Обеспечение безопасного информационного обмена по незащищенным каналам связи

Информационный обмен состоит в обмене информацией между двумя и более абонентами и подразумевает передачу сообщений по каналам связи.

В настоящее время передаваемая по разнообразным каналам связи информация существует в цифровом виде. Это означает, что передаче подлежит не непрерывный (аналоговый) сигнал, а последовательность целых чисел n1, n2, n3.... которые могут принимать значения из некоторого фиксированного конечного интервала. Эти числа называемые символами, поступают от источника информации с периодом T, а частота, соответствующая этому периоду, называется символьной скоростью: . Символы определяют алфавит, применяемый в системе передачи информации. Часто используемым на практике вариантом алфавита является бинарный алфавит, формирующий двоичную последовательность символов, т.е. каждое ni может принимать значение 0 и 1.

Системы цифровой связи становятся все более предпочтительными в силу постоянно растущего спроса и из-за того, что цифровая передача предлагает возможности обработки информации, которые недоступны при использовании аналоговой передачи. Отличительной особенностью систем цифровой связи является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В системах цифровой связи задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком.

Основным преимуществом цифровой связи является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции, чем аналоговые. Цифровые каналы надежнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговое. При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов могут рассматриваться как идентичные: ведь бит -- это и есть бит. Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала, либо обеспечивающие шифрование или секретность.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Цель выполнения курсовой работы является подготовка к деятельности, связанной с особенностями обеспечения безопасного информационного обмена, закрепление и практическое применение знаний методов защиты информации, передаваемой по незащищенным каналам связи, полученных в процессе изучения курса «Модели и методы безопасного информационного обмена».

Задачи работы:

разработка подсистемы преобразование передаваемой информации в цифровой вид;

разработка подсистемы шифрования и дешифрования передаваемой информации;

разработка подсистемы модуляции и демодуляции передаваемого сообщения;

иллюстрация последовательности выполняемых преобразований в процессе;

сеанса безопасного информационного обмена.

1.1 Описание исходных данных

Информация передается в виде сигналов. Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме, определяющийся функциональной схемой (рисунок 1).

Рисунок 1 - Функциональная схема типичной системы цифровой связи

Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника. На рис. 1 исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты); после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. Следовательно, для М = 2 символ сообщения mi является бинарным (т.е. состоит из одного бита).

Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), и каждый канальный символ обозначается ui. Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов.

Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов, изображенные на рисунке 1.

Необходимыми для систем цифровой связи являются этапы:

форматирования;

модуляции;

демодуляции и детектирования;

синхронизации.

Кроме того, для обеспечения безопасного информационного обмена важным элементом системы связи является наличие этапа шифрования/дешифрования информации, обеспечивающих конфиденциальность связи.

Форматирование преобразовывает исходную информацию в биты, обеспечивая, таким образом, совместимость информации и функций обработки сигналов с системой цифровой связи. С этой точки рисунка и вплоть до блока импульсной модуляции информация остается в форме потока битов.

Модуляция - это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных.

Импульсная модуляция - это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требуется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал (модулированный сигнал). Термин «видеосигнал» определяет сигнал, спектр которого начинается от (или около) постоянной составляющей и заканчивается некоторым конечным значением (обычно, не более нескольких мегагерц). Блок импульсно-кодовой модуляции обычно включает фильтрацию с целью достижения минимальной полосы передачи. При использовании импульсной модуляции для обработки двоичных символов результирующий двоичный сигнал называется РСМ-сигналом (pulsecodemodulation -- импульсно-кодовая модуляция).

Для систем передачи радиочастотного диапазона следующим важным этапом является полосовая модуляция; она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях среда требует полосового сигнала si(t), где i = 1,...,M. Термин «полосовой» используется для отражения того, что видеосигнал сдвинут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих. Далее сигнал проходит через канал, причем связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала. Демодуляция обычно выполняется с помощью опорных сигналов.

Синхронизация предназначена для координирования действий, выполняемых в процессе передачи информации и может выполняться для пяти параметров, определяющих её вид. Соответственно, частотная синхронизация, фазовая синхронизация, символьная синхронизация, кадровая синхронизация, сетевая синхронизация. Основной процесс синхронизации по времени - это символьная синхронизация, необходимая для определения демодулятором и детектором начала и конца процесса детектирования символа и бита. Ошибка в данном случае приведет к снижению эффективности детектирования. Синхронизация по времени предназначена для кадровой синхронизации и позволяет перестраивать сообщения. Синхронизация и ее ключевой элемент, синхронизирующий сигнал, задействованы во всех этапах обработки сигнала в системе. Для простоты блок синхронизации на рисунке 1 показан безотносительно к чему-либо, хотя фактически он участвует в регулировании операций практически в каждом блоке.

Шифрование, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает понимание сообщения несанкционированным пользователем и введение в систему ложных сообщений.

2. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

информационный обмен связь канал

Исходное сообщение «Thelittlegoldencalt!!» нужно было зашифровать с использованием блочного шифрования и методов подстановки и перестановки, далее осуществить перевод сообщения в двоичную последовательность и осуществить амплитудную манипуляцию. Эти шаги составляют этап отправления информации.

Далее следует этап получения информации на котором нужно провести демодуляцию сигнала, его дешифровку, декодирование и вывести полученный результат.

Все указанные действия проводились в пакете MathCAD.

3.1 Преобразование исходного сообщения в ASCII код

Для блочного шифрования разобьем исходную последовательность разобьем на блоки по 4 символа и получим матрицу шифрования:

Далее воспользуемся алгоритмом замены (Шифр Цезаря) со смещением на k=5 и мощность алфавита n1=96:

Следующим применим алгоритм перестановки внутри каждого блока.

Для этого используем ключ:

Преобразуем матрицу в вектор:

На выходе получим следующее зашифрованное сообщение:

Данное шифрование будет достаточно надежным, т.к. без знания ключа и сдвига дешифровка будет крайне затруднительна.

3.3 Частотная манипуляция

Предварительно преобразуем полученную в результате шифрования десятичную последовательность в последовательность двоичную:

Далее осуществляем частотную модуляцию. Параметры несущего колебанияf(t)=Asin(щ?t): щ0 =110, щ1 =310, А=20.

В результате получаем сигнал, приведённый на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модулированный сигнал

3.4 Демодуляция

3.5 Перевод двоичной системы в ASCII код

3.6 Дешифрование информации