Қорғалған дауыс байланысының тарихы мен эволюциясы

Кіріспе

Шифрланған дауыс байланысы. Қауіпсіз дауыс (немесе қауіпсіз сөйлеу, шифония деп те аталады) – радио, телефон немесе IP сияқты әртүрлі байланыс түрлері арқылы дауыс байланысын шифрлауды қамтитын криптографиядағы термин.

Тарих

Дауысты шифрлауды енгізу Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде, АҚШ қарулы күштері үшін қауіпсіз байланыс аса маңызды болғанда басталды. Сол кезде дұшпандар әңгімелерді тыңдамауы үшін дауыстық сигналға қарапайым шу қосылды. Шу, дауыс сигналымен синхронды түрде шу жазбасын ойнату арқылы қосылды, ал дауыс сигналы қабылдағышқа жеткенде, шу сигналы алынып тасталды, бастапқы дауыс сигналы сақталды. Шуды жою үшін қабылдағышта дәл сол шу сигналы болуы керек еді, ал шу жазбалары жұптармен ғана жасалды: біреуі жіберушіге, екіншісі қабылдаушыға. Жазбаның тек екі данасы болғандықтан, сигналды дұрыс қабылдамайтын адам оны бұзу мүмкін емес еді. Жүйені іске асыру үшін армия Bell Laboratories компаниясымен келісімшарт жасады, олар SIGSALY деп аталатын жүйені әзірледі. SIGSALY жүйесінде 250 Гц-тен 3 кГц-ке дейінгі дауыстық жиілік спектрін үлгілеу үшін он канал пайдаланылды, ал дауыс биіктігі мен фондық шуды үлгілеу үшін екі канал бөлінді. SIGSALY кезінде транзисторлар әлі ойлап табылмағандықтан, цифрлық үлгілеу 2051 үлгідегі тиратрон вакуумдық түтікшелерін пайдаланатын схемалар арқылы жүзеге асырылды. Әр SIGSALY терминалы 55 тонна салмақты 40 тіректе орналасқан жабдықтарды қамтыды және үлкен бөлмені толыққанды иеленді. Бұл жабдықтарға радио хабарларын тарату және қабылдау құрылғылары, сондай-ақ үлкен фонографтар кірді. Дауыс екі винилді фонограф пластинкасына жазылды, онда жиіліктік модуляция (FSK) аудио сигналы болды. Пластинкалар үлкен, дәл айналатын механизмдерде дауыспен синхронды түрде ойнатылды. Дауысты шифрлаудың пайда болуынан бастап бүгінгі күнге дейін шифрлау техникасы күрт өзгерді. Цифрлік технология ескі аналогтық дауысты шифрлау әдістерін толыққанды алмастырды, ал күрделі алгоритмдерді қолдану арқасында дауысты шифрлау әлдеқайда қауіпсіз және тиімді болды. Салыстырмалы түрде заманауи дауысты шифрлау әдісі – суб-диапазондық кодтау. Суб-диапазондық кодтау арқылы дауыстық сигнал бірнеше жиілік диапазондарына бөлінеді, мұнда әр диапазонға қызығушылық тудыратын белгілі бір жиіліктерді қамтитын бірнеше жолақты сүзгілер қолданылады. Жолақты сүзгілерден шығатын сигналдар жолақтың енін азайту үшін төмен жиілікті сүзгіден өтеді, бұл үлгі алу жылдамдығын төмендетеді. Төмен жиілікті сигналдар кейін квантталады және импульстік кодты модуляциялау (PCM) сияқты арнайы техникаларды қолдана отырып кодталады. Кодтау кезеңінен кейін сигналдар мультиплекстеледі және байланыс желісі арқылы жіберіледі. Сигнал қабылдағышқа жеткенде, бастапқы күйіне қайтару үшін кері операциялар қолданылады. Сөйлеуді шифрлау жүйесі 1970 жылдары Субхаш Как пен Нихил Джаянт Белл зертханаларында әзірленді. Бұл жүйеде сөйлеу деректерінің кодталған түрлерін (мысалы, импульстік кодты модуляциялау және оның түрлері) шифрлау үшін пермутациялық матрицалар қолданылды. Motorola компаниясы дауысты шифрлаудың бірінші буыны ретінде Digital Voice Protection (DVP) деп аталатын дауысты шифрлау жүйесін әзірледі. DVP шифрлеу кері байланысы (CFB) деп аталатын өзін-өзі синхрондаушы шифрлау техникасын қолданады. Алғашқы DVP алгоритміне байланысты мүмкін болатын кілттердің өте көп саны алгоритмді өте берік етеді және қауіпсіздіктің жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Басқа симметриялық кілтті шифрлау жүйелеріндегідей, сигналды шифрлау үшін арнайы шифрлау алгоритмімен шифрлау кілті қажет.

The implementation of voice encryption dates back to World War II when secure communication was paramount to the US armed forces. During that time, noise was simply added to a voice signal to prevent enemies from listening to the conversations. Noise was added by playing a record of noise in sync with the voice signal and when the voice signal reached the receiver, the noise signal was subtracted out, leaving the original voice signal. In order to subtract out the noise, the receiver need to have exactly the same noise signal and the noise records were only made in pairs; one for the transmitter and one for the receiver. Having only two copies of records made it impossible for the wrong receiver to decrypt the signal. To implement the system, the army contracted Bell Laboratories and they developed a system called SIGSALY. With SIGSALY, ten channels were used to sample the voice frequency spectrum from 250 Hz to 3 kHz and two channels were allocated to sample voice pitch and background hiss. In the time of SIGSALY, the transistor had not been developed and the digital sampling was done by circuits using the model 2051 Thyratron vacuum tube. Each SIGSALY terminal used 40 racks of equipment weighing 55 tons and filled a large room. This equipment included radio transmitters and receivers and large phonograph turntables. The voice was keyed to two vinyl phonograph records that contained a frequency shift keying (FSK) audio tone. The records were played on large precise turntables in sync with the voice transmission. From the introduction of voice encryption to today, encryption techniques have evolved drastically. Digital technology has effectively replaced old analog methods of voice encryption and by using complex algorithms, voice encryption has become much more secure and efficient. One relatively modern voice encryption method is Sub band coding. With Sub band Coding, the voice signal is split into multiple frequency bands, using multiple bandpass filters that cover specific frequency ranges of interest. The output signals from the bandpass filters are then lowpass translated to reduce the bandwidth, which reduces the sampling rate. The lowpass signals are then quantized and encoded using special techniques like, pulse code modulation (PCM). After the encoding stage, the signals are multiplexed and sent out along the communication network. When the signal reaches the receiver, the inverse operations are applied to the signal to get it back to its original state. A speech scrambling system was developed at Bell Laboratories in the 1970s by Subhash Kak and Nikil Jayant. In this system permutation matrices were used to scramble coded representations (such as pulse code modulation and variants) of the speech data. Motorola developed a voice encryption system called Digital Voice Protection (DVP) as part of their first generation of voice encryption techniques. DVP uses a self synchronizing encryption technique known as cipher feedback (CFB). The extremely high number of possible keys associated with the early DVP algorithm, makes the algorithm very robust and gives a high level of security. As with other symmetric keyed encryption systems, the encryption key is required to decrypt the signal with a special decryption algorithm.

Цифрлық

Цифрлық қауіпсіз дауыс әдетте екі компоненттен тұрады: сөйлеу мен цифрлық сигналдарды түрлендіретін цифрландырғыш және құпиялылықты қамтамасыз ететін шифрлау жүйесі. Шифрланған сигналды, мысалы, аналогты телефон желілері немесе ұялы радио желілері сияқты шифрланбаған дауысты таратуға қолданылатын дауыс байланысы арналары арқылы жіберу, жолақтың кеңеюіне байланысты қиынға түседі. Осы себепті, сөйлеу сигналдарын тығыз жолақты қысу үшін дауыс кодтаушылар (вокодерлер) қолданылады. NSA-ның STU III, KY 57 және SCIP жүйелері – қолданыстағы дауыс арналары арқылы жұмыс істейтін жүйелердің мысалдары. STE жүйесі керісінше, қалыпты жұмыс режимі үшін кең жолақты ISDN желілерін қажет етеді. GSM және VoIP шифрлау үшін, олар бастапқыда цифрлық болғандықтан, ZRTP стандартты протоколын ұштан-ұшқа шифрлау технологиясы ретінде пайдалануға болады. Қауіпсіз дауыстың сенімділігіне дауыстық деректерді арнайы компонент – сөйлеу кодтау, дауыстық сығымдау немесе дауыс кодтаушы (вокодер деп те аталады) арқылы өте төмен биттік жылдамдыққа сығылғанда зор пайда тиеді. Ескі қауіпсіз дауыс сығымдау стандарттарына (CVSD, CELP, LPC 10e және MELP) кіреді, ал соңғы стандарт – MELPe алгоритмі.

Дауысты сығыстыруды пайдаланатын цифрлық әдістер: MELP немесе MELPe

MELPe немесе жетілдірілген MELP (аралас қоздыру сызықтық болжау) – АҚШ Қорғаныс министрлігінің сөйлеуді кодтау стандарты, негізінен әскери қолданыстарда және спутниктік байланыста, қауіпсіз дауыс және қауіпсіз радио құрылғыларда қолданылады. Оның дамуына NSA және НАТО басшылық етті және қолдау көрсетті. АҚШ үкіметінің MELPe қауіпсіз дауыстық стандарты MIL STD 3005 деп те аталады, ал НАТО-ның MELPe қауіпсіз дауыстық стандарты STANAG 4591 деп те аталады. Алғашқы MELP-ті шамамен 1995 жылы Алан МакКри ойлап тапты. Бұл бастапқы сөйлеу кодтаушы 1997 жылы стандартталды және MIL STD 3005 деп аталды. Ол АҚШ Қорғаныс министрлігінің бәсекесінде басқа дауыс кодтаушылардан асып түсті, соның ішінде: (а) Жиілік селективті гармоникалық кодтаушы (FSHC), (b) Жоғары көп жолақты қоздыру (AMBE), (c) Жетілдірілген көп жолақты қоздыру (EMBE), (d) Синусоидты трансформация кодтаушы (STC) және (e) Субдиапазонды LPC кодтаушы (SBC). Waveform Interpolative (WI) кодерінен гөрі күрделілігі төмен болғандықтан, MELP вокодер DoD бәсекесінде жеңіп, MIL STD 3005 үшін таңдалды. 1998 және 2001 жылдар аралығында MELP-ге негізделген жаңа вокодер жарты жылдамдықпен (яғни 1200 бит/с) құрылды және MIL STD 3005-ке SignalCom (кейіннен Microsoft сатып алды), AT&T Corporation және Compandent елеулі жақсартулар енгізді, олар: (а) қосымша жаңа вокодер жарты жылдамдықпен (яғни 1200 бит/с), (b) едәуір жақсартылған кодтау (талдау), (c) едәуір жақсартылған кодтау (синтез), (d) фондық шуды жою үшін шуды алдын ала өңдеу, (e) 2400 бит/с және 1200 бит/с бит ағындары арасындағы транскодтау және (f) жаңа постфильтр. Бұл маңызды жетістік жаңа кодтаушыны жарым жылдамдықпен жасауды және оны ескі MELP стандартымен өзара әрекеттестіруге мүмкіндік беруді көздеді. Бұл жетілдірілген MELP (MELPe деп те аталады) 2001 жылы MIL STD 3005 ретінде қабылданды, ол MIL STD 3005 түпнұсқасына қосымшалар мен толықтырулар түрінде жасалды, бұл бұрынғы 2400 бит/с MELP-ге тең сапаны екі есеге төмендетуге мүмкіндік берді. Жаңа 2400 бит/с MELPe-нің ең үлкен артықшылығы – ол MELP-мен бірдей бит форматында, сондықтан ол MELP-тің бұрынғы жүйелерімен өзара жұмыс істей алады, бірақ екі жағынан да жақсы сапаны қамтамасыз етеді. MELPe, әсіресе, ұрыс алаңы, көліктер мен ұшақтар сияқты шулы ортада, барлық ескі әскери стандарттардан әлдеқайда жақсы сапаны қамтамасыз етеді. 2002 жылы кең көлемді бәсекелестік пен сынақтан кейін 2400 және 1200 бит/с АҚШ Қорғаныс министрлігі MELPe стандарты сонымен қатар НАТО стандарты ретінде қабылданды, STANAG 4591 деп аталады. Жаңа НАТО стандартына арналған НАТО сынағының бір бөлігі ретінде MELPe Францияның HSX (Гармоникалық Стохастикалық қоздыру) және Түркияның SB LPC (Split Band Linear Predictive Coding) сияқты басқа кандидаттармен, сондай-ақ FS1015 LPC 10e (2,4 кбит/с), FS1016 CELP (4,8 кбит/с) және CVSD (16 кбит/с) сияқты ескі қауіпсіз дауыс стандарттарымен сыналды. Кейіннен MELPe барлық басқа кандидаттардың сапасынан, сондай-ақ барлық ескі қауіпсіз дауыс стандарттарының (CVSD, CELP және LPC 10e) сапасынан асып түсіп, НАТО бәсекесінде де жеңіске жетті. НАТО бәсекесі MELPe өнімділігін айтарлықтай жақсартты деген қорытындыға келді (сөйлеу сапасы, түсініктілігі және шуға төзімділігі жағынан), сонымен бірге өткізу қабілеті талаптарын азайтады. НАТО сынақтарына сонымен қатар өзара іс-қимыл сынақтары да кірді, 200 сағаттан астам сөйлеу деректері пайдаланылды және оны бүкіл әлем бойынша үш сынақ зертханасы жүргізді. Compandent Inc, NSA және НАТО үшін MELPe негізделген жобалардың бір бөлігі ретінде NSA және НАТО-ға MELCODER құрылғысы деп аталатын арнайы сынақ платформасын ұсынды, ол MELPe-ді нақты уақытта іске асыру үшін алтын эталонды ұсынды. Compandent компаниясы жасаған арзан бағадағы FLEXI 232 деректер терминалды жабдықтары (DTE) MELCODER алтын эталонына негізделген, олар өте танымал және MELPe-ді нақты уақытта, әртүрлі арналар мен желілерді және далалық жағдайларды бағалау және сынау үшін кеңінен қолданылады. НАТО бәсекесі MELPe өнімділігін айтарлықтай жақсартты деген қорытындыға келді (сөйлеу сапасы, түсініктілігі және шуға төзімділігі жағынан), сонымен бірге өткізу қабілеті талаптарын азайтады. НАТО сынақтарына сонымен қатар өзара іс-қимыл сынақтары да кірді, 200 сағаттан астам сөйлеу деректері пайдаланылды және оны бүкіл әлем бойынша үш сынақ зертханасы жүргізді. 2005 жылы НАТО стандарты STANAG 4591 НАТО стандартына Талес тобының (Франция) 600 бит/с жылдамдығы бар MELPe нұсқасы қосылды (2400/1200 бит/с MELPe үшін жүргізілген кеңінен бәсекелестік пен сынақтарсыз), ал биттік жылдамдықты 300 бит/с-қа дейін және тіпті 150 бит/с-қа дейін төмендету үшін одан әрі күш-жігер жұмсалды. 2010 жылы Линкольн Лабораториясы, Компандент, BBN және General Dynamics DARPA үшін 300 бит/с MELP құрылғысын жасады. Оның сапасы 600 бит/с MELPe-ден жақсы болды, бірақ оның кешігуі ұзақ болды.

The MELPe or enhanced MELP (Mixed Excitation Linear Prediction) is a United States Department of Defense speech coding standard used mainly in military applications and satellite communications, secure voice, and secure radio devices. Its development was led and supported by NSA, and NATO. The US government's MELPe secure voice standard is also known as MIL STD 3005, and the NATO's MELPe secure voice standard is also known as STANAG 4591. The initial MELP was invented by Alan McCree around 1995. That initial speech coder was standardized in 1997 and was known as MIL STD 3005. It surpassed other candidate vocoders in the US DoD competition, including: (a) Frequency Selective Harmonic Coder (FSHC), (b) Advanced Multi Band Excitation (AMBE), (c) Enhanced Multiband Excitation (EMBE), (d) Sinusoid Transform Coder (STC), and (e) Subband LPC Coder (SBC). Due to its lower complexity than Waveform Interpolative (WI) coder, the MELP vocoder won the DoD competition and was selected for MIL STD 3005. Between 1998 and 2001, a new MELP based vocoder was created at half the rate (i. e. 1200 bit/s) and substantial enhancements were added to the MIL STD 3005 by SignalCom (later acquired by Microsoft), AT&T Corporation, and Compandent which included (a) additional new vocoder at half the rate (i. e. 1200 bit/s), (b) substantially improved encoding (analysis), (c) substantially improved decoding (synthesis), (d) Noise Preprocessing for removing background noise, (e) transcoding between the 2400 bit/s and 1200 bit/s bitstreams, and (f) new postfilter. This fairly significant development was aimed to create a new coder at half the rate and have it interoperable with the old MELP standard. This enhanced MELP (also known as MELPe) was adopted as the new MIL STD 3005 in 2001 in form of annexes and supplements made to the original MIL STD 3005, enabling the same quality as the old 2400 bit/s MELP's at half the rate. One of the greatest advantages of the new 2400 bit/s MELPe is that it shares the same bit format as MELP, and hence can interoperate with legacy MELP systems, but would deliver better quality at both ends. MELPe provides much better quality than all older military standards, especially in noisy environments such as battlefield and vehicles and aircraft. In 2002, following extensive competition and testing, the 2400 and 1200 bit/s US DoD MELPe was adopted also as NATO standard, known as STANAG 4591. As part of NATO testing for new NATO standard, MELPe was tested against other candidates such as France's HSX (Harmonic Stochastic eXcitation) and Turkey's SB LPC (Split Band Linear Predictive Coding), as well as the old secure voice standards such as FS1015 LPC 10e (2.4 kbit/s), FS1016 CELP (4.8 kbit/s) and CVSD (16 kbit/s). Subsequently, the MELPe won also the NATO competition, surpassing the quality of all other candidates as well as the quality of all old secure voice standards (CVSD, CELP and LPC 10e). The NATO competition concluded that MELPe substantially improved performance (in terms of speech quality, intelligibility, and noise immunity), while reducing throughput requirements. The NATO testing also included interoperability tests, used over 200 hours of speech data, and was conducted by three test laboratories worldwide. Compandent Inc, as a part of MELPe based projects performed for NSA and NATO, provided NSA and NATO with special test bed platform known as MELCODER device that provided the golden reference for real time implementation of MELPe. The low cost FLEXI 232 Data Terminal Equipment (DTE) made by Compandent, which are based on the MELCODER golden reference, are very popular and widely used for evaluating and testing MELPe in real time, various channels & networks, and field conditions. The NATO competition concluded that MELPe substantially improved performance (in terms of speech quality, intelligibility, and noise immunity), while reducing throughput requirements. The NATO testing also included interoperability tests, used over 200 hours of speech data, and was conducted by three test laboratories worldwide. In 2005, a new 600 bit/s rate MELPe variation by Thales Group (France) was added (without extensive competition and testing as performed for the 2400/1200 bit/s MELPe) to the NATO standard STANAG 4591, and there are more advanced efforts to lower the bitrates to 300 bit/s and even 150 bit/s. In 2010, Lincoln Labs., Compandent, BBN, and General Dynamics also developed for DARPA a 300 bit/s MELP device. Its quality was better than the 600 bit/s MELPe, but its delay was longer.