УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ, В ОСОБЕННОСТИ, В РАМКАХ ЗАЩИЩЕННЫХ ОБМЕНОВ ДАННЫМИ, СВЯЗАННЫЕ С НИМ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ И СПОСОБ

Изобретение касается устройства для приема сообщений, в особенности в рамках защищенных обменов данными (например, между летательным аппаратом и наземной базой), а также связанных с ним летательного аппарата и способа приема.

Защищенные обмены данными между передатчиком и приемником часто являются объектом атаки со стороны лиц, не допущенных к знанию содержания сообщений, имеющихся в данных обмена.

Атака такого типа, обычно называемая “rejeu” (повторная игра), заключается в повторной передаче атакующим в последующий удобный момент сообщения, переданного уполномоченным передатчиком.

Для противодействия такому типу атаки было предложено предусмотреть первый счетчик на уровне передатчика и второй счетчик на уровне приемника, при этом счетчики были синхронизированы в процессе фазы инициализации. Таким образом, сообщению при передаче его передающим устройством присваивается счетный номер, который увеличивает счетчик с каждой передачей. Со своей стороны, приемник проверяет счетный номер каждого полученного сообщения и увеличивает свой собственный счетчик при каждом приеме сообщения. Таким образом, атакующему невозможно вставлять сообщение в серию обмена сообщениями, каждое из которых однозначно идентифицировано с помощью счетчиков.

Такое решение, во всяком случае, применяется только в рамках протоколов синхронных сообщений, то есть для которых порядок сообщений при приеме идентичен порядку сообщений при передаче.

Такое решение неприемлемо для протоколов асинхронных сообщений, в которых существует возможность изменения порядка сообщений при приеме по отношению к порядку при передаче. Это, например, является случаем, когда сообщениям присвоены приоритетные уровни и когда передача сообщений верхнего приоритета может опережать передачу сообщений нижнего приоритета, как, например, в протоколе связи ACARS (для “Aircraft Communication Addressing and Reporting System”), часто используемой в авиаэлектронике.

Для борьбы с атаками типа “повторная игра” независимо от используемого протокола в изобретении предлагается устройство для приема сообщений, каждое из которых имеет порядковый номер, отличающееся тем, что оно содержит средства запоминания множества статусов предварительного приема, средства преобразования статуса, связанного с порядковым номером при приеме сообщения, имеющего упомянутый порядковый номер, и средства обработки сообщения в зависимости от статуса, связанного с его порядковым номером.

Предварительный прием сообщения, идентифицируемого благодаря своему порядковому номеру, может также быть проконтролирован при приеме последнего, и в дальнейшем осуществляется обработка сообщения.

Статусы предварительного приема запоминаются, например, в виде таблицы битов, что представляет собой практическую форму осуществления с малыми затратами памяти.

Статус, связанный с порядковым номером, может быть в этом случае представлен в позиции таблицы, соответствующей упомянутому порядковому номеру.

В соответствии с представленным вариантом осуществления таблица образована из множества подсписков, управление которыми упрощено.

Когда таблица на практике имеет объектом конечный набор порядковых номеров, устройство может включать средства инициализации части статусов предварительного приема, когда упомянутый порядковый номер не содержится в конечном наборе порядковых номеров.

В соответствии с возможностью практического осуществления можно предусмотреть средства дешифровки, чтобы получить сообщение и порядковый номер из зашифрованного сообщения.

Для того чтобы исключить любой риск атаки “rejeu”, можно предусмотреть средства отклонения сообщения, когда упомянутый связанный с ним статус определяет предварительный прием.

Кроме того, можно предусмотреть средства для отображения сообщения, когда упомянутый связанный с ним статус, напротив, не определяет никакого предварительного приема.

Изобретение предлагает также летательный аппарат, содержащий вышеупомянутое устройство.

В соответствии с той же идеей изобретение предлагает способ приема сообщения, имеющего порядковый номер, характеризующийся тем, что он включает следующие этапы:

- считывание статуса предварительного приема, связанного с порядковым номером в средстве запоминания;

- если считанный статус не определяет никакого предварительного приема - преобразование статуса;

- если статус определяет предварительный прием - отклонение сообщения.

Такой способ может представлять определенные упомянутые выше вариантные характеристики для устройства и преимущества, которые из этого вытекают.

Изобретение предлагает, наконец, летательный аппарат, содержащий устройства для осуществления упомянутых способов.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 иллюстрирует общий замысел изобретения;

- фиг.2 изображает элементы приемного устройства, используемые для понимания изобретения;

- фиг.3 иллюстрирует этапы способа приема сообщения в соответствии с изобретением;

- фиг.4 представляет набор статусов приема, используемых в способе по фиг.3;

- фиг.5 иллюстрирует этапы способа приема сообщения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

- фиг.6 представляет набор статусов приема, используемых в способе по фиг.5;

- фиг.7 представляет набор статусов приема, используемых в способе по фиг.8;

- фиг.8 иллюстрирует этапы способа приема сообщения в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.

Фиг.1 иллюстрирует общий замысел осуществления изобретения.

Наземная база В сообщается с летательным аппаратом А с помощью связи, которую позволяет осуществить обмен данными в цифровой форме (то есть по английской терминологии “data link”), которая обеспечивается, в частности, связью земля-воздух СА.

Связь между наземной базой В и летательным аппаратом А может, кроме того, осуществляться другими устройствами и связью. Например, на фиг.1 наземная база В сообщается с ретрансляционной станцией R (также расположенной на земле Т) с помощью наземной коммуникационной сети С_Т; ретрансляционная станция R передает по назначению информацию, идущую к и от летательного аппарата А через спутник S.

Следует отметить, что использование ретрансляционной станции R является относительно обычным, в связи с тем, что информационные обмены между базой В и летательным аппаратом А классически проходят через ретрансляционную станцию R и спутник S, находящиеся под ответственностью поставщика услуг.

Как вариант можно предусмотреть, чтобы информацией непосредственно обменивались летательный аппарат А и наземная база В.

Впрочем, можно было бы предусмотреть использование ВЧ или ОВЧ радиосвязи вместо связи с помощью спутника.

Фиг.2 изображает элементы приемника, используемые для понимания изобретения, многочисленные примеры осуществления которого будут даны ниже.

Устройство для приема и обработки сообщений 1 содержит микропроцессор 2, соединенный с запоминающими средствами 4, которые, в данном случае, содержат оперативную память 6 и энергонезависимую память 8.

Приемное устройство 1 принимает данные, представленные в цифровой форме и которые образуют шифрованное послание MR от передатчика, например, в контексте, который был представлен при описании фиг.1.

Следует отметить, что термин сообщение означает здесь набор данных; речь может идти о сообщении, предназначенном для пользователя (сообщение в прямом смысле этого слова), например, в виде текста, но, равным образом, и о данных или инструкциях, предназначенных устройству, например, электронному, на стороне приемника.

Данные, образующие шифрованное сообщение M_R, были предварительно сформированы из сигнала, передаваемого по каналу передачи С_А, С_Т , с помощью соответствующих устройств типа блока синхронизации, демодулятора и дешифратора, которые могут являться составной частью приемного устройства 1 или образовывать в общем или в части внешние, по отношению к приемному устройству, устройства, соединенные с приемным устройством 1.

Приемное устройство 1 запоминает, в частности, средства для расшифровки зашифрованного сообщения M_R, в особенности, например, криптографический ключ, хранящийся в энергонезависимой памяти 8.

Для расшифровки принятое зашифрованное сообщение M_R запоминается оперативной памятью 6, затем расшифровывается с помощью способа, осуществляемого микропроцессором 2, использующим вышеупомянутый криптографический ключ, что позволяет получить сообщение М для отображения в реальном времени, как объяснено ниже. Сообщение М, например, временно сохраняется в оперативной памяти 6.

Расшифровка принятого сообщения M_R позволяет, равным образом, получить в данном случае порядковый номер n, присвоенный сообщению М передатчиком. Порядковый номер n закодирован, например, соответствующим образом в принятом сообщении M_R. Как вариант, порядковый номер n мог бы быть передан отдельно от сообщения MR при сохранении связи с последним, что позволяет приемному устройству их связать.

Порядковый номер n присвоен сообщению М на уровне передающего устройства для того, чтобы идентифицировать однозначно данное сообщение. Для этого в приемном устройстве используется, например, счетчик, выделенный соответствующему приемному устройству: порядковый номер сообщения в этом случае является используемым в передаче значением счетчика, и происходит приращение счетчика при каждой передаче сообщения.

В изложенном здесь варианте осуществления порядковые номера будут соответствовать порядку сообщений при передаче. Можно было бы представить себе и решения, в которых порядковые номера не имели бы прямой связи с порядком передачи сообщений или присваивались бы, например, в убывающем порядке в зависимости от передачи сообщений.

Впрочем, как уже было сказано и будет описано ниже, предложенное решение позволяет принимать сообщения в порядке, отличающемся от порядка передачи, так что порядковый номер, присвоенный каждому сообщению, не связан с порядком приема сообщений.

Как будет описано ниже, в случае нескольких примеров осуществления порядковый номер n, однозначно идентифицирующий сообщения М, позволяет, путем считывания в таблице S_R, означающей статус предварительного приема и хранящейся в запоминающих средствах 4, проверить, что сообщение М не было предварительно принято, чтобы определить наличие возможной «повторной игры» сообщения атакующим.

В случае, когда сообщение не было предварительно принято (и, таким образом, вероятность «повторной игры» исключена), микропроцессор 2 может передать последнее на устройство 10 отображения для отображения сообщения М пользователю. Само собой разумеется, возможны другие виды обработки сообщения М, чем отображение; например, когда содержание сообщения представляет собой данные, используемые аппаратом, в который встроен приемник (например, летательный аппарат), обработка может заключаться в использовании принятых данных.

Ниже будут представлены три примера способа приема сообщения в соответствии с замыслом изобретения, осуществляемого микропроцессором 2 в соответствии с инструкциями, хранящимися в энергонезависимой памяти 8 в виде программы ЭВМ.

Фиг.3 изображает первый пример способа приема сообщения.

Этот способ начинается с приема зашифрованного сообщения MR на этапе Е300 в соответствии с описанными правилами.

Приемное устройство 1 (в частности, микропроцессор 2) осуществляет далее дешифровку принятого сообщения MR в процессе этапа Е302 с целью принятия расшифрованного сообщения М и порядкового номера n, присвоенного сообщению при передаче.

Микропроцессор 2 осуществляет далее считывание в таблице S_R, запомненной в запоминающих средствах 4, статуса предварительного приема S_R(n), связанного с порядковым номером n.

В описанном здесь примере предусмотрено, что таблица S_R является таблицей из N битов, в которой каждый бит запоминает предварительный прием сообщения, имеющего порядковый номер, соответствующий положению этого бита в таблице.

В этой таблице S_R указывают предварительный прием сообщения порядкового номера i значением 1 в позиции i таблицы S_R (то есть S_R(i)=1); значение 0 бита S_R(i) означает, что в данный момент не было принято никакого сообщения с порядковым номером i.

Фиг.4 схематично изображает такую таблицу S_R в момент работы, когда не были приняты сообщения со следующими порядковыми номерами, 1, 2, 3, 4, n-1, n+1 (на фиг.4 n=7).

В этом примере в момент работы, представленный на фиг.4, сообщение с порядковым номером n не было принято, так как соответствующий бит в таблице S_R равен нулю.

Можно также на этапе Е304 проверить, было ли считанное значение SR(n) нулевым, то есть был ли прием сообщения на этапе Е300 первым приемом этого сообщения.

При отрицательном результате (то есть если S_R(n)=1) сообщение с идентичным порядковым номером уже было предварительно принято, что означает, что сообщение, принятое на этапе Е300, является следствием «повторной игры» предыдущего сообщения, что означает, что в данном случае производится атака. Вследствие этого прибегают в таком случае к отклонению сообщения М в процессе этапа Е306. В этом случае могут быть приняты и другие меры, например, передача на средство 10 отображения тревожного сообщения, информирующего пользователя о предпринятой попытке «повторной игры».

Напротив, если определяют в ходе этапа Е304, что сообщение М не было предварительно принято (то есть при предположении, когда S_R(n)=0), предположение о «повторной игре» отклоняется.

Далее прибегают на этапе Е308 к установке на 1 позиции n в таблице S_R для того, чтобы указать для последующих сообщений, что сообщение с порядковым номером n было принято.

Можно затем прибегнуть к нормальной обработке сообщения М, например, отображению сообщения М путем его передачи на устройство 10 отображения в процессе этапа Е310.

Фиг.5 представляет второй пример способа приема сообщения в соответствии с замыслом изобретения.

В настоящем примере осуществления, как изображено на фиг.6, используют для запоминания порядковых номеров, для которых сообщение было предварительно принято, циклически управляемую таблицу S_R длиной N битов, как описано ниже.

Отметим позицией р положение особого бита в таблице S_R и, таким образом, S_R(р) является значением бита в положении р, где р меняется между 0 и N-1.

Запоминают также в запоминающих средствах 4 значение N_max, которое представляет собой наибольший порядковый номер, присваиваемый таблицей S_R в заданный момент времени. Инициализируют, например, это значение N_max в N-1 таким образом, что таблица S_R после инициализации представляет собой статус предварительного приема сообщений, имеющих порядковый номер в интервале между 0 и N-1. В этом случае обнуляют все биты таблицы S_R.

Способ приема сообщения начинается приемом на этапе Е502 сообщения М, с которым связан порядковый номер n, например, с помощью дешифровки зашифрованного сообщения, представляющего сообщение М, и порядкового номера n, как объяснено в отношении этапов Е300 и Е302 по фиг.3, описанной выше.

Далее сравнивают в процессе этапа Е504 порядковый номер n с нижним значением порядковых номеров, имеющихся в таблице S_R (наименьший порядковый номер в этом случае представляет собой N_max-N+1), для определения того, имеется ли в таблице S_R статус приема, связанный с порядковым номером n.

На практике проверяют, если nN_max-N и если это так, когда принятый порядковый номер не находится в таблице S_R, нельзя проверить, является или нет принятое сообщение М «повторной игрой» предыдущего сообщения, и в этом описанном здесь примере прибегают к отклонению сообщения М на этапе Е514.

Если, напротив, принятый порядковый номер N превышает наименьший порядковый номер, представленный в заданный момент списком S_R (то есть если n>N_max-N), осуществляют описанный ниже этап Е506.

В ходе этого этапа Е506 определяют, превышает ли принятый порядковый номер (строго) наибольший порядковый номер N_max, имеющийся в списке.

При утверждении (то есть если n>N_max) необходимо адаптировать циклический список, образующий таблицу S_R, для того чтобы она могла представлять статус приема сообщений, имеющих порядковый номер, достигающий значения принятого порядкового номера n.

Прежде всего, для этого осуществляют этап Е516 обнуления позиций таблицы S_R, связанных с порядковыми номерами, заключенными между N_max+1 и n.

На практике, в данном случае, речь идет об обнулении битов S_R(p), для которых позиция р соответствует значениям порядковых номеров, содержащихся между n_max+1 и n; два случая могут выглядеть следующим образом:

- если N_max mod n<n mod N, то обнуляют значения S_R(p) для р от N_max+1 mod N до n mod N,

- если n mod N<N_max mod N, то обнуляют значения S_R(p) для р от N_max mod N до N-1 и для р от нуля до n mod N.

В данном случае рассматривается, что разность между принятым порядковым номером n и наибольшим порядковым номером N_max, имеющимся в списке S_R, меньше (строго) N, что на практике является случаем, когда N принят достаточно большим в рассматриваемой системе.

В соответствии с вариантом осуществления (не описанным на фиг.5) можно, впрочем, отклонить сообщения, для которых порядковый номер сильно бы отличался от N_max, например, отличном более чем на N/2. В действительности можно считать, что такой порядковый номер мог бы явиться следствием ошибки или атаки; фактически, принятый порядковый номер n, превышающий больше чем на N предыдущее значение N_max, был бы, следовательно, в процессе этапа Е516 стерт из набора таблицы и сделал бы невозможным прием последующих сообщений, имеющих порядковый номер, близкий к N_max.

Как только статусы приема, связанные с номерами, содержащимися между N_max+1 и n, приведены к нулю, то при подавлении записывают значение n принятого порядкового номера в регистр N_max в качестве нового максимального порядкового номера, определяемого таблицей S_R.

Таким образом, осуществляют циклическое управление таблицей S_R.

В связи с тем что в описанном здесь варианте на этапе Е506 было определено, что принятый порядковый номер n является строго превышающим максимальный порядковый номер N_max в соответствии с таблицей S_R, ясно, что конструктивно имеет место случай, когда сообщение N, имеющее этот порядковый номер n, не было предварительно принято, и можно исключить гипотезу «повторной игры».

Именно поэтому этап Е518 следует в описанном примере за этапом Е510, описанным ниже, без осуществления теста на этапе Е508.

Напротив, если определяют в процессе этапа Е506, что принятый порядковый номер n не строго превышает максимальный порядковый номер N_max, имеющийся в таблице S_R, что говорит о том, что статус предварительного приема S_R(p) связан в таблице S_R с принятым порядковым номером n, и можно считать этот статус S_R(p) из памяти 4 и проверить, показывает или нет этот статус, что сообщение с порядковым номером n уже было принято.

В связи с циклическим управлением списка позиция р в таблице S_R, связанная с порядковым номером n, является в описываемом примере остатком порядкового номера n по модулю N, то есть р=n mod N. Таким образом, если определяют в ходе этапа Е508, что S_R(n mod N)=1 (значение 1 показывает, как в первом варианте осуществления, что сообщение, имеющее связанный с ним порядковый номер, было предварительно принято), то считают, что принятое сообщение является «повторной игрой» атакующего с предыдущим сообщением, и в этом случае на этапе Е514 прибегают к отклонению сообщения М.

Напротив, если на этапе Е508 определяют, что значение статуса предварительного приема, связанного с порядковым номером n, является нулевым (то есть если S_R(n mod N)=0), считают, что сообщение М принято впервые и не является «повторной игрой» атакующего с предыдущим сообщением.

Можно, таким образом, на этапе Е510 осуществить приведение к 1 бита S_R(n mod N), считанного предварительно, чтобы указать в процессе приема будущих сообщений, что сообщение с порядковым номером n было уже принято.

Когда гипотеза «повторной игры» отклонена посредством проверки на этапе Е508 (или исключена на этапе Е506, как уже было объяснено), можно, таким образом, передать сообщение М на устройство 10 отображения для отображения на этапе Е512.

На фиг.7 изображена таблица статусов предварительного приема, используемая в третьем варианте осуществления изобретения.

В этом варианте осуществления таблица S_R разделена на множество подсписков L₁, L₂,…,L_m, при этом каждый подсписок Li образован числом B_i битов. Общая длина В таблицы S_R в битах будет, таким образом, составлять В=В₁+В₂+…+B_m.

В этом варианте осуществления также запоминают наименьший порядковый номер N_min и наибольший порядковый номер N_max, представленные в таблице S_R. Таким образом, получают N_max=N_min+В-1.

В каждый момент времени таблица S_R, составленная из подсписков L₁,…L_m, определяет, таким образом, статус предварительного приема сообщений с порядковыми номерами n, содержащимися между N_min и N_max.

Если обозначить через k список L_k, который представляет в каждый момент времени порядковый номер N_min, то:

- порядковый номер n будет соответствовать положению р списка L_i, такому как n=p+j+N_min, когда n-N_min<B_k+…+B_m;

- порядковый номер n будет соответствовать положению р списка L_i, такому как n=p+ +N_min, когда n-N_min B_k+…B_m;

Фиг.8 представляет этапы способа приема сообщения в соответствии с третьим вариантом осуществления.

На этапе Е802 принимают сообщение М, с которым связан порядковый номер n, как в предыдущих вариантах осуществления.

На этапе Е804 определяют, является ли принятый порядковый номер n строго меньше наименьшего порядкового номера N_min, присвоенного таблицей S_R, и при утверждении осуществляют отклонение сообщения М в процессе этапа Е814, так как в этом случае невозможно проверить, что сообщение М не является объектом «повторной игры» со стороны атакующего.

При отрицании сравнивают принятый порядковый номер n с наибольшим порядковым номером N_max, отработанным таблицей S_R в ее актуальном состоянии.

Если принятый порядковый номер n строго больше N_max, следует адаптировать таблицу S_R, чтобы последняя учитывала при приеме сообщения М порядковый номер n.

Для этого в процессе этапа Е808 обнуляют подсписок (или подсписки), относящийся(иеся) к статусам предварительного приема сообщений, порядковые номера которых содержатся между N_max+1 и n.

На практике речь идет, при обозначении, как в предыдущем случае, через k подсписка L_k, имеющего объектом порядковый номер N_min в момент приема сообщения М на этапе Е802, об обнулении подсписков, определенных следующим образом:

- обнуление подсписков от подсписка L_k до подсписка L_k+q следующим образом:

<n-N_max , если nN_max+ (отсутствие повторения цикла циклического списка);

- обнуление от подсписка L_k до подсписка L_m и от подсписка L₁ до подсписка L_i следующим образом:

<n-N_max , если n>N_max+ (повторения цикла циклического списка).

Как только подсписок или подсписки обнулены, осуществляют последующее обновление значений N_min и N_max, добавляя к каждому из этих значений число битов, содержащихся в наборе подсписков, обнуленных в ходе этапа Е810.

Как только таблица S_R адаптирована к управлению принятым порядковым номером n, как это было показано со ссылками на этапы Е808 и Е810, указывают, что сообщение с порядковым номером n было принято, приводя к 1 бит, связанный с порядковым номером n, в ходе описанного ниже этапа Е816.

Когда тестирование этапа Е806 указывает, что принятый порядковый номер n меньше или равен N_max (и вследствие тестирования этапа Е804), можно считать, что порядковый номер n обработан таблицей S_R в ее текущем состоянии.

Затем определяют позицию р и подсписок L_i, связанные с принятым порядковым номером n, в данном случае по описанному выше правилу соответствия.

Далее в ходе этапа Е812 проверяют, что бит, связанный с порядковым номером n, указывает, что сообщение не было принято раньше (то есть когда L_i(p)=0), в этом случае можно перейти к нормальной обработке сообщения, как будет показано ниже на этапе Е816.

Напротив, если определяют на этапе Е812, что сообщение уже было принято (то есть что связанный с ним статус приема указывает на предварительный прием сообщения через L_i(р)=1), считают, что принятое сообщение является «повторной игрой» атакующего с предыдущим сообщением, и, соответственно, на этапе Е814 отклоняют сообщение М.

Вышеупомянутый этап Е816 состоит в приведении к 1 статуса (в данном случае бита) L_i(p), связанного с порядковым номером n, для указания для будущих сообщений, что сообщение с этим порядковым номером было принято.

За этапом Е816 следует обычная обработка сообщения М, например отображение последнего на этапе Е818 устройством 10 отображения.

Описанные варианты осуществления являются только возможными примерами осуществления изобретения, которыми оно не ограничивается.