для соседних каналов из-за интермодуляция (также известная как кросс-модуляция), вызванная нелинейностями приемного тракта).

Скремблеры - важные компоненты физический слой системные стандарты помимо кодирование с чередованием и модуляция. Обычно они определяются на основе регистры сдвига с линейной обратной связью (LFSR) благодаря их хорошим статистическим свойствам и простоте аппаратной реализации.

Органы стандартов физического уровня обычно ссылаются на нижний уровень (физический уровень и уровень связи ) шифрование также как скремблирование.[1][2] Это вполне может быть связано с тем, что используемые (традиционные) механизмы также основаны на регистрах сдвига с обратной связью. цифровое телевидение, такие как DVB-CA и MPE, называйте шифрование на канальном уровне скремблированием.

Типы скремблеров

  • Аддитивные (синхронные) скремблеры
  • Мультипликативные (самосинхронизирующиеся) скремблеры

Аддитивные (синхронные) скремблеры

Аддитивный скремблер (дескремблер), используемый в DVB

Аддитивные скремблеры (их также называют синхронный) преобразовать поток входных данных, применив псевдослучайная двоичная последовательность (PRBS) (сложением по модулю два). Иногда предварительно рассчитанный PRBS, хранящийся в только для чтения памяти используется, но чаще генерируется регистр сдвига с линейной обратной связью (LFSR).

Для обеспечения синхронной работы LFSR передачи и приема (т. Е. скремблер и дескремблер), а синхронизирующее слово должны быть использованы.

Синхронизирующее слово - это шаблон, который помещается в поток данных через равные интервалы (то есть в каждом Рамка ). Приемник ищет несколько синхрослов в соседних кадрах и, следовательно, определяет место, когда его LFSR должен быть перезагружен с заранее заданным начальное состояние.

В аддитивный дескремблер такое же устройство, как и аддитивный скремблер.

Аддитивный скремблер / дескремблер определяется полиномом его LFSR (для скремблера на картинке выше это ) и это начальное состояние.

Мультипликативные (самосинхронизирующиеся) скремблеры

Мультипликативный скремблер, используемый в рекомендации V.34
Мультипликативный дескремблер, используемый в рекомендации V.34

Мультипликативные скремблеры (также известен как сквозной) называются так, потому что они выполняют умножение входного сигнала скремблером функция передачи в Z-пространство. Они дискретны линейный инвариантный во времени Мультипликативный скремблер рекурсивен, а мультипликативный дескремблер нерекурсивен. В отличие от аддитивных скремблеров, мультипликативные скремблеры не нуждаются в кадровой синхронизации, поэтому их еще называют самосинхронизирующийся. Мультипликативный скремблер / дескремблер определяется аналогично полиномом (для скремблера на картинке это ), который также является функция передачи дескремблера.

Сравнение скремблеров

У скремблеров есть определенные недостатки:

  • Оба типа могут не генерировать случайные последовательности при наихудших условиях ввода.
  • Мультипликативные скремблеры приводят к умножению ошибок во время дескремблирования (т.е. однобитовая ошибка на входе дескремблера приведет к ш ошибки на его выходе, где ш равно количеству ответных сигналов скремблера).
  • Аддитивные скремблеры должны сбрасываться кадровой синхронизацией; если это не удается, это приведет к массовому распространению ошибок, так как полный кадр не может быть дешифрован.
  • Эффективная длина случайной последовательности аддитивного скремблера ограничена длиной кадра, которая обычно намного короче, чем период PRBS. Добавляя номера кадров к синхронизации кадров, можно увеличить длину случайной последовательности, изменяя случайную последовательность в соответствии с номером кадра.

Шум

Первые скремблеры голоса были изобретены в Bell Labs в период непосредственно перед Вторая Мировая Война. Эти наборы состояли из электроники, которая могла смешивать два сигнала или, альтернативно, снова «вычитать» один сигнал. Два сигнала были предоставлены телефон и магнитофон. Была произведена соответствующая пара записей, каждая из которых содержала одну и ту же запись шум. Запись была воспроизведена в телефоне, и смешанный сигнал был отправлен по проводам. Затем шум был вычтен на дальнем конце, используя соответствующую запись, оставив исходный голосовой сигнал нетронутым. Подслушивающие могли слышать только шумный сигнал, не понимая голоса.

Один из них, используемый (среди прочего) для телефонных разговоров между Уинстон Черчилль и Франклин Д. Рузвельт был перехвачен и расшифрован Немцы. Хотя бы один немец инженер работал в Bell Labs до войны и придумал способ их сломать. Более поздние версии были настолько разными, что немецкая команда не смогла их расшифровать. Ранние версии были известны как "А-3 " (от Корпорация AT&T ). Несвязанное устройство под названием СИГСАЛИ использовался для голосовой связи более высокого уровня.

Шум создавался на крупном шеллаке. фонограф записи делаются парами, отправляются по мере необходимости и уничтожаются после использования. Это сработало, но было чрезвычайно неудобно. Просто добиться синхронизации двух записей оказалось непросто. Послевоенная электроника значительно упростила работу с такими системами, создав псевдослучайный шум на основе короткого входного тона. При использовании вызывающий абонент будет воспроизводить тональный сигнал в телефоне, а затем оба скремблера будут прослушивать сигнал и синхронизироваться с ним. Однако это обеспечивало ограниченную безопасность, так как любой слушатель с базовыми знаниями электронной схемы часто мог создать машину с аналогичными настройками, достаточными для нарушения связи.

Криптографический

Необходимость синхронизировать скремблеры предложила Джеймс Х. Эллис идея для несекретное шифрование, что в конечном итоге привело к изобретению как ЮАР алгоритм шифрования и Обмен ключами Диффи – Хеллмана задолго до того, как они были публично изобретены Ривест, Шамир, и Адлеман, или Диффи и Хеллман.

Последние скремблеры - это не скремблеры в прямом смысле этого слова, а скорее дигитайзеры в сочетании с шифровальными машинами. В этих системах исходный сигнал сначала преобразуется в цифровую форму, а затем цифровые данные шифруются и отправляются. Используя современные системы с открытым ключом эти "скремблеры" намного больше безопасный чем их более ранние аналоги. Только эти типы систем считаются достаточно безопасными для конфиденциальных данных.

Голосовая инверсия скремблирование может быть таким же простым, как инвертирование полосы частот вокруг статической точки к различным сложным методам изменения точки инверсии случайным образом в реальном времени и с использованием нескольких диапазонов.

"Скремблеры", используемые в кабельное телевидение предназначены для предотвращения случайной кражи сигнала, а не для обеспечения реальной безопасности. Ранние версии этих устройств просто «инвертировали» один важный компонент телевизионного сигнала, повторно инвертируя его на стороне клиента для отображения. Более поздние устройства были лишь немного сложнее, полностью отфильтровывая этот компонент, а затем добавляя его, исследуя другие части сигнала. В обоих случаях схема может быть легко построена любым достаточно хорошо осведомленным любителем. (Увидеть Шифрование телевидения.)

Электронные комплекты для скремблирования и дескремблирования доступны у любителей. Сканер энтузиасты часто используют их для прослушивания зашифрованных сообщений на автогонках и некоторых общественных передач. Это также распространено в ФРС радио. Это простой способ узнать о скремблировании.

Термин «скремблирование» иногда неправильно используется, когда заклинивание имеется в виду.

Расшифровывать

Расшифровывать в кабельное телевидение контекст - это процесс взятия скремблированного или зашифрованный видеосигнал, предоставленный компанией кабельного телевидения для премиальное телевидение услуги, обрабатываемые скремблером, а затем предоставляемые через коаксиальный кабель и доставлен в дом, где телеприставки повторно обрабатывает сигнал, таким образом дескремблируя его и делая доступным для просмотра на телевидение набор. Дескремблер - это устройство, которое восстанавливает изображение и звук зашифрованного канала. Дескремблер должен использоваться с коробка преобразователя кабеля чтобы иметь возможность расшифровать все платные и платные каналы кабельного телевидения.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ EN 301192, Спецификации для передачи данных, Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 2004.
  2. ^ ETR 289, Поддержка использования скремблирования и условного доступа (CA) в системах цифрового вещания, Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), 1996.

Внешние ссылки и ссылки

  • [1] DVB структура кадров, канальное кодирование и модуляция для спутниковых служб 11/12 ГГц (EN 300 421)
  • V.34 Рекомендация ITU-T
  • ИНТЕЛСАТ Стандарт земной станции ИЕСС-308
  • Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С». (в поддержку MIL-STD-188 )