В настоящее время основным способом обеспечения достоверности сообщений при их передаче по каналам связи при воздействии непреднамеренных помех и целенаправленных деструктивных воздействий со стороны злоумышленника является помехоустойчивое кодирование. Эффективность такого кодирования достигается за счет введения искусственной избыточности в передаваемое сообщение, что приводит к расширению используемой полосы частот и уменьшению информационной скорости передачи.

Многообразие существующих помехоустойчивых кодов делится на два класса: блочные и непрерывные коды. В блочных кодах передаваемая информационная последовательность разбивается на отдельные блоки с добавлением к каждому блоку определенного числа проверочных символов. Кодовые комбинации кодируются и декодируются независимо друг от друга. В непрерывных кодах, называемых также цепными, рекуррентными, конволюционными или сверточными, передаваемая информационная последовательность не разделяется на блоки, а проверочные символы размещаются в определенном порядке между информационными. Процессы кодирования и декодирования также осуществляются в непрерывном режиме. Сверточные коды эффективно работают в канале с белым шумом, но плохо справляются с пакетами ошибок.

Хорошим средством защиты информации от случайных искажений являются циклические избыточные коды, достоинствами которых являются [1]:
высокая достоверность обнаружения искажений, доля обнаруживаемых искажений не зависит от длины массива данных и составляет 1-2^(-N), где N – разрядность контрольного кода;
зависимость контрольного кода не только от всех бит анализируемой информационной последовательности, но и от их взаимного расположения;
высокое быстродействие, связанное с получением контрольного кода в реальном масштабе времени;
простота аппаратной и программной реализации.

Недостатки:
-  простое условие пропуска искажений делает циклический код принципиально непригодным для защиты от умышленных искажений информации;
-  равенство полученных значений контрольных сумм не дает гарантии неизменности информации.

По возможности коррекции ошибок все избыточные коды делятся на:
- обнаруживающие ошибки;
-  исправляющие ошибки.

Общим свойством является то, что они не учитывают семантическую избыточность языка и обеспечивают повышение достоверности сообщения за счет добавления структурной избыточности на уровне бит, что приводит к нерациональному использованию ресурсов информационной системы.

Для повышения достоверности сообщений предлагается новый подход согласованного использования избыточности языка и вводимой структурной избыточности при помехоустойчивом кодировании.

В данной работе представлены результаты разработки нового метода кодирования и декодирования информации на уровне кодовых слов (байт), позволяющего локализовать место обнаружения ошибки заданной кратности в блоке сообщения и в последующем ее устранить, используя семантическую избыточность языка.

Основу данного метода составляет алгоритмы, базирующиеся на математическом аппарате специальных функций с обратными связями не только по аргументу, как, например, применяемых в сверточном кодировании [2], но и по функции. Впервые такие функции упоминались как «функции с памятью» и применялись для задач прогнозирования событий за счет имеющегося сходства с моделями авторегрессии [3].

Рассмотрим алгоритм рекуррентного кодирования информации на примере упрощенной типовой функция кодирования, имеющей следующий вид:

где: Xi – символ сообщения, подлежащий преобразованию (кодированию);
Yi – преобразованный (закодированный) i-й символ сообщения;
А, В – установочные параметры алгоритма кодирования, предназначенные для задания начальных параметров на этапе кодирования первого блока символа криптограммы.

Алгоритм кодирования следующий:
1. Сообщение разбивается на информационные блоки длиной n в виде последовательность символов Xi.
2. Каждый информационный блок подлежит преобразованию в соответствии с функцией кодирования.
3. Кодированные блок подлежат передаче по каналу связи, при этом в заголовке сообщения добавляются значения А, В, а в каждый информационный блок – Xn.

Процесс кодирования в виде алгоритма представлен на рисунке 1.

Рис.1. Схема алгоритма кодирования информационного блока

На приемной стороне осуществляется декодирование сообщения в соответствии с формулами, имеющими вид:

и т.д.,
где: X_i^*- символ, полученный в результате декодирования сообщения.

Если последний декодированный символ Xn* сообщения совпадает с переданным Xn, то блок передан без искажений. При условии Xn*≠ Xn делается вывод о наличии ошибки и применяется процедура обнаружения места ошибки, заключающаяся в декодировании информационного блока в обратном направлении (реверсный режим):

и т.д.

Процесс декодирования информационного блока в виде алгоритма представлен на рис. 2.

Рис.2. Схема алгоритма декодирования информационного блока

Практическая значимость рассмотренного метода кодирования подтверждена техническими решениями и программной реализацией алгоритмов кодирования и декодирования информации [4-6].

За основу технической реализации (см. рис. 3) берутся структуры непрерывного сверточного кодирования, но отличающиеся преобразованием на уровне кодовых слов, введением дополнительной обратной связи с выхода кодера и последующей поблочной передачей с проверочными символами.


Рис 3. Функциональная схема устройства рекуррентного кодирования и декодирования информации

Использование специальных функций позволило получить код, обладающий свойствами непрерывного сверточного кода (рекуррентная формула преобразования) и циклического избыточного кода (разбиение сообщения на блоки и добавление аналога контрольной суммы). За счет применения рекуррентных функций при декодировании обеспечивается обнаружение ошибок, включая выпадения и вставки символов с фиксацией мест искажения, при этом размножения ошибок не происходит.

Практический результат предложенного метода повышения достоверности информации достигается не за счет увеличения избыточности кода, а путем усложнения формулы кодирования, введения дополнительной обратной информационной связи между символами на выходе кодера и нового метода декодирования с начала и конца сообщения.

Эффект обнаружения места ошибки соответствует эффекту от применения кода с исправлением ошибки, но с меньшей введенной избыточностью кодера.

Для оценки эффективности метода рекуррентного кодирования в сравнении с циклическим избыточным кодом предлагается использование коэффициента выигрыша, оцениваемого как отношение вероятности правильного приема сообщения без ошибок к вероятности правильного приема сообщения с одной ошибкой:


Рис.4. Графики сравнительного выигрыша К (в процентах) за счет обнаружения одной ошибки

Представленные (рис. 4) графики показывают, что при Рош=10-4 выигрыш составляет 2,8 процента (n=288 бит), но при ухудшении качества канала связи (Рош=10-3) выигрыш увеличивается в 10 раз и составляет 28 процентов.

Предлагаемый метод помехоустойчивого кодирования обладает следующими классификационными признаками:
-  по результату кодирования – обнаружение ошибки, с локализацией места;
-  по принципу построения – несистематический нелинейный блочный с рекуррентной формулой построения.

Таким образом, особенности метода рекуррентного кодирования, заключающиеся в его направленности на результат обнаружения позиции ошибок, состоят в том, что новая рекуррентная формула преобразования информации и блочный принцип формирования кодовой последовательности позволяют его выделить в отдельный класс кодов, что можно охарактеризовать вкладом в науку.

Литература:

1. Sarwate, D.V., Computation of Cyclic Redundancy Checks via Table Look-Up, Communications of the ACM, 31(8), pp. 1008-1013.
2. Никитин Г. И. Сверточные коды: Учеб. Пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. - 80 с.
3. Аветисов А.Г., Сухарев М.Г., Кравец М.А. Оперативное прогнозирование газопотребления методом «функций с памятью» // азовая промышленность. -2007. - Сентябрь. – С. 60-62.
4. Винокуров А.В. Алгоритмы рекуррентного кодирования и декодирования цифровой информации / А.В. Винокуров, М.В. Овчаренко // Информационная безопасность – актуальная проблема современности. Совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов в области информационной безопасности: Сборник трудов II -III Всероссийской научно-технической школы-семинара Краснодар: ФВАС, 2011. - С. 98-101.
5. Винокуров А.В., Крупенин А.В., Овчаренко М.В. Рекуррентное кодирование цифровой информации. РОСПАТЕНТ. Свидетельство № 2012614612 от 24.05.2012 г.
6. Овчаренко М.В. Техническая реализация алгоритмов рекуррентного кодирования и декодирования цифровой информации // Информационная безопасность - актуальная проблема современности. Совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов в области информационной безопасности: Сборник трудов IV-V Всероссийских научно-технических школ-семинаров: – Краснодар: ФВАС, 2012.