Защищенная речь (альтернативно защищенная речь или шифрокоммуникация ) — термин в криптографии, обозначающий шифрование голосовой связи с использованием различных типов связи, таких как радио, телефон или IP .
Внедрение голосового шифрования относится ко Второй мировой войне , когда безопасная связь имела первостепенное значение для вооруженных сил США. В то время шум просто добавлялся к голосовому сигналу, чтобы не дать врагам подслушать разговоры. Шум добавлялся путем воспроизведения записи шума синхронно с голосовым сигналом, и когда голосовой сигнал достигал приемника, шумовой сигнал вычитался, оставляя исходный голосовой сигнал. Чтобы вычесть шум, приемник должен был иметь точно такой же шумовой сигнал, а шумовые записи делались только парами: один для передатчика и один для приемника. Наличие только двух копий записей делало невозможным для неправильного приемника расшифровку сигнала. Для внедрения системы армия заключила контракт с Bell Laboratories , и они разработали систему под названием SIGSALY . С помощью SIGSALY десять каналов использовались для выборки спектра голосовых частот от 250 Гц до 3 кГц, а два канала были выделены для выборки высоты голоса и фонового шипения. Во времена SIGSALY транзистор еще не был разработан, и цифровая выборка осуществлялась схемами, использующими вакуумную лампу Thyratron модели 2051. Каждый терминал SIGSALY использовал 40 стоек оборудования весом 55 тонн и занимал большую комнату. Это оборудование включало радиопередатчики и приемники, а также большие проигрыватели для фонографов. Голос был записан на две виниловые пластинки для фонографов размером 410 мм (16 дюймов), которые содержали звуковой тон частотной манипуляции (FSK). Записи воспроизводились на больших точных проигрывателях синхронно с передачей голоса.
С момента появления голосового шифрования и до сегодняшнего дня методы шифрования претерпели кардинальные изменения. Цифровые технологии эффективно заменили старые аналоговые методы голосового шифрования, и благодаря использованию сложных алгоритмов голосовое шифрование стало намного более безопасным и эффективным. Одним из относительно современных методов голосового шифрования является субполосное кодирование . При субполосном кодировании голосовой сигнал разделяется на несколько частотных диапазонов с использованием нескольких полосовых фильтров, которые охватывают определенные интересующие диапазоны частот. Затем выходные сигналы из полосовых фильтров преобразуются в низкие частоты для уменьшения полосы пропускания, что снижает частоту дискретизации. Затем низкочастотные сигналы квантуются и кодируются с использованием специальных методов, таких как импульсно-кодовая модуляция (PCM). После этапа кодирования сигналы мультиплексируются и отправляются по сети связи. Когда сигнал достигает приемника, к сигналу применяются обратные операции, чтобы вернуть его в исходное состояние. [1] Система скремблирования речи была разработана в Bell Laboratories в 1970-х годах Субхашем Каком и Никилом Джаянтом . [2] В этой системе матрицы перестановок использовались для шифрования кодированных представлений (таких как импульсно-кодовая модуляция и варианты) речевых данных. Motorola разработала систему шифрования голоса под названием Digital Voice Protection (DVP) как часть своего первого поколения методов шифрования голоса. DVP использует самосинхронизирующийся метод шифрования, известный как обратная связь по шифру (CFB). Чрезвычайно большое количество возможных ключей, связанных с ранним алгоритмом DVP, делает алгоритм очень надежным и обеспечивает высокий уровень безопасности. Как и в других системах шифрования с симметричным ключом, ключ шифрования требуется для расшифровки сигнала с помощью специального алгоритма расшифровки.
Цифровой защищенный голос обычно включает в себя два компонента: дигитайзер для преобразования между речью и цифровыми сигналами и систему шифрования для обеспечения конфиденциальности. На практике трудно отправлять зашифрованный сигнал по тем же коммуникационным каналам голосового диапазона , которые используются для передачи незашифрованного голоса, например, аналоговые телефонные линии или мобильные радиостанции , из-за расширения полосы пропускания.
Это привело к использованию речевых кодеров ( вокодеров ) для достижения плотной компрессии полосы пропускания речевых сигналов. STU-III , KY-57 и SCIP от АНБ являются примерами систем, которые работают по существующим голосовым каналам. Система STE , напротив, требует широкополосных линий ISDN для своего обычного режима работы. Для шифрования GSM и VoIP , которые изначально являются цифровыми, стандартный протокол ZRTP может использоваться в качестве технологии сквозного шифрования .
Надежность защищенного голоса значительно выигрывает от сжатия голосовых данных до очень низких скоростей передачи данных специальным компонентом, называемым кодированием речи , сжатием голоса или кодером голоса (также известным как вокодер ). Старые стандарты сжатия защищенного голоса включают ( CVSD , CELP , LPC-10e и MELP , где последний стандарт — это современный алгоритм MELPe.
MELPe или улучшенный MELP (Mixed Excitation Linear Prediction) — это стандарт кодирования речи Министерства обороны США, используемый в основном в военных приложениях и спутниковой связи, защищенной передаче голоса и защищенных радиоустройствах. Его разработка возглавлялась и поддерживалась АНБ и НАТО. Стандарт защищенной передачи голоса MELPe правительства США также известен как MIL-STD-3005, а стандарт защищенной передачи голоса MELPe НАТО также известен как STANAG -4591.
Первоначальный MELP был изобретен Аланом МакКри около 1995 года. [3] Этот первоначальный речевой кодер был стандартизирован в 1997 году и был известен как MIL-STD-3005. [4] Он превзошел другие кандидаты на вокодеры в конкурсе Министерства обороны США, включая: (a) Frequency Selective Harmonic Coder (FSHC), (b) Advanced Multi-Band Excitation (AMBE), (c) Enhanced Multiband Excitation (EMBE), (d) Sinusoid Transform Coder (STC) и (e) Subband LPC Coder (SBC). Благодаря своей меньшей сложности [ требуется ссылка ] по сравнению с кодером Waveform Interpolative (WI), вокодер MELP выиграл конкурс Министерства обороны и был выбран для MIL-STD -3005.
Между 1998 и 2001 годами был создан новый вокодер на основе MELP с половинной скоростью (т. е. 1200 бит/с), а также были добавлены существенные усовершенствования в MIL-STD-3005 компаниями SignalCom (позже приобретенным Microsoft ), AT&T Corporation и Compandent, которые включали (a) дополнительный новый вокодер с половинной скоростью (т. е. 1200 бит/с), (b) существенно улучшенное кодирование (анализ), (c) существенно улучшенное декодирование (синтез), (d) предварительную обработку шума для удаления фонового шума, (e) транскодирование между битовыми потоками 2400 бит/с и 1200 бит/с и (f) новый постфильтр. Эта довольно значительная разработка была направлена на создание нового кодера с половинной скоростью и обеспечение его совместимости со старым стандартом MELP. Этот улучшенный MELP (также известный как MELPe) был принят как новый MIL-STD-3005 в 2001 году в виде дополнений и дополнений, сделанных к оригинальному MIL-STD-3005, обеспечивая то же качество, что и старые MELP 2400 бит/с, но при этом вдвое меньшую скорость. Одним из самых больших преимуществ нового MELPe 2400 бит/с является то, что он использует тот же битовый формат, что и MELP, и, следовательно, может взаимодействовать с устаревшими системами MELP, но при этом будет обеспечивать лучшее качество на обоих концах. MELPe обеспечивает гораздо лучшее качество, чем все старые военные стандарты, особенно в шумных условиях, таких как поле боя, транспортные средства и самолеты.
В 2002 году после обширной конкуренции и тестирования, 2400 и 1200 бит/с US DoD MELPe был принят также в качестве стандарта НАТО , известного как STANAG -4591. [5] В рамках тестирования НАТО для нового стандарта НАТО, MELPe был протестирован против других кандидатов, таких как французский HSX (Harmonic Stochastic excitation) и турецкий SB-LPC (Split-Band Linear Predictive Coding), а также старых стандартов защищенной речи, таких как FS1015 LPC-10e (2,4 кбит/с), FS1016 CELP (4,8 кбит/с) и CVSD (16 кбит/с). Впоследствии MELPe также выиграл конкурс НАТО, превзойдя качество всех других кандидатов, а также качество всех старых стандартов защищенной речи (CVSD, CELP и LPC-10e ). Конкурс НАТО пришел к выводу, что MELPe существенно улучшил производительность (с точки зрения качества речи, разборчивости и помехоустойчивости), одновременно снизив требования к пропускной способности. Тестирование НАТО также включало тесты на совместимость, использовало более 200 часов речевых данных и проводилось тремя испытательными лабораториями по всему миру. Compandent Inc, как часть проектов на основе MELPe, выполняемых для АНБ и НАТО , предоставила АНБ и НАТО специальную испытательную платформу, известную как устройство MELCODER, которое предоставило золотой эталон для внедрения MELPe в реальном времени. Недорогое терминальное оборудование данных FLEXI-232 (DTE) производства Compandent, которое основано на золотом эталоне MELCODER, очень популярно и широко используется для оценки и тестирования MELPe в реальном времени, различных каналах и сетях, а также в полевых условиях.
Конкурс НАТО пришел к выводу, что MELPe существенно улучшил производительность (с точки зрения качества речи, разборчивости и помехоустойчивости), одновременно снизив требования к пропускной способности. Тестирование НАТО также включало тесты на совместимость, использовало более 200 часов речевых данных и проводилось тремя испытательными лабораториями по всему миру.
В 2005 году в стандарт НАТО STANAG-4591 была добавлена новая вариация MELPe со скоростью 600 бит/с от Thales Group ( Франция ) (без широкой конкуренции и тестирования, как это было сделано для MELPe со скоростью 2400/1200 бит/с) [6] , и существуют более продвинутые попытки снизить скорость передачи данных до 300 бит/с и даже 150 бит/с. [7]
В 2010 году Lincoln Labs., Compandent, BBN и General Dynamics также разработали для DARPA устройство MELP со скоростью 300 бит/с. [8] Его качество было лучше, чем у MELPe со скоростью 600 бит/с, но задержка была больше.