METHOD OF PROCESSING OF NON-LINEAR SEQUENCES TO ENSURE INFORMATION SECURITY IN COMMUNICATION NETWORKS
Authors:
1.
South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov
2.
South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov
Type:
Article
Pages:
from 60
to 66
Status:
Published
Received:
05.07.2015
Accepted:
25.07.2015
Published:
25.07.2015
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.056.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.056.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
"information war", service-technological information, non-linear sequences, optimal reception, discrete analog processing
Abstract (English):
The increasing demands for telecommunication systems for timeliness, reliability and security of transmission, storage and processing of information are caused by the complexity of the functional tasks assigned to these systems. The issues of providing noise immunity and security in the transmission of information are currently solved at the stage of transmitting the basic information, but at the stage of processing service and technology commands the loss of reliability is possible due to the impact of intentional disturbances. The method of information processing is proposed; its purpose is to provide noise immunity and information security of informational and communicational networks in the conditions of "informational war" by increasing the linear complexity of the used sequences while collecting service and technological information. The method is based on the use of non-linear recurrent sequences to form the service and technological information. The paper describes the process of formation of non-linear recurrent sequences that improve the secrecy and security of information transfer in the complex interference environment. The problem of optimal acceptance of the service and technology information is stated. The problem consists in the detection of the information perception by discretized samples and obtaining a current assessment of the sequence state vector. On the base of the obtained equations of the discretized samples it is possible to convert the presentation of logic operations with discrete values to their corresponding arithmetic operations with analog values. Based on the rules of quantization of the analog data and the rules of fixation of the correct perception of the service-technological information, the conclusion on the information conformity to the sent information is made if there is a coincidence of the state of the initial condition data and evaluation data for n cycles of processing. The essence of the proposed method lies in the fact that the evaluation of the next item of information is made in the analog form, taking into account the predicted values generated on the basis of the recurrent properties of the pseudo-random sequence. The distinctive features of this method are refusal from pre-quantization of the signal, consideration of the recurrent properties of the sequences according to the prediction of the next elements of the signal and processing in the analog form with subsequent quantization.
The increasing demands for telecommunication systems for timeliness, reliability and security of transmission, storage and processing of information are caused by the complexity of the functional tasks assigned to these systems. The issues of providing noise immunity and security in the transmission of information are currently solved at the stage of transmitting the basic information, but at the stage of processing service and technology commands the loss of reliability is possible due to the impact of intentional disturbances. The method of information processing is proposed; its purpose is to provide noise immunity and information security of informational and communicational networks in the conditions of "informational war" by increasing the linear complexity of the used sequences while collecting service and technological information. The method is based on the use of non-linear recurrent sequences to form the service and technological information. The paper describes the process of formation of non-linear recurrent sequences that improve the secrecy and security of information transfer in the complex interference environment. The problem of optimal acceptance of the service and technology information is stated. The problem consists in the detection of the information perception by discretized samples and obtaining a current assessment of the sequence state vector. On the base of the obtained equations of the discretized samples it is possible to convert the presentation of logic operations with discrete values to their corresponding arithmetic operations with analog values. Based on the rules of quantization of the analog data and the rules of fixation of the correct perception of the service-technological information, the conclusion on the information conformity to the sent information is made if there is a coincidence of the state of the initial condition data and evaluation data for n cycles of processing. The essence of the proposed method lies in the fact that the evaluation of the next item of information is made in the analog form, taking into account the predicted values generated on the basis of the recurrent properties of the pseudo-random sequence. The distinctive features of this method are refusal from pre-quantization of the signal, consideration of the recurrent properties of the sequences according to the prediction of the next elements of the signal and processing in the analog form with subsequent quantization.
Keywords:
"information war", service-technological information, non-linear sequences, optimal reception, discrete analog processing
"information war", service-technological information, non-linear sequences, optimal reception, discrete analog processing
Введение Непрерывное повышение сложности и важности задач, которые решаются с использованием инфокоммуникационных сетей, предполагает совершенствование системы управления, которая, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к телекоммуникационным системам по своевременности, достоверности и безопасности передачи, хранения и обработки информации. Задача обеспечения помехоустойчивости и безопасности при использовании информационных технологий в настоящее время решается на этапе передачи основной информации, в то время как на этапе обработки служебно-технологической информации (СТИ) инфокоммуникационные сети подвержены воздействию преднамеренных помех и потере надёжности. Целью наших исследований являлась разработка метода, позволяющего обеспечивать помехоустойчивость и информационную безопасность инфокоммуникационных сетей в условиях «информационной войны». При передаче СТИ (сигналы синхронизации, маркировки, маршрутизации и др.) в инфокоммуникационных сетях для обеспечения конфиденциальности используются известные режимы формирования последовательностей с низкой структурной стойкостью, что дает возможность информационному противнику определить их структуру, разведать тип используемой аппаратуры и осуществить постановку помех или ввод ложной информации [1-4]. Метод, предложенный в работе, позволяет обеспечить необходимый уровень информационной безопасности в сетях благодаря увеличению структурной сложности последовательностей, формирующих СТИ. Нелинейные рекуррентные последовательности (НЛРП) находят все большее применение в радиоэлектронной технике для обеспечения защиты от преднамеренных помех, для устранения демаскирующих признаков работы соответствующих типов аппаратуры передачи дискретных сообщений, в радиолокационной технике и др. Постановка задачи Нелинейные рекуррентные последовательности формируются путем усложнения структуры линейных рекуррентных регистров (ЛРР) нелинейным узлом усложнения (НУУ) [1, 3]. Возможны различные варианты построения таких генераторов, например с внешней нелинейной логикой (рис. 1) с использованием генератора хаотических импульсов (ГХИ) по алгоритму Ристенбатта. Рис. 1. Структурная схема генератора Ристенбатта Выходной элемент псевдослучайной последовательности (ПСП) в данном примере формируется согласно функции Ристенбатта , где - значения элементов ПСП. Сигнал, наблюдаемый на входе приёмного устройства, представляет собой смесь , где S - функция, определяемая законом модуляции; - функция нелинейного преобразования; - отсчеты гауссовской помехи; l, m, r - отводы регистра в соответствии с выходными элементами . Для приёма последовательностей Ристенбатта получим уравнения дискретизированных отсчётов (ДО), лежащих внутри тактовых интервалов (ТИ): (1) (2) (3) где - начальные условия для оценки внутри ДО заданных элементов с выхода отводов l, m, r последовательности на предыдущем (j - 1)-м ДО; K1 и K2 - нормировочные коэффициенты; K1 - оценка степени доверия к откорректированным начальным условиям ДО, K2 - оценка степени доверия к оценочному значению, принятому из сети, величина коэффициентов выбирается в дискретно-аналоговом виде от 0 до1; ξji - наблюдаемая смесь; - аналоговое значение нелинейной функции преобразования от заданных элементов последовательности на (j - 1)-м ДО; - значения частных производных функции F по элементам l, m, r. Для приёма последовательностей Ристенбатта имеем уравнения, полученные на границах ТИ: (4) где - начальные условия для оценки на границах ТИ l, m, r заданных элементов последовательностей, использованные в предыдущем ТИ; - значение нелинейной функции от заданных элементов последовательности на каждом предыдущем ТИ; - значения частных производных функции G по соответствующим компонентам l, m, r на (i - 1)-м ТИ. Если на передаче выходной элемент ПСП, например, формируется как , то на приеме соответствующий элемент опорной последовательности (ОП) будет формироваться в аналоговом виде в соответствии с функцией . Нетрудно убедиться в совпадении таблиц истинности значений как для дискретных, так и для аналоговых величин (табл.). Таблица истинности значений узла выборки с инверсией с первым управляющим входом для дискретных/аналоговых значений x1 / x¢1 x2 / x¢2 x3 / x¢3 Y(x1, x2, x3) / G(x¢1, x¢2, x¢3) 0 / 0 / 0 / 0 / 1 / 0 / 1 / 0 / 0 / 1 / 1 / 0 / 0 / 0 / 1 / 0 / 1 / 1 / 1 / 0 / 1 / 1 / 1 / 1 / Аналоговые величины имеют значение, соответствующее области определения, , правило квантования в рассматриваемом примере имеет следующий вид: (5) Признаком фиксации верного приема является выполнение правила т. е. СТИ можно считать принятой корректно в соответствии с переданной, если присутствует совпадение и начальных условий, и оценочных значений на протяжении определенного количества тактов обработки. В основе предлагаемого способа лежит оценка очередного элемента передаваемой информации с учетом предсказанного значения в аналоговом виде с использованием рекуррентных свойств последовательностей. Для этого необходимо преобразовать представление логических операций, работающих с дискретными значениями, к полностью соответствующим им арифметическим операциям, использующим аналоговые значения. Возможность такого преобразования освещена в [1, 2]. Графическая интерпретация предлагаемого метода обработки нелинейных последовательностей представлена на рис. 2. Выходные элементы ПСП формируются в соответствии с нелинейной функцией (рис. 2, а). Из принимаемой смеси, изображенной на рис. 2, б, выделяют импульсы тактовой частоты (рис. 2, в), затем, для получения ДО, импульсы тактовой частоты дискретизируют c частотой, значение которой в k раз превышает тактовую (рис. 2, г). После дискретизации производится корректировка каждого ДО. а б в г д е ж Рис. 2. Графическая интерпретация метода оптимального приёма СТИ: а - сигналы на выходе передачи; б - принятый сигнал; в - импульсы тактовой частоты; г - импульсы дискретизации; д - аналоговые дискретизированные отсчеты принятых элементов последовательности; е - предсказанные аналоговые дискретизированные отсчеты принятых элементов последовательности; ж - квантовые оценочные значения элементов ПСП Обработка сигнала осуществляется внутри и на границах ТИ. На границах ТИ на первом ДО ПСП формируют начальные условия - это откорректированные значения соответствующих элементов ОП. Корректируются одновременно три заданных значения, которые участвовали в формировании выходного элемента ПСП. Затем откорректированные значения соответствующих элементов ОП, которые были получены на первом ДО СТИ, задерживают на время τ, равное длительности ДО. После этого корректируются заданные значения элементов ОП на дальнейших ДО (см. формулы (1)-(3) . Значение, прошедшее корректировку на последнем ДО, принимается как откорректированное значение элемента в целом и используется как значение начальных условий для обработки следующего элемента, а на границах ТИ обработка производится по формуле (4). Осуществляется также корректировка в последующих ветвях обработки (рис. 2, е). После корректировки производится квантование сигнала согласно формуле (5) (рис. 2, ж). В результате формируется СТИ, аналогичная передаваемой. Получение откорректированных значений сигнала, с учётом принимаемых предсказанных, не прекращается и производится непрерывно с целью получения предсказанных значений сигнала для сокращения времени при повторном приёме. Выводы Отличительными особенностями предложенного метода являются: при передаче - использование нелинейных последовательностей, сформированных генератором Ристенбатта; на приёме - использование начальных условий для предсказания очередных элементов сигнала; на всех этапах обработки - корректировка элементов последовательности; на предварительном этапе - квантование сигнала; на завершающем - обработка принятого сигнала в дискретно-аналоговом виде. Работоспособность метода для решения задач по повышению помехозащищенности и обеспечению безопасности информации в инфокоммуникационных сетях подтверждена имитационными исследованиями. Применение последовательностей Ристенбатта обеспечивает возрастание эквивалентной линейной сложности последовательности (под которой будем понимать длину ЛРР, генерирующего такую же последовательность, что и нелинейный) в соответствии с формулой [5]: nэ = n (n - 1), (6) где nэ - эквивалентная линейная сложность; n - длина ЛРР. Сравнительная оценка роста эквивалентной линейной сложности НЛРП (верхняя кривая) по сравнению с линейной рекуррентной последовательностью (ЛРП) при одинаковой длине регистра представлена на рис. 3. Рис. 3. График возрастания эквивалентной линейной сложности Например, при использовании ЛРР с n = 31 эквивалентная линейная сложность последовательности возрастает с 31 до 930, в соответствии с формулой (6). Это дает возможность значительно - в десятки раз - повысить скрытность передаваемой СТИ по каналу связи по сравнению с известными режимами формирования последовательностей с низкой структурной стойкостью, что не позволит информационному противнику своевременно осуществить постановку помех или ввод ложной информации.
1. Apanasov E. V. Sposob i ustroystvo sinhronizacii psevdosluchaynyh posledovatel'nostey dlya povysheniya bezopasnosti svyazi / E. V. Apanasov, A. G. Prygunov // Voprosy zaschity informacii. 2005. № 1 (68). S. 27-29.
2. Apanasov E. V. Primenenie sposoba formirovaniya i priema sluzhebnoy informacii dlya povysheniya pomehozaschischennosti sistem radiosvyazi v usloviyah «informacionnoy voyny» / E. V. Apanasov, A. G. Prygunov, V. V. Slesarev // Izv. Yuzhn. feder. un-ta. Tehnicheskie nauki. 2011. № 1 (114). S. 67-72.
3. Vvedenie v kriptografiyu / pod obsch. red. V. V. Yaschenko. M.: MCNMO, CheRo, 1998. 272 s.
4. Diffi U. Zaschischennost' i imitostoykost'. Vvedenie v kriptografiyu / U. Diffi, M. E. Hellman // Tr. In-ta inzhenerov po elektrotehnike i radioelektronike. 1979. T. 67, № 3. S. 71-109.
5. Uord R. Razlichenie psevdosluchaynyh signalov metodami posledovatel'noy ocenki / R. Uord // Zarubezhnaya radioelektronika. 1966. № 8. S. 20-37.
