Скрытие данных с использованием хаотических сигналов

Обобщённая синхронизация, которая вводится в рассмотрение для системы двух однонаправленно связанных хаотических осцилляторов – ведущегои ведомого, означает, что после завершения переходного процесса устанавливается функциональная зависимость между их состояниями, т.е. . При этом вид зависимости может быть достаточно сложным, а процедура её нахождения весьма нетривиальной.

Фазовая синхронизация означает, что происходит захват фаз хаотических сигналов, в то время как амплитуды этих сигналов остаются несвязанными между собой и выглядят хаотическими.

11.7.1. Способы скрытой передачи информации, основанные
на явлении полной хаотической синхронизации

Использование полной хаотической синхронизации для скрытой передачи информации подразумевает наличие, как минимум, двух однонаправленно связанных идентичных хаотических генераторов. Предложено достаточно много таких способов скрытой передачи данных. Это, в первую очередь, хаотическая маскировка, переключение хаотических режимов, нелинейное подмешивание информационного сигнала к хаотическому, модулирование управляющих параметров передающего генератора полезным цифровым сигналом и др. На основе этих методов было предложено множество способов скрытой передачи данных. Поэтому рассмотрение основных принципов работы таких схем является очень важным. Остановимся на них более подробно.

11.7.1.1. Хаотическая маскировка.Хаотическая маскировка – один из первых и наиболее простых способов скрытой передачи данных [26]. Принципиальная схема реализации этого способа приведена на рисунке 11.12. На передающей стороне информационный сигнал m(t) подмешивается в сумматоре к несущему сигналу, генерируемому передающей хаотической системой , и далее передаётся по каналу связи. В приёмнике осуществляется полная хаотическая синхронизация находящегося в нём хаотического генераторас помощью принимаемого сигнала, в результате чего динамика принимающего генератора становится идентичной динамике передающего. Детектированный сигнал получается после прохождения через вычитающее устройство как разность между принимаемым сигналом и синхронным откликом генератора хаоса в приёмнике.

Такая схема скрытой передачи данных работает достаточно эффективно (т.е. позволяет качественно передавать информацию и детектировать её на выходе) в отсутствие шумов в канале связи в том случае, когда мощность сигнала, генерируемого передающей системой, превышает мощность информационного сигнала на 35–65 дБ. Добавление шума в канал связи приводит к резкому ухудшению качества передаваемой информации, а следовательно, к высоким отношениям сигнал/шум, при которых схема остаётся работоспособной. Кроме того, введение расстройки управляющих параметров между идентичными хаотическими генераторами (находящимися на различных сторонах канала связи) также приводит к появлению на выходе дополнительных шумов десинхронизации и делает передачу информации труднореализуемой. Более того, существует проблема конфиденциальности передачи информации (Здесь и далее под конфиденциальностью мы понимаем отсутствие возможности детектирования третьей стороной информационного сообщения по сигналу, передаваемому по каналу связи). Несмотря на низкий уровень информационного сигнала по сравнению с уровнем несущего, существуют методы и подходы, позволяющие восстановить исходный хаотический сигнал по сигналу, передаваемому по каналу связи, а следовательно, выделить полезную информацию.

Все вышеуказанные недостатки делают схемы скрытой передачи информации на основе хаотической маскировки малоприменимыми на практике.

Рисунок 11.13 – Схема скрытой передачи информации с помощью хаотической маскировки (СS – полная хаотическая синхронизация).

11.7.1.2. Переключение хаотических режимов. Одна из схем переключения хаотических режимов приведена на рисунке 11.13. Передающее устройство содержит два хаотических генератора, x₁(t) и x₂(t), которые могут быть разными или одинаковыми, но с различающимися параметрами, однако в интересах конфиденциальности передачи данных предпочтительнее использовать последние; более того, сигналы, генерируемые этими системами должны иметь сходные спектральные и статистические свойства. Полезный цифровой сигнал m(t), представленный последовательностью бинарных битов 0/1, используется для переключения передаваемого сигнала, т.е. сигнал, производимый первым хаотическим генератором, кодирует, например, бинарный бит 0, а сигнал от второго генератора хаоса соответственно – бинарный бит 1. Полученный таким образом сигнал передаётся по каналу связи на принимающее устройство. В зависимости от числа генераторов, находящихся на принимающей стороне канала связи, различают несколько схем скрытой передачи данных на основе переключения хаотических режимов. В схеме, представленной на рисунке 11.4, принимающее устройство содержит один хаотический генератор x(t), идентичный любому из передающих, например первому. Параметры генераторов должны быть выбраны таким образом, чтобы генерируемые ими сигналы приводили к возникновению режима полной хаотической синхронизации лишь в том случае, если передаётся только бинарный бит 0 (или только бинарный бит 1). Так же как и при хаотической маскировке, восстановленный получается после прохождения через вычитающее устройство сигнала, передаваемого по каналу связи, и синхронного отклика хаотического генератора принимающего устройства.

Рисунок 11.14 – Схема скрытой передачи информации на основе переключения хаотических режимов.

Другие схемы скрытой передачи информации с использованием переключения хаотических режимов, которые основаны на той же идее, отличаются от описанной выше схемы только строением и работой принимающего устройства. Например, известны схемы, принимающее устройство содержит два хаотических генератора, идентичных передающим генераторам, и, следовательно, два вычитающих устройства для детектирования полезного сигнала. В этом случае полезный сигнал диагностируется по наличию или отсутствию хаотических колебаний в сигналах на выходе принимающего устройства.

Такие схемы передачи данных оказываются более устойчивыми к шумам в канале связи, чем схемы с хаотической маскировкой, но их устойчивость к шумам, тем не менее, остаётся весьма ограниченной. Принципиальным недостатком таких схем является возникновение переходных процессов при переключении (длительность которых может быть весьма продолжительной), что проявляется во временной задержке включения в синхронный режим принимающего генератора. Поэтому такие схемы являются достаточно медленными. Кроме того, степень секретности (конфиденциальности) таких схем является довольно низкой.

11.7.1.3 Нелинейное подмешивание информационного сигнала к хаотическому.Усовершенствования метода хаотической маскировки были направлены на повышение секретности и конфиденциальности передачи информации. В результате было предложено несколько способов, которые можно объединить общим названием "нелинейное подмешивание информационного сигнала к хаотическому". Особенностью работы таких схем является непосредственный ввод информационного сигнала в передающую систему и его участие в формировании выходного сигнала.

Среди схем, в которых применяются различные операции ("сложение–вычитание", "деление–умножение", "сложение по модулю с основанием 2", "преобразование напряжение – ток" и др.), наибольшее распространение сейчас получили схемы, использующие "сложение–вычитание" [125, 146]. В таких схемах информационный сигнал подмешивается к хаотическому и участвует тем самым в формировании сложного поведения системы. Наиболее простым и технически реализуемым способом обеспечения "нелинейного подмешивания" является установка на передающей стороне канала связи дополнительного хаотического генератора, идентичного первому передающему и взаимно связанного с ним. Схема реализации такого способа скрытой передачи данных приведена на рисунке 11.15.

Рисунок 11.15 – Схема скрытой передачи информации посредством нелинейного подмешивания информационного сигнала к хаотическому.

Итак, передающая сторона содержит два идентичных по управляющим параметрам хаотических генератора, x₁(t) и x₂(t). Информационный сигнал подмешивается к сигналу, производимому одним из генераторов передающего устройства (или к обоим сигналам одновременно). В результате прохождения по кольцу обратной связи (обеспечиваемого взаимной связью генераторов передающего устройства) сигнал претерпевает нелинейные изменения. Таким образом, по каналу связи будет передаваться сигнал, полученный в результате нелинейного подмешивания информационного сигнала к хаотическому.

Принимающее устройство, как и в рассмотренных выше схемах, содержит хаотический генераторx(t), идентичный по управляющим параметрам передающим генераторам. Сигнал, поступающий по каналу связи на принимающее устройство, синхронизует принимающий генератор в случае передачи бинарного бита 0 (и не синхронизует при передаче бинарного бита 1). После прохождения через вычитающее устройство сигналов от передающего и принимающего генераторов детектируется восстановленный сигнал .

Важным преимуществом таких схем перед схемами, основанными на хаотической маскировке, является возможность варьирования уровня вводимого информационного сообщения, что позволяет управлять качеством передачи информации (т.е. варьировать точность дешифрации исходного информационного сообщения принимающей стороной). Однако увеличение качества передачи информации влечёт за собой потерю её конфиденциальности, что является существенным недостатком. Кроме того, такие схемы характеризуются достаточно низкой устойчивостью к шумам в канале связи и расстройке управляющих параметров изначально идентичных хаотических генераторов. Необходимость обеспечения идентичности трёх генераторов хаоса, два из которых находятся на разных сторонах канала связи, представляет собой труднорешаемую техническую задачу, а следовательно, является ещё одним недостатком такой схемы.

Кроме того, зависимость передаваемого сигнала от информационного, поскольку передающий генератор по сути является неавтономной системой, что не гарантирует формирования им именно хаотического сигнала при изменении тех или иных параметров схемы, может приводить к потере конфиденциальности.

11.7.1.4 Модулирование управляющих параметров передающего генератора информационным сигналом. Схемы на основе модулирования управляющих параметров, или адаптивные методы, – естественный этап при переходе от дискретной модуляции управляющего параметра передающего генератора в схеме с переключением хаотических режимов (см. раздел 11.7.1.2) к модуляции непрерывным сигналом. При этом роль модулирующего сигнала играет информационный сигнал. Необходимым условием реализации таких схем является предварительное определение допустимого диапазона изменения параметра и нормирование модулирующего информационного сигнала. Частным случаем является использование бинарного цифрового сигнала в качестве информационного и модулирование им управляющего параметра передающего генератора. Схема скрытой передачи информации таким способом приведена на рисунке 11.6.

Рисунок 11.16 – Схема скрытой передачи информации путём модулирования управляющего параметра передающего генератора информационным сигналом.

Принцип её работы аналогичен принципу работы схемы на основе переключения хаотических режимов, описанной в разделе 11.7.1.2. Полезный цифровой сигнал m(t) модулирует один из параметров передающего генератора x(t) таким образом, чтобы в зависимости от передаваемого бинарного бита 0 (1) между передающим x(t) и принимающим u(t) генераторами существовал (отсутствовал) режим полной хаотической синхронизации. Тогда после прохождения через вычитающее устройство сигналов передающего и принимающего устройств детектируется восстановленный сигнал m(t). Для возможности реализации режима полной синхронизации управляющие параметры принимающего генератора должны быть выбраны идентичными управляющим параметрам передающего (точнее, одному из наборов параметров передающего генератора, отвечающему, например, бинарному биту 0).

Особенности работы, достоинства и недостатки схем, основанных на модулировании управляющих параметров, являются теми же, что и в случае схем с переключениями. Однако для рассматриваемой схемы техническая реализация несколько упрощается благодаря наличию на передающей стороне канала связи только одного генератора.

11.7.2. Способ скрытой передачи информации на основе обобщённой синхронизации

Одной из немногих работ, в которых используется режим обобщённой синхронизации для скрытой передачи информации, является работа [109]. Принципиальная схема реализации такого способа скрытой передачи данных приведена на рисунке 11.17. Передающая сторона содержит два хаотических генератора, ведущий x(t) и ведомый u(t), которые могут быть неидентичными. Сигнал с ведущего генератора передаётся на ведомый, причём его интенсивность модулируется полезным цифровым сигналом m(t) таким образом: если передаётся бинарный бит 0, то между ведущим и ведомым генераторами устанавливается режим обобщённой синхронизации, а если передаётся бинарный бит 1, то режим обобщённой синхронизации между ними разрушается. На принимающей стороне канала связи находится так называемый вспомогательный хаотический генератор v(t), идентичный ведомому по управляющим параметрам. Сигнал с ведущего генератора по каналу связи передаётся на вспомогательный, что обеспечивает возникновение режима обобщённой синхронизации между ними, причём интенсивность передаваемого по каналу связи сигнала должна совпадать с интенсивностью сигнала, поступающего к ведомой системе при передаче бинарного бита 0. Сигнал с ведомого генератора уже по другому каналу связи передаётся принимающей стороне. Так же как и в способах скрытой передачи данных, основанных на режиме полной хаотической синхронизации, принимающая сторона имеет в своём распоряжении как хаотический сигнал, содержащий полезную информацию, так и сигнал без неё. Поэтому можно легко выделить полезный цифровой сигнал простым вычитанием одного сигнала из другого.

Нетрудно видеть, что в такой схеме скрытой передачи информации активно используется метод вспомогательной системы, что требует наличия двух идентичных по управляющим параметрам хаотических генераторов. Так же как и в схемах, основанных на режиме полной хаотической синхронизации, эти генераторы располагаются на разных сторонах канала связи, что представляет собой существенную проблему с точки зрения технической реализации данного метода. Небольшая расстройка значений управляющих параметров в этих системах приводит к появлению шумов десинхронизации, делая такую схему неработоспособной (под шумом десинхронизации понимается сигнал Dx = x₂ x₁, где x_1,2(t) – сигналы, поступающие на вычитающее устройство, в данном случае сигналы с ведомого и вспомогательного генераторов хаоса плюс шумы канала связи. При наличии синхронного режима Dx =0).Кроме того, реализация двух каналов связи является существенным недостатком не только из–за дополнительных затрат при реализации, но и вследствие того, что наличие двух каналов способствует появлению дополнительных шумов в канале связи (возможно, даже совершенно другой природы), искажающих передаваемый сигнал. Поэтому такая схема скрытой передачи данных характеризуется достаточно низкой устойчивостью к шумам в канале связи и является труднореализуемой на практике.

Возникают также проблемы с конфиденциальностью передачи информации. Понятно, что использование другого типа синхронного поведения, а также наличие дополнительного канала связи, с этой точки зрения, играют положительную роль. Однако, так же как и в схемах на основе нелинейного подмешивания информационного сигнала к хаотическому (см. раздел 11.7.1.3), повышение качества передаваемой информации влечёт за собой потерю конфиденциальности. Но эта проблема здесь является менее существенной по сравнению с аналогичной проблемой для схем, основанных на режиме полной хаотической синхронизации (см. раздел 11.7.1). Повысить конфиденциальность передачи информации можно с помощью использования нескольких типов синхронного поведения одновременно. Например, предложены способы скрытой передачи данных, использующие одновременно режимы обобщённой и полной хаотической синхронизации.