안전한 음성

Secure voice
그레타코더 210 보안 무선 시스템
CVX-396 보안 음성 시스템, Crypto AG

시큐어 음성(대안적으로 안전한 음성 또는 ciphony)은 라디오, 전화 또는 IP와 같은 다양한 통신 유형에 걸쳐 음성 통신의 암호화를 위한 암호학 용어다.

역사

음성 암호화의 이행은 안전한 통신이 미군에게 가장 중요했던 제2차 세계 대전으로 거슬러 올라간다. 그 시간 동안, 적들이 대화를 듣는 것을 막기 위해 단순히 음성 신호에 잡음이 추가되었다. 음성 신호와 동시에 노이즈 레코드를 재생하여 노이즈가 추가되었고, 음성 신호가 수신기에 도달하면 노이즈 신호가 감산되어 원래의 음성 신호가 남게 되었다. 소음을 빼기 위해 수신기는 정확히 동일한 소음 신호를 가져야 하며, 소음 기록은 송신기와 수신기 두 쌍으로 만들어졌을 뿐이다. 레코드의 복사본이 두 개뿐이어서 잘못된 수신기가 신호를 해독하는 것은 불가능했다. 이 시스템을 구현하기 위해 군대는 벨 연구소에 계약했고 그들은 SIGSALY라는 시스템을 개발했다. SIGSALY와 함께 250Hz에서 3kHz까지의 음성 주파수 스펙트럼을 샘플링하는 데 10개의 채널을 사용했고 샘플 음성 피치와 배경 히트에 2개의 채널을 할당했다. SIGSALY 당시에는 트랜지스터가 개발되지 않았으며 디지털 샘플링은 2051 Tyratron 진공관 모델을 사용하여 회로에 의해 수행되었다. 각 SIGSALY 터미널은 55톤 무게의 장비 40개를 사용하고 큰 방을 가득 채웠다. 이 장비는 무선 송신기와 수신기와 대형 축음기 턴테이블을 포함했다. 이 음성은 FSK(Frequency Shift Keying) 오디오 톤이 들어 있는 410밀리미터(16인치) 비닐 축음기 2장에 맞춰져 있었다. 녹음은 음성 전송과 동시에 큰 정밀한 턴테이블에서 재생되었다.

음성 암호화의 도입에서부터 오늘날에 이르기까지 암호화 기술은 획기적으로 발전해 왔다. 디지털 기술은 음성 암호화의 오래된 아날로그 방식을 효과적으로 대체했고 복잡한 알고리즘을 사용함으로써 음성 암호화는 훨씬 더 안전하고 효율적이 되었다. 비교적 현대적인 음성 암호화 방법은 서브밴드 코딩이다. 서브밴드 코딩(Sub-band Coding)에서는 특정 관심 주파수 범위를 커버하는 다중 대역 통과 필터를 사용해 음성 신호를 다중 주파수 대역으로 분할한다. 그런 다음 밴드패스 필터에서 나오는 출력 신호는 대역폭을 줄이기 위해 로우패스 변환되어 샘플링 속도를 감소시킨다. 저역 통과 신호는 펄스 코드 변조(PCM)와 같은 특수 기법을 사용하여 정량화 및 인코딩된다. 인코딩 단계 후에는 신호가 멀티플렉스되어 통신망을 따라 송신된다. 신호가 수신기에 도달하면 신호에 역연산을 적용하여 원래 상태로 되돌린다.[1] Subhash Kak과 Nikil Jayant에 의해 1970년대에 Bell 연구소에서 스피치 팬싱 시스템이 개발되었다.[2] 이 시스템에서는 음성 데이터의 코드화된 표현(펄스 코드 변조 및 변형 등)을 스크램블하는 데 순열 매트릭스를 사용했다. 모토로라는 1세대 음성 암호화 기술의 일환으로 디지털 음성 보호(DVP)라는 음성 암호화 시스템을 개발했다. DVP는 암호화 피드백(CFB)이라고 하는 자체 동기화 암호화 기술을 사용한다. 초기 DVP 알고리즘과 관련된 가능한 키의 수가 매우 많으면 알고리즘이 매우 강력하고 높은 수준의 보안을 제공한다. 다른 대칭 키 암호화 시스템과 마찬가지로 암호화 키도 특수 암호 해독 알고리즘으로 신호를 해독해야 한다.

디지털

디지털 보안 음성은 보통 음성과 디지털 신호 간 변환을 위한 디지타이저와 기밀성을 제공하기 위한 암호화 시스템이라는 두 가지 요소를 포함한다. 대역폭 확장으로 인해 암호화되지 않은 음성(예: 아날로그 전화선 또는 모바일 라디오)을 전송하는 데 사용되는 동일한 음성 대역 통신 회로를 통해 암호화된 신호를 전송하는 것은 현실적으로 어렵다.

이것은 음성 신호의 엄격한 대역폭 압축을 달성하기 위해 음성 코더(보이스 코더)를 사용하는 것으로 이어졌다. NSA의 STU-III, KY-57 및 SCIP는 기존 음성회로를 통해 작동하는 시스템의 예다. 이와는 대조적으로, STE 시스템은 정상 작동 모드를 위해 넓은 대역폭 ISDN 회선을 요구한다. 기본적으로 디지털인 GSM과 VoIP를 암호화하는 경우, 표준 프로토콜 ZRTP를 엔드투엔드 암호화 기술로 사용할 수 있다.

안전한 음성의 견고성은 음성 코딩, 음성 압축 또는 음성 코더(보컬러라고도 함)라는 특수 구성 요소에 의해 음성 데이터를 매우 낮은 비트 전송률로 압축함으로써 큰 이점을 누린다. 구형 보안 음성 압축 표준에는 (CVSD, CELP, LPC-10e 및 MLP가 포함되며, 여기서 최신 표준은 아트 MLPe 알고리즘의 상태.

음성 압축을 이용한 디지털 방법: MLP 또는 MLPe

MLPe 또는 개량형 MLP(Mixed Excusation Linear Prediction, MELP)는 주로 군사 애플리케이션과 위성 통신, 보안 음성 및 보안 무선 장치에 사용되는 미국 국방부 음성 코딩 표준이다. 그 개발은 NSA와 NATO가 주도하고 지원했다. 미국 정부의 MLPe 보안 음성 표준은 MIL-STD-3005로도 알려져 있으며, NATO의 보안 음성 표준은 STANAG-4591로도 알려져 있다.

초기 MLP는 Alan McCree에 의해 1995년경에 발명되었다.[3] 그 초기 연설 코더는 1997년에 표준화되었고 MIL-STD-3005로 알려져 있다.[4] 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). WI(Waveform Interpolative) 코더에 비해 복잡도가[citation needed] 낮기 때문에 MLP 보컬은 DoD 대회에서 우승하여 MIL-STD-3005에 선정되었다.

1998년과 2001년 사이에, 새로운MELP-based vocoder율을 절반(i.e. 1200bit/s)이고 실질적인 강화에서 MIL-STD-3005는율을 절반(i.e. 1200bit/s)에서(를)추가 새로운 vocoder,(b)도 큰 진전이 인코딩을 포함했다 SignalCom(나중에 마이크로 소프트까지 후천적으로 얻은), AT&T공사, Compandent가 추가됐다. (ana(c) 실질적으로 향상된 디코딩(합성), (d) 배경 노이즈 제거를 위한 노이즈-프리프로세싱, (e) 2400비트/초와 1200비트/초 비트스트림 사이의 트랜스코딩 및 (f) 새로운 포스트필터. 이 상당히 중요한 개발은 절반의 비율로 새로운 코더를 만들어 구 MLP 표준과 상호운용 가능하도록 하는 것을 목표로 했다. 이 강화된 MELP(일명 MELPe)는 원래의 MIL-STD-3005에 만들어진 부속서와 보충물의 형태로 2001년에 새로운 MIL-STD-3005로 채택되어 기존의 2400비트/s MELP와 동일한 품질을 절반의 비율로 가능하게 했다. 새로운 2400비트/s MLPe의 가장 큰 장점 중 하나는 MLP와 동일한 비트 포맷을 공유하기 때문에 기존 MLP 시스템과 상호운용할 수 있지만 양쪽 끝에서 더 나은 품질을 제공할 수 있다는 점이다. MLPe는 특히 전장과 차량, 항공기 등 소음이 심한 환경에서 모든 구형 군사 표준보다 훨씬 우수한 품질을 제공한다.

2002년에는 광범위한 경쟁 및 테스트에 이어 2400비트 및 1200비트/s US DoD MLPe도 NATO 표준으로 채택되었으며, STANAG-4591로 알려져 있다.[5] 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). 그 후, MLPe는 나토 대회에서도 우승하여 다른 모든 후보의 품질은 물론 모든 구 보안 음성 표준(CVSD, CELP, LPC-10e)의 품질을 능가하였다. NATO 대회는 MLPe가 (음성 품질, 인텔리전스성, 소음 내성 측면에서) 성능을 크게 향상시키는 동시에 처리량 요구량을 줄인다는 결론을 내렸다. NATO 시험에는 상호운용성 시험도 포함됐으며 200시간 이상의 음성 데이터를 사용했으며 전 세계 3개 시험소에서 실시됐다. Compandent Inc.는 NSA와 NATO를 위해 수행된 MLPe 기반 프로젝트의 일환으로 NSA와 NATO에 MELPe의 실시간 구현을 위한 골든 레퍼런스를 제공하는 MELCODER 장치라고 알려진 특수 테스트베드 플랫폼을 제공했다. MELCODER 골든 레퍼런스를 기반으로 한 Compandent가 만든 저비용 FLEXI-232 Data Terminal Equipment(DTE)는 매우 유명하며 실시간, 다양한 채널 및 네트워크, 필드 조건에서의 MELPe 평가 및 시험에 널리 사용된다.

NATO 대회는 MLPe가 (음성 품질, 인텔리전스성, 소음 내성 측면에서) 성능을 크게 향상시키는 동시에 처리량 요구량을 줄인다는 결론을 내렸다. NATO 시험에는 상호운용성 시험도 포함됐으며 200시간 이상의 음성 데이터를 사용했으며 전 세계 3개 시험소에서 실시됐다.

2005년에는 탈레스 그룹(프랑스)의 새로운 600비트/s 레이트 MLPe 편차가 NATO 표준 STANAG-4591에 추가되었고 (2400/1200비트/s MLPe에 대해 수행한 광범위한 경쟁 및 테스트 없이) 비트 전송률을 300비트/s, 심지어 150비트/s로 낮추기 위한 더 진보된 노력이 있다.[7]

2010년에는 링컨 랩스, 컴퍼넌트, BBN, 제너럴 다이내믹스도 DARPA를 위해 300비트/s MLP 장치를 개발했다.[8] 600bit/s MLPe보다 퀄리티는 좋았지만 지연은 더 길었다.

기타

알렉산드르 솔제니친의 소설 퍼스트 서클에서 볼로딘의 녹음된 통화는 제대로 암호화되지 않았기 때문에 그를 추적한다. 그것의 해독은 스펙트럼 분석을 이용한다.

참고 항목

참조

  1. ^ Owens, F. J. (1993). Signal Processing of Speech. Houndmills: MacMillan Press. ISBN 0-333-51922-1.
  2. ^ Kak, S., Jayant, N.S., 파형을 이용한 음성 암호화. 벨 시스템 기술 저널, 제56권, 페이지 781–808, 1977년 5-6월.
  3. ^ 저비트율 음성 코딩을 위한 혼합 흥분 LPC Vocoder 모델, Alan V. McCree, Thomas P. Banweell, 1995년 IEEE 트랜스에서. 음성 및 오디오 처리(원래 MLP)
  4. ^ 2,400비트/초 혼합배출 선형예측(MLP), US DoD(MIL_STD-3005, Original MLP)에 의한 음성의 아날로그-디지털 변환
  5. ^ 1200 및 2400비트/s NATO 상호운용 가능한 협대역 음성 코더, 스타나그-4591, NATO
  6. ^ 600비트/S NATO 협대역 음성 코더, 스타나그-4591, NATO의 멜페 변형
  7. ^ Nichols, Randall K. & Lekkas, Panos C. (2002). "Speech cryptology". Wireless Security: Models, Threats, and Solutions. New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-138038-8.
  8. ^ Proc에서 앨런 맥크리는 "MLP 매개변수의 공동 예측 벡터 정량화를 이용한 확장 가능한 음성 음성 발성기 프레임워크"라고 말했다. IEEE Int. Conf. 음향, 음성, 신호 처리, 2006, pp. 프랑스 툴루즈 I 705-708