Телекоммуникациялық Стандарттар Жиынтығы: P25 жүйесі

Кіріспе

Телекоммуникациялық стандарттар жиынтығы

25-жоба (P25 немесе APCO 25) – өзара сәйкес келетін екі жақты цифрлық радио құрылғыларына арналған стандарттар жиынтығы. P25 Солтүстік Америкадағы қоғамдық қауіпсіздік мамандарымен әзірленді және бүкіл әлем бойынша қоғамдық қауіпсіздік, қауіпсіздік, мемлекеттік қызмет және коммерциялық қолданыс үшін қабылданды. P25 радиолары аналогтық ЖҰЖ (әдетте FM) радиоларын тікелей алмастырады, шифрлау және мәтіндік хабарламаларды оңайрақ жүзеге асыру үшін дауыспен қатар деректерді де беру мүмкіндігін қосады. P25 радиоларын полиция, өрт сөндіру, жедел жәрдем және авариялық құтқару қызметтері сияқты диспетчерлік ұйымдар көлік құралдарына орнатылатын радиостанциялармен және қолда ұсталатын радиобайланыс құралдарымен біріктіре отырып, кеңінен пайдаланады. 2012 жыл шамасында жаңа 2-кезеңдік модуляция протоколы қолжетімді болды, ал бұрынғы P25 протоколы P25 1-кезең деп аталды. P25 2-кезең құрылғылары озық AMBE2+ дауыстық кодегін пайдаланады, ол аудионы қысылған биттік ағын арқылы өткізуге мүмкіндік береді және бір радиожиілік жолағында (12,5 кГц) екі TDMA дауыстық арнасын қамтамасыз етеді, ал 1-кезең тек бір дауыстық арнаны қамтамасыз ете алады. Екі протокол бір-бірімен үйлесімсіз. Дегенмен, P25 2-кезең инфрақұрылымы қажет болған жағдайда 1-кезең мен 2-кезең арасында аударма жасау үшін "динамикалық транскодер" мүмкіндігін ұсына алады. Сонымен қатар, 2-кезең радиолары стандартқа сәйкес 1-кезең модуляциясымен және FM модуляциясымен кері үйлесімді. Еуропалық Одақ 25-жоба сияқты қызмет атқаратын Жер үстіндегі радиобайланыс (TETRA) және Цифрлық ұялы радио (DMR) протоколдарының стандарттарын жасады.

P25 фазалары

P25 стандартына сәйкес келетін технология екі негізгі кезеңде енгізілді, ал келешек кезеңдер әлі бекітілген жоқ.

1-кезең

1-ші кезеңдегі радиожүйелер 12,5 кГц цифрлық режимде, арнаға бір пайдаланушыға қол жеткізу әдісін қолданады. 1-ші кезең радиолары 4 деңгейлі FM (C4FM) модуляциясын – 4FSK модуляциясының ерекше түрін – 4800 бод жылдамдықпен және символға 2 биттен цифрлық хабар алмасу үшін пайдаланады, бұл секундқа 9600 биттің жалпы арна өткізу қабілетін қамтамасыз етеді. Осы 9600 биттің ішінде 4400 биті IMBE кодегімен жасалған дауыстық деректерді, 2800 биті алға түзетуді, ал 2400 биті сигнал беру және басқа да басқару функцияларын құрайды. C4FM стандартына сәйкес қабылдағыштар «үйлесімді квадраттық фазалық ығысу кілттеуі» (CQPSK) стандартын да демодуляциялай алады, себебі CQPSK сигналының параметрлері C4FM сияқты символ уақытында бірдей сигнал ауытқуын беру үшін таңдалған. 1-ші кезең IMBE дауыстық кодегін пайдаланады. Бұл жүйелер стандартталған қызметтер мен құрылғылардың сипаттамаларын қамтиды, бұл кез келген өндірушінің стандартқа сәйкес абоненттік радиосының осы сипаттамаларда сипатталған қызметтерге қол жеткізуін қамтамасыз етеді. Мүмкіндіктер жүйелік инфрақұрылымға қарамастан, жүйелік шекаралар арқылы басқа жүйелермен кері үйлесімділікті және өзара іс-қимылды қамтиды. Сонымен қатар, P25 стандарттар жиынтығы әртүрлі жеткізушілердің жүйелерін өзара байланыстыруды жеңілдету үшін радиожиіліктік (RF) қосалқы жүйеге ашық интерфейс ұсынады.

2-кезең

Спектрді пайдалануды жақсарту мақсатында P25 2-фазасы 2 слотты TDMA схемасын қолданатын магистральдық жүйелер үшін әзірленді және қазір 700 МГц жиілік диапазонындағы барлық жаңа магистральдық жүйелер үшін міндетті болып табылады. 2-фаза AMBE+2 дауыстық кодегін қолданады, бұл қажетті биттік жылдамдықты төмендетіп, бір дауыстық каналға секундтына 6000 биттен аспауына мүмкіндік береді (қателерді түзету және сигналдауды қоса алғанда). 2-фаза 1-фазамен кері үйлесімді емес (TDMA жұмыс принципіне байланысты), бірақ көп режимді TDMA радио қабылдағыштары мен жүйелері қажет болған жағдайда 1-фаза режимінде жұмыс істей алады. Абоненттік радио қабылдағыш TDMA трансляциясын синхронизация көзі болмаса пайдалана алмайды; сондықтан радио қабылдағыштардың тікелей байланысы дәстүрлі FDMA цифрлық операциясын қолданады. Көп диапазонды абоненттік радио қабылдағыштары екі бағытты радио қабылдағыштардың көпшілігі үшін ортақ ең төменгі деңгейде тар жолақты FM режимінде де жұмыс істей алады. Бұл аналогты тар жолақты FM-ді белгілі бір уақытқа дейін «өзара байланыс» режиміне айналдырады. Алғашқыда 2-фазаны енгізу 12,5 кГц каналды екі 6,25 кГц слотқа немесе Жиілікке бөлінетін көптік кіру (FDMA) жүйесіне бөлуді жоспарлаған. Алайда, бірнеше себептерге байланысты қолданыстағы 12,5 кГц жиілік бөлімдерін уақытқа бөлінетін көптік кіру (TDMA) режимінде пайдалану тиімдірек болып шықты. Бұл абоненттік радио қабылдағышқа тек жарты уақыт трансляция жасау арқылы батарея қуатын үнемдеуге мүмкіндік берді, сонымен қатар абоненттік радио қабылдағыш трансляциялар арасында жүйе сұраныстарын тыңдап, жауап беруге мүмкіндік тудырды. 2-фаза 6,25 кГц «жолақ енінің эквиваленті» ретінде танылады, бұл FCC дауыстық трансляциялар үшін азырақ жолақ енін пайдалану қажеттілігін қанағаттандырады. 2-фаза жүйесіндегі дауыстық трафик 1-фаза жүйесіндегідей, жиілік бөлімі бойынша толық 12,5 кГц жиілікпен трансляцияланады, бірақ 12 кбит/с жылдамдықпен екі бір мезгілде дауыс трансляциясын қамтамасыз етеді. Осылайша абоненттік радио қабылдағыштар да толық 12,5 кГц жиілікпен трансляция жасайды, бірақ үзіліс-қосылыс режимінде, нәтижесінде трансляцияның жартысы және әр радио қабылдағыш үшін 6,25 кГц эквиваленті пайда болады. Бұл 1-фазадағы IMBE дауыстық кодектерінен екі есе аз жылдамдықпен жұмыс істейтін AMBE дауыстық кодегін пайдалану арқылы жүзеге асырылады.

To improve spectrum use, P25 Phase 2 was developed for trunking systems using a 2 slot TDMA scheme and is now required for all new trunking systems in the 700 MHz band. Phase 2 uses the AMBE+2 voice codec to reduce the needed bitrate so that one voice channel will only require 6,000 bits per second (including error correction and signalling). Phase 2 is not backwards compatible with Phase 1 (due to the TDMA operation), although multi mode TDMA radios and systems are capable of operating in Phase 1 mode when required, if enabled. A subscriber radio cannot use TDMA transmission without a synchronization source; therefore direct radio to radio communication resorts to conventional FDMA digital operation. Multi band subscriber radios can also operate on narrow band FM as a lowest common denominator between almost any two way radios. This makes analog narrow band FM the de facto "interoperability" mode for some time. Originally the implementation of Phase 2 was planned to split the 12.5 kHz channel into two 6.25 kHz slots, or Frequency Division Multiple Access (FDMA). However it proved more advantageous to use existing 12.5 kHz frequency allocations in Time Division Multiple Access (TDMA) mode for a number of reasons. It allowed subscriber radios to save battery life by only transmitting half the time which also yields the ability for the subscriber radio to listen and respond to system requests between transmissions. Phase 2 is what is known as 6.25 kHz "bandwidth equivalent" which satisfies an FCC requirement for voice transmissions to occupy less bandwidth. Voice traffic on a Phase 2 system transmits with the full 12.5 kHz per frequency allocation, as a Phase 1 system does, however it does so at a faster data rate of 12 kbit/s allowing two simultaneous voice transmissions. As such subscriber radios also transmit with the full 12.5 kHz, but in an on/off repeating fashion resulting in half the transmission and thus an equivalent of 6.25 kHz per each radio. This is accomplished using the AMBE voice coder that uses half the rate of the Phase 1 IMBE voice coders.

2-кезеңнен кейін

2000 жылдан 2009 жылға дейін Еуропалық телекоммуникациялық стандарттар институты (ETSI) және TIA Қоғамдық қауіпсіздік серіктестік жобасы, немесе MESA жобасы ("Төтенше жағдайлар мен қауіпсіздік үшін мобильділік") бойынша бірлесіп жұмыс істеді. Бұл жоба қоғамдық қауіпсіздік агенттіктері қолданатын кең аумақтық, көп агенттік желілерде дауыс, бейне және жоғары жылдамдықты деректерді тарату және қабылдауға арналған келесі буынның әуе және құрлықтағы кеңжолақты/жоғары жылдамдықты радио стандартына бірыңғай талаптарды анықтауға бағытталған. ETSI соңғы функционалдық және техникалық талаптарды жариялады, олардың американдық Project 25 және еуропалық DMR, dPMR және TETRA жобаларының келесі кезеңдерін қалыптастыруы күтілді. Алайда, өнеркәсіп тарапынан қызығушылық болмады, себебі талаптарға қолданыстағы коммерциялық технологиялар сай келмеді және жоба 2010 жылы жабылды. АҚШ-та 2008 жылғы сымсыз спектр аукционында FCC цифрлық теледидарға көшу кезінде босатылған 700 МГц жиіліктің UHF радиоспектрінің 20 МГц бөлігін қоғамдық қауіпсіздік желілеріне бөлді. FCC провайдерлердің жоғары жылдамдықты деректер мен бейне қолданбалары үшін LTE технологиясын пайдалануын күтеді.

Бала асырап алу

Бұл стандарттарды қабылдау АҚШ-тағы бюджеттік қиындықтарға байланысты баяулаған; алайда, Ішкі қауіпсіздік департаментінен байланыс жүйелерін жаңартуға бөлінетін қаржы көбінесе 25-жобаға (Project 25) көшуді талап етеді. Ол сондай-ақ Австралия, Жаңа Зеландия, Бразилия, Канада, Үндістан және Ресей сияқты әлемнің басқа елдерінде де қолданылады. 2004 жылдың ортасына қарай 54 елде P25 жүйесіне қосылған 660 желі жұмыс істеді. Жаңа Оңтүстік Уэльсте GRN енді Қоғамдық қауіпсіздік желісі (PSN) деп аталады.

Жоба 25 сәйкестікті бағалау бағдарламасы (P25 CAP)

АҚШ-тың DHS-інің Project 25 сәйкестігін бағалау бағдарламасы (P25 CAP) P25 стандарттары бойынша сынақтан өту арқылы әртүрлі өндірушілер арасындағы өзара байланысты қамтамасыз етуді мақсат етеді. P25 CAP – ерікті бағдарлама болып табылады және жеткізушілерге өз өнімдерінің сәйкестігін жария түрде растауға мүмкіндік береді. Оны АҚШ федералдық грант қаражатымен сатып алуға болады. Жалпы алғанда, мақұлданбаған өнімдердің өнімділік, сәйкестік және өзара байланыс стандарттарына сай келетініне сенуге болмайды. P25 өнімдерінің таңбалануы әртүрлі болуы мүмкін. "P25" және "P25-ке сәйкес" деген сөздер мағынасыз, бірақ өндіруші өнімнің "P25 CAP-ке сәйкес" немесе "P25 талаптарына сәйкес (P25 SOR)" екенін мәлімдегенде жоғары стандарттар қолданылады.

OP25 жобасыDES-OFB және ADP шифрларындағы шифрлау кемшіліктері

Securecomm 2011 конференциясында Лондонда қауіпсіздік зерттеушісі Стив Гласс өзінің және серік авторы Мэтт Эймстің DES OFB және Motorola-ның ADP (RC4 негізіндегі) шифрларының күш қолдану арқылы кілтті қайта алуға осал екенін түсіндірген мақаласын ұсынды. Бұл зерттеу OP25 жобасының нәтижесі болды, ол GNU Radio және Ettus Universal Software Radio Peripheral (USRP) құралдарын ашық кодты P25 пакеттерінің аңғарылуын және талдауын жүзеге асыру үшін пайдаланады. OP25 жобасы Стив Гласс тарапынан 2008 жылдың басында, оның докторлық диссертациясының бөлігі ретінде сымсыз желілерді зерттеу кезінде құрылған. Мақаланы NICTA веб-сайтынан жүктеуге болады.

Пенсильвания университеті зерттеулері

2011 жылы Wall Street Journal газетінде жүйедегі қауіпсіздік кемшіліктерін зерттеу туралы мақала жарияланды, оның ішінде пайдаланушы интерфейсі пайдаланушыларға қабылдағыштардың қауіпсіз режимде жұмыс істейтінін анықтауды қиындатады. Мақалада былай делінген: «Пенсильвания университетінің зерттеушілері жасырын агенттер мен құпия хабаршылар туралы, алдағы тұтқындау жоспарлары және бақылау операцияларында қолданылатын технология туралы ақпаратты қамтитын сөйлесулерді тыңдады». Зерттеушілер радиоарналар арқылы жіберілетін хабарламалар бөліктерге бөлініп жіберілетінін анықтады және осы бөліктердің бір бөлігін ғана тоқтату бүкіл хабарламаның тоқтатылуына әкелуі мүмкін. «Олардың зерттеулері радиоарналарды тиімді түрде тоқтатуға болатынын (бір радиоарна, қысқа қашықтық) күшті өзгертілген қызғылт түсті электронды балалар ойыншығын қолдану арқылы көрсетті, ал радиоарналардың стандарты «шабуылдаушыға» радиоарна пайдаланушысының орналасқан жерін үнемі қадағалауға мүмкіндік береді. Басқа жүйелерде байланысты тоқтату үшін көп қуат жұмсау қажет, бірақ P25 радиоарналары салыстырмалы түрде аз қуатпен тоқтатуға мүмкіндік береді, бұл зерттеушілерге жасөспірімдерге арналған 30 долларлық пейджерді қолдану арқылы қабылдауды болдырмауға мүмкіндік берді». Бұл есеп 2011 жылдың тамызында Сан-Францискода өткен 20-шы USENIX қауіпсіздік симпозиумында ұсынылды. Есепте 25-жоба жүйесіндегі бірқатар қауіпсіздік кемшіліктері атап өтілді, олардың кейбіреулері жүйенің іске асырылу тәсіліне, ал кейбіреулері қауіпсіздік жобасына тән.

Шифрлау қателері

Есепте P25 шифрлауында ешқандай бұзушылықтар табылмады; алайда, олар іске асыру мәселелеріне байланысты көптеген құпиялы ақпараттың қоршалмаған күйде жіберілетінін анықтады. Олар қауіпсіз және қоршалмаған режимдердегі коммутатор белгілерін ажырату қиын екенін байқады (∅ және o). Бұл жағдай P25 радиосы қауіпсіз режимге орнатылғанда, егер басқа тарап қоршалмаған режимге ауысса, ешқандай ескерту бермей жұмыс істеуін жалғастырады, осыны күшейтеді. Сонымен қатар, есеп авторлары көптеген P25 жүйелері кілттерді тым жиі өзгертеді дейді, бұл желідегі жеке радио дұрыс кілтпен жабдықталмауы мүмкіндігін арттырады, нәтижесінде желідегі барлық пайдаланушылар сол радиомен байланысты сақтау үшін қоршалмаған күйде хабар алмасуға мәжбүр болады.

Қауіпті жерді бұғаттау

Бір дизайндық шешім – кодталған дауыстық деректердің түсініктілік үшін аз маңызды бөліктері үшін қателерді түзетудің төмен деңгейлерін қолдану болды. Нәтижесінде, стандартты хабар алмасу кезінде біт қателер кездесуі мүмкін, және бұл дауыс байланысы үшін зиянсыз болғанымен, мұндай қателердің болуы біт қателерге төзімді ағын шифрларын қолдануға мәжбүр етеді, сондай-ақ хабарламаның тұтастығын ағын шифрлік шабуылдардан қорғау үшін стандартты техниканы – хабарламаларды аутентификациялау кодтарын (MAC) пайдалануға кедергі келтіреді. Қателерді түзетудің әртүрлі деңгейлері P25 хабарлама кадрларын кіші кадрларға бөлу арқылы іске асырылады. Бұл шабуылшыға бүкіл фреймді қабылдау үшін маңызды қысқа кіші кадрлар кезінде ғана хабар жіберу арқылы толық хабарларды бұғаттау мүмкіндігін береді. Нәтижесінде, шабуылшы Project 25 сигналдарын байланыс үшін қолданылатын қуат деңгейінен әлдеқайда төменгі орташа қуат деңгейлерімен тиімді түрде бұза алады. Мұндай шабуылдар тек шифрланған хабарларды нысанаға алады, бұл пайдаланушыларды ашық хабарларды жіберуге мәжбүрлейді. Project 25 радиостанциялары қолданыстағы екі бағытты радиожиілік каналдарында жұмыс істеуге арналғандықтан, олар кең спектрлі модуляцияны қолдана алмайды, ол өзінен-өзі кедергіге төзімді. Оптималды кең спектрлі жүйе тиімді кедергі жасайтын құрылғыны жеке коммуникаторларға қарағанда 1000 есе көп қуатты (30 дБ артық) пайдалануды қажет етеді. Есепке сәйкес, P25 кедергі жасайтын құрылғысы байланыс радиостанцияларына қарағанда 1/25 қуатта (14 дБ кем) тиімді жұмыс істей алады. Авторлар Texas Instruments CC1110 бір чипті радиосын пайдаланып, тұжырымдамалық кедергі жасау құрылғысын жасады, ол арзан ойыншықта кездеседі. Есеп авторлары: «Көп жылдар бойы дамытылған және сезімтал және маңызды қолданбалар үшін қолданылатын бұл протоколдың қолдануға соншалықты қиын және шабуылға ұшырауға бейім болуына таңқалуға болады» деген қорытынды жасады. Авторлар P25 пайдаланушыларына анықталған кейбір мәселелерді азайту үшін жеке ұсынымдар жинағын ұсынды. Оларға қауіпсіз/ашық ауыстырғышты өшіру, ашық және шифрланған трафикті бөлу үшін желілік кіру кодтарын пайдалану және кілттің қызмет ету мерзімін ұзарту арқылы P25-тің ауадағы сенімділігін арттыру кіреді.

One design choice was to use lower levels of error correction for portions of the encoded voice data that are deemed less critical for intelligibility. As a result, bit errors may be expected in typical transmissions, and while harmless for voice communication, the presence of such errors force the use of stream ciphers, which can tolerate bit errors, and prevents the use of a standard technique, message authentication codes (MACs), to protect message integrity from stream cipher attacks. The varying levels of error correction are implemented by breaking P25 message frames into subframes. This allows an attacker to jam entire messages by transmitting only during certain short subframes that are critical to reception of the entire frame. As a result, an attacker can effectively jam Project 25 signals with average power levels much lower than the power levels used for communication. Such attacks can be targeted at encrypted transmissions only, forcing users to transmit in the clear. Because Project 25 radios are designed to work in existing two way radio frequency channels, they cannot use spread spectrum modulation, which is inherently jam resistant. An optimal spread spectrum system can require an effective jammer to use 1,000 times as much power (30 dB more) as the individual communicators. According to the report, a P25 jammer could effectively operate at 1/25th the power (14 dB less) than the communicating radios. The authors developed a proof of concept jammer using a Texas Instruments CC1110 single chip radio, found in an inexpensive toy. The report's authors concluded by saying "It is reasonable to wonder why this protocol, which was developed over many years and is used for sensitive and critical applications, is so difficult to use and so vulnerable to attack." The authors separately issued a set of recommendations for P25 users to mitigate some of the problems found. These include disabling the secure/clear switch, using Network Access Codes to segregate clear and encrypted traffic, and compensating for the unreliability of P25 over the air rekeying by extending key life.

P25 және TETRA арасындағы салыстыру

P25 және TETRA әлемнің 53-тен астам елінде қоғамдық қауіпсіздік және жеке сектор радиожелілері үшін қолданылады. Олардың мүмкіндіктері мен сыйымдылығында кейбір айырмашылықтар бар: TETRA жоғары халық тығыздығы бар аймақтар үшін оңтайландырылған және 25 кГц жиілікте 4 уақыт тірегінің спектрлік тиімділігіне ие. (25 кГц арнаға төрт байланыс арнасы, спектрді тиімді пайдалану). Ол толық дуплекс дауыс байланысын, деректерді және хабарламаларды қолдайды. Ол бір уақытта таратуды (симулкаст) қолдамайды. P25 кең аумақты қамтуға, төмен халық тығыздығы бар аймақтарды қамтуға оңтайландырылған және сонымен қатар бір уақытта таратуды қолдайды. Дегенмен, деректерді қолдау тұрғысынан ол шектеулі. P25 радиожүйелерінің ішінде маңызды бөлініс бар: P25 I кезеңі 12,5 кГц арнада аналогтық, цифрлық немесе аралас режимде жұмыс істейді. P25 II кезеңі әр 12,5 кГц арнада 2 уақыт тірегі бар TDMA құрылымын пайдаланады.