Для чего применяется скремблирование

Логическое кодирование

Логическое кодирование употребляется для совершенствования потенциальных кодов на подобии:

• Потенциальный код с инверсией при единице NRZI;
• Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI;
• Потенциальный код 2B1Q.

Логическое кодирование используется для уменьшения длинных последовательностей одинаковых бит, приводящие к неизменному потенциалу, вставками бинарных единиц.

Для логического кодирования разработаны два основных способа уменьшения длинных последовательностей одинаковых бит:

• избыточные коды;
• скремблирование.

Избыточные коды

Избыточные коды базируются на разделение начальной последовательности бит на порции, которые нередко именуют символами. После чего, исходный символ подменяют на новый, содержащий наибольшее количество бит нежели исходный.

В свою очередь логический код 4В/5В, применяющийся в технологиях локальных сетей: FDDI и FastEthernet, заменяет подряд идущие 4 бита исходной последовательности на 5 бит. Из-за чего размер передаваемых данных увеличивается. В результате, вместо 16 битовых комбинаций, получаем 32 битовых комбинации, в которых можно выбрать такие комбинации бит, которые будут содержать наименьшее количество подрят идущих одиннаковых последовательностей бит. А оставшиеся 16 комбинаций пометить как запрещенные, что придает избыточному коду свойство распозновать искаженные биты. Если поступила запрещенная комбинация — сигнал исказился.

Таблица — Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Скремблирование

Скремблирование (англ. scramble — перемешивать) — разновидность кодирования информации, для передачи по каналам связи и хранения, улучшаюшая спектральные и статиcтические характеристики.

Скремблирование есть приведение информации к виду, по различным характеристикам похожему на случайные данные.

Перемешивание данных скремблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования.

Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скремблер может реализовывать следующее соотношение:

где Вi, — двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера, Ai — двоичная цифра исходного кода, поступающая на вход скремблера, Вi-3 и Bi-5 — двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта, операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 111000000001 скрэмблер даст следующий результирующий код:

Таким образом, на выходе скремблера появится последовательность 111110001100, в которой нет последовательности из восьми нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескремблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основа¬нии обратного соотношения:

Произведем обратную операцию с последовательностью 111110001100, для получения исходной последовательности:

Получаем исходную последовательность: 111000000001.

Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть — со сдвигами 18 и 23 позиции.

Для улучшения кода AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами:

• метод B8ZS (Bipolarwith 8-ZerosSub¬stitution) — исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-l*-0-V-l*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* — сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль.

• метода HDB3 (High-DensityBipolar 3-Zeros) — исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал не¬четное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным — последовательность l*00V.

V — сигнал единицы запрещенной полярности;

1* — сигнал единицы корректной полярности, но заменившей 0 в исходном коде

6.3. Скремблирование цифрового сигнала

Улучшение ЛЦС с целью упрощения устройств выделения тактовой частоты линейных регенераторов реализуется с помощью процесса, назы­ваемого скремблированием, т. е. использования пары преобразующих уст­ройств: скремблера на передаче и дескремблера на приеме (рис. 6.9,а)

Скремблирование заключается в преобразовании исходного двоичного сигнала в сигнал, близкий к случайному, имеющему биноминальное рас­пределение вероятностей появления (при равновероятном появлении символов 1 и 0), т. е. осуществляется рандомизация произвольного инфор­мационного сигнала.

В отличие от сигналов с произвольными статистическими параметра­ми, для которых вероятности появления символов и групп символов могут быть произвольными, в цифровом случайном (скремблированном) сигна­ле вероятность появления любой комбинации является не произвольной, а определяется в соответствии с биномиальным законом вероятностью появления одного символа и длиной серии.

Рис. 6.9. Скремблер — дескремблер

Идея скремблирования основана на том, что, как показано в табл. 6.4, вы­полненное дважды сложение по модулю 2 передаваемого символа с некото­рым другим символом не приводит к его изменению, однако в линию вместо последовательности X₁ передается последовательность Z, имеющая большее число единиц по сравнению с исходной последовательностью.

Основным элементом скремблера является генератор псевдослучай­ной последовательности (ПСП), схема которого приведена на рис. 6.9,6, а принцип действия иллюстрируется табл. 6.3.

Пусть в начальный момент времени (№ 1) имеет место состояние яче­ек памяти А, Б а В регистра сдвига 0, 0 и 1 соответственно, что можно записать как число (001)₂=(1)­₁₀ — единицу в двоичной и десятичной системахсчисления. Выходной сигнал генератора ПСП равен mod2(E, В) =mod2(0,1)=1.

В процессе сдвига в регистре содержимое ячейки В пропадает, содер­жимое ячейки Б перемещается в ячейку В, содержимое ячейки А переме­щается в ячейку Б, а в ячейку А записывается выходной сигнал, т. е. 1.

Состояние генератора в такте № 2 равно (100)₂=(4)­₁₀. Из табл. 6.5 видно, что состояние генератора за 7 тактов проходит полный цикл, со­держащий все возможные комбинации, кроме (000). Количество таких комбинаций составляет 2 m -1=7_, где т = 3 — число ячеек.

Рассмотрим пример передачи цифровой последовательности X₁, имеющий вид 10101010 при исходном состоянии генератора ПСП схемы рис. 6.9,6, равном (001)₂. Последовательность Z в линейном тракте образуется сложением по модулю 2 последовательности Х\ и выходного сиг­нала генератора ПСП (содержимое ячейки памяти А в течение тактов № 1. 8). Итак, последовательность Z имеет вид 11110110. Структура по­следовательности непериодична.

Восстановление дескремблером переданной последовательности на приеме производится по алгоритму X₂=mod2(Z, Y₂). Генераторы ПСП на передаче и приеме должны быть синхронизированы. Для этого применя­ются схемы генераторов с самосинхронизацией, недостатком которых явля­ется размножение ошибок, возникающих в цифровом линейном тракте.

К достоинствам скремблированного сигнала можно отнести:

возможность достаточно точного расчета параметров выделителя такто­вой частоты линейных регенераторов, так как может быть определена вероят­ность появления любой комбинации в линейном цифровом сигнале;

универсальность, которая заключается в возможности сквозной пе­редачи скремблированного сигнала по сети связи через любые циф­ровые тракты, так как скремблирование исходной двоичной последова­тельности осуществляется без преобразования его в другой вид, а выделе­ние исходного сигнала производится только в приемном оборудовании оконечной станции;

уменьшение влияния статистических параметров исходного сигна­ла на фазовые дрожания цифрового сигнала в линии;

— обеспечение возможности контроля качества передачи при на­рушении чередования полярности импульсов при использовании скремблирования в сочетании с кодом ЧПИ.

Выбор ПСП, наиболее близкой к случайному цифровому сигналу, яв­ляется достаточно сложной задачей. В качестве наиболее эффективных ПСП предлагается использовать М-последовательности периода N=2 2 -1. образованные полиномами вида x 15 +x 14 +1(n=15) или x 10 +x 9 +x 6 +1(n=10).

Далее скремблированный сигнал, как новый ДВС, может быть преобразо­ван в соответствующий код ЛЦС.

На выходе скремблера появляется новая импульсная последователь­ность, которая систематически связана с исходным ДВС, однако является как бы случайной, поскольку происходит разрушение длинных последо­вательностей 1 или 0, а также простых периодических последовательно­стей. Это, естественно, приводит к существенному уменьшению величины систематических фазовых дрожаний.

При установке на магистрали нескольких скремблеров возможно уст­ранение также систематического накопления фазовых дрожаний. Отме­тим, однако, что если в последовательности, поступающей на вход деск-ремблера, появились ошибки, то при восстановлении сигнала могут воз­никнуть несколько ошибок.

Размножение ошибок при скремблировании несколько ограничивает область применения данного метода.

Скремблер: надёжно и просто

Эта статья написана для того, чтобы рассказать читателю, что такое скремблеры, обозначить области их применения и затронуть некоторые практические тонкости, а также раскрыть секреты алгоритма скремблирования.

Зачем и почему?

Иногда возникает необходимость зашифровать трафик, не прибегая к методам, требующим много времени и ресурсов на шифровку и расшифровку, а также реализацию алгоритма. Такое случается, когда мы стараемся защитить данные от пользователей или примитивных троянов со снифферами (анализаторами трафика), но эти данные не стоят того, чтобы прибегать к серьезным методам шифрования, так как нам не требуется высокая криптостойкость. Со стороны методов связи бывает необходимо уменьшить уровень излучаемых помех, распределив энергию равномерно, и повысить надежность синхронизации устройств. С этими задачами и справляется скремблирование.

Что же такое скремблер?

Скремблер (от англ. to scramble – перемешивать, шифровать) – это алгоритм, разработанный для побитной последовательной передачи информации, позволяющий зашифровать цифровой поток таким образом, что на выходе получается последовательность, обладающая свойствами случайной: равновероятным появлением нуля и единицы. Именно это позволяет надежно выделить тактовую частоту и постоянную мощность передаваемого сигнала, что и дает надежность синхронизации. Стоит отметить, что такое преобразование потока не меняет скорость передачи, а также является обратимым, то есть данные восстанавливаются обратным алгоритмом.

Как это работает?

У нас имеется передающая сторона, на которой выполняется скремблирование, а также принимающая сторона, на которой соответственно выполняется дескремблирование, то есть обратная операция. Исходная последовательность подается на вход скремблера, а также именно она выделяется дескремблером из принятой зашифрованной последовательности.

Главной частью скремблера является линейный n-каскадный регистр сдвига с обратными связями, генерирующий псевдослучайную последовательность (ПСП) максимальной длины . Основная операция, производимая при шифровании – сложение по модулю 2, то есть XOR (исключающее ИЛИ).

Типы скремблеров

По типу взаимодействия с регистром скремблеры делятся на два типа: самосинхронизирующиеся (СС-скремблеры) и аддитивные (АД-скремблеры или же скремблеры с установкой). И те, и другие имеют свои плюсы и минусы, которые станут ясны после более подробного рассмотрения алгоритмов.

СС-скремблер

Отличительной чертой самосинхронизирующегося скремблера является то, что шифрование производится на основе самой скремблированной последовательности, поступающей на вход регистра сдвига. Следствием этого является отсутствие необходимости предустановки состояний скремблера и дескремблера в идентичное начальное состояние, синхронизация происходит сама по себе. При потере синхронизации восстановление состояния не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.

Сам алгоритм скремблирования в этом случае можно рассмотреть на простейшем примере.

CC-скремблер

Несложно заметить, что при выполнении такого алгоритма большую опасность представляет «лавинный эффект» вследствие размножения ошибок. Это происходит именно из-за того, что для шифрования каждого следующего бита используется результат шифрования предыдущих. А значит, что при ошибке в одном бите мы получим уже n неправильно зашифрованных бита (где n – число обратных связей регистра), которые впоследствии приведут к ошибке в 2n и так далее. Другой проблемой самосинхронизирующихся скремблеров является то, что первые k битов входящей последовательности в принципе не будут зашифрованы. К счастью, этого легко избежать искусственным добавлением шума в начало последовательности.

АД-скремблер

Аддитивные скремблеры не получают на вход регистра результат шифрования, чем избегают распространения ошибок и лавинного эффекта, однако скремблер и дескремблер требуют предварительной установки состояния регистра – ключа. На вход регистра поступает линейная комбинация уже находящихся в нем бит, она же суммируется с входящим сигналом, в результате чего и получается зашифрованная последовательность.

Сам алгоритм скремблирования в этом случае можно рассмотреть на простейшем примере.

АД-скремблер

На практике чаще всего применяются именно аддитивные скремблеры, так что далее проанализируем особенности этого алгоритма.

Синхронизация

В АД-методе скремблирования важную роль играет синхронизация состояний регистров скремблера и дескремблера, ведь при ее потере вся дальнейшая информация неизбежно теряется. Для поддержания синхронизации на практике используются такие методы, как добавление в поток информации синхронизирующих битов, заранее известных приемной стороне, что позволяет ей при ненахождении такого бита активно начать поиск синхронизации с отправителем, и использование высокоточных генераторов временных импульсов, что позволяет в моменты потери синхронизации производить декодирование принимаемых битов информации «по памяти» без синхронизации. Стоит отметить, что именно необходимость в синхронизации скремблеров привела Джеймса Х. Эллиса к идее криптосистем с открытым ключом, что впоследствии привело к созданию алгоритма шифрования RSA и протокола Диффи-Хеллмана.

Зацикливание и построение алгоритма

Разрядность скремблера – разрядность устройства памяти – идентична длине ключа для блочных шифров. От нее напрямую зависит криптостойкость данной системы. При длительном скремблировании неизбежно возникает зацикливание, то есть через определенное число тактов регистр возвращается в исходное состояние, после чего шифрование будет циклически повторяться. Это повторение происходит непосредственно из-за того, что в n ячейках регистра возможны только комбинаций бит, а значит, максимум через комбинаций состояние станет идентичным начальному. А значит, мы хотим достигнуть именно этой максимальной длины.

К счастью, для скремблера любой разрядности n существует такая комбинация обратных связей, при которой период реализуем. То есть за тактов значения в регистре ни разу не повторятся. Оказывается, для этого достаточно, чтобы скремблер был построен на основе неприводимого полинома степени n, не представимого по модулю 2 в виде произведения никаких других полиномов. Выбранные таким способом обратные связи и используются в схемах скремблирования, при этом мы получаем генератор последовательностей наибольшей длины (ПНД).

Алгоритм построения следующий:

находим неприводимый полином степени n

отбрасываем старший разряд в его двоичном представлении, так как он несет информацию только о степени этого полинома

по полученному двоичному представлению строим скремблер, 1 на соответствующих разрядах говорят о наличии обратной связи, 0 – об ее отсутствии

Так, например, для 15-ти разрядного регистра мы имеем неприводимый полином с двоичным представлением 1000000000000011 . После отбрасывания старшего бита получаем 000000000000011 , то есть скремблер с алгоритмом: .

Что в итоге?

Скремблирование – достаточно простой алгоритм, используемый для шифрования алфавитно-цифровой, графической, а также речевой информации для последующей передачи ее по системам связи.

Современные скремблеры несколько отличаются от их более ранних аналогов, так как для повышения криптостойкости совмещаются с асимметричными алгоритмами шифрования.

Тем не менее скремблеры повсеместно применяются и сейчас, как из-за простоты реализации, так и из-за других очевидных преимуществ данного алгоритма.

Скремблирование

Скремблирование (англ. scramble — перемешивать) — разновидность кодирования информации, для передачи по каналам связи и хранения, улучшаюшая спектральные и статиcтические характеристики.

Примечание: Слово скремблер также имеет иное значение — это устройство для шифрования аналогового (телефонного, телевизионного) сигнала.

Скремблирование есть приведение информации к виду, по различным характеристикам похожему на случаные данные. Скремблирование выравнивает спектр сигнала, частоты появления различных символов и их цепочек.

Технология скремблирования

Наиболее распространённый способ скремблирования — смешивание сигнала с генератором псевдослучайных чисел. Аппаратные реализации скремблирования часто используют ГСЧ на сдвиговом регистре с линейной обратной связью.

Скремблирование применяется практически во всех современных средствах передачи информации и носителях. В частности, скремблирование используют: модем; жёсткий диск; компакт-диск и DVD.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Скремблирование» в других словарях:

скремблирование — Простейший способ шифрования. [http://www.morepc.ru/dict/] Тематики информационные технологии в целом EN scrambling … Справочник технического переводчика

скремблирование — 01.02.18 скремблирование [ scrambling]: Перестановка или перегруппировка данных для повышения безопасности хранящихся данных или эффективности схем защиты от ошибок. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

скремблирование речевого сигнала — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN voice scrambling … Справочник технического переводчика

повторное скремблирование — — [http://www.rfcmd.ru/glossword/1.8/index.php?a=index d=23] Тематики защита информации EN rescrambling … Справочник технического переводчика

Скремблер — (англ. scrambled зашифрованный)  программное или аппаратное устройство (алгоритм), выполняющее скремблирование. Скремблирование  это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения… … Википедия

DVB-T2 — Список стандартов цифрового телевизионного вещания Стандарты DVB (Европа) DVB S (Цифровое спутниковое ТВ) DVB S2 DVB T (Цифровое эфирное ТВ) DVB T2 DVB C (Цифровое кабельное ТВ) DVB C2 DVB H (Мобильное ТВ) DVB SH (спутниковое/мобильное) … Википедия

Шифрование в аналоговой телефонии — Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения. Существуют два класса систем связи: цифровые и аналоговые … Википедия

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-1-2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 1. Общие термины в области АИСД — Терминология ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762 1 2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 1. Общие термины в области АИСД оригинал документа: Accredited Standards… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 53531-2009: Телевидение вещательное цифровое. Требования к защите информации от несанкционированного доступа в сетях кабельного и наземного телевизионного вещания. Основные параметры. Технические требования — Терминология ГОСТ Р 53531 2009: Телевидение вещательное цифровое. Требования к защите информации от несанкционированного доступа в сетях кабельного и наземного телевизионного вещания. Основные параметры. Технические требования оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

RC4 — (англ. Rivest Cipher 4 или англ. Ron’s Code, также известен как ARCFOUR или ARC4 (англ. Alleged RC4))  потоковый шифр, широко применяющийся в различных системах защиты информации в компьютерных сетях (например, в протоколах… … Википедия