ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАЩИЩЕННАЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СЕТЬ И ПРОТОКОЛ
DYNAMIC SECURE COMMUNICATION NETWORK AND PROTOCOL

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к сетям связи, в том числе к способам и устройствам, предназначенным для оптимизации производительности и качества обслуживания, обеспечения целостности данных, максимального увеличения времени работы системы и стабильности сети, а также обеспечения конфиденциальности и защищенности.
Уровень техники
Совершенствование систем связи способствовало прогрессу цивилизации с самых ранних стадий развития человечества. От курьеров и посланников, пеших или на лошади; доставки почтовых отправлений на поезде, автомобиле и самолете; к появлению телеграммы и телеграфа, телефона, радио, телевидения, компьютеров, сотового телефона; Интернета, электронной почты и Всемирной паутины; а в последнее время через социальные сети, голосовую связь через Интернет, M2M-подключение, Интернет вещей (IoT) и Интернет всего (IoE), связь всегда прокладывала путь к использованию новейших технологий. С внедрением каждого нового поколения телефонного технологического оборудования число людей, между которыми устанавливалась связь, и скорость передачи информации между ними также увеличивались.
Эффект этой тенденции заключается в том, что человечество взаимосвязано более чем когда-либо в истории, при этом люди доверяют коммуникационным технологиям и полагаются на них как на средство безопасной и надежной доставки своей конфиденциальной, личной, семейной и финансовой информации только тем, с кем они намереваются связаться. Знания и информация сейчас могут в считанные секунды распространяться среди миллионов людей, а для друзей и членов семьи общаться друг с другом, попутно занимаясь другими делами, так же просто, как нажать кнопку. Часто говорят: "мир тесен".
Несмотря на то, что такой прогресс чрезвычайно полезен для всех, у нашей большой зависимости от технологий есть также и негативные последствия. Неудивительно, что, когда система связи не выполняет свои функции, например, во время землетрясения или при сложных погодных условиях, люди становятся дезориентированными или даже впадают в панику от того, что их "отключили", даже если это временно. Качество обслуживания, или QoS (англ. Quality of Service "качество обслуживания"), системы связи при этом является критически важным показателем эффективности сети связи. Душевное спокойствие, финансовое благополучие, самосознание и даже сама жизнь людей зависят от надежности и защищенности соединения.
Другим ключевым аспектом сети связи является ее способность обеспечить конфиденциальность, безопасность и защищенность для использующего ее клиента. По мере развития коммуникационных технологий также развивалась и изощренность преступников и "хакеров", намеревающихся наносить вред, разрушать системы, красть деньги и случайно или злонамеренно вредить другим. Мошенничество с кредитными картами, похищение паролей, кража личных данных и несанкционированная публикация конфиденциальной информации, личных фотографий, файлов, электронных писем, текстовых сообщений и частных твитов (украденных, чтобы скомпрометировать или шантажировать жертву) являются лишь несколькими примерами современной кибер-преступности.
Чтобы выделить эпидемическую долю проблемы защищенности в современных открытых сетях связи, ниже перечислены известные примеры нарушений конфиденциальности и кибер-преступности на момент оформления данной заявки на выдачу патента (приведены в хронологическом порядке):
CNBC, 10 января 2014 г.
● "Цель: похищение информации не менее чем у 70 млн. человек", -
BGR (www.bgr.com), 20 января 2014 г.
● "Хакеры отправляют вредоносные электронные письма на умный холодильник и телевизор", -
Slash Gear (www.slashgear.com), 24 июня 2014 г.
● "Nest возобновляет работу с Google после проблем с конфиденциальностью и взлома термостата", -
Nikkei Asian Review, 2 июля 2014 г.
● "Защищенность данных линии вызова под вопросом из-за пиратского захвата учетных записей. Линия, управляемая приложением бесплатного вызова и обмена сообщениями, была потрясена недавней чередой нарушений безопасности данных. Приложение обнаружило, что к сотням учетных записей пользователей получен несанкционированный доступ сторонами, не являющимися пользователями этих учетных записей", -
AP, 6 июля 2014 г.
● "Обычные американцы, вовлеченные в проверку данных Агентством национальной безопасности, заявляют о претензиях", -
BBC News, 8 июля 2014 г.
● "Утечка паролей Wi-Fi через умные светодиодные лампы", -
Bloomberg, 24 июля 2014 г.
● "Шесть человек обвиняются в мошенничестве при продаже билетов на престижные мероприятия через StubHub. "StubHub был мишенью хакеров, которые использовали украденные пароли и номера кредитных карт для покупки и продажи тысячи билетов на концерты поп-музыки и игры "Нью-Йорк Янкиз", - заявили власти Нью-Йорка", -
International Business Times (www.ibtimes.com), 4 августа 2014 г.
● "Исследования показывают, что Интернет вещей" очень легко поддается взлому", -
New York Times, 5 августа 2014 г.
● "Российские хакеры украли более миллиарда интернет-паролей", -
CNN, 6 августа 2014 г.
● "Новая утечка информации, раскрывающая секреты США, -заключает правительство", -
Enquirer (www.theinquirer.net), 11 августа 2014 г.
● "Хакеры получают доступ к корневому каталогу термостата Google Nest за 15 секунд", -
Christian Science Monitor, 29 августа 2014 г.
● "Dairy Queen взломана тем же вредоносным ПО, которое поразило Target", -
CBS News, 1 сентября 2014 г.
● "Жертвы среди знаменитостей в результате несанкционированного доступа к фотографиям в обнаженном виде - уязвимость защиты учетных записей iCloud", -
Fortune, 2 сентября 2014 г.
● "Home Depot может стать новой целью несанкционированного доступа к кредитным картам... Взлом Home Depot может иметь намного более серьезные последствия, чем Target (40 млн. карт украдено в течение трех недель)", -
Business Insider, 3 сентября 2014 г.
● "Таинственные фейковые вышки сотовой телефонной связи перехватывают звонки на всей территории США", -
Yahoo Finance, 3 сентября 2014 г.
● "Хакерская атака: от банков до розничной торговли, признаки кибер-войны?" -
Fox News, 9 сентября 2014 г.
● "Home Depot подтверждает взлом платежной системы в магазинах США и Канады", -
CBS/AP, 11 сентября 2014 г.
● "Yahoo ведет судебную войну с правительством США из-за слежки", -
Reuters, 24 сентября 2014 г.
● "Ваша медицинская карта для хакеров стоит больше, чем ваша кредитная карта", -
[орфография и пунктуация оригинала])
InfoWorld, 26 сентября 2014 г.
● "Красный уровень тревоги: HTTPS взломан. Использование браузера для атаки на SSL/TLS (BEAST) будет считаться одним из худших взломов (worst hacks , потому что ставит под угрозу соединения с браузером, на безопасность которого ежедневно полагаются сотни миллионов людей", -
New York Times, 30 декабря 2014 г.
● "Кибер-атака Sony, начавшаяся с мелкой неприятности, стремительно переросшей в крупный скандал", -
Глядя, как происходит эскалация темпов кибер-преступности, нарушений безопасности, кражи личных данных и вторжения в частную жизнь, возникает вопрос: "Почему все эти кибер-атаки возможны и что можно сделать, чтобы остановить их?" В то время как общество стремится к повышению конфиденциальности и защищенности, потребители также нуждаются в большей коммуникабельности, более дешевой связи повышенного качества и в повышении удобства проведения финансовых транзакций.
Чтобы понять, в чем заключаются ограничения качественных характеристик и уязвимость современных сетей связи, средств хранения данных и сетевых устройств, сначала нужно понять, как современная электронная, оптическая и радиосвязь работает, транспортирует и хранит данные, в том числе файлы, электронную почту, текст, аудиоинформацию и видеоизображения.
Работа телефонной сети с коммутацией каналов
Электронная связь включает в себя большое количество аппаратных компонентов или сетевых устройств, подключенных с помощью проводов, радиолиний, радиорелейных или волоконно-оптических линий связи. Информация передается с одного устройства на другое путем отправки электрической или электромагнитной энергии через эту сеть с использованием различных способов встраивания или кодирования информационного "контента" в поток данных. Теоретически законы физики устанавливают максимальную скорость передачи данных для таких сетей равной скорости света, но в большинстве случаев практические ограничения в кодировании данных, маршрутизации и управлении трафиком, отношение сигнал-шум, а также преодоление электрического, магнитного и оптического шума и нежелательных паразитных сигналов искажают поток информации или создают препятствия его прохождению, ограничивая возможности сети связи до какой-то части от ее идеальной производительности.
Исторически, электронная передача данных была впервые осуществлена с использованием выделенных "проводных" электрических соединений, образующих "сеть" связи между двумя или несколькими электрическими сетевыми устройствами. При работе телеграфа с помощью механического ключа вручную замыкают и размыкают электрическую сеть постоянного тока, намагничивая соленоид, который в свою очередь перемещает металлический рычаг, вызывая в слушающем устройстве или "реле" щелчки с такими же временными интервалами, с какими отправитель нажимает ключ. При этом отправитель использовал согласованный язык, например, азбуку Морзе, для кодирования информации и превращения ее в импульсный поток. Аналогично, слушатель также должен был понимать азбуку Морзе - последовательность длинных и коротких импульсов, называемых точками и тире, чтобы расшифровать сообщение.
Позже Александер Грэм Белл разработал первый телефон, пользуясь понятием "волнообразного тока", теперь называемого переменным током, чтобы переносить звук с помощью электрического соединения. Телефонная сеть состояла из двух магнитных преобразователей, соединенных электрической сетью, в которой каждый магнитный преобразователь состоял из подвижной диафрагмы и катушки, или "звуковой катушки", окруженной неподвижной оболочкой из постоянных магнитов. Во время разговора возле этого преобразователя, изменение давления воздуха, вызванное звуком, заставляет звуковую катушку выполнять возвратно-поступательное перемещение в окружающем магнитном поле, создавая переменный ток в катушке. На стороне слушателя изменяющийся во времени ток, протекая в звуковой катушке, создает идентичное колебание и изменяющееся во времени магнитное поле, противоположное окружающему магнитному полю, заставляя звуковую катушку выполнять возвратно-поступательное перемещение таким же образом, как и преобразователь, записывающий звук. Результирующее перемещение обеспечивает воспроизведение звука таким же образом, как и устройство, записывающее звук. Говоря современным простым языком, когда преобразователь преобразует звук в электрический ток, он работает как микрофон, а когда преобразователь преобразует электрический ток в звук, он работает как громкоговоритель. Кроме того, поскольку передаваемый электрический сигнал является аналогом звукового сигнала, который переносится как обычная волна давления в воздухе, то есть звук, в настоящее время такие электрические сигналы называют аналоговыми сигналами или аналоговыми колебаниями.
Поскольку преобразователь, как было описано выше, используется и для разговора, и для прослушивания, во время беседы обе стороны должны знать, когда говорить и когда слушать. Как в струне из соединенных жестяных банок, в такой системе вызывающий абонент не может одновременно говорить и слушать. Несмотря на то, что такая односторонняя работа, называемая "полудуплексным" режимом, может показаться архаичной, на самом деле она по-прежнему широко используется в радиосвязи в настоящее время в портативных радиостанциях, а в современной телефонии она называется "push-to-talk" (нажми и говори) или PTT.
Впоследствии широкое распространение получили полнодуплексные (т.е., двусторонние или приемопередающие) телефоны с отдельными микрофонами и громкоговорителями, где стороны могли говорить и слушать одновременно. Но даже сегодня при работе с полнодуплексной телефонной связью требуется надлежащее внимание для предотвращения обратной связи - состояния, при котором принимаемый звук поступает в микрофон и возвращается к вызывающему абоненту, создавая сбивающее с толку эхо, а иногда и неприятный свист - проблемы, которые особенно характерны для телефонной связи на большом расстоянии.
Ранние телеграфные и телефонные системы имели еще один недостаток - отсутствие конфиденциальности. В этих ранних реализациях сетей связи каждый, подключенный к этой сети, слышит все, что передается по данной сети, даже если он этого не хочет. В сельских телефонных сетях эти общие сети назывались "линиями коллективного пользования". Затем система телефонной связи быстро превратилась в многоканальные сети, в которых местный телефонный узел подключал выделенные каналы непосредственно к телефонам индивидуальных клиентов. В местном пункте связи системный оператор вручную соединял абонентов друг с другом через коммутатор с помощью перемычек, а также имел возможность подключаться к другому пункту связи, и впервые предоставлять услуги телефонных переговоров "на большом расстоянии". Крупные комплексы, содержащие большое количество реле, образующих телефонные "коммутационные" сети, постепенно заменяли человека-оператора, а впоследствии и они были заменены электронными переключателями на вакуумных лампах.
После того, как в конце 1950-х годов в компании Bell Laboratories разработали транзистор, автоматические и местные телефонные станции заменили хрупкие и сильно греющиеся вакуумные лампы холодными во время работы твердотельными устройствами на транзисторах, а затем - на интегральных схемах. По мере роста сети число цифр телефонного номера увеличивалось от семизначного префикса и личного номера, за счет добавления кодов регионов и, наконец, кодов стран для обработки международных вызовов. Медные кабели, передающие голосовые вызовы, быстро покрывали весь мир и пересекали океаны. Независимо от величины сети, принцип действия оставался неизменным - вызовы представляли собой прямое электрическое соединение или "сеть" между абонентами с передачей голоса аналоговыми сигналами и с маршрутизацией вызова, определяемой автоматической телефонной станцией. Такую телефонную систему в конечном итоге стали называть "телефонной сетью с коммутацией каналов" или в разговорной речи - обычной телефонной сети (POTS - Plain Old Telephone System). Пик развития телефонии с коммутацией каналов пришелся на 1980-е годы, а впоследствии происходила ее планомерная замена "телефонией с коммутацией пакетов", рассматриваемой в следующем разделе.
Почти параллельно с телефонной сетью происходило развитие регулярной радиосвязи, которое началась с радиовещания в 1920-х годах. Это вещание было однонаправленным, осуществлялось радиовещательными станциями на определенных частотах, предоставляемых по лицензии правительства, прием осуществлялся любым количеством радиоприемников, настроенных на эту частоту вещания или радиостанцию. Радиовещательный сигнал представлял собой аналоговый сигнал либо с амплитудной модуляцией (AM), либо позже с частотной модуляцией (ЧМ) в выделенном участке лицензионного радиоспектра. В США для управления предоставлением и регулированием таких лицензионных диапазонов была создана Федеральная комиссия по связи (FCC). Концепция вещания была распространена на эфирные телевизионные программы, использующие радиопередачу, изначально состоящую из черно-белого контента, а затем и цветного. Впоследствии также появились возможности доставлять телевизионные сигналы в дома людей либо с помощью радиорелейной спутниковой антенны, либо по коаксиальным кабелям. Поскольку любой слушатель, настроенный на конкретную частоту вещания, может принимать вещательный сигнал, термин "мультивещание" теперь используется для такой однонаправленной многопользовательской связи.
Одновременно с появлением радиовещания началось создание первых систем двухсторонней связи для торговых и военных океанских судов, и к началу Второй мировой войны радиостанции превратились в дуплексные переносные приемопередатчики, объединяющие передатчики и приемники в едином устройстве. Как и телефонные системы, первые системы полнодуплексной радиосвязи работали в "симплексном" режиме, позволяющем осуществлять передачу только одной радиовещательной станции по одному радиоканалу, в то время как остальные слушали. После объединения передатчиков и приемников, работающих на разных частотах, стали возможными одновременная передача и прием на каждом конце радиолинии, обеспечивая возможность полнодуплексного режима связи между двумя сторонами.
Однако для предотвращения перекрытия передачи от нескольких сторон для управления каналом обычно используется протокол, называемый полудуплексным или push-to-talk (нажми и говори), позволяющий осуществлять передачу исключительно по определенному каналу по принципу "первым пришел - первым обслужен". Стандартные промышленные типы радиостанций, использующие аналоговую модуляцию, включают любительские (лицензионные или общедоступные) радиостанции, морские УКВ-радиостанции, радиостанции универсальной объединенной системы связи UNICOM (Universal Integrated Communication) для управления воздушным движением и радиостанции FRS для личного общения. В этих сетях двухсторонней радиосвязи радиостанции отправляют свои данные по конкретным частотным "каналам" на центральную вышку радиосвязи, а вышка усиливает и ретранслирует сигнал, передавая его по всей сети радиосвязи. Количество доступных частот, передающих информацию в широковещательной области, определяет общую полосу пропускания системы и количество пользователей, которые могут одновременно независимо обмениваться данными в этой сети радиосвязи.
Чтобы расширить общую пропускную способность сети радиосвязи для работы большего числа абонентов, в 1970-х годах была продемонстрирована и в течение десятилетия получила широкое распространение концепция сотовой сети, в которой большая площадь разбита на более мелкие части или "соты" радиосвязи. Сотовая концепция заключалась в том, чтобы ограничить широковещательный диапазон вышки радиосвязи меньшим пространством, т.е. меньшей дальностью связи, и, следовательно, получить возможность использовать одни и те же полосы частот для одновременной работы разных абонентов, находящихся в разных сотах. Для этого было создано программное обеспечение для управления переключением вызова при переходе из одной соты в соседнюю соту без "пропадания сигнала" и внезапного отключения вызова. Так же, как и обычная телефонная сеть (POTS), полнодуплексная радиосвязь, а также радио- и телевизионное вещание, первоначально сети сотовой связи были аналоговыми по своей природе. Для управления маршрутизацией вызовов была принята система телефонных номеров для определения надлежащего беспроводного электрического соединения. Этот выбор также был полезен тем, что он позволил легко подключить новую беспроводную сотовую сеть к обычной телефонной "проводной" системе, обеспечив межсетевое соединение и совместную работу в рамках этих двух систем.
Начиная с 1980-х годов, телефонная и радиосвязь, наряду с радио и телевизионным вещанием, начали неумолимый переход с способов и форматов аналоговой связи на цифровые, что было обусловлено необходимостью снизить энергопотребление и увеличить срок службы аккумуляторов, улучшить качество за счет повышения отношения сигнал-шум, а также начать уделять внимание необходимости передачи данных и текста голосом. Появились такие форматы радиосвязи, как EDACS и TETRA, способные одновременно обеспечивать режимы связи "один-к-одному", "один-ко-многим" и "многие-ко-многим". Сотовая связь также быстро перешла на цифровые форматы, такие как GPRS, как и телевизионное вещание.
К 2010 году большинство стран прекратило или находилось в процессе прекращения всего аналогового телевизионного вещания. В отличие от вещательного телевидения, у провайдеров кабельного телевидения не было необходимости переходить на цифровой формат, и они поддерживали гибридный состав аналоговых и цифровых сигналов вплоть до 2013 года. Их окончательный переход на цифровые способы был мотивирован не государственными стандартами, а коммерческими причинами - необходимостью расширения количества доступных каналов сети, чтобы иметь возможность доставлять контент высокой (HD) и сверхвысокой (UHD) четкости, предлагать больше услуг платного телевидения (PPV, также известных как "односторонняя передача данных"), а также предоставлять услуги цифровой связи с высокой пропускной способностью для своих клиентов.
Несмотря на то, что принято сопоставлять переход глобальных сетей связи с аналогового формата на цифровой с появлением Интернета и, более конкретно, с принятием и широким распространением интернет-протокола (IP), переход на цифровой формат предшествовал коммерческому признанию IP в телефонии, обеспечивая, если не ускоряя, универсальный переход связи на IP и "сети с коммутацией пакетов" (рассматриваемые в следующем разделе).
фигуре 1
Результирующая эволюция телефонной связи с коммутацией каналов схематически представлена на  как "абонентская сеть связи" (PSTN), включающая объединение радиосвязи, сотовой связи, мини-АТС, а также POTS-соединений и подсетей, каждая из которых включает разнородные технологии. Эта сеть включает в себя шлюзы абонентской сети связи 1A и 1B, соединенные магистральными линиями 2 с высокой пропускной способностью, а также, например, подключенные через проводные соединения 4 шлюз POTS 3, сеть сотовой связи 17, мини-АТС 8 и сеть двухсторонней радиосвязи 14. Каждая подсеть работает независимо, управляя устройствами соответствующего типа. Например, шлюз POTS 3, все еще распространенный в сельской местности, соединяется с помощью витой пары медных проводов 7 с обычными аналоговыми телефонами 6 или с портативными телефонами 5. Портативные телефоны 5 обычно используют технологию беспроводной связи (DECT), его вариант для сверхнизкой мощности DECT-ULE или предшествующий ему стандарт CT2 - все они распространяются на выделенные замкнутые радиосистемы, обычно с несущими частотами 0,9; 1,9; 2,4 и 5,8 ГГц. Телефоны, использующие классический DECT, не могут напрямую получать доступ к сетям сотовой связи, несмотря на то, что они являются беспроводными устройствами на радио основе.
Мини-АТС 8 управляет любым количеством устройств, используемых в офисах компании, в том числе проводными стационарными телефонами 9, устройствами громкой связи 10 для конференц-звонков, а также базовой станцией 11 частной беспроводной сети, связанной беспроводными соединениями 12 с портативными или беспроводными роуминговыми телефонами 13. Беспроводные роуминговые телефоны 13 представляют собой бизнес-ориентированное усовершенствование обычного портативного телефона, обеспечивающего доступ телефона к корпоративным Wi-Fi-соединениям или, в случае с системой сотовой связи Японии (PHS), для доступа к общедоступной микросотовой сети, расположенной за пределами компании в коридорах высокого трафика и в деловых районах густонаселенных городов, таких как Синдзюку в Токио. Полоса пропускания, дальность передачи и время автономной работы в продуктах PHS чрезвычайно ограничены.
Абонентская сеть связи также подключается к сотовым сетям с коммутацией каналов 17, используя аналоговые и цифровые протоколы AMPS, CDMA и GSM. Через вышку сотовой связи 18 сети сотовой связи с коммутацией каналов 17 соединяются с использованием стандартизованных частот сотовой радиосвязи 28 с такими мобильными устройствами, как сотовые телефоны 19А. В случае сетей GPRS, надстройки над технологией GSM, сети сотовой связи с коммутацией каналов 17 могут также соединяться с планшетами 19B, одновременно обеспечивая низкоскоростную передачу данных и голоса. Сети полнодуплексной радиосвязи 14, такие как TETRA и EDACS, соединяют абонентские сети связи с портативными радиостанциями 16A и более крупными встроенными и настольными радиостанциями 16B через вышки радиосвязи высокой мощности 15 и радиоподключения 28. Такие сети полнодуплексной радиосвязи, обычно используемые работниками полиции, скорой помощи, парамедиками, пожарными и даже работниками портовых учреждений, также считаются служебными сетями и службами связи, и предназначены для правительственных, муниципальных служб и ликвидаторов чрезвычайных ситуаций, а не для обычных потребителей. (Примечание. Используемые здесь термины "стационарный компьютер", "планшет" и "ноутбук" используются в качестве сокращенной ссылки на компьютеры соответствующего типа).
В отличие от шлюза POTS 3, сети сотовой связи 17 и мини-АТС 8, которые используют обычные телефонные номера для выполнения маршрутизации вызовов, сеть полнодуплексной радиосвязи 14 использует выделенные радиоканалы (а не номера телефонов) для организации радиолиний между вышкой 15 и мобильными устройствами, которые она обслуживает. Таким образом, системы служебной радиосвязи сохраняют явно выраженные и уникальные отличия от сетей сотовых телефонов для обычных потребителей.
Фигура 1
графически иллюстрирует гибкость абонентской сети связи для взаимного соединения подсетей, основанных на разных технологиях. Именно это разнообразие определяет внутреннюю слабость современных сетей с коммутацией каналов - возможность совместной работы подсетей. Поскольку разные подсети не осуществляют связь в соответствии с каким-либо общим протоколом управления или языком, и поскольку каждая технология обрабатывает передачу данных и голоса по-разному, эти разные системы, по сути, несовместимы, за исключением их ограниченной возможности поместить телефонный вызов через основную магистраль абонентской сети связи или междугородные магистральные линии. Например, во время террористической атаки 11 сентября в Центре международной торговли в Нью-Йорке многие спасатели из разных районов США толпились в Манхэттене, пытаясь помочь в борьбе с катастрофой, только чтобы узнать систему радиосвязи, их радиостанции были несовместимы с оборудованием добровольцев из других стран и городов, что делало невозможным управление централизованным командованием и контролем усилий по оказанию помощи. Из-за отсутствия стандартизации протоколов связи их радиостанций эти радиостанции просто не могли установить связь друг с другом.
Кроме того, при непосредственном электрическом и радиоподключении телефонных сетей с коммутацией каналов, особенно с использованием аналоговых или незащищенных цифровых протоколов, для хакера не составляет труда с помощью радиосканера находить активные каналы связи и анализировать, отбирать, прослушивать или перехватывать происходящие в это время разговоры. Поскольку абонентская сеть связи образует "постоянно включенный" канал или сеть связи между общающимися сторонами, у хакера достаточно времени, чтобы идентифицировать соединение и "использовать его" либо законным способом правительственными организациями, заказавшими прослушивание по решению федерального суда, либо преступным путем кибер-преступниками или правительственными организациями, осуществляющими незаконное, запрещенное или несанкционированное наблюдение. Определения законного и незаконного шпионажа и наблюдения и обязательства оператора сети по сотрудничеству в этой деятельности в разных странах резко отличаются и являются предметом горячих споров среди таких глобальных компаний, как Google, Yahoo и Apple, работающих пересекая многие международные границы. Сети связи и Интернет являются глобальными и не знают границ, но законы, регулирующие такую электронную информацию, являются местными и подчиняются юрисдикционному органу правительства, контролирующему в данное время внутреннюю и международную связь и торговлю.
Независимо от его законности или этики, электронное отслеживание и наблюдение сегодня являются обычным явлением, начиная от мониторинга с помощью вездесущих камер видеонаблюдения, расположенных на каждом углу улицы и над всеми автодорогами и линиями метрополитена, до сложного взлома и расшифровки кодов, выполняемого различными подразделениями и агентствами национальной безопасности государств. Несмотря на то, что уязвимые места имеют все сети, архаичные и недостаточные средства защиты абонентских сетей связи делают их особенно легкими для взлома. Таким образом, абонентская сеть связи, даже подключенная к защищенной современной сети, является слабым звеном в общей системе и создает уязвимое место, позволяющее преодолевать защиту и совершать кибер-преступления. Тем не менее, еще потребуется много лет, если не десятилетий, для выхода из глобальной абонентской сети связи и ее полной замены на сеть связи с коммутацией пакетов на основе IP. Такие сети с коммутацией пакетов (рассматриваемые ниже), хотя они и более современные, чем абонентская сеть связи, по-прежнему не защищены от преодоления средств защиты; взлома; атак, вызывающим отказ в обслуживании, и проникновения в зону конфиденциальной информации.
Работа сети связи с коммутацией пакетов
Если работу современной телефонной сети с коммутацией каналов можно образно представить, как две жестяные банки, соединенные струной, то аналогичным образным представлением работы сетей связи с коммутацией пакетов может служить работа почтового отделения. В таком подходе текст, данные, голос и видео преобразуются в файлы и потоки цифровых данных, и затем эти данные объединяются в квантованные "пакеты" данных, которые передаются по сети. Механизм передачи основан на электронных адресах, которые однозначно определяют, куда отправляется пакет данных и откуда он поступает. Формат и протокол связи также предусматривают включение информации о характере данных, содержащихся в пакете, в том числе о контенте, предназначенном для программы или приложения, в которых он будет использоваться; а также об оборудовании, обеспечивающем физические каналы связи и электрические или радиосоединения для передачи пакетов.
Предложенная в 1960-х годах концепция сетей с коммутацией пакетов была создана в в самый разгар холодной войны после запуска советского спутника. В то время Министерство обороны США (МО) выразило озабоченность в связи с тем, что нанесение ракетно-ядерных ударов с объектов космического базирования может уничтожить всю коммуникационную инфраструктуру США, подавив ее способность реагировать на упреждающий удар СССР, и что уязвимость к такой атаке может действительно спровоцировать ее. Поэтому МО профинансировало создание избыточной системы связи или решетчатой "сети", в которой способность сети передавать информацию между военными объектами не могла быть нарушена путем уничтожения какой-либо конкретного канала передачи данных или даже большого количества каналов передачи данных в сети. Эта система, названная АРПАНЕТ, стала родителем Интернета и пресловутой Евой современных цифровых коммуникаций.
Несмотря на создание сети с коммутацией пакетов, взрывной рост Интернета не происходил до 1990-х годов, пока в результате совместного воздействия первого простого в использовании веб-браузера Mosaic, появления веб-страниц на основе гипертекста, быстрого внедрения Всемирной паутины, а также широкого использования электронной почты не произошло глобальное принятие интернет-платформы. Один из основополагающих принципов - отсутствие централизованного контроля или необходимости в центральном компьютере - побуждали к повсеместному использованию Интернета отчасти потому, что никакая страна и никакое правительство не могли его остановить (или даже полностью осознать глобальные последствия этого), а также потому, что его пользовательскую базу составляли потребители, работающие на своих недавно приобретенных персональных компьютерах.
Еще одним далеко идущим последствием роста Интернета стала стандартизация интернет-протокола (IP), используемого для маршрутизации пакетов данных в сети. К середине 1990-х годов пользователи Интернета осознали, что та же сеть с коммутацией пакетов, которая передает данные, также может использоваться для передачи голоса, и вскоре после этого появилась технология VoIP. Несмотря на то, что концепция теоретически позволяла любому, у кого есть доступ к Интернету, осуществлять голосовую связь через Интернет бесплатно, задержки распространения в сети, т.е. задержку, снижали качество передачи речи и часто делали ее неразборчивой. Несмотря на то, что время задержки уменьшилось, благодаря внедрению высокоскоростных линий Ethernet, высокоскоростному подключению Wi-Fi и данным 4G, и на участке "последней мили" качество соединения улучшилось, сам по себе Интернет создавался для обеспечения точной доставки пакетов данных, а не для того, чтобы гарантировать доставку этих пакетов в заданное время, т.е. Интернет не создавался для работы в сети реального времени.
Таким образом, мечта об использовании Интернета вместо дорогостоящих услуг провайдера дальней связи осталась практически невыполненной, несмотря на наличие таких OTT-провайдеров (аббр. от англ. Over the Top), как Skype, Line, KakaoTalk, Viper и других. OTT-телефония страдает от качества связи QoS вследствие неконтролируемой задержки в сети, низкого качества звука, сброса вызова, эха, реверберации, обратного распространения, прерывистого звука и часто даже от неспособности совершить вызов. Низкое качество OTT-связи по своей сути является недостатком не технологии VoIP, а самой сети, в которой OTT-провайдеры не имеют возможности контролировать путь прохождения данных, или задержки, с которыми осуществляется связь. По сути, OTT-провайдеры не могут предоставить технологию QoS, потому что OTT-связь работает как автостоп в Интернете. По иронии судьбы, наилучшим образом использовать связь на основе технологии VoIP сегодня могут компании, являющиеся провайдерами международной телефонной связи с выделенными аппаратными сетями с малым временем задержки - именно те телефонные компании, которые имеют наименьшую мотивацию для этого.
Помимо внутренне присущей ей сетевой избыточности, одной из самых сильных сторон связи с коммутацией пакетов является ее способность передавать информацию от любого источника в любой пункт назначения, если данные упорядочены в пакетах, соответствующих Интернет-протоколу, и при условии, что устройства связи подключены к сети и связаны с Интернетом. Интернет-протокол управляет способностью сети доставлять полезную нагрузку в пункт назначения, не заботясь и не беспокоясь о том, какая информация передается, или о том, какое приложение будет ее использовать, исключая при этом необходимость в настраиваемых программных интерфейсах и дорогостоящем проприетарном оборудовании. Во многих случаях даже приложения, связанные с полезной нагрузкой, настраивают на заданные форматы, например, для чтения электронной почты, для открытия веб-страницы в браузере, для просмотра изображения или видео, просмотра файла прошивки или чтения PDF-документа и т.д.
Поскольку используемый им универсальный формат файлов позволяет избежать зависимости от проприетарного или фирменного программного обеспечения, Интернет можно рассматривать как коммуникационную платформу с "открытым исходным кодом", способную устанавливать связь с самым широким диапазоном сетевых устройств: от компьютеров до сотовых телефонов, от автомобилей до бытовой техники. Самое свежее меткое выражение, описывающее эту универсальную связность - это "Интернет всего" (IoE).
фигуре 2
На  показано лишь несколько примеров таких сетевых устройств, подключенных к Интернету. Согласно фигуре, большое количество компьютеров, в том числе быстродействующих облачных серверов 21A, 21B и 21C, и облачное хранилище данных 20, соединены линиями связи 23 с высокой пропускной способностью, обычно оптоволоконными, наряду с бесчисленным множеством других серверов (не показаны), формирующим облако Интернета 22. Образное представление в виде облака в данном случае уместно, потому что нет четко обозначенной границы, определяющей, какие серверы считаются частью облака, а какие нет. Ежедневно и даже ежеминутно, одни серверы могут выходить в Интернет, а другие могут быть отключены для обслуживания, что не оказывает никакого влияния на функциональные возможности и производительность Интернета. Это преимущество действительно избыточной распределенной системы - нет единой точки управления и, следовательно, нет единой точки отказа.
Облако может быть подключено к пользовательскому или сетевому устройству с помощью любого соединения проводной, Wi-Fi или беспроводной линии связи. Согласно фигуре, облачный сервер 21A подключается с помощью проводной или волоконно-оптической линии 24 к вышке беспроводной связи 25, к точке доступа Wi-Fi 26 или к распределенному блоку проводной линии связи 27. Эти каналы "последней мили", в свою очередь, подключаются к любому количеству устройств связи или сетевых устройств. Например, вышка беспроводной связи 25 может соединяться сотовой радиосвязью 28 со смартфоном 32, с планшетом 33 или автомобилем с сетевым интерфейсом 31 и может использоваться для обслуживания пользователей мобильной связи 40, в том числе, например, пешеходов, водителей персональных транспортных средств, сотрудников правоохранительных органов и водителей-профессионалов отрасли грузоперевозок и доставки. Беспроводная телефонная связь с коммутацией пакетов использует сотовые протоколы 3G, включая HSUPA и HSDPA, а также 4G/LTE. Стандарт LTE или "долговременное развитие" относится к сетевым стандартам, для обеспечения совместимости с различными сотовыми протоколами, в том числе, возможность бесшовного переключения телефонных звонков из одной соты в другую, даже если эти соты работают с различными протоколами. Примечание. В контексте настоящего документа термином "последняя миля" называется канал передачи данных между любым типом клиентского устройства, например, планшетом, стационарным компьютером или мобильным телефоном, и облачным сервером. В зависимости от направления передачи данных также иногда используется термин "первая миля" для указания канала передачи данных между абонентским устройством, инициирующим передачу данных и облачным сервером. В таких случаях канал "последняя миля" также является и каналом "первая миля".
При меньшей дальности связи точка доступа Wi-Fi 26 соединяется Wi-Fi радиомодулем 29 со смартфоном 32, планшетом 33, ноутбуком 35, стационарным компьютером 36 или сетевым устройством бытовой техники 34 и может использоваться в локальных беспроводных устройствах в домах, кафе, ресторанах и офисах. Бренд Wi-Fi распространяется на связь, работающую в соответствии со стандартами IEEE для спецификаций 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n с одной несущей частотой, а в последнее время для формата 802.11ac с двухчастотным диапазоном. Средства защиты Wi-Fi на основе простого статического ключа входа в основном используются для предотвращения несанкционированного доступа к соединению, но не предназначены для защиты данных в течение неограниченного времени от прослушивания или взлома.
Распределенный блок проводных линий 27 может подключаться волоконно-оптическим кабелем, коаксиальным кабелем или по каналу Ethernet 30A к ноутбуку 35, стационарному компьютеру 36, телефону 37, телевизионному приемнику 39 или медной витой парой проводов 30B к телефонным линиям, идущим к кассовому терминалу торговой точки 38, обслуживающему стационарные или подключенные проводной линией связи центры торговли 42, в том числе гостиницы, заводы, офисы, центры обслуживания, банки и дома. Проводное подключение может включать распределение волоконно-оптическим или коаксиальным кабелем к дому, офису, заводу или коммерческой организации, подключенные локально с помощью модема для преобразования линий передачи высокоскоростных данных (HSD) в линии на основе Wi-Fi, Ethernet или медной витой пары проводов. В удаленных областях, где нет волоконно-оптического или коаксиального кабеля, все еще используется соединение по цифровой абонентской линии (DSL), но с существенным снижением скорости передачи данных и надежности соединения. В целом, учитывая доступ по беспроводным, Wi-Fi и проводным линиям связи прогнозируют, что к 2020 году количество объектов, подключенных к Интернету в глобальном масштабе, достигнет 20 миллиардов.
В отличие от сетей с коммутацией каналов, которые устанавливают и поддерживают непосредственное соединение между устройствами, связь с коммутацией пакетов использует адрес для "маршрутизации" пакета через Интернет к пункту назначения. Таким образом, в сетях связи с коммутацией пакетов нет отдельной выделенной сети, поддерживающей соединение между устройствами связи, и данные, проходя через Интернет, не идут по одному и тому же конкретному пути. Каждый пакет должен найти свой путь через лабиринт взаимосвязанных компьютеров, чтобы попасть в пункт назначения.
фигуре 3
На показан гипотетический пример маршрутизации IP-пакета от ноутбука 60 к стационарному компьютеру 61 при использовании сетевой связи с коммутацией пакетов. В процессе работы первый пакет данных, отправленный из ноутбука 60 в маршрутизатор Wi-Fi 62А через беспроводное соединение 63А, направляется в ряд DNS-серверов 70, где DNS (Domain Name Server) -сервер доменных имен. Задачей ряда DNS-серверов 70 является преобразование текстового имени или номера телефона устройства-адресата, в данном случае стационарного компьютера 61, в IP-адрес. Перед маршрутизацией пакета корневой сервер DNS 72 загружает большую таблицу адресов во вторичный сервер DNS 71. Когда поступает запрос от ноутбука 60, вторичный сервер DNS 71 выдает в ответ IP-адрес адресата, т.е. стационарного компьютера 61. В случае, когда вторичный сервер DNS 71 не знает адреса устройства-адресата, он может запрашивать недостающую информацию от корневого сервера DNS 72. В конечном счете, IP-адрес передается из ряда DNS-серверов 70 обратно на адрес отправителя, т.е. ноутбуку 60.
После этого ноутбук 60 собирает свои пакеты IP-данных и последовательно начинает их отправку адресату, сначала через Wi-Fi радиомодуль 63A к маршрутизатору Wi-Fi 62A, а затем через сеть маршрутизаторов и серверов, выступающих в качестве промежуточных маршрутизаторов к адресату. Например, ряд выделенных маршрутизаторов, согласно фигуре, включает устройства 65A, 65B и 65C, а ряд компьютерных серверов, работающих в качестве маршрутизаторов, включает устройства 66A-66E, которые вместе образуют сеть маршрутизаторов, работающую либо как узлы в Интернете, либо как точки присутствия (POP, англ. Point of presence), т.е. шлюзы с ограниченной связностью, способные осуществлять доступ к Интернету. В то время как некоторые маршрутизаторы или серверы, действующие как точки присутствия, подключаются к Интернету с помощью лишь небольшого количества соседних устройств, сервер 66A, согласно фигуре, соединен с большим количеством устройств и иногда называется "суперточкой присутствия". Для большей ясности следует заметить, что термин POP (точка присутствия) в сетевом языке не следует путать с именем приложения POP (англ. plain old post office) или обычным почтовым отделением, используемым в почтовых приложениях.
Каждый маршрутизатор или сервер, выступающий в роли маршрутизатора, содержит в своих файлах памяти таблицу маршрутизации, идентифицирующую IP-адреса, которые он может адресовать, и, возможно, также адреса, которые могут адресовать маршрутизаторы над ним. Эти таблицы маршрутизации автоматически загружаются и устанавливаются на каждом маршрутизаторе при первом Интернет-подключении и обычно не загружаются в процессе маршрутизации пакета через сеть. Когда IP-пакет входит в маршрутизатор, точку присутствия или суперточку присутствия, маршрутизатор считывает достаточную часть IP-адреса, как правило, цифры старших разрядов адреса, чтобы знать, куда дальше направлять пакет на его пути к адресату. Например, пакет, отправленный в Токио из Нью-Йорка, может проходить сначала через Чикаго, затем через серверы в Сан-Франциско, Лос-Анджелесе или Сиэтле, а затем отправляться в Токио.
фигуре 3
априори
В примере, показанном на , пакет, отправленный из ноутбука 60 в маршрутизатор Wi-Fi 62A, затем направляется в маршрутизатор 65А по маршруту 64А; последний, хотя у него есть множество вариантов, решает отправить пакет в суперточку присутствия 66А по маршруту 67А. Несмотря на то, что суперточка присутствия 66A также имеет много вариантов продолжения, она решает, что наилучший путь в этот конкретный момент - маршрут 68 к серверу-маршрутизатору 66D, отправляет его в локальный маршрутизатор 65C по маршруту 67B, который, в свою очередь, соединяется по маршруту 64B с маршрутизатором и точкой доступа Wi-Fi 62B, связывающей Wi-Fi радиомодуль 63B со стационарным компьютером 61. Таким образом, несмотря на то, что путь прохождения был проложен от суперточки присутствия 66A к серверу-маршрутизатору 66D и местному маршрутизатору 65C, он мог быть точно так же проложен от суперточки присутствия 66A к маршрутизатору 65B и местному маршрутизатору 65C, или от суперточки присутствия 66A к серверу-маршрутизатору 66D, серверу-маршрутизатору 66E к местному маршрутизатору 65C. И поскольку количество маршрутизаторов, через которые проходит пакет, и доступная скорость передачи данных для каждого из соединений между маршрутизаторами различаются по инфраструктуре, а также по сетевому трафику и загрузке, нет способа определить, какой путь является самым быстрым или лучшим.
В отличие от телефонной связи с коммутацией каналов, которая устанавливает и поддерживает непосредственное соединение между клиентами, для коммутации пакетов данных нет универсального интеллекта, просматривающего Интернет, чтобы решить, какой путь является наилучшим, оптимальным или самым быстрым для маршрутизации пакета, и нет никакой гарантии, что два последовательно отправляемых пакета пойдут по одному и тому же маршруту. Таким образом, пакет "определяет" свой путь через Интернет на основе приоритетов компаний, эксплуатирующих маршрутизаторы и серверы, через которые проходит этот пакет. Каждый маршрутизатор, по сути, содержит определенные таблицы маршрутизации и алгоритмы маршрутизации, которые определяют его предпочтительные маршруты на основе состояния сети. Например, предпочтения маршрутизатора могут установить высокий приоритет для отправки пакетов другим маршрутизаторам, принадлежащим той же компании, уравновешивая трафик среди подключений к соседним маршрутизаторам, находя самую короткую задержку для следующего маршрутизатора, заключая прямые сделки со стратегическими партнерами по бизнесу или создавая линию срочной отправки для VIP-клиентов за счет пропуска как можно большего количества промежуточных маршрутизаторов. Когда пакет поступает в маршрутизатор, нет способа узнать, были ли варианты маршрутизации выбраны конкретной точкой присутствия с максимальным учетом интересов отправителя или оператора сетевого сервера.
Таким образом, в каком-то смысле маршрут, по которому проходит пакет, зависит от времени и удачи. В предыдущем примере маршрутизации от Нью-Йорка до Токио сам маршрут и результирующее качество обслуживания могут существенно изменяться в зависимости даже от небольших отклонений в пути, т.е. в нелинейных уравнениях так называемого "эффекта бабочки". Рассмотрим случай, когда пакет из Нью-Йорка проходит через "маршрутизатор А" в Чикаго и из-за временно высокого трафика в Калифорнии, он будет отправлен скорее в Мехико, чем в Калифорнию. Затем маршрутизатор Мехико отправляет IP-пакет в Сингапур, откуда он, наконец, отправляется в Токио. Следующий пакет отправляется через "маршрутизатор B" в Чикаго, который при низком трафике в этот момент времени направляет пакет в Сан-Франциско, а затем прямо в Токио всего в два этапа. В таком случае второй пакет может прибыть в Токио раньше первого, направленного по более длинному пути. Этот пример наглядно иллюстрирует проблемный вопрос использования Интернета для связи в реальном времени, например, для передачи онлайн-видео или технологии VoIP в реальном времени, а именно то, что Интернет не предназначен для обеспечения гарантированного времени передачи или для контроля за задержками при передаче. Задержка может изменяться от 50 мс до 1 с и более только в зависимости от того, через два сервера проходит пакет или через пятнадцать.
Отсутствие контроля за маршрутизацией в Интернете является проблемой для приложений реального времени и, в частности, является причиной низкого качества обслуживания для OTT-провайдеров, которые пытаются организовать предоставление VoIP (Voice over Internet Protocol)-телефонии, используя Интернет как бесплатную инфраструктуру для своих сервисов. Поскольку OTT-провайдеры не контролируют маршрутизацию, они не могут контролировать задержку в сети. Еще одна проблема связи с коммутацией пакетов заключается в том, что можно легко завладеть данными, не будучи обнаруженным. Если пират перехватывает пакет и определяет IP-адрес его отправителя или получателя, он может различными способами перехватывать данные от взломанных маршрутизаторов и либо прослушивать их, либо перенаправлять трафик через свою собственную пиратскую сеть для осуществления шпионского прослушивания разговора и даже расшифровки зашифрованных файлов.
фигуре 4
Исходные и целевые IP-адреса отправителя и получателя и другая важная информация, используемая для маршрутизации пакета (а также используемая пиратами для взлома пакета), указаны в виде строки цифровых данных на . IP-пакет содержит цифровую информацию, определяющую физическое соединение между устройствами, способ организации данных для связи устройств, сетевую маршрутизацию пакета, средства обеспечения точности передачи полезных данных (полезной нагрузки) и тип данных полезной нагрузки, а затем сами данные полезной нагрузки, предназначенные для использования различными прикладными программами.
IP-пакет отправляется и принимается последовательно в виде цепочки последовательных цифровых битов, отображаемых по ходу времени 86 слева направо, и организованных определенным образом, который называется Интернет-протоколом, и установлен различными комитетами по стандартизации, в том числе IETF (Internet Engineering Task Force - Инженерным советом Интернета) и другими. Стандарт гарантирует, что любой IP-пакет, соответствующий установленному протоколу, может быть передан и понят любым сетевым устройством, соответствующим этому же IP-стандарту. Обеспечение связи и совместной работы сетевых устройств и приложений, подключенных к Интернету, является характерной особенностью Интернета и руководящим принципом организации Open Source Initiative (OSI), не позволяющим какой-либо компании, правительству или отдельному лицу взять под контроль Интернет или ограничить его доступность или функциональные возможности.
фигуре 4
Модель OSI - это абстрактная конструкция, состоящая из семи уровней функциональных возможностей, которая точно определяет формат IP-пакета и каждого сегмента этого пакета. Каждая часть или "сегмент" IP-пакета соответствует данным, применяемым к функции конкретного уровня модели OSI, сведенным в таблицу 87 на . Эти семь уровней модели OSI выполняют следующие роли:
Уровень 1
●  - физический уровень - содержит конкретную информацию об оборудовании, определяющую физическую природу связи как электрические, радио и оптические сигналы, а также способ преобразования этих сигналов в биты для использования в системе связи. Задачей уровня PHY (аббревиатура от англ. Physical layer - физический уровень) является преобразование в поток битов определенных носителей информации, таких как Wi-Fi-радио, Ethernet, последовательные порты, оптическое волокно, сотовая радиосвязь 3G или 4G, DSL на медной витой паре, USB, Bluetooth, кабельное или спутниковое телевидение, цифровое аудио-вещание, видео или мультимедиа контент. В IP-пакете преамбула 80 представляет данные уровня 1 и используется для синхронизации всего пакета данных или "кадра" с передающим и принимающим его оборудованием.
Уровень 2
●  - канальный уровень, содержащий биты, расположенные в виде кадров, который определяет правила и средства, посредством которых потоки битов, переданные с физического уровня 1, преобразуются в интерпретируемые данные. Например, потоки битов, основанные на данных Wi-Fi радиомодуля, могут соответствовать любому заданному стандарту IEEE, в том числе 802.11a, b, g, n и ac; сигналы радиосвязи 3G могут быть модулированы с использованием высокоскоростных способов пакетного доступа HSDPA или HSUPA; модулированный световой сигнал в волоконно-оптической линии или электрические сигналы в коаксиальном кабеле могут быть декодированы в данные в соответствии со стандартом DOCSIS 3 и т.д. В IP-пакете данные уровня 2 охватывают оставшуюся часть пакета - сегменты 82, 83 и 84, с предшествующим "заголовком канала передачи данных" 81 и завершителем канала передачи данных 85, которые совместно определяют, когда начинается и заканчивается охватываемая полезная нагрузка, а также обеспечивают контроль за отсутствием потерь в процессе передачи. Одним из ключевых элементов данных уровня 2 является MAC-адрес или адрес доступа к среде, используемый для направления трафика данных на конкретные адреса Ethernet, радиолинии или конкретные аппаратные приемопередающие линии.
Уровень 3
●  - сетевой уровень или уровень Интернета - содержит пакеты, называемые "датаграммами", содержащие информацию интернет-протокола (IP), используемую для маршрутизации IP-пакета, в том числе, содержит ли пакет данные IPv4 или IPv6 и соответствующие IP-адреса отправителя и получателя, а также информацию о характере полезных данных, содержащихся в пакете, например, использует ли данный тип протокола управления передачей TCP (англ. Transmission Control Protocol - протокол управления передачей), протокол пользовательских датаграмм UDP (англ. User Datagram Protocol) и др. Уровень 3 также включает функцию предотвращения образования "бессмертных" пакетов - IP-пакетов, которые никогда не доставляются, но и никогда не умирают. Специальный тип пакета уровня 3 - ICMP (протокол межсетевых управляющих сообщений) -используется для диагностики состояния сети, включая хорошо известную функцию "ping". В IP-пакете уровень 3 содержит "IP-заголовок" 82 и включает данные о полезной нагрузке, содержащейся в сегментах 83 и 84 транспортного и верхнего уровня.
Уровень 4
●  - транспортный уровень - содержит сегменты данных, определяющие характер соединения между коммуникационными устройствами, где протокол UDP определяет минимальное описание полезной нагрузки без установления соединения, а именно, насколько велик объем полезной нагрузки, есть ли потерянные биты и какая служба приложений (порт) будет использовать доставленные данные. Протокол UDP рассматривается без установления соединения, поскольку он не подтверждает доставку полезной нагрузки, вместо этого полагаясь на приложение для проверки наличия ошибок или потери данных. Обычно UDP используется для чувствительной ко времени связи, например, для широковещательной, мультивещательной и онлайн-передачи, где повторная отправка пакета не используется. Напротив, TCP обеспечивает виртуальное соединение, подтверждая, что пакет и полезная нагрузка достоверно доставлены до отправки следующего пакета и повторно отправляет недоставленные пакеты. TCP также проверяет целостность данных доставленных пакетов по контрольной сумме и включает средства повторной сборки несвоевременно доставленных пакетов в их первоначальном порядке. Как TCP, так и UDP определяют порты отправления и получения, описание службы или приложения верхнего уровня, например, веб-сервер или почтовый сервер, связанный с информацией, содержащейся в полезных данных уровня 4. В IP-пакете уровень 4 содержит заголовок TCP/UDP 83 и содержит сведения о данных/полезной нагрузки 84, включая контент, предназначенный для использования верхними уровнями 5, 6 и 7 модели OSI.
Уровни 5, 6 и 7
●  - верхние или прикладные уровни - описывают контент, доставляемый через Интернет как данные/полезную нагрузку 84. Уровень 7 - прикладной уровень - представляет собой самый высокий уровень в модели OSI и опирается на шесть базовых уровней модели OSI для поддержки как ПО с открытым кодом, так и проприетарного прикладного программного обеспечения. К часто используемым приложениям уровня 7 относятся электронная почта с использованием SMTP, POP или IMAP; просмотр веб-страниц с использованием HTTP (Chrome, Safari, Explorer, Firefox); передача файлов с использованием FTP и эмуляция терминала с использованием Telnet. Проприетарные приложения включают набор продуктов Microsoft Office (Word, Excel, PowerPoint), Adobe Illustrator и Photoshop; приложения для работы с базами данных Oracle и SAP; финансовое программное обеспечение Quicken, Microsoft Money и QuickBooks; плюс аудио- и видеоплееры (например, iTunes, QuickTime, Real Media Player, Window Media Player, Flash), а также такие программы для чтения документов, как Adobe Acrobat Reader и Apple Preview. Приложения уровня 7 также обычно используют встроенные объекты, синтаксически определяемые уровнем 6 - представительским уровнем - включающим текст, графику и изображения, звук и видео, такие презентации документов, как XML или PDF, а также такие функции защиты, как шифрование. Уровень 5 - сеансовый уровень - устанавливает возможность подключения нескольких приложений, например, импорт одного объекта в файл другой программы и управление инициированием и завершением сеанса.
a
p
s
t
n
d
p
a
p
s
t
n
d
p
Как описано выше, семиуровневая модель OSI определяет функции каждого уровня, а соответствующий IP-пакет включает данные, относящиеся к каждому уровню, один внутри другого по принципу матрешки... Внешний пакет или физический уровень 1 определяет весь IP-кадр и содержит информацию, относящуюся ко всем более высоким уровням. В рамках этих физических данных кадр данных уровня 2 описывает канал передачи данных и содержит сетевую датаграмму уровня 3. Эта датаграмма, в свою очередь, описывает уровень Интернета как полезную нагрузку, а сегмент данных уровня 4 описывают транспортный уровень. Транспортный уровень передает данные верхнего уровня как полезную нагрузку, в том числе контент уровней 5, 6 и 7. Это семиуровневое вложение иногда также мнемонически соотносят с фразой на английском языке "ll eople eem o eed ata rocessing" (похоже, что все люди нуждаются в обработке данных), в которой первые буквы слов соответствуют первым буквам названий семи уровней, начиная с самого верхнего: pplication (прикладной), resentation (представительский), ession (сеансовый), ransport (транспортный), etwork (сетевой), ata-link (канальный) и hysical (физический).
В то время как нижние уровни - физический и канальный - связаны с оборудованием, средние уровни модели OSI, включаемые в IP-пакет для описания сетевой и транспортной информации, совершенно независимы от аппаратной платформы, используемой для осуществления связи и доставки IP-пакета. Более того, верхние слои, включаемые как полезная нагрузка транспортного уровня, специфичны только для приложений, для которых они предназначены, и работают совершенно независимо от маршрутизации пакета и его доставки через Интернет. Это разделение позволяет независимо контролировать каждый уровень, поддерживая огромное количество возможных комбинаций технологий и пользователей, не требующих организационного одобрения формата пакета или проверки жизнеспособности полезной нагрузки пакета. Неполные или неправильные IP-пакеты просто отбрасываются. Таким образом, сети с коммутацией пакетов способны маршрутизировать, транспортировать и передавать разнообразную информацию, связанную с приложениями, в разнородных коммуникационных средах согласованным образом между любыми сетевыми устройствами или объектами, подключенными к Интернету.
В заключение следует отметить, что сети с коммутацией каналов требуют одного непосредственного соединения между двумя или несколькими связывающимися сторонами (подобно обычной телефонной сети прошлого века), в то время как в сетях с коммутацией пакетов осуществляется распределение документов, звука, видео и текста по нескольким пакетам, передача этих пакетов по нескольким сетевым путям (аналогично почтовому отделению, использующему оптимальный вариант для обеспечения точной и своевременной доставки), а затем сборка исходного контента с подтверждением того, что на этом пути ничего не потеряно. Сравнение абонентской сети связи с коммутацией каналов и технологии VoIP с коммутацией пакетов представлено в следующей таблице:
Сеть
Абонентская сеть связи (PSTN)
Интернет
Технология
С коммутацией каналов
С коммутацией пакетов
Подключение
Выделенная электрическая линия связи
Каждый пакет маршрутизируется через Интернет
Передача данных
В режиме реального времени (сеть)
Оптимальный вариант (пакет)
Сигнал
Аналоговый или цифровой
Цифровой, IP, технология VoIP
Контент
Голос
Голос, текст, данные, видео
Скорость передачи данных
Низкая
Высокая
Контроль ошибок
Отсутствует или минимальный
Глубокий
Влияние повреждения линии связи
Несостоявшийся или прерванный вызов
Изменение маршрута вызова
Влияние отказа электропитания
Электропитание обеспечивает сеть
Требуется резервная аккумуляторная батарея
Здесь следует отметить, что несмотря на то, что абонентская сеть связи (PSTN) работает в режиме реального времени, используя соединения электрической линии связи, используя способы "оптимального варианта" доставки пакета и полезной нагрузки, в отличие от почтового отделения, использующего любые автомобили и почтальонов, чтобы в конечном итоге доставить почту, даже если она уже опоздала. Чтобы лучше понять способ, с помощью которого сети с коммутацией пакетов достигают этой цели, необходимо глубже изучить функции и роль каждого уровня в семиуровневой модели OSI для сетей.
Уровень 1 модели OSI - физический (PHY) уровень
Физический уровень, описываемый уровнем 1 модели OSI, связан с работой оборудования, используемого для осуществления связи. Несмотря на то, что это самый главный уровень, описывающий только электрическую, радио и оптическую передачу, он также является самым разнородным, потому что каждое подробное описание имеет специфику, свойственную конкретному элементу оборудования. В широком смысле аппаратные системы связи могут быть разбиты на два типа: оборудование для связи с высокой пропускной способностью, используемое для каналов с большим объемом трафика, соединяющих серверы, образующие основную сеть Интернета, например, "облачные", и оборудование с более низкой пропускной способностью, завершающее местную связь между устройствами или подключающее линию связи "последней мили" от облака до потребителей, предприятий и машин.
Фигура 5А
, например, иллюстрирует связь с высокой пропускной способностью между POP-серверами 21A и 21B, подключенными через вышки радиорелейной связи 98, волоконно-оптические кабели 91 и спутники радиорелейной связи 93. Радиорелейная связь требует, чтобы вышки радиорелейной связи 96A и 96B находились на линии прямой видимости. Согласно фигуре, эти вышки соединены с POP-серверами 21A и 21B посредством проводных соединений 97A и 97B. Аналогично, спутниковая связь требует наличия радиорелейных восходящих (земля-борт) и нисходящих (борт-земля) линий связи 95А и 95В между спутником 93 и спутниковыми антеннами 92А и 92В, соединенными с POP-серверами 21А и 21В. Как и в предыдущем примере, серверы 21А и 21В соединяются со спутниковыми антеннами 92А и 92В проводными соединениями 94А и 94В. Серверы 21А и 21В также могут соединяться напрямую с использованием оптического соединения 90 с высокой пропускной способностью, обеспечиваемого волоконно-оптическими кабелями 91. Несмотря на то, что наземные и подводные кабели ранее содержали большое количество многожильных каналов из медного провода, ограниченная полоса пропускания и высокая стоимость меди ускорили глобальный переход на оптоволокно.
Фигура 5В
иллюстрирует различные примеры канала "последней мили" между облаком 22, содержащим серверы 21B и 21C и соединение с высокой пропускной способностью 23, и большим количеством компьютеров, телефонов, радиостанций и других сетевых устройств. Согласно фигуре, проводные соединения могут содержать волоконно-оптический кабель 91 и коаксиальный кабель 105, и в меньшей степени витую пару медных проводов. Беспроводные соединения могут осуществляться с помощью ряда средств, включая вышку сотовой радиосвязи 18, вышку двунаправленной радиосвязи 15, точку доступа Wi-Fi 26 и спутник 93.
Как один из примеров сервер 21C, действующий в качестве облачного шлюза, соединяется волоконно-оптической линией связи 24 с базовой станцией LTE 17, управляющей радиовышкой 18 для осуществления сотовой связи 28 с сотовым телефоном 32, планшетом 33 или ноутбуком 35. Сервер 21C также подключается к общедоступному маршрутизатору Wi-Fi 100, связанному каналом Wi-Fi 29 с сотовым телефоном 32, планшетом 33 или ноутбуком 35.
Сервер 21C подключается к передающей системе кабельного модема CMTS 101, которая, в свою очередь, соединяется коаксиальным кабелем 105 с телевизионной приставкой (TV STB) 102, управляющей телевизионным приемником 39 с использованием HDMI (High Definition Multimedia Interface - мультимедийного интерфейса высокой четкости) 107, и с кабельным модемом 103. Кабельный модем 103 генерирует два разных типа выходных сигналов - голосовой и высокоскоростной цифровой (HSD). Голосовой выходной сигнал может использоваться с портативным телефоном 5, а HSD управляет стационарным компьютером 36, а также планшетом 33, бытовым прибором 34 и сотовым телефоном (не показан) с помощью Wi-Fi сигнала 29, генерируемого домашней точкой доступа Wi-Fi 26. Кабельный модем 103 может в некоторых случаях формировать HSD сигнал как Ethernet 104, подключенный к стационарному компьютеру 36. С другой стороны, телевизионная приставка TV STB 102 может принимать свои сигналы по спутниковой линии связи 95, содержащей спутниковые антенны 92A и 92B со спутником 93. Совместно TV STB 102 и различные выходы кабельного модема 103 создают домашнюю сеть связи 100.
Сервер 21C также может подключаться к служебным устройствам связи с помощью сигналов радиостанции полнодуплексной связи 20, управляющих радиостанциями 16A и 16B от базовой станции 14 TETRA или EDACS и радиовышки 15, или через мини-АТС 8, управляющую стационарными телефонами 9. Поскольку большинство систем полнодуплексной радиосвязи и мини-АТС не поддерживают способы связи с коммутацией пакетов и не используют общедоступные телефонные номера для маршрутизации вызовов, информация теряется всякий раз, когда данные передаются между сервером 21C и мини-АТС 8 или базовой радиостанцией 14. То же относится и к мосту абонентской сети связи 3, подключенному к POTS (традиционной телефонной сети) 6, поскольку POTS не предназначена для одновременной обработки голосового сигнала и сигнала данных.
фигуре 6А
Роль физического (PHY) уровня изменяется в системах в зависимости от режима связи - "один-к-одному", "один-ко-многим" или "многие-ко-многим". В режиме связи "один-к-одному", принцип действия которого иллюстрируется на , два и только два электронных устройства 140А и 140В непосредственно связываются друг с другом с использованием выделенного электрического, оптического или радиоподключения для реализации соединения "один-к-одному". Используя предписанный и предопределенный протокол связи, установленный в интерфейсных модулях 143A и 143B, между устройствами для осуществления связи может быть установлен только аппаратный интерфейс. Более конкретно, данные, генерируемые электронной схемой 141А, передаются в интерфейсный модуль связи на физическом уровне 143А, соединенный посредством электрических, радио или оптических сигналов 144 с интерфейсным модулем связи на физическом уровне 143B идентичной конструкции. Полученные данные обрабатываются электронной схемой 141B, и в некоторых случаях возвращают ответный сигнал интерфейсному модулю 143A в устройстве 140A.
2
Поскольку в режиме связи "один к одному" есть только два устройства, нет необходимости включать программное обеспечение, чтобы направлять трафик, идентифицировать устройства или решать, какие устройства реагируют на инструкции. Примеры такой выделенной связи "один к одному" включают в себя шины последовательного обмена, например, RS232, первоначально использовавшиеся для подключения принтеров к стационарным компьютерам, и шина простого последовательного управления (SC) (патент США №7 921 320), использовавшаяся для управления яркостью светодиодной подсветки на дисплеях сотовых телефонов.
Выделенная связь "один к одному" обладает рядом преимуществ. Во-первых, ее легко реализовать и при желании можно полностью выполнить на аппаратных средствах, даже в пределах одной интегральной схемы, без ядра центрального процессора (ЦП). С другой стороны, этот интерфейс может быть реализован микропрограммно, т.е. в виде программы специального оборудования, требующей минимальной мощности обработки ЦП для выполнения ограниченного набора команд управления обменом данными. Во-вторых, нет необходимости управлять трафиком - такие интерфейсы могут работать с очень высокой скоростью передачи данных. Наконец, она обладает рядом преимуществ с точки зрения безопасности, поскольку ни одно другое устройство не пользуется этой линией и не может "прослушивать" происходящий по ней информационный обмен. В этом случае данный интерфейс может быть реализован для "проверки идентичности" или "аутентификации" любого устройства в момент подключения устройства к порту, а также для отключения порта, если соединение прерывается даже на мгновение. Устройства, которые не аутентифицированы, игнорируются, и порт остается отключенным до тех пор, пока устройство, подтвердившее идентичность, не заменит проблемное устройство.
Связью между двумя устройствами в режиме "один-к-одному" можно управлять двумя принципиально разными способами. В "одноранговой" системе связи каждое устройство имеет равные полномочия по принятию решений, и приоритет управления обменом информацией обычно устанавливается по принципу "первым пришел - первым обслужен". В качестве альтернативы, в конфигурации "ведущий-ведомый" ведущее устройство берет на себя управление процессом принятия решений, а ведомое устройство должно выполнять запросы и получать разрешение от ведущего устройства для осуществления любых действий.
фигуре 6В
Только физический интерфейс "один-ко-многим" показан на , где три устройства 140А, 140В и 140C или большее количество устройств соединены общей линией связи, показанной как "шина" данных 144. Каждое устройство включает в себя электронную схему 141А, 141В или 141C, соединенную соответствующей линией данных 142A, 142B или 142C с физическим интерфейсом 143A, 143B или 143C. В этой конфигурации данные, передаваемые с любого устройства, поступают на все остальные устройства, подключенные к шине или коммуникационной среде. Например, если устройство 140C отправляет данные на шину 144, оба устройства 140A и 140B будут принимать сообщение, если устройство 140B отправляет данные на шину 144, сообщение будут принимать устройства 140A и 140C и т.д. Связь, в которой слушают все, называется "широковещательной", она аналогична вещательным телевизионным станциям, передающим контент ко многим телевизионным приемникам.
На современном профессиональном жаргоне широковещательная передача "один-ко-многим" называется мультивещание. Только на физическом уровне 1 вещание по своей сути не является защищенной формой связи, потому что осуществляющее его устройство не знает, кто его слушает. Во время Второй мировой войны вещание использовалось для передачи информации войскам, флотам и подводным лодкам по незащищенным каналам с использованием "шифрования", предназначенного для лишения слушателя возможности интерпретировать сообщение, за счет использования секретного алгоритма для скремблирования информации. Если несанкционированный слушатель был способен "расшифровать код", это серьезно подрывало безопасность не только потому, что нарушитель мог перехватывать конфиденциальные сообщения, но и потому, что передающий информацию не знал, что это возможно. Таким образом, при реализации только на физическом уровне 1, связь "один-ко-многим" имеет несколько основных недостатков, а именно:
● любое устройство, способное подключаться к коммуникационной шине или среде, может принимать или контролировать контент сообщения, даже если оно является непреднамеренным получателем или угрозой безопасности;
● устройство, инициирующее передачу данных, не имеет представления о том, что слушают другие устройства;
● устройство, инициирующее передачу данных, не может подтвердить правильность и точность приема отправленных данных;
● Передача коммуникационного трафика случайным или незаинтересованным получателям бесполезно тратит значительную часть пропускной способности канала связи, вынуждая получателей принимать сообщения, которые они не хотят получать, не нуждаются в них и не интересуются ими.
Проблема подключения нескольких устройств с реализацией только на физическом уровне еще более усугубляется в конфигурации "один-ко-многим" и особенно в конфигурации "многие-ко-многим" из-за борьбы за пропускную способность канала и при определении приоритета устройств, которым разрешена передача. Чтобы предотвратить конфликты данных в случаях, когда несколько устройств пытаются осуществлять вещание одновременно, связь только на физическом уровне должна принимать определенную иерархическую форму с присвоением каждому устройству приоритетных прав на использование канала или систем связи. При разработке центрального процессора (ЦП) предусматривается несколько способов управления связью внутри ЦП и между ЦП и памятью. Эти концепции включают понятия "шины адреса", используемой для определения того, с каким устройством или областью памяти ЦП пытается установить связь; "шины данных", используемой для переноса данных отдельно от адреса, и одна или несколько линий "прерывания", используемых для определения того, когда должна выполняться какая-либо задача.
Таким образом, ЦП может динамически реагировать на требуемые задачи, что позволяет ЦП устанавливать связь и осуществлять работу с несколькими периферийными устройствами по мере необходимости, снимая с ЦП ответственность за постоянный опрос или обращения за информацией о статусе от подключенных периферийных устройств. Если во время работы периферийному устройству требуется внимание, оно генерирует сигнал "прерывания", то есть запрос на обслуживание путем кратковременного электрического замыкания общей сети (линии прерывания) на землю. После генерирования прерывания периферийное устройство ожидает, что процессор спросит у него, что ему нужно, таким же образом, как система "вызова бортпроводника" в самолете. Поскольку процедура обслуживания прерываний обычно позволяет ЦП завершить работу над тем, что он в данный момент делает, прежде чем обслуживать прерывающее устройство, такой способ не подходит для обработки в реальном времени приоритетных событий, требующих немедленного реагирования.
Чтобы расширить возможности обмена на основе прерываний для приложений реального времени, в архитектуре ЦП вводится понятие концепции приоритетной линии, называемой "немаскируемым прерыванием", которая позволяет заставить ЦП отменить все, что он делает, и немедленно обслужить высокоприоритетное событие или событие реального времени, например, сообщение, поступающее в маршрутизатор или вызов, поступающий в сотовый телефон. Подобно VIP-обслуживанию небольшого количества пассажиров в салоне первого класса, такие способы работы предусмотрены для ограниченного количества устройств, подключенных к центральному коммуникационному или ведущему устройству, но этот подход не распространяется на обслуживание большого числа пользователей и не поддерживает распределенные системы одноранговой связи без централизованного управления.
По принятому в ЦП принципу адресации устройств уровни 2, 3 и 4 модели OSI аналогичным образом используют "идентификатор" устройства в качестве ключевого компонента для направления трафика информационного обмена между устройствами. Например, уровень 2 - канальный уровень - идентифицирует входные и выходные соединения с использованием доступа к среде передачи данных или MAC-адресов; уровень 3 - сетевой уровень - маршрутизирует пакеты через сеть с использованием IP-адресов; а уровень 4 - транспортный уровень - использует адреса портов для определения типа переносимых данных, например, электронной почты, веб-страниц, файлов и т.д. В ЦП шина адреса, шины данных и линии прерывания выполнены в виде отдельных линий, также называемых "параллельным" портом. Несмотря на то, что параллельные порты эффективны с точки зрения повышения скорости передачи данных для линий связи внутри одной микросхемы или для высокоскоростных соединений на коротком расстоянии на материнской плате компьютера, для связи на более дальнем расстоянии большое количество линий является дорогостоящим и нецелесообразным.
фигуре 4
Вместо этого самым распространенным способом электронной связи сегодня является последовательная связь с доставкой информации в пакетах, передаваемых в течение более продолжительного времени. Пакет IP, показанный ранее на , содержит все необходимые данные маршрутизации и связи для доставки контента - полезной нагрузки 84 - от отправителя к получателю через сеть связи, локально или глобально. Каждый IP-пакет содержит необходимые адреса, в том числе информацию канального уровня в заголовке канала передачи данных 81, информацию об IP-адресе в заголовке 82 IP и информацию об адресе порта в заголовке TCP/UDP 83, при этом они организованы последовательно и принимаются в определенном порядке в течение некоторого времени 86, а не отправляются одновременно и параллельно.
Уровень 2 модели OSI - канальный уровень
фигуре 7A
Чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы в управлении потоком информации при связи с несколькими устройствами только на физическом уровне, семиуровневая модель OSI включает в себя абстрактную конструкцию уровня 2 или "канальный" уровень. По сути,, канальный уровень выполняет обязанности координатора трафика, направляет поток данных и решает, какие данные на общей шине данных или в совместно используемой среде предназначены для конкретного устройства. Роль уровня 2 - канального уровня - иллюстрируется на примере, приведенном на , где устройства 145A, 145B и 145C совместно используют общее соединение или "шину" 144, но каждое из них на канальном уровне имеет свой собственный интерфейс связи 146A, 146B и 146C, поддерживающий только один канал связи 147 в конкретный момент времени. Поэтому, несмотря на то, что многие устройства соединены друг с другом на физическом уровне, т.е. совместно используют общую аппаратную шину, на канальном уровне только два из них подключены друг к другу в конкретный момент времени. В частности, если устройство 145А желает установить связь исключительно с устройством 145В, то канал 147 образуется только между устройством А и устройством В, даже если устройство С подключено к ним обоим на физическом уровне.
Внедрив связанное с уровнем 2 оборудование или программное обеспечение в качестве интерфейса канального уровня во всех трех устройствах, т.е. канальные интерфейсы 146A, 146B и 146C, данные, отправляемые по шине данных 144, можно проверять и отфильтровывать для ограничения объема информационного обмена между устройствами отправителя и предполагаемого получателя. Остальные сетевые устройства, подключенные к шине, несмотря на то, что они по-прежнему принимают те же данные, игнорируют их и не предпринимают никаких действий в результате приема входящего сообщения. Такой протокол используется последовательным периферийным интерфейсом (шиной SPI), где несколько устройств подключены к общей "шине данных", эта шина передает данные, но реагируют только те, чей адрес поступает по линии адреса. Таким образом, шина SPI используется для управления светодиодами в системе подсветки ЖК телевизоров, что позволяет независимо управлять каждой строкой светодиодов на экране телевизора, чтобы облегчить регулировку яркости и "местное затемнение" для видеоконтента HD и UHD с высокой контрастностью. Эта же концепция также используется в архитектуре шин компьютерной памяти для выбора банка памяти при чтении или записи в слотах расширения PCI Express на компьютерах и в шине CAN, используемой в автомобилях.
Аналогично, концепция канального уровня используется в системе беспроводной связи Bluetooth для беспроводных наушников, громкоговорителей, видеокамер и т.д., где только ранее авторизованные или "связанные" сопряженные устройства могут устанавливать связь друг с другом. В протоколе Bluetooth процесс соединения, действия по организации канала передачи данных, происходят заранее и независимо фактической передачи данных. Как только связь будет установлена, два связанных устройства могут, по меньшей мере теоретически, осуществлять информационный обмен без помех со стороны других переговоров в системе Bluetooth, которые происходят одновременно между другими сторонами. В действительности, шина информационного обмена Bluetooth 144 представляет собой общий радиоканал с ограниченной пропускной способностью и информационной емкостью. По определению комитета стандартов Bluetooth и по обоюдному согласию Федеральной комиссии связи США (FCC) и соответствующих агентств других государств, каждое совместимое с Bluetooth устройство осуществляет широковещательную передачу в одном и том же общем радиодиапазоне или "канале". Каждый из происходящих одновременно сеансов вещания занимает часть доступной полосы пропускания канала и скорости передачи данных. Несмотря на перекрытие сеансов передачи, данные не конфликтуют достаточно долго, пока канал не становится перенаселенным. Чтобы свести к минимуму риск возникновения конфликтов между данными и обойти проблемы перенаселения и доступности каналов, связь по каналу Bluetooth намеренно ограничивается очень малой дальностью и чрезвычайно низкой скоростью передачи данных.
В ранее описанной архитектуре шины физическое соединение представляет собой общую линию, электрическое соединение или среду, подключенную напрямую или совместно используемую несколькими устройствами. В архитектуре шины любое подключенное к шине устройство, потребляет некоторую энергию от шины, чтобы осуществлять связь, и, хотя и немного, но снижает качество работы шины. Это явление, постепенно снижающее качество работы шины при каждом подключении дополнительного устройства, называется "нагружением". В случае если нагружение слишком велико, шина не в состоянии работать в пределах заданных показателей качества, и связь либо перестает работать, становясь слишком медленной, либо работает с большим количеством ошибок. Максимальное количество устройств, при подключении которых к линии или шине она еще работает и обеспечивает заданные показатели качества, называется "нагрузочной способностью" шины или соединения. Чтобы смягчить опасность нагружения, шина может быть разбита на несколько сегментов, каждый из которых работает по принципу "один-к-одному", где улучшается целостность сигнала, или осуществляется его буферизация по мощности перед отправкой другим устройствам. С точки зрения подключения, передаваемые данные или сигнал, канал передачи данных остаются такими же, как и в шинной архитектуре, но мощность электрического, оптического или радиосигнала, физические данные постоянно поддерживаются на нужном уровне независимо от количества сетевых устройств.
фигуре 7В
Примером таким образом подключенной сети, содержащей соединения "один-к-одному" с усиленными сигналами, является архитектура концентратора, показанная на , где устройства A, B и C, показаны в простой форме стеками связи 146A, 146B и 146C, соответственно, подключаются друг к другу через шину усиления сигнала или "концентратор" 148. Концентратор точно воспроизводит контент входящего сигнала без изменения, фильтрации или интерпретации потока данных, а затем выводит усиленную версию того же сигнала на линии, подключенные к другим устройствам.
Каждое устройство соединяется с концентратором 148 через свою собственную выделенную линию связи, а именно, 151A, 151B и 151C, соединяя стек связи периферийного устройства 146A со стеком связи концентратора 150A, стек связи устройства 146B со стеком связи концентратора 150B и стек связи устройства 146C со стеком связи концентратора 150С, соответственно. В свою очередь, стеки связи внутри концентратора 148 подключаются к высокоскоростной внутренней шине 149 для сетевых устройств, подключенных к концентратору. Несмотря на то, что все данные физического уровня проходят через концентратор 148 и внутреннюю шину 149, связь 147 уровня 2 - канального уровня - работает так, как будто только стек связи 146A в устройстве А связывается исключительно со стеком связи 146B в устройстве B, но не с устройством C. Тем не менее, данные физического уровня доставляются к каждому устройству, подключенному к концентратору, и с одинаковыми задержками распространения. Кроме того, поскольку нет способа узнать, какое устройство осуществляет вещание, а какие устройства слушают, концентратор должен поддерживать многонаправленную связь. Таким образом работают концентраторы для Ethernet и Thunderbolt. В других концентраторах, например, для "универсальной последовательной шины" (USB), концентратор имеет один вход и несколько выходов, как правило, от двух до шести, использующих разъемы USB разной формы, чтобы различать эти два типа и направление потока данных по умолчанию.
фигуре 7C
Другим способом соединения устройств, обеспечивающим усиление сигнала, является архитектура "последовательной линии связи" (daisy chain), показанная на , где устройства A, B и C соединены последовательно: стек связи 152A устройства A подключен к стеку связи 152B устройства B посредством физического соединения шины 151A, стек связи 152B устройства B подключен к стеку связи 152C устройства C посредством физического соединения шины 151B, а стек связи 152C устройства C соединен посредством физического соединения шины 152C со следующим устройством, включенным в эту последовательную линию связи, если таковая имеется. Чтобы прояснить тот факт, что физическое соединение и, собственно говоря, сам механический соединитель в проводных системах, отличаются друг от друга, каждый стек связи 152A, 152B и 152C содержит два интерфейса физического уровня 1, и только один канального уровня 2.
При работе последовательной линии связи поток физических данных поступает из канального уровня стека связи 152A в его физический интерфейс, а затем по кабелю, образующему физическое шинное соединение 151A, в физический интерфейс стека связи 152B, вверх на его канальный уровень, вниз во второй физический интерфейс устройства B, по кабелю, образующему физическое шинное соединение 151B, в физический интерфейс стека связи 152C и вверх на его канальный уровень. Таким образом, пока физический сигнал блуждает по всем трем показанным устройствам, канальный уровень соединяет только стек связи 152А устройства А со стеком связи 152С устройства С, а устройство В игнорирует данные, которые через него проходят. Примеры сетевой связи, основанной на архитектуре последовательной линии связи, включают шину FireWire, определяемую стандартом IEEE 1394, цифровой интерфейс музыкальных инструментов (MIDI), и уже устаревшую технологию Token Ring, использовавшуюся первыми персональными компьютерами на базе Windows. Положительным свойством устройств последовательной линии связи является то, что не требуется дополнительное устройство, т.е. концентратор, и все сетевые электрические соединения для подключения к нему. Одним из отрицательных свойств архитектуры последовательной линии связи является то, что задержка распространения между устройствами увеличивается с подключением каждого устройства, через которое проходят данные, что приводит к недопустимо низкой производительности, особенно в быстродействующих приложениях реального времени.
Во всех трех примерах архитектуры шины, архитектуры концентратора и архитектуры последовательной линии связи данные физического уровня отправляются каждому сетевому устройству, даже если оно не является предполагаемым получателем. Устройство самостоятельно выполняет идентификацию и фильтрацию пакетов, сравнивая адрес принимаемых данных с собственным адресом, обычно заранее запрограммированным как фиксированный постоянный адрес с использованием энергонезависимой памяти, механических микропереключателей или перемычек в устройстве или в одной из его микросхем. Когда конкретное устройство распознает пакет данных с адресом получателя, который соответствует его адресу, оно отвечает, в противном случае оно вообще игнорирует пакет. Адрес устройства в пакете должен соответствовать используемому протоколу связи, будь то MIDI, USB, IEEE 1394, Thunderbolt и т.д. В случае, когда пакет использует интернет-протокол в качестве канального уровня, адресу присваивается определенное имя, называемое "media access" (доступ к среде) или MAC-адрес, который будет рассматриваться ниже в этом описании.
Один из ключевых атрибутов архитектуры шины, концентратора и последовательной линии связи заключается в том, что данные, транслируемые на физическом уровне, т.е. электрические, радио или оптические сигналы, отправляются каждому сетевому устройству. Этот способ расходует значительную часть пропускной способности сети на ненужную отправку пакетов устройствам, которые в них не нуждаются и для которых они не предназначены. Поскольку Ethernet стал преобладающим стандартом для локальной вычислительной сети или LAN-подключения, эти потери пропускной способности сети были идентифицированы и в конечном итоге устранены путем введения сетевого "коммутатора".
фигуре 8А
фигуре 7А
В реализациях LAN, подобных показанной в примере с тремя устройствами на , коммутатор LAN 159 вставлен посреди коммуникационного физического уровня интерфейсов связи 146A, 146B и 146C, содержащихся в устройствах 145A, 145B и 145C. В отличие от шинного соединения, показанного ранее на , с одной общей шиной данных 144, соединяющей устройства, добавление коммутатора LAN 159 делит эту шину на три отдельных соединения "один-к-одному", а именно: физическое соединение 148А между устройством 145А и коммутатором 159, физическое соединение 148B между устройством 145B и коммутатором 159, физическое соединение 148C между устройством 145C и коммутатором 159 и т.д. Согласно фигуре, каждое физическое соединение осуществляется только между двумя устройствами "один-к-одному", при этом промежуточные устройства отвечают за передачу потока последовательных данных к его соседним сетевым устройствам.
Этот принцип может распространяться на любое количество устройств, при этом работа коммутатора LAN 159 может быть однонаправленной или двунаправленной, полудуплексной или полнодуплексной. В процессе работы, чтобы установить канал передачи данных 147 исключительно между интерфейсами связи 146A и 146B подключенных к сети устройств 145A и 145B, коммутатор 159 LAN устанавливает соединение физического уровня только между двумя коммуникационными сетевыми устройствами 145A и 145B. Таким образом, на физическом уровне соединение устанавливается исключительно между двумя коммуникационными устройствами, а именно, между устройством 145А и устройством 145В, но без подключения каких-либо других сетевых устройств, например, устройства 145C. Одним из преимуществ использования коммутатора LAN 159 является то, что устройство 145С не занимается прослушиванием ненужной информации, имеющейся в сети, и его интерфейс связи 146C остается свободным до тех пор, пока он не будет вызван.
Вторым преимуществом использования коммутатора LAN 159 является то, что сигнал, поступающий в коммутатор 159 LAN, усиливается перед отправкой соседнему сетевому устройству, поэтому при увеличении количества устройств, подключаемых к коммутатору LAN 159 не происходит нагружения, ослабления сигнала или воздействия на скорость передачи данных. Таким образом, нагрузочная способность коммутатора LAN 159, по сути, не ограничена и определяется только количеством подключений в коммутаторе LAN.
фигуре 8B
Схематическое изображение коммутатора LAN 159 иллюстрируется на , на котором показаны линии 160A-160F. В точке пересечения в каждой комбинации двух линий находится узел LAN 161, представляющий собой двунаправленный переключатель и усилитель. Например, узел AB соединяет линию В 160В с линией А 160А, узел BE соединяет линию В 160В с линией E 160Е, узел CE соединяет линию C 160C с линией E 160E и так далее. При нормальной связи каждая линия соединяется не более чем с одной другой линией для создания взаимосвязанной пары. Сразу после размещения устройства таблица маршрутизации MAC-адресов уровня 2 (не показана) сохраняется с коммутатором LAN, чтобы отслеживать, какие устройства подключены и к какому разъему. Эта таблица, по сути, сопоставляет MAC-адреса с их физическим подключением к коммутатору LAN, устанавливая точную связь между уровнем 2 - канальным уровнем - и уровнем 1 - физическим уровнем. Таблица является динамической, поэтому, если одно устройство отключается от сети, а другое подключается к ней, таблица маршрутизации MAC-адресов автоматически обновляется в коммутаторе LAN 159.
В особых случаях, когда осуществляется широковещательная передача данных каждому устройству в сети, например, при запуске, когда одно устройство может искать другое, но не идентифицировать его местоположение на коммутаторе LAN, тогда каждое устройство может быть соединено одновременно только с одним источником, передающим данные, и остальными устройствами, принимающими их. Благодаря встроенным усилителям, даже в широковещательном режиме каждый сигнал буферизуется, поэтому снижение быстродействия или искажение сигнала не происходит.
фигуре 8C
Третье и самое важное преимущество использования коммутатора LAN 159 - он значительное увеличивает пропускную способность всей сети, позволяя одновременно и независимо осуществлять несколько разговоров между парами устройств, согласно . В этом примере устройства 145A, 145B, 145C и 145F соединены с коммутатором LAN 159 физическими линиями 160A, 160B, 160C и 160F соответственно. Через канальный уровень 2 устройства 160А и 160В устанавливают выделенный канал связи АВ 164, в то время как устройства 160C и 160F одновременно устанавливают выделенный канал связи CF посредством соединения 165. При передаче информации устройства 145А устройству 145В данные отправляются по линии 160A через "включенный" узел LAN 162 и по линии 160B к устройству 145B. Одновременно при передаче информации устройства 145C устройству 145F данные отправляются по линии 160C через узел LAN 163 и по линии 160F устройству 145F. Все остальные узлы LAN остаются выключенными, даже если устройства подключены к другим линиям.
Таким образом, два независимых канала связи или "разговора" могут осуществляться при максимальной скорости передачи данных в соединении АВ 164 и соединении CF 165, не ожидая совместной работы на общей шине данных. Таким образом, в приведенном примере пропускная способность сети, соединяющей четыре устройства, удваивается при использовании коммутатора LAN 159 и архитектуры LAN, по сравнению с использованием шинной архитектуры сети, концентраторов или последовательной линии связи. В коммутаторе LAN с "n" линиями и соединениями максимальное число одновременных разговоров составляет "n/2", в то время как альтернативные сети, использующие последовательные соединения, могут в конкретный момент времени поддерживать только один разговор.
Следует отметить, что когда подключены друг к другу два устройства, например, устройства 145A и 145B с соединением AB 164, связь с использованием одной линии является только полудуплексной, поскольку только одно устройство может "говорить" в конкретный момент времени, в то время как другое слушает. Если требуется полнодуплексная связь, количество линий и соединений узла в коммутаторе LAN 159 должно быть удвоено, причем выход устройства 145А должен быть подключен ко входу устройства 145В, и одновременно выход устройства 145В должен быть подключен ко входу устройства 145A. Таким образом, для полнодуплексного разговора устройства A с устройством B одновременно должны быть задействованы два соединения - соединение AB, по которому устройство A отправляет данные устройству B, и соединение BA, по которому устройство B отправляет данные устройству A, при этом каждое из них должно находиться на разных линиях и проходить через уникальные узловые соединения.
фигуре 8C,
Несмотря на то, что иллюстрации, приведенные на  могут подразумевать, что линии 160A-160F представляют собой провода и вилки электрического разъема, это описание в равной мере справедливо, если эти линии являются линиями радиосвязи или оптической связи. Для случая радиосвязи каждая линия может, например, представлять собой уникальную полосу частот или "подканал", используемый для передачи данных одной линии, и где 20 радиочастот, диапазонов или подканалов могут использоваться для одновременной и независимой передачи до 10 различных разговоров. Для случая оптической связи каждая линия может представлять собой другую длину волны света или уникальную схему модуляции. Радио или оптический интерфейс преобразует электромагнитную связь обратно в электрические сигналы в устройствах связи. Таким образом, коммутатор LAN может использоваться для повышения пропускной способности любой настроенной на сеть системы связи.
Несмотря на появление большого количества протоколов и стандартов для направления трафика и передачи данных в сетях с коммутацией пакетов, появилось несколько широко распространенных стандартов, которые требуют более подробного объяснения. Ниже рассматриваются широко применяемые или разработанные на основе существующих устаревших стандартов протоколы связи и связанное с ними оборудование, а именно:
● Ethernet (IEEE 802.3) для сетей связи на основе электрических соединений;
● Wi-Fi (802.11) для сетей радиосвязи ближнего действия;
● 4G/LTE для сетей радиосвязи дальнего действия;
● DOCSIS 3.0 для сетей связи на основе коаксиальных и волоконно-оптических кабелей.
Ethernet (IEEE 802.3) -
фигуре 9
В современных сетях с использованием электрических соединений для создания LAN большинство проприетарных сетей заменено сетями на основе общепризнанного стандарта IEEE 802.3, называемого Ethernet. Спецификация Ethernet устанавливает требования к пакету данных, используемому канальным уровнем 2, а также определяет электрические соединения, напряжения, скорость передачи данных, скорости связи и даже физические соединители - вилки и розетки. Поэтому Ethernet как стандарт представляет собой спецификацию как для канального уровня 2, так и для физического уровня 1. Спецификация контента пакета данных Ethernet - пакета Ethernet уровня 1 188 и пакета Ethernet уровня 2 189 - графически показана на  как последовательные данные, представленные слева направо в направлении хода времени 86. Соответствующая таблица 190 описывает функцию каждого блока или под-пакета в пакете Ethernet.
Пакет Ethernet уровня 2 189, согласно фигуре, содержит MAC-адрес получателя 182, MAC-адрес отправителя 183, дополнительный блок виртуальной LAN 184, блок Ethertype 185, контроль кадра 186 и полезную нагрузку 187, представляющие фактические данные, передаваемые пакетом Ethernet. Чтобы обеспечить выполнение требований к скорости, размер пакета Ethernet-уровня 2 может, в соответствии со спецификацией Ethernet, изменяться от 64 до 1518 байт для переноса полезной нагрузки от 42 до 1500 байт. В случае, когда в пакет включен дополнительный блок VLAN 184, длина пакета увеличивается на 4 байта, а максимальная длина пакета Ethernet уровня 2 составляет 1522 байта.
Пакет Ethernet уровня 1 188 объединяет все содержимое пакета Ethernet уровня 2 189 с заголовком, содержащим SFD (от анг. Start Frame Delimeter - начальный разделитель кадра) 181 для синхронизации и преамбулу 180 как заголовок кадра данных. Максимальная длина пакета Ethernet уровня 1 188 при этом на 8 байт больше, чем длина пакета Ethernet уровня 2 189: от минимального размера 72 байта до максимальной длины 1526 байт без дополнительной VLAN или до 1530 байт с учетом блока VLAN 184.
Во время работы задача преамбулы 180 как подполя заголовка кадра данных уровня 1 заключается в том, чтобы помочь оборудованию первоначально идентифицировать устройство, пытающееся отправить данные. Начальный разделитель кадра (SFD) 181, еще один артефакт уровня 1, используется для синхронизации данных входящих пакетов с синхронизирующими таймерами, чтобы обеспечить достоверное считывание данных. После приема этих двух блоков пакета Ethernet уровня 1 188 пакет Ethernet уровня 2 189 начинается с MAC-адреса получателя 182 и MAC-адреса отправителя 183, описывающих, для какого сетевого устройства, подключенного к LAN предназначены эти данные и откуда они поступают. Коммутатор LAN - это интеллектуальное устройство, способное маршрутизировать данные в соответствии с этими адресами. Блок VLAN 184 является дополнительным и, если он присутствует, облегчает фильтрацию пакетов путем их разбиения на подсегменты или виртуальные локальные сети в соответствии со спецификацией IEEE 802.1Q. Ethertype 185 определяет формат данных либо как тип данных, либо как его длину в зависимости от его формата. Ethertype 185 и VLAN 184 соответствуют формату, который предотвращает путаницу в отношении того, введены ли данные о дополнительной VLAN 184 или нет.
После того, как все данные заголовка приняты, полезная нагрузка 187 содержит фактические данные, которые должны передаваться пакетом Ethernet. Эти данные могут соответствовать Интернет-протоколу и могут содержать данные, инкапсулирующие контент уровней 3-7, как предусмотрено в модели OSI. С другой стороны, в специально разработанных системах полезная нагрузка 187 может содержать протоколы, принадлежащие конкретному оборудованию или производителям. Если все необходимые данные не могут быть отправлены в пакете максимального размера 1500 байт, разрешенном стандартом Ethernet, тогда полезная нагрузка может быть разбита на части или отправлена с использованием альтернативного протокола, например, Jumbo-кадра, который может передавать до 9000 байт данных - в шесть раз больше, чем стандартный пакет Ethernet. Поле контроля кадра 186 содержит простую информацию, связанную с проверкой ошибок для пакета Ethernet уровня 2 189, но не данных пакета Ethernet уровня 1 для преамбулы 180 или SFD 181. Проверка кадра 186 осуществляется по алгоритму проверки циклической избыточности длиной 32 бита, способному обнаруживать непреднамеренные изменения в необработанных данных пакета Ethernet уровня 2 189.
Стандартная физическая среда для Ethernet - это электрический или волоконно-оптический кабель, причем электрический кабель в настоящее время является наиболее распространенным. Скорость передачи данных со временем изменилась от 10-100 Мбит/с в последнее время до 1-100 Гбит/с - это так называемый "гигабитный Ethernet". Кабели Ethernet используют легко различимые разъемы RJ-45 для защиты соединений между коммутаторами LAN и такими устройствами, как серверы, стационарные компьютеры, ноутбуки, приставки и модемы. В некоторых случаях, к Ethernet может быть применена технология "Питание через Ethernet" (Power over Ethernet, PoE). Эта технология позволяет подавать питание на устройство через витую пару в сети Ethernet.
Wi-Fi (802.11).
Во многих случаях Ethernet используется для установления беспроводного сетевого соединения с мобильными устройствами с использованием линии радиосвязи ближнего действия. Со временем проприетарные беспроводные линии были заменены стандартизированными системами ближней связи с протоколом, определенным стандартом IEEE 802.11, с коммерческим названием Wi-Fi. Часто объединяющие функции маршрутизатора и коммутатора с радиоприемниками и передатчиками, роутеры Wi-Fi теперь часто устанавливают в домах, офисах, предприятиях, кафе и общественных местах.
фигуре 10
Радиолиния, показанная на , иллюстрирует комбинацию двух взаимосвязанных сетей, одна из которых содержит устройство "MAC-доступа к Ethernet" 200A, а другая содержит радиолинию, а именно "точку доступа радиосвязи" 200B. Интерфейсная схема и соответствующий микропрограммируемый блок 202 обеспечивают физический интерфейс уровня 1, т.е. физический мост 204A и 204B между электрической сетью и радиосетью, а также упрощает канальный уровень 2 205A и 205B между протоколом Ethernet и протоколом радиосвязи, например, Wi-Fi. В процессе работы данные из Ethernet 201 поступают в стек связи 203A, при этом физические сигналы соединяются с интерфейсом 202 через соединение физического уровня 1 211, а информация канального уровня 2 проходит через соединение 205A.
После обработки данные передаются из интерфейса 202 в стек связи 203B точки радиодоступа 200B, при этом физические сигналы подключаются через соединение физического уровня 1 204B, а информация канального уровня 2 проходит через соединение 205B. Затем эта информация поступает через соединение 204 в приемопередатчик радиосвязи и транслируется по любому из "n" радиоканалов через радиолинии 206A-206N для выхода на радиоантенну 207. При приеме радиосигналов данные проходят по тому же пути, но в противоположном направлении по отношению к вышеупомянутому описанию.
Интерфейс 202 также может действовать как коммутатор LAN для поддержки одновременной связи на разных радиоканалах одновременно с разными сетевыми устройствами, подключенными к Ethernet, в этом случае к устройству радиосвязи подключается несколько кабелей Ethernet 201. В альтернативном варианте несколько разговоров могут быть последовательно отправлены по одному соединению Ethernet с входным устройством при использовании уровней 3 и 4 для управления маршрутизацией пакетов для разных получателей.
Одним из стандартизированных устройств и протоколов ближней радиосвязи является беспроводная локальная сеть или устройство WLAN, работающее в соответствии со спецификацией IEEE 802.11. Такие устройства с коммерческим названием Wi-Fi используются для беспроводного доступа в Интернет и для систем беспроводного распределения (Wireless Distribution Systems), т.е. для радиосвязи, используемой взамен проводных соединений в местах, где прокладывать кабели неудобно, сложно или дорого. Помимо основной спецификации IEEE 802.11, для определения частот несущих, каналов, схем модуляции, скорости передачи данных и диапазона радиосвязи используются такие ее подверсии, как 802.11a, 802.11n, 802.11ac и т.д. Сводная информация о подверсиях стандарта 802.11, одобренных IEEE на момент оформления настоящей заявки, приведена в следующей таблице:
Версия802.11
Датавыпуска
Частотанесущей, ГГц
Полоса пропусканияканала, МГц
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с
Максимальное количество MIMO
Модуляция
Дальность действия в помещении, м
Дальность действия вне помещения, м
a
Сентябрь 1999
5
20
6-54
Нет
OFDM
35
120
3,7
-
5000
b
Сентябрь 1999
2,4
22
1-11
Нет
DSSS
35
140
g
Июнь 2003
2,4
20
6-54
Нет
OFDMDSSS
38
140
n
Октябрь 2009
2,4 или 5
20
7,2-72,2
5
OFDM
70
250
40
15-150
ac
Декабрь 2013
5
20
7,2-96,3
8
OFDM
35
-
40
15-200
80
32,5-433,3
160
65-866,7
ad
Декабрь 2012
60
2160
6,912
Нет
OFDMс одной несущей или малой мощностью
-
-
Согласно таблице, в основном Wi-Fi работает на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц; частота 3,7 ГГц, предназначенная для маршрутизации беспроводных распределенных систем (WDS) на большие расстояния, до сих пор принята только в США. Для гигабитных скоростей передачи данных недавно принята несущая 60 ГГц, совместимая с другими высокоскоростными сетями, например, с Gigabit Ethernet и волоконно-оптический кабелем с использованием DOCSIS 3.0. Для поддержки параллельной работы нескольких пользователей в кафе и общественных местах стандарты 802.11n и 802.11g предлагают параллельное 5-канальное и 8-канальное подключение MIMO (многоканальный вход - многоканальный выход). Для достижения высокой пропускной способности Wi-Fi в основном использует OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) в качестве способа кодирования цифровых данных на нескольких близко расположенных ортогональных каналах поднесущих.
Во время работы OFDM распределяет единый сигнал по поднесущим, при этом один чрезвычайно быстрый сигнал разделятся на несколько медленных сигналов. Ортогональность в этом контексте означает, что смежные каналы поднесущих не перекрываются, что исключает путаницу в отношении распределения данных по каналам. Затем эти несколько поднесущих собирают в приемнике и рекомбинируют для восстановления одной высокоскоростной передачи. Поскольку скорость передачи данных в каналах поднесущих ниже, чем в одном высокоскоростном канале, чувствительность сигнала к искажениям и помехам снижается, что повышает надежность радиосвязи даже в условиях шума и на большом расстоянии. За исключением особого диапазона 3,7 ГГц, дальность действия Wi-Fi ограничивается 70 м в помещении и 250 м на открытом воздухе при повышенной мощности вещания. Wi-Fi не обладает возможностями переключения, которые свойственны сотовой связи, поэтому его использование для мобильной связи на большие расстояния проблематично, оно отнесено к технологии LTE, описанной ниже.
4
В режиме Wi-Fi с использованием OFDM-модуляции передаваемые данные объединяются в "символы", тип представления данных, который естественным образом сжимает многие цифровые состояния в меньшее количество символов. Затем эти символы передаются с низкой "скоростью передачи символов" для обеспечения невосприимчивости к потере данных, связанной с проблемами переноса несущей. Этот подход обеспечивает повышение скорости передачи данных со снижением частоты ошибок, повышением качества обслуживания и снижением чувствительности к колебаниям уровня сигнала, радиоотражениям и внешнему шуму или электромагнитным помехам. Символом может быть любая модуляция, например, частота, тон или конкретный шаблон импульса, коррелирующий с каждым конкретным символом, где последовательность символов при фиксированной длительности может быть преобразована в поток данных со скоростью передачи битов, превышающей скорость передачи символов. Этот способ аналогичен флагам семафора, где флаг может перемещаться в одну из шестнадцати фиксированных позиций через заданный промежуток времени, например, через одну секунду. Скорость передачи символов, также известная как скорость "в бодах", при этом равна одному символу в секунду или одному боду, где термин "бод" определяется как "количество изменений отдельных символов, внесенных в среду передачи в секунду". Так как флаг может иметь 16 различных значений, в двоичном виде восемь состояний эквивалентны 4 битам, поскольку 2=16 состояний. Тогда скорость передачи одного символа в секунду или 1 бод равна скорости передачи 4 бит/с, что в четыре раза превышает скорость передачи символов. Аналогично, используя 16 разных тонов для представления символов, скорость передачи символов в 10 млн. символов в секунду может приводить к скорости передачи битов 40 Мбит/с.
Однако количество используемых символов влияет не только на скорость передачи битов, но также на частоту ошибок и качество обслуживания. Например, если используется слишком много символов, точное определение символов в условиях внешнего шума может оказаться сложной задачей для процессора цифровой обработки (DSP) радиосигналов, а частота ошибок при распознавании данных увеличится и будет требовать повторной передачи данных для получения правильной контрольной суммы при динамическом контроле CRC пакета. Использование меньшего количества символов при любой заданной скорости передачи символов облегчает их распознавание, но, в свою очередь, снижает скорость передачи битов и пропускную способность связи. По аналогии, если флаг семафора может перемещаться только в одну из четырех позиций, а не шестнадцати, то его легче увидеть при проливном дожде, так что вероятность ошибки связи, т.е. его неправильного считывания, значительно уменьшается. При использовании только одной из четырех позиций флага скорость передачи данных в бодах по-прежнему составляет 1 символ в секунду, но скорость передачи битов падает до 2 бит/с, потому что 22=4. Таким образом, существует внутренний компромисс между скоростью передачи данных в битах и частотой ошибок при распознавании битов, который Wi-Fi может регулировать путем динамической корректировки скорости передачи символов. Аналогичный компромисс достигается в системе радиосвязи стандарта LTE (долговременного развития).
В версиях a, g и n стандарта 802.11 новый символ может передаваться через 4 мкс или с частотой 250 000 бод для каждого канала поднесущей. Wi-Fi использует 64 канала поднесущих, поэтому теоретически максимальная скорость передачи символов должна составлять 16 Мбод при максимальной пропускной способности канала. Но для защиты от межканальных помех фактически доступно 48 из 64 каналов поднесущей, что снижает скорость передачи символов до 12 Мбод при максимальной пропускной способности канала. В современной радиосвязи символы преобразуются в биты на нескольких уровнях, эти уровни динамически изменяются с изменением условий радиосвязи за счет использования различных схем фазовой модуляции, приведенных ниже в таблице:
Фазовая модуляция
Условия радиоканала
Количество битов на символ
Скорость передачи символов для поднесущей
Максимальная скорость передачи символов в канале Wi-Fi в многоканальном режиме
Максимальная скорость передачи битов в канале Wi-Fi
BPSK
Наличие шума или дальняя связь
1
250 кбод
12 Мбод
12 Мбит/с
QPSK
Хорошие, средняя дальность
2
24 Мбит/с
16-QAM
Очень хорошие, малая дальность
4
48 Мбит/с
64-QAM
Отличные, очень малая дальность
6
72 Мбит/с
где соотношение между скоростью передачи символов и скоростью передачи битов определяется следующим выражением:
(Скорость передачи битов)/(Скорость передачи символов)=Количество битов в символе
где скорость передачи битов измеряется в битах в секунду или бит/с, а скорость передачи символов измеряется в символах в секунду или "бодах". Из приведенных схем фазовой модуляции "двухпозиционная фазовая манипуляция" (BPSK) лучше всего работает на больших расстояниях и в условиях значительного шума в системе радиосвязи, но использует чисто бинарный способ - один бит на символ, поэтому она ограничена низкими скоростями передачи данных. В хороших условиях радиосвязи скорость передачи данных превышает скорость передачи символов, то есть (Количество битов в символе)>1, а скорость передачи битов в радиоканале может быть увеличена в любом месте 2-6 раз, по сравнению с BPSK, в зависимости от условий радиосвязи, отсутствия электромагнитных помех, расстояния между приемопередатчиками и вещательной мощности радиостанции. Например, в хороших условиях или в системе дальности радиосвязи способы "квадратурной фазовой манипуляции" (QPSK) обеспечивают удвоенную скорость передачи данных, по сравнению с BPSK при 2 битах в символе. В очень хороших условиях, ограниченных работой на малой дальности, "16-позиционная квадратурная амплитудная модуляция" (16-QAM) может обеспечить четырехкратное увеличение скорости передачи символов при 48 Мбит/с в системе беспроводной связи Wi-Fi. При отличных условиях в бесшумной среде скорость передачи данных может увеличиваться до 6 битов в символе с помощью 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (64-QAM). Схемы фазовой модуляции в системах связи хорошо известны специалистам в данной области техники и не будут обсуждаться далее в этом описании.
В системах, соответствующих стандартам 802.11b и 802.11g, используется другая схема модуляции спектра - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS), где термин "расширение" относится к тому факту, что в DSSS сигналы несущей возникают во всей полосе пропускания, т.е. в спектре частот передачи устройства радиосвязи. В системе DSSS модулирующая схема использует непрерывную последовательность символов псевдошумового кода, который короче одного информационного бита, для фазового сдвига синусоидальной волны псевдослучайным образом до передачи и вычитания того же шума из сигнала приемника. В результате фильтрации некоррелированный шум полностью удаляется, и связь может осуществляться надежно даже при наличии шума и электромагнитных помех в радиоканале, даже при отношении сигнал-шум ниже единицы. Поскольку улучшенный спектр использует полный диапазон радиосвязи, такие способы больше не являются предпочтительными для OFDM и не используются в новейших реализациях Wi-Fi.
фигуре 11
Помимо определения деталей физического уровня для диапазонов радиосвязи и схем модуляции, стандарт 802.11 также определяет формат последовательного пакета данных, необходимый для осуществления связи с Wi-Fi радиомодулями. По сравнению с пакетом Ethernet, заголовок пакета Wi-Fi является более сложным, отчасти потому, что он должен указывать адреса приемной и передающей станции, а также один или два сетевых адреса. Структура данных пакета Wi-Fi, приведенная на , графически показана как последовательность данных, размещаемых слева направо в направлении увеличения времени 86. Соответствующая таблица 242 описывает функцию каждого блока и под-пакета в пакете Wi-Fi. Как и пакет Ethernet, кадр данных включает информацию канального уровня 2, инкапсулированную в кадре данных уровня 1 с заголовком уровня 1.
Заголовок уровня 1 содержит преамбулу 230 длиной 10 байт и начальный разделитель кадра (SFD) 231 длиной 2 байта, а также PLCP (процедуру схождения физических уровней) 232 длиной 2 байта. Несмотря на то, что считается, что PLCP содержит данные и уровня 1, и уровня 2, здесь будем полагать, что это данные уровня 1. Тогда можно считать, что заголовок уровня 1 имеет длину 14 байт, а оставшуюся часть пакета Wi-Fi составляют данные уровня 2, изменяющиеся по длине от 34 байт в отсутствие полезной нагрузки до 2346 байт при максимальной полезной нагрузки 241, величиной в 2312 байта. При максимальной длине полезной нагрузки 2312 байт пакет Wi-Fi длиннее, чем пакеты Ethernet, которые в стандартной форме ограничены длиной полезной нагрузки 1500 байт. Компоненты уровня 2 пакета Wi-Fi, согласно фигуре, включают в себя управление кадром 233, продолжительность 234, MAC-адреса 1 и 2 базовой радиостанции, показанные как блоки 235 и 236 соответственно, условные MAC-адреса 3 и 4, показанные как блоки 237 и вспомогательный блок 239 соответственно, последовательность 238 и контроль кадра 240.
Во время работы задача преамбулы 230 как подполя заголовка кадра данных уровня 1 заключается в том, чтобы помочь оборудованию первоначально идентифицировать устройство, пытающееся отправить данные. Начальный разделитель кадра (SFD) 231, еще один артефакт уровня 1, используется для синхронизации данных входящих пакетов с синхронизирующими таймерами, чтобы обеспечить достоверное считывание данных. После этих двух блоков процедура схождения физических уровней (PLCP) 232 предоставляет информацию, относящуюся к длине пакета, скорости передачи данных и проверке ошибок заголовка.
Управление кадром 233, первые данные чисто канального уровня 2 определяют тип версии пакета Wi-Fi, т.е., содержит ли он информацию, относящуюся к управлению, команды управления, данные или зарезервированные функции, включая биты управления "к/от распределенной системы", используемые для того, чтобы определить, работает ли радиостанция в качестве точки доступа или системы беспроводного распределения. Поле "продолжительность" 234, также называемое "продолжительность и идентификатор", определяет продолжительность вектора предоставления сети (NAV), т.е., как долго радиосреда будет занята до того, как другая станция сможет претендовать на ее предоставление, за исключением режима энергосбережения, где она содержит информацию, идентифицирующую свой "идентификатор станции", используемый для распознавания своих маяков при проверке активности. Кроме информации о продолжительности, блоки адреса 1 и адреса 2 235 и 236 определяют адреса базовой станции, по сути, это MAC-адреса радиоприемопередатчика.
В частности, адрес 1 в блоке 235 содержит адрес принимающей станции BSS (от англ. Base Station Subsystem - подсистемы базовой станции), а адрес 2 в блоке 236 содержит адрес передающей станции BSS. При осуществлении связи между двумя радиостанциями, адреса которых загружены в Адрес 1 и Адрес 2, зависит от настройки "к/от распределенной системы", определенной в блоке 233, осуществляющем управление кадром. Адрес 3, определенный в блоке 237, используется для связи радиостанции с физической сетью, например, используя Ethernet, по сути, описывая, откуда поступают передаваемые данные, или, наоборот, где эти данные намереваются принимать. Таким образом, адрес, присутствующий в адресе 3, также зависит от настройки "к/от распределенной системы", определенной в пакете Wi-Fi. Для обеспечения совместимости с Ethernet-соединениями, адреса Wi-Fi имеют длину 6 байт, такую же, как MAC-адреса, используемые в локальных сетях Ethernet.
Чтобы определить направление передачи данных и иметь возможность реорганизовать пакеты, полученные с нарушенным порядком, т.е. поврежденные из-за воздействия фазовых задержек в радиоканале, блок последовательности 238 содержит номера последовательностей и фрагментов, определяющих пакетный кадр. Если пакет Wi-Fi не идентифицирован как пакет WDS (системы беспроводного распределения), то дополнительный адрес 239 исключается из пакета Wi-Fi. После блоков управления адресом и последовательностью находится полезная нагрузка 241 - фактическое содержимое, которое доставляется пакетом Wi-Fi, включая данные уровней 3-7 модели OSI. После этого осуществляется проверка кадра 240 по алгоритму проверки циклической избыточности длиной 32 бита для обнаружения непреднамеренных изменений в необработанных данных пакета Ethernet уровня 2.
фигуре 12А
Как описано выше, когда Wi-Fi радиомодуль используется в качестве "точки доступа", например, чтобы обеспечить радиоподключение мобильного устройства к Интернету, необходимы только три MAC-адреса - передающей радиостанции, приемной радиостанции и Ethernet-соединения. Порядок присвоения адресов зависит от направления потока данных, определяемого параметром "к/от распределенной системы". Термин DS (Distribution System) является сокращенным названием распределенной системы проводной сети или Ethernet-соединения, к которому подключена радиостанция. Порядок адресации в пакете Wi-Fi при работе с точкой доступа Wi-Fi показан на , где вверхняя часть фигуры соответствует случаю, когда мобильная радиостанция, в данном примере ноутбук 260, осуществляет беспроводную передачу данных в точку доступа Wi-Fi 261 и на распределенную систему через Ethernet 265, а нижняя часть фигуры соответствует случаю, когда данные из распределенной системы направляются в точку доступа Wi-Fi 261 через Ethernet 265, а затем отправляются по беспроводной линии связи в ноутбук 260.
Как представлено на верхней части фигуры, во время работы данные отправляются из Wi-Fi радиомодуля в ноутбук 260 с использованием радиосигнала 264, передаваемого от антенны 262А и принимаемого антенной 262B подсистемы базовой станции (BSS) в точке доступа Wi-Fi 261, которая, в свою очередь, отправляет пакет в распределенную систему через Ethernet 265. В этом случае последовательность 238 содержит биты "к/от распределенной системы", показанные в таблице 263, где для бита "к распределенной системе" установлено значение 1, а для бита "от распределенной системы" устанавливается значение 0. В таком случае адрес 1 в блоке 235 - MAC-адрес получателя в системе радиосвязи - содержит адрес приемника BSS Wi-Fi; адрес 2 в блоке 236 - MAC-адрес отправителя в системе радиосвязи - содержит адрес передающего радиомодуля ноутбука и адрес 3 в блоке 237 содержит MAC-адрес получателя любого подключенного к распределенной системе сетевого устройства, использующего Ethernet 265.
Как представлено на нижней части фигуры, где поток данных направлен в противоположную сторону, MAC-адреса отправителя и получателя в системе радиосвязи меняются местами, а адрес Интернета изменяется с MAC-адреса получателя на MAC-адрес отправителя. В этом случае последовательность 238 содержит биты "к/от распределенной системы", показанные в таблице 263, где бит "к распределенной системе" устанавливается равным двоичному 0, а бит "от распределенной ситемы" устанавливается равным двоичной 1, при этом адрес 1 в блоке 235 - MAC-адрес получателя в системе радиосвязи - содержит адрес радиоприемного модуля ноутбука, адрес 2 в блоке 236 - MAC-адрес отправителя в системе радиосвязи - содержит адрес передатчика BSS Wi-Fi, а адрес 3 в блоке 237 содержит MAC-адрес отправителя любого сетевого устройства, использующего Ethernet 265. В процессе работы пакеты данных отправляются через распределенную систему от сетевого устройства через Ethernet 265 в подсистему базовых станций (BSS) к точке доступа Wi-Fi 261, которая, в свою очередь, с помощью антенны 262B передает радиосигнал 264, который принимается антенной 262A в Wi-Fi радиомодуле ноутбука 260.
фигуре 12B
Спецификация Wi-Fi также предусматривает использование Wi-Fi радиомодулей для реализации систем беспроводного распределения (WDS), согласно . По схеме построения, WDS-системы - это бесроводная реализация проводной сети, т.е. радио аналог сетевого кабеля. Однако для реализации WDS при маршрутизации пакетов требуется дополнительный адрес - адрес 4, содержащийся в блоке 239. В простом представлении маршрутизация пакетов через систему беспроводного распределения Wi-Fi требует последовательного использования четырех MAC-адресов, посредством чего (1) входящий пакет с сетевого MAC-адреса отправителя подключается через Ethernet к (2) MAC-адресу отправителя передающей радиостанции, который, в свою очередь, подключается к (3) MAC-адресу получателя приемной радиостанции, с которого, наконец, пакет отправляется через Ethernet к (4) сетевому MAC-адресу получателя. Для работы Wi-Fi радиомодуля в режиме WDS блок последовательности пакетов Wi-Fi 238 содержит данные, показанные в таблице 263, где для обоих параметров "к/от распределенной системе" устанавливается состояние двоичной 1.
фигуры
12B
Направление данных пакета при этом легко определяется использованием четырех MAC-адресов, двух для систем беспроводного распределения и двух для Wi-Fi радиомодуля. Как представлено на верхней части , входящий пакет, принятый по Ethernet 269A, принимается базовой станцией Wi-Fi WDS A 268A, транслируется в виде радиосигнала 264 антенной 262A передающей радиостанции, принимается антенной 262B принимающего радиомодуля базовой станции Wi-Fi WDS B 262B и перенаправляется через Ethernet 269B на MAC-адрес получателя. Для управления маршрутизацией адрес 1 в блоке 235 представляет собой MAC-адрес получателя радиолинии, т.е. адрес Wi-Fi WDS B, адрес 2 в блоке 236 содержит адрес отправителя радиолинии, т.е. адрес Wi-Fi WDS A, адрес 3 в блоке 237 представляет собой MAC-адрес получателя Ethernet, перенаправленный на Ethernet 269B, а адрес 4 в блоке 239 содержит адрес отправителя Ethernet, принятый по Ethernet 269A.
фигуры 12B
Для передачи данных в обратном направлении от базовой станции Wi-Fi WDS B 268B к базовой станции Wi-Fi WDS A 268A, показанной в нижней части , адреса отправителя и получателя просто меняются местами, в результате чего адрес 1 в блоке 235 представляет собой MAC-адрес получателя радиолинии, т.е. адрес Wi-Fi WDS A, адрес 2 в блоке 236 содержит адрес отправителя радиолинии, т.е. адрес Wi-Fi WDS B, адрес 3 в блоке 237 представляет собой MAC-адрес получателя Ethernet, перенаправленный на Ethernet 269A, и адрес 4 в блоке 239 содержит адрес отправителя Ethernet, принятый по Ethernet 269B.
При этом пакет Wi-Fi является зеркальным отражением кадра данных Ethernet, и содержит адрес 3 в качестве MAC-адреса получателя и адрес 4 в качестве MAC-адреса отправителя, как если бы радиолиния вообще не участвовала в маршрутизации. Таким образом, при маршрутизации пакетов по сети с коммутацией пакетов системы беспроводного распределения, реализованной в виде Wi-Fi, ведет себя аналогично проводной сети. Кроме того, функция управляющих битов "к/от распределенной системы" позволяет одному и тому же Wi-Fi радиомодулю работать в качестве двунаправленного канала передачи данных, т.е. WDS, или в качестве двунаправленной точки доступа к сети.
Телефонная связь четвертого поколения (4G)/стандарт LTE (Long Term Evolution - долговременное развитие) -
фигуре 13
Аналогично переходу проводной телефонной системы связи от сетей с коммутацией каналов на систему связи с коммутацией пакетов, заменяя обычную телефонную систему (POTS) и абонентскую сеть связи (PSTN) сначала такими цифровыми сетями, как ISDN (англ. Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией служб), которые в своей работе используют проприетраное оборудование, а позже, IP-сетями с частной облачной инфраструктурой, такой же переход осуществила и беспроводная связь. Согласно , эволюция цифровой сотовой связи начиналась с услуг передачи голосовых и коротких сообщений (системы SMS) 290, передаваемых по сетям с коммутацией каналов, называемым GSM - расшифровка этой аббревиатуры, первоначально означавшая "Groupe Spécial Mobile", впоследствии была изменена на "Global System for Mobile Communications" (Глобальная система мобильной связи). GSM, которая считается вторым поколением (2G) беспроводной телефонной связи, оптимизированным для полнодуплексной речевой связи, заменила первоначальные аналоговые сотовые (1G) сети, построенные на основе протокола множественного доступа с разделением по времени (TDMA). Следующее усовершенствование телефонной связи, показанное блоком 291, появилось с целью расширения возможностей GSM, обеспечивая более высокую пропускную способность и добавляя такие функции, как передача мультимедийных сообщений (MMS). Все еще полагаясь на сетевые технологии с коммутацией каналов, усовершенствованные сети рассматривались как переходные, что получило отражение в их названии - 2.5G.
Первый шаг к мобильной телефонной связи поколения 3G был сделан с внедрением "пакетной радиосвязи общего пользования" (GPRS) путем перехода как беспроводной инфраструктуры, так и программного обеспечения телефона в сеть связи с коммутацией пакетов, улучшения услуг голосовой связи, SMS и MMS с помощью стандарта PTT (Push To Talk - нажми и говори), постоянного доступа к Интернету, протокола для приложений беспроводной связи (WAP) и т.д., согласно блоку 292. На основе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) GPRS также улучшает качество связи, увеличивает пропускную способность сети и повышает производительность системы. Например, доставка SMS-сообщений через GPRS осуществляется со скоростью, по меньшей мере, в три раза превышающей скорость GSM. При скорости 384 Кбит/с производительность CDMA была в 40 раз выше, чем для предыдущих решений на основе GSM.
Переход на CDMA стал значительным событием, поскольку он включал замену и переустановку инфраструктуры мобильной связи всего мира с использованием новых приемопередатчиков и антенн. После развертывания технологии WCDMA (широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов) был сделан второй, еще более важный шаг в 3G-телефонии с внедрением UMTS ("универсальной системы мобильной связи") - стандарта, разработанного в рамках проекта партнерства третьего поколения (3GPP), реализующего глобальный и всеобъемлющий подход к определению и развертыванию действительно универсальной сети и стандартизованного протокола. Чтобы расширить свои возможности и повысить пропускную способность сети, в стандарте UMTS принят новый протокол - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов (технология радиодоступа WCDMA), предлагающий повышение спектральной эффективности и пропускной способности операторам сетей мобильной связи, не требуя от них дополнительных инвестиций в оборудование для технологии 3G. В первых сетях максимальная скорость передачи данных в нисходящей линии связи составляла 3,6 Мбит/с.
Одновременно, разработка белого светодиода и эффективной миниатюрной схемы управления светодиодом впервые дала возможность использования цветных дисплеев в мобильных устройствах и способствовала появлению смартфона. Смартфон был критическим катализатором для коммерческого использования пропускной способности сети, поскольку цветные дисплеи повышенного качества незамедлительно создавали спрос на быстрый доступ в Интернет, загрузку фильмов, фотосъемку с высоким разрешением, мультимедийное вещание и даже на ограниченное онлайн-видео в реальном времени. Чтобы удовлетворить этот спрос, в обновленных сетях был развернут высокоскоростной пакетный доступ (HSPA), также известный как 3.5G, повышающий как скорость загрузки и скорость передачи данных в нисходящей линии связи, в то же время, используя способы модуляции WCDMA. Развертывание происходило по этапам - сначала была запущена технология высокоскоростной пакетной передачи данных от базовой станции к мобильному телефону (HSDPA) как версия 3GPP Release 5, а вскоре после этого появилась технология высокоскоростной пакетной передачи данных от мобильного телефона к базовой станции (HSUPA) как версия 3GPP Release 6. Максимальная скорость передачи данных повысилась приблизительно до 14 Мбит/с в нисходящей линии связи и приблизительно до 5,8 Мбит/с в восходящей линии связи, но она существенно отличается в зависимости от географического положения инфраструктуры.
Еще до широкого разворота HSUPA провайдеры сотовой связи перешли на технологию HSPA+, впервые определенную и стандартизованную в версии 3GPP Release 8, также известной как "Долговременное развитие 3GPP" (LTE). Эта технология представляет собой сеть с коммутацией пакетов, основанную на "множественном доступе с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов" (OFDMA) на основе того же способа OFDM, который используется в Wi-Fi и обсуждался ранее. Хотя OFDM была разработана для однопользовательской связи "один-к-одному", OFDMA можно рассматривать как многопользовательскую версию, поскольку в ней предусмотрена возможность динамически назначать подмножество поднесущих для отдельных пользователей.
При первоначальном развертывании LTE на базе HSPA+ скорость передачи данных составляла 21 Мбит/с. В 2008 году в секторе радиосвязи Международного союза электросвязи (ITUR) был определен набор требований к стандартам 4G, названный спецификацией IMTA (International Mobile Telecommunications Advanced - улучшенной международной мобильной связи), устанавливающий минимальные требования к максимальной скорости передачи данных для службы 4G на уровне 100 Мбит/с для связи с системами с высокой мобильностью, например, с поездами и автомобилями, и 1 Гбит/с для связи с объектами с низкой мобильностью, такими как пешеходы и стационарные пользователи.
Поскольку ранние системы LTE на основе HSPA+ не соответствовали спецификации IMTA по скорости передачи данных, такие ранние попытки создания систем 4G официально не признавались несмотря на то, что они использовали модуляцию OFDMA и сети с коммутацией пакетов. Вследствие этого не существует единого мнения о том, к какой категории следует относить технологию HSPA+ - к телефонной связи позднего 3G или раннего 4G с коммутацией пакетов. Было даже предложено название 3.9G. Независимо от названия, 4G-телефония, показанная в блоке 293, сегодня считается связью с коммутацией пакетов на основе OFDMA-модуляции и различных ее реализаций. Несмотря на технические и исторические изменения протоколов данных и использование неоднородных беспроводных сетей, в среде специалистов термины 4G, LTE и 4G/LTE используются неоднозначно и могут подменять друг друга.
фигуре 14А
Высокая скорость передачи данных и относительно высокая производительность 4G/LTE-телефонии во многом обязаны способам модуляции и структуре кадров данных. Согласно , модуляция в системах 4G осуществляется в полосе частот 20 МГц вокруг центральной несущей частоты, обычно в диапазоне от 700 МГц до 2,6 ГГц, которая подразделяется на полосы частот поднесущих, где для нисходящей линии связи предусмотрено множество узких диапазонов 296А-296N для каналов поднесущих, требуемых OFDMA. Для экономии электроэнергии в мобильных устройствах для восходящей линии связи предусмотрено меньшее количество широких диапазонов 295A-295N и используется одноканальная версия технологии множественного доступа с частотным разделением каналов (SC-FDMA). Разные частотные диапазоны 295A-295N используются для одновременной поддержки нескольких пользователей, но в отличие от OFDMA, они не используются для разделения одного высокоскоростного потока данных на несколько. В результате скорость передачи данных по восходящей линии связи для SC-FDMA неизбежно меньше, чем скорость передачи данных по нисходящей линии связи в системе на основе OFDMA.
Лицензионные несущие частоты, приведенные ниже в таблице, меняются в зависимости от региона, где телефоны из одной страны могут не работать в другой стране, если не используется многодиапазонный или общемировой телефон, предназначенный для глобального роуминга.
Регион
Частоты, МГц
Диапазоны
Северная Америка
700, 750, 800, 850, 1900, 1700/2100 (AWS), 2500, 2600
4, 7, 12, 13, 17, 25, 26, 41
Южная Америка
2500
3, 7, 20
Европа
800, 900, 1800, 2600
3, 7, 20
Азия
1800, 2600
1, 3, 5, 7, 8, 11, 13, 40
Австралия/Новая Зеландия
1800, 2300
3, 40
Вышеупомянутые лицензионные частоты могут быть изменены решениями комиссий по связи, управляющих лицензированием радиочастот в различных регионах.
фигуре 14В
На  показан физический уровень 4G включающий в себя пачку радиоимпульсов длительностью 10 мс, образующих 4G-пакет или кадр 300. Каждый кадр 300 делится на 20 интервалов длительностью 0,5 мс, содержащих 7 OFDM-символов 302. Каждый символ 304 отделен от других циклическим префиксом 303 и содержит пятьдесят ресурсных блоков 305, пронумерованных от 0 до 49, при этом каждый блок 306 содержит 84 ресурсных элемента 307, включающих 7 символов и 12 поднесущих. Эта структура данных поддерживает гибкую кодировку, используемую для реализации высокой скорости передачи данных, обеспечения избыточности и уменьшения количества ошибок.
фигуре 15
На показано наполнение контентом канального уровня 2 в кадре данных 4G 299 для OFDMA-модуляции, используемой для загрузки данных 4G. Подобный пакет данных 4G существует для выгрузки данных SC-FDMA, но не включен в настоящее описание, поскольку он аналогичен приведенному пакету. Согласно фигуре, каждый пакет данных физического уровня 1 или "кадр данных" 299 содержит кадр 300 длительностью 10 мс с двадцатью интервалами 301 длительностью 0,5 мс, образующими канальный уровень 2. Контент канала передачи данных уровня 2 в пакете 4G имеет три уровня вложения, содержащие
● подуровень MAC (Media Access Control) управления доступом к мультимедиа;
● подуровень RLC (Radio Link Control) "управления радиоканалом";
● подуровень PDCP (Packet Data Convergence Protocol) "протокола конвергенции пакетных данных".
Подуровень MAC уровня 2 содержит заголовок MAC 303, одиночный кадр блоков служебных данных (SDU) MAC 304 и неинформативный временной интервал 305, где термин SDU (Service Data Unit) -сокращенное название блока служебных данных. Заголовок MAC 303 включает в себя необходимые MAC-адреса отправителя и получателя для осуществления радиосвязи. Каждый одиночный кадр блоков служебных данных SDU MAC 304, в свою очередь, содержит блоки данных протокола управления радиоканалом (RLC PDU) 306 уровня 2, сокращение RLC PDU (Radio Link Control Protocol Data Unit) означает "блок данных протокола управления радиоканалом", используемый для управления работой радиоканала. В частности, PDU RLC 306 содержат заголовок RLC 307, указывающий информацию о работе радиосвязи и протоколах, а также вмещают информацию блока служебных данных управления радиоканалом, т.е. одиночный кадр SDU RLC 308 в качестве вложенной полезной нагрузки. После завершения передачи SDU RLC 308 в момент времени 309 и после кратковременной задержки 310 начинается передача новых данных управления радиолинией с заголовком RLC 311 и другим набором SDU RLC. В результате формируется последовательный поток данных многокадровых RLC SDU 319, данные для K-го и (K+1)-го блоков 313 и 314 передаются исключительно однокадровыми RLC SDU 308 и где (K+2)-й блок 314 состоит из обоих блоков - 308 из текущего кадра и 312 из следующего.
На подуровне протокола преобразования данных пакетов уровня 2 каждый блок SDU содержит комбинацию заголовка PDCP и PDCP SDU. Например, K-й блок 313 содержит заголовок PDCP 312A и PDCP SDU 323, (K+1)-й блок 314 содержит заголовок PDCP 321B и PDCP SDU 324, а (K+2)-й блок 315 содержит заголовок PDCP 321C и PDCP SDU 325, совместно формируя PDCP PDU 320. Контент PDCP SDU 323, 324, 325 в свою очередь содержит полезную нагрузку 330 пакета 4G, а именно блоки данных 333, 334 и 335, включая данные сетевого, транспортного и прикладного уровня. Сегодня вся вышеупомянутая обработка, необходимая для сборки, передачи, приема и декодирования связи 4G/LTE, выполняется в одной проприетарной коммуникационной микросхеме или цифровом сигнальном процессоре (DSP).
Использование вышеупомянутого протокола уровня 2 позволяет системе 4G реализовать многочисленные усовершенствования по сравнению с предшествующими сетями и стандартами связи, в том числе:
● возможность использования технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output - "многоканальный вход - многоканальный выход") для максимизации скорости передачи данных и обеспечения связи с высоким качеством обслуживания;
● использование программно-управляемых радиостанций для одновременного подключения к нескольким сетям радиосвязи с целью динамического определения наиболее подходящих параметров обслуживания, в том числе, например, стоимости, качества обслуживания и пропускной способности, для данного приложения;
● использование базовых станций, поддерживающих внутрисетевое и межсетевое переключение, обеспечивающее непрерывность обслуживания с нулевым или минимальным прерыванием без заметной потери качества обслуживания;
● возможность одновременного доступа к услугам и приложениям в разных мобильных и беспроводных сетях.
Приложения связи 4G/LTE включают онлайн-видео высокой и сверхвысокой четкости, облачные вычисления, хранение большого объема данных в облачном хранилище и резервное копирование в режиме онлайн, ускоренный доступ к Интернету, возможность отправки и получения больших файлов электронной почты и многое другое.
DOCSIS3/Кабельные и волоконно-оптические сети -
До недавнего времени распределенные системы кабельного телевидения и волоконно-оптического видео с коммутацией пакетов отставали от остальных систем отрасли связи в использовании цифрового вещания и технологии с коммутацией пакетов. Однако благодаря быстрому внедрению третьего поколения "спецификации интерфейса передачи данных по кабелю" (DOCSIS3), возможности кабельной сети значительно улучшились и предоставляют уникальную возможность одновременно обслуживать большое количество клиентов по нескольким каналам связи с высокой пропускной способностью. DOCSIS3 одновременно обеспечивает цифровую полнодуплексную связь с высокой пропускной способностью и доступ в Интернет, технология VoIP, а также поддерживает многоканальную передачу потокового видео высокой четкости, включая сотни широковещательных телевизионных каналов и каналов класса премиум, одностороннее телевидение с услугой платного телевидения и загрузкой IP-телевидения.
фигуре 16
Пример кабельной и волоконно-оптической сети на основе DOCSIS3, поддерживающей нескольких независимых пользователей, показан на . При распределении кабельных каналов трансляцией контента и клиентской связью управляет центральное устройство кабельного головного узла, называемое "системой подключения кабельных модемов" (CMTS) 350. В CMTS 350 поступает контент от различных устройств, включая головной узел видео 351, предоставляющий информацию сетевого телевидения; систему IPTV 352, обеспечивающую одностороннюю передачу услуги платного телевидения, а также загрузку IPTV и фильмов; технологию VoIP 353 для телефонной связи и Интернет 20 для подключения к облачным системам и сети Интернет. Совокупная информация, включающая высокоскоростные цифровые данные (HSD), технологию VoIP, вещания и IPTV, отправляется клиентам как несколько каналов 354 по одному коаксиальному или волоконно-оптическому кабелю.
Пакеты данных, распределяемые CMTS 350, затем передаются большому количеству абонентов, а устройства, включающие кабельный модем, объединенный с телевизионной приставкой КМ/ТВП 357, подключаются к телевизору высокой четкости 39, или кабельный модем КМ 358 передает сигналы голосовой связи на телефон 37, и обеспечивают высокоскоростную цифровую связность со стационарным компьютером 38 и домашним Wi-Fi передатчиком 26. Подобно тому, как это делается в сетях с шинами и концентраторами, весь совокупный контент, передаваемый по каналам 354, передается по одному кабелю или волоконно-оптической линии связи и принимается всеми сетевыми устройствами, подключенными к CMTS.
С помощью DOCSIS3 система подключения кабельных модемов CMTS 350 стала абонентской сетью, где все содержимое не обязательно направляется каждому абоненту. Эта функция, известная как "связывание", позволяет CMTS 350 управлять каналами, которые могут приниматься различными сетевыми устройствами абонента. Согласно фигуре, связанные каналы 355 передают контент для телевизора 39 и IP-телевидения, а связанные каналы 356 передают высокоскоростные цифровые данные и голос. Объединенные кабельный модем и телевизионная приставка КМ/ТВП 359 имеют доступ к двум группам каналов 355 и 356, которые можно использовать в телевизоре 39 - это смарт-телевизор, в то время как кабельный модем КМ 360, используемый для стационарного компьютера 36, телефона 37 и домашней сети Wi-Fi 26, подключен только к связанным каналам HSD/технология VoIP 356, поскольку для него не требуется подключение видео.
фигуре 17
Как и в предыдущих примерах для Ethernet, Wi-Fi и 4G/LTE, распространение контента с использованием DOCSIS3 по кабелю и волоконно-оптической линии связи обеспечивает возможность работы в полнодуплексном режиме, при этом реализуется технология с коммутацией пакетов. Благодаря использованию оптического излучения вместо электрических или радиорелейных сигналов для передачи информации на физическом уровне, волоконно-оптическая линия связи, в частности, обеспечивает значительно большую пропускную способность по сравнению с другими видами связи. Стек связи OSI для DOCSIS3 в кабельной распределенной системе показан на  и иллюстрирует связи физического уровня 1, канальный уровень 2 и вышележащий сетевой уровень 3 как для устройства подключения кабельных модемов CMTS 101, так и для примеров сетевых устройств, например, кабельного модема КМ 103 или телевизионной приставки ТВП 102. В частности, устройство подключения кабельных модемов CMTS 101 содержит сетевой интерфейс 361 физического уровня 1, подключенный к облачным серверам 22 и Интернет 20, или, как альтернатива, с головным узлом 351, системой IP-телевидения 352 или технологией VoIP 353, показанными на предыдущем фигуре. Комбинация сетевого интерфейса 361 и канального уровня 366 образует стек связи интерфейса устройства для CMTS 101.
фигуре 10
На канальном уровне 2 данные передаются из стека связи сетевого интерфейса в стек связи кабельного сетевого интерфейса с помощью функции переключения 370, в частности, на подуровень управления логическим звеном (LLC) 369 канального уровня. Подуровень LLC 369 образует независимый от оборудования протокол, определенный в соответствии со спецификацией IEEE 802.2. Затем пакетные данные модифицируются средствами защиты канала 368, чтобы обеспечить ограниченную защиту пакетов, в первую очередь для предотвращения несанкционированного просмотра такого контента, как односторонее вещание с услугой платного телевидения. Затем пакеты данных форматируются в соответствии с DOCSIS3 для включения кабельных MAC-адресов 367 способом, подобным показанному в примере для моста Wi-Fi радиомодуля на . После этого кабельный интерфейс 362 физического уровня 1 отправляет кадры данных через распределенную сеть 102, содержащую либо коаксиальный кабель 104 или волоконно-оптический кабель 91, соответствующему кабельному интерфейсу 363 физического уровня 1 в кабельном модеме КМ 103 или телевизионной приставке ТВП 102. Кабельный интерфейс 363 представляет собой физический уровень стека связи кабельного сетевого интерфейса кабельного модема КМ 103 или телевизионной приставки ТВП 102.
После приема пакета данных кабельный MAC интерфейс 371 интерпретирует кабельные MAC-адреса, передавая их полезную нагрузку средствам защиты канала 372 для дешифрования и, наконец, независимому от оборудования интерфейсу подуровня управления логическим звеном (LLC) 372 для интерпретации. Затем входные данные передаются в стек связи кабельной сети КМ или ТВП через прозрачный мост 374 в стек связи интерфейса устройства КМ или ТВП, в частности, на независимый от устройства подуровень LLC 375 в соответствии со спецификацией IEEE 802.2. Затем пакет передается либо в блок MAC HSD и IPTV 376, либо в блок MAC Wi-Fi 802.11 377 для обновления MAC-адресов пакета. В случае Wi-Fi-подключения пакет данных передается из блока 802.11 MAC 377 на радиоинтерфейс 365 физического уровня 1 Wi-Fi для передачи по Wi-Fi радиомодулю 26. В случае проводного подключения пакет данных передается из блока MAC HSD и IPTV 376 в интерфейсный блок 364 Ethernet или HDMI для подключения к телевизору 39 или стационарному компьютеру 36.
фигуре 18
0
8
0
4
4
8
0
8
0
4
4
8
Подобно OFDM, используемому в сети Wi-Fi или OFDMA, используемому в системе связи 4G/LTE, система связи DOCSIS3 использует несколько ортогональных, т.е. неперекрывающихся, частот в радиорелейном либо в оптическом спектре электромагнитного излучения, в котором она кодирует и передает свою информацию. Вместо того чтобы специально назначать контент для каждого канала, DOCSIS3 поддерживает "решетчатое кодирование" - возможность динамически распределять и перераспределять контент, включая видео, высокоскоростные данные и голос, по всем доступным частотным каналам. Согласно нескольких примеров кодирования на  с использованием 1-6 каналов, пакеты данных, представляющие данный тип контента, могут быть назначены одному каналу или распределены по нескольким каналам. Данные распределяются как по каналам 385, так и по временным интервалам 386. В примере, обозначенном m=1 (QPSK), временные интервалы t-t кодируются в одном канале для доставки контента от одного источника №1. В примере, обозначенном m=2 (8-QAM), два канала, закодированные с использованием алгоритма 8-QAM, используются для доставки контента от двух источников. Способ модуляции - квадратурная амплитудная модуляция (QAM) -тот же, что используется Wi-Fi, он уже обсуждался ранее и повторно рассматриваться не будет. Источник №1 передает данные в интервале времени от t до t, затем передает данные источник №2 в интервале от t до t. В примере, обозначенном m=3 (16-QAM), три канала, закодированные с использованием алгоритма 16-QAM, используются для доставки данных от трех источников. Параллельно с источником №2, передающим контент 390 по каналу m=1 в интервале времени от t до t, источник №1 передает контент 391a в интервале времени от t до t по каналам m=2, а источник №2 передает контент 391b в интервале времени от t до t.
0
4
4
8
0
2
2
3
2
3
0
4
0
2
2
4
В примере, обозначенном m=5 (64QAM), шесть каналов, закодированных с использованием алгоритма 64QAM, используются для доставки контента от пяти источников. Например, по двум подканалам m=5, обозначенным m=2, контент от источника №3 передается в интервале времени от t до t, а контент от источника №5 передается в интервале времени от t до t. В это же время по подканалам, обозначенным m=4, контент от источника №1 передается по четырем каналам в интервале времени от t до t, а затем только по трем каналам в интервале времени от t до t. Передача контента от источника №2 начинается в момент времени t=t только на одном из четырех каналов, а затем в момент времени t это число каналов увеличивается до m=4. В примере, обозначенном m=6 (128QAM), контент 389 от источника №3 передается по двум каналам из шести в интервале времени от t до t, в то время как остальные четыре канала используются для передачи контента 388a от источника №1 в интервале времени от t до t и для передачи контента 388b от источника №2 в интервале времени от t до t. В приведенных примерах решетчатое кодирование предоставляет кабельному провайдеру максимальную гибкость при управлении пропускной способностью и распределении контента.
фигуре 19
В соответствующем пакете данных, используемом в DOCSIS3, показанном на , физический уровень 1 образует кадр 390 физического носителя данных переменной длины и продолжительности, содержащий данные MAC канального уровня 2, включающие преамбулу 391, полезную нагрузку переменной длины или кодовые слова 392 и защитный временной интервал 393. Преамбула 391 содержит либо преамбулу для восходящего направления, либо преамбулу для нисходящего направления, в зависимости от направления передачи. В преамбуле для восходящего направления преамбула 391 содержит заголовок физического носителя (PMD) 398, заголовок MAC 399 и протокол управления радиоканалом (PDU) данных 400. В преамбуле для нисходящего направления преамбула 391 содержит заголовок формата MPEG 401, заголовок MAC 399 и PDU данных 400. Контент полезной нагрузки 392 переменной длины может содержать короткое кодовое слово 394 или длинное кодовое слово 397.
Короткое кодовое слово 394 содержит полезную нагрузку 395A, включающую данные A и блоки исправления ошибок 396A, содержащие FEC A. Для длинного кодового слова 397 полезная нагрузка делится на несколько блоков полезной нагрузки 395A, 395B и 395C, содержащих данные A, данные B и данные C, соответственно, при этом для каждого блока полезной нагрузки предусмотрены свои собственные блоки проверки ошибок 396A, 396B и 396C, включающие соответствующие данные FEC A, FEC B и FEC C. После контроля ошибок передаваемые данные DOCSIS3 содержат блоки данных 395A, 395B и 395C для длинного кодового слова и только блок данных 295А для короткого кодового слова.
Таким образом, DOCSIS3 обеспечивает гибкость передачи данных по кабельной сети, используя протокол передачи данных с коммутацией пакетов.
Уровень 3 модели OSI - сетевой (Интернет) уровень
фигура 20
Как было описано ранее, полезная нагрузка данных может быть передана с использованием нескольких аппаратных конфигураций физического уровня 1 и протоколов интерфейса канального уровня 2. Несмотря на то, что уровни 1 и 2 специфичны для устройств, уровень 3 - сетевой уровень - обеспечивает независимую от устройства форму связи, единую и инвариантную к физической сети, используемой для передачи сигналов и данных. Связь уровня 3 иллюстрирует , на котором три сетевых устройства 420A, 420B и 420C, реализующие функции 423A, 423B или 423C вычислений и хранения данных, осуществляют совместную работу с Интернет-подключением 421. Таким образом, соответствующий устройству стек связи 422A, 422B и 422C соединяет устройства друг с другом с использованием сетевого уровня 3 421, которым, за исключением проприетарных систем, обычно является Интернет.
фигуре 21
Чтобы обеспечить возможность совместной работы в сетях с коммутацией пакетов, работающих с разными аппаратными платформами, сетями и системами, модель OSI предписывает четко определенный протокол, организованный на семи уровнях, согласно . Как уже упоминалось ранее, пакеты данных или "датаграммы" для сетей с коммутацией пакетов устроены аналогично матрешке, когда уровень 1 - пакет физического уровня или "кадр" - содержит все остальные уровни в своей полезной нагрузки, включая канальный уровень 2, в который, в свою очередь, вложена полезная нагрузка, содержащаяся на уровнях 3-7, в том числе пакеты сетевого уровня 4 и т.д.
фигуре 4
Рассматривая эту картину более подробно, следует указать, что кадр уровня 1 430 содержит все данные физического (PHY) уровня, в том числе электрические, радио и оптические сигналы. В данные физического уровня 430 вложена информация управления доступом к среде передачи данных или информация канального уровня 2, содержащая заголовок MAC 431, полезную нагрузку MAC 432 и нижний колонтитул MAC 433. В полезную нагрузку MAC 432 вложен сетевой (Интернет) уровень или пакет IP на уровне 3, содержащий заголовок интернет-протокола (IP) 434 и полезную нагрузку IP 435. В полезную нагрузку IP 435 вложена датаграмма транспортного уровня или данные уровня 4, содержащие заголовок транспортного уровня 436 и полезную нагрузку транспортного уровня 437. Далее в полезную нагрузку транспортного уровня 437 вложены все данные приложений 438 для прикладных уровней 5-7 в соответствии с моделью OSI, показанной ранее на .
фигуре 21
В процессе работы после приема пакета данных IP, показанного на, сетевое устройство и его микропрограммное обеспечение интерпретируют данные уровня 1 и уровня 2 и игнорируют любую информацию, содержащуюся в полезной нагрузке MAC 432. Сетевое программное обеспечение, в свою очередь, интерпретирует данные IP-адресов, маршрутизации и управления, содержащиеся в IP уровня 3, но игнорирует содержимое полезной нагрузки IP 435. Затем программное обеспечение транспортного уровня 4 интерпретирует данные, содержащиеся в полезных нагрузках IP 435, как "датаграмму" транспортного уровня, содержащую заголовок транспортного уровня 436 и полезную нагрузку транспортного уровня 437, обеспечивая требуемое квитирование между сторонами, обменивающимися информацией, чтобы обеспечить надежную передачу IP-пакета. В полезную нагрузку транспортного уровня 437 вложена информация, содержащая прикладные данные 438 для остальных приложений верхнего уровня, включая пакеты, содержащие данные для сеансового уровня 5, представительского уровня 6 и прикладного уровня 7. Если резюмировать изложенное выше, уровни 1 и 2 связаны с установлением физического соединения и правил для сетевых устройств, уровни 3 и 4 связаны с идентификацией получателя IP-пакета и подтверждением его доставки, а уровни 5-8 содержат фактические данные, передаваемые в качестве полезной нагрузки. Соответственно, оборудование и микропрограммное обеспечение уровня 1 и уровня 2 не интересуются содержимым отправляемых данных и их приложениями, сетевое программное обеспечение уровня 3 и уровня 4 не касается того, какие физические устройства отправляют пакеты, и что содержится в этих пакетах, а уровни 5-7 не заботятся о том, как был отправлен пакет и подтвержден ли его прием. Таким образом, в сетях с коммутацией пакетов маршрутизацией датаграммы неизвестного контента можно управлять, не касаясь вопросов, связанных с оборудованием, используемым при отправке пакета или назначением данных пакета.
Чтобы обеспечить совместимость, пакеты, отправляемые по сетям, используют стандартизованный формат, называемый интернет-протоколом (IP), даже в тех случаях, когда фактическая сеть непосредственно не подключена к Интернету. Связь уровня 3 может включать в себя любой набор сетевых устройств, подключенных к общей сети с коммутацией пакетов, использующей IP-пакеты, включая связь через (1) хост-сервер или выделенный сервер, подключенный непосредственно к Интернету; (2) частные закрытые сети или "интранет", не подключенные к Интернету или (3) закрытые сети, подключенные к Интернету через "преобразование сетевых адресов" (NAT), рассматриваемые ниже в этом документе. В первом случае любой IP-адрес, используемый в Интернете, должен быть зарегистрирован и лицензирован для клиента как эксклюзивный и действительный интернет-адрес. В последних двух случаях IP-адрес применяется только в изолированной сети, где он выделен для использования, и не зарегистрирован в качестве интернет-адреса. При попытке использовать незарегистрированные IP-адреса в Интернете будет фиксироваться ошибка подключения.
фигуре 22
Согласно , каждый IP-пакет содержит два элемента - заголовок IP 434 и полезную нагрузку IP 435. Заголовок IP 434 обычно содержит данные об одной из двух широко используемых версий - "интернет-протокола версии 4" (IPv4) или "интернет-протокола версии 6" (IPv6). Первые 4 бита заголовка IP 434 в преамбуле заголовка 440 или 444 содержат двоичный код интернет-версии пакета, где 0100 - это поле данных 447, определяющее версию 4, а 0110 - поле данных 448, определяющее версию 6. В случае выбора IPv4, преамбула 440 представляет собой поле длиной 12 байтов, включающее в себя биты номера версии 447, за ним следуют адрес отправителя 441 длиной 4 байта, адрес получателя 442 длиной 4 байта и поле опций 443 длиной 8 байтов. В случае выбора IPv6, преамбула 444 представляет собой поле длиной 8 байтов, включающее в себя биты номера версии 448, за ним следуют адрес отправителя 445 длиной 16 байтов и адрес получателя 446 длиной 16 байтов. В отличие от IPv4, версия 6 не имеет поля опций.
128
32
.
Важно отметить, что преамбула 440 IPv4 и преамбула 444 IPv6 отличаются по длине, содержанию и формату и должны рассматриваться отдельно. Кроме того, поле IP-адреса IPv6 имеет длину 16 байтов, что позволяет однозначно указывать практически несчетное количество IP-адресов, т.е. 2 Для сравнения, в IPv4 его длина составляет 4 байта и позволяет указывать только 2 адреса. Из-за ограниченного количества комбинаций в IPv4 требуется другая информация для идентификации и отделения сетей от клиентов, как указано в преамбуле 440. Для IPv6 нет необходимости в таком разграничении. Большинство современных сетей и IP-маршрутизаторов в настоящее время поддерживают как IPv4, так и IPv6.
Интернет-протокол IPv4 -
фигуре 23
Рассмотрим более подробно структуру пакета данных датаграммы 450 IPv4. На  показано двумерное графическое представление, упорядоченное по времени последовательно слева направо по столбцам и сверху вниз по строкам. В частности здесь время, соответствующее каждой строке, представляется байтами или октетами от 0 до 3 (или битами от 0 до 31), а каждая строка с верхней до нижней отмечена октетом смещения, при этом самая верхняя строка имеет отметку "0", за ней следует строка с отметкой "4", затем "8", затем "12" и т.д. Чтобы правильно считать последовательность данных из датаграммы 450, нужно начинать считывать пакет в строке октета смещения с отметкой "0", где слева направо первые отправленные или полученные данные содержат преамбулу 451, включающую вышеупомянутое поле "Версия", за которым следуют поля "IHL" (Internet Header Length - размеры заголовка), "DSCP" (Differentiated Services Code Point - точка кода дифференцированных услуг), "ECN" (Explicit Congestion Notification - явное уведомление о перегрузке) и "Общая длина". Сразу же после этого считываются данные по смещению следующей строки, отмеченной октетной строкой смещения "4", содержащей поля, обозначенные "Идентификация", "Флаги", "Смещение фрагмента". Наконец, последняя строка с отметкой "8" в преамбуле 450 содержит поля "Время жизни", "Протокол" и "Контрольная сумма". После преамбулы в датаграмме располагается исходный IP-адрес отправителя длиной 4 байта, IP-адрес получателя длиной 4 байта и строка, отмеченная как 20 в столбце "Смещение, Октет" - поле "Опции". Последнее поле в датаграмме 450 содержит пакет полезной нагрузки 435 переменной длины. Несмотря на то, что в примере показана длина полезной нагрузки 4 байта, эта длина является переменной.
В таблице 451 представлены краткие сводные данные об информации, содержащейся в полях датаграммы IPv4. Как было указано ранее, в четырехбитном поле версии устанавливается двоичный код 0100 для версии 4 интернет-протокола. Поле IHL указывает количество 32-битных слов в заголовке 434 IP, длину пакета IPv4 450 без учета полезной нагрузки 435 в диапазоне значений от 20 до 62 байтов. DSCP представляет собой поле длиной 6 бит, определяющее дифференцированные службы для контроля технологии QoS. ECN представляет собой поле длиной 4 бита для явных уведомлений о перегрузке (ECN), описывающих состояние загруженности сети. Поле "Общая длина" определяет общую длину датаграммы пакета IPv4, включающую в себя как заголовок IP 434, так и полезную нагрузку IP 435, при этом его минимальная длина составляет 20 байтов, а максимальная - 65 535 байтов. Максимальная длина пакета может быть ограничена меньшими датаграммами по протоколу канального уровня 2 для конкретной физической среды. Поле "Идентификация" длиной 2 байта однозначно идентифицирует группу фрагментов одной IP-датаграммы, чтобы разрешить повторную сборку пакета с принятыми в неправильном порядке сегментами совместно с полями "Флаги" длиной 3 бита и "Смещение флагов" длиной 13 битов, используемыми для управления фрагментацией пакетов. Поле TTL (Time To Live - Время жизни) длиной 1 байт ограничивает время жизни датаграмм в сети, чтобы предотвратить "бессмертие" - наличие пакетов, которые не могут быть доставлены в пункт назначения, но и никогда не прекращают свое существование. Поле TTL указывает максимальное количество маршрутизаторов, через которые может пройти любой конкретный пакет, прежде чем он будет отброшен по причине невозможности его доставки. Каждый раз, когда пакет проходит маршрутизатор, счетчик TTL уменьшает свое значение на единицу.
Поле 460 - поле "Протокол" длиной 1 байт - описывает тип данных, содержащихся в полезной нагрузке 435 пакета IPv4. В некоторых случаях эти данные содержат конкретные инструкции, например, для проверки состояния сети или задержки распространения, которые должны выполняться как пакет уровня 3, а в других случаях полезная нагрузка может быть идентифицирована как содержащая транспортный протокол уровня 4, используемый для управления передачей и подтверждения доставки, в том числе стандартные транспортные протоколы ICMP, IGMP, TCP, UDP или другие проприетарные форматы. По сути, поле протокола представляет собой описание датаграммы уровня 4 в пакете IPv4 уровня 3, тесно привязывая уровень 3 модели OSI к уровню 4 в интернет-протоколе. Поле контрольной суммы заголовка используется для обеспечения правильности данных заголовка, чтобы пакет не доставлялся не тому получателю. Оно содержит 16-разрядную контрольную сумму, используемую для обнаружения ошибок и отбрасывания данных. В совокупности вышеупомянутые поля образуют преамбулу 440 пакета IPv4.
Следующие два поля - IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя - имеют длину 4 байта и могут быть представлены в нескольких форматах. Обычный формат, называемый форматом "точка - десятичное число", содержит четыре десятичных числа, разделенных точками, например, 192.0.2.235 или в шестнадцатеричной форме с точкой в качестве разделителя - 0xC0.0×00.0×02.0xEB, где каждому байту, то есть октету, предшествует 0x, при этом он индивидуально преобразовывается в шестнадцатеричную форму. 32-разрядный адрес также может быть преобразован в десятичный эквивалент 3221226219 или в одно шестнадцатеричное число 0xC00002EB путем конкатенации октетов из шестнадцатеричного формата с точкой в качестве разделителя. Дополнительную информацию о форматах адресов IPv4 можно получить, перейдя по ссылке http://en.wikipedia.org/wiki/IPv4 или другим аналогичным ссылкам. Поле "Опция" длиной 4 байта, активное только тогда, когда в поле "IHL" установлено значение от 6 до 15, редко используется из-за того, что создает угрозу для безопасности.
Интернет-протокол IPv6 -
фигуре 24
Нехватка IP-адресов в имеющемся виде подтолкнула к созданию нового набора IP-адресов, называемого версией 6 интернет-протокола. Конструкция пакета данных датаграммы IPv6 453, показанная на , как и ее предшественницы, версии 4, содержит два элемента: заголовок IP 434 и полезную нагрузку IP 435, при этом следует учесть, что заголовок значительно проще и IP-адреса значительно длиннее. В частности, преамбула IPv6 444 имеет длину всего 8 байтов, тогда как адреса IPv6 445 и 446 имеют длину 16 байтов.
В таблице 454 представлены краткие сводные данные об информации, содержащейся в полях датаграммы IPv6. Как было указано ранее, в четырехбитном поле версии устанавливается двоичный код 0110 для версии 6 интернет-протокола. Поле "Класс трафика" длиной 1 байт включает в себя подполе длиной 6 бит, определяющее дифференцированные службы, и поле длиной 2 бита для явных уведомлений о перегрузке (ECN), аналогичные версии 4. Поле "Метка потока" длиной 20 бит минимизирует фрагментацию, поддерживая путь данных, чтобы избежать реорганизацию в приложениях реального времени. Поле "Длина полезной нагрузки" величиной 2 байта определяет длину полезной нагрузки 435 в байтах (октетах). Поле "Следующий заголовок" 460 длиной 1 байт указывает тип содержимого в полезной нагрузке 435. Как и поле "Протокол" в IPv4, поле "Следующий заголовок" в IPv6, по сути, предоставляет данные о содержании полезной нагрузки IP 435. В некоторых случаях это содержимое представляет собой действие, например, проверить задержки в сети, и содержит данные уровня 3. В других случаях это содержимое представляет собой транспортный протокол уровня 4, используемый для управления передачей и подтверждения доставки, в том числе стандартные транспортные протоколы ICMP, IGMP, TCP, UDP или другие проприетарные форматы. Как и "Время жизни" в IPv4, поле "Лимит переходов" длиной 1 байт в пакете IPv6 указывает максимальное количество маршрутизаторов, которые пакет может пройти, прежде чем он будет отброшен как "бессмертный". Каждый раз, когда пакет проходит маршрутизатор, этот счетчик уменьшает свое значение на единицу.
фигурой 25
128
38
Следующие два поля, каждое из которых имеет длину 16 байтов, определяют IP-адрес отправителя 445 и IP-адрес получателя 446. Как было указано ранее, целью использования более длинных IP-адресов является преодоление нехватки IP-адресов, возникающей в IPv4. Эта проблема иллюстрируется  для IP-адресов 469 путем сопоставления трех классов 4-байтовых адресов IPv4 с адресом IPv6 458 длиной 16 байтов без разбиения на классы. Поскольку адрес IPv6 способен образовывать 2 или 3,403×10 уникальных комбинаций, нет необходимости делить адреса на классы, специально предназначенные для сетей и клиентов. Напротив, из-за ограниченного количества комбинаций, доступных в IPv4, адреса были разделены на "классы", и сегодня они от класса А до класса С все еще широко распространены.
24
14
16
21
8
Согласно фигуре, класс А содержит поле сети 456А длиной 1 байт и поле клиента 457А длиной 3 байта, имеющее адреса IPv4 от 0.0.0.0 до 127.255.255.255, обеспечивающие поддержку 128 сетей и 16 777 216 (приблизительно 2) клиентов. Пользователем класса А может быть любой крупный интернет-провайдер, телефонная компания или провайдер видеоконтента. Адреса класса B содержат поле сети длиной 2 байта, обозначенное 456B, и поле клиента длиной 2 байта, обозначенное 457B, имеющее адреса IPv4 от 128.0.0.0 до 191.255.255.255, обеспечивающие поддержку 16 384 (около 2) сетей и 65 536 (около 2) клиентов. Пользователями класса B могут быть компании с большим количеством сайтов. Адреса класса C содержат поле сети длиной 3 байта, обозначенное 456C, и поле клиента длиной 2 байта, обозначенное 457C, имеющее адреса IPv4 от 192.0.0.0 до 223.255.255.255, обеспечивающие поддержку 2 097 152 (около 2) сетей и 256 (т.е. 2) клиентов. Пользователями класса C обычно являются субъекты малого бизнеса.
фигуре 26
Во время маршрутизации пакета через сеть или Интернет обработка каждого поля в IP-заголовке 434 происходит на основе необходимого знания. Например, каждый маршрутизатор должен знать версию IP, длину пакета и контрольную сумму пакета для контроля ошибок. Точно так же время переходов или время жизни обязательно обрабатываются промежуточными маршрутизаторами для отбрасывания "бессмертных" пакетов. Однако промежуточные маршрутизаторы не должны интерпретировать каждое поле заголовка IP 434. В частности, поле 460 - поле "Протокол" в IPv4 или "Следующий заголовок" в IPv6 имеют значение только для IP-адресов отправителя и получателя. Промежуточные маршрутизаторы не должны знать содержание полезной нагрузки IP 435 и, следовательно, не должны обрабатывать эту информацию. Только тогда, когда пакет, наконец, достигает IP-адреса своего получателя, назначенное устройство или сервер получателя считывают значение поля 460 в заголовке 434 IP, чтобы интерпретировать, какие данные вложены в полезную нагрузку IP 435. Согласно , любое действительное значение в поле 460 может привести к действию, относящемуся к полезной нагрузки сетевого уровня - уровня 3 - или, в противном случае, к полезной нагрузки транспортного уровня - уровня 4. В случае если код, содержащийся в поле 460, не распознается IP-адресом получателя, сервер или устройство получателя будут отбрасывать этот пакет как содержащий ошибки.
В тех случаях, когда поле 460 содержит полезную нагрузку сетевого уровня - уровня 3 - как инструкции, подлежащие исполнению, полезная нагрузка IP 435 указывает сети задачу, которая должна выполняться. Например, когда поле 460 содержит эквивалент десятичных чисел 1 или 2 в полях протокола или следующего заголовка 461 или 462, полезная нагрузка IP 435 будет содержать соответствующие инструкции для сетевых утилит ICMP или IGMP (протокол управления группами пользователей в сети Интернет), соответственно. Если поле 460 вместо этого содержит эквивалент десятичного числа 6 в поле протокола или следующего заголовка 463, полезная нагрузка IP 435 будет содержать данные 475 для полезной нагрузки, использующей транспортный протокол TCP уровня 4. Аналогично, если поле 460 вместо этого содержит эквивалент десятичного числа 6 в поле протокола или следующего заголовка 464, полезная нагрузка IP 435 будет содержать данные 476 для полезной нагрузки, использующей транспортный протокол UDP уровня 4. Полезная нагрузка уровня 4 будет рассматриваться в следующем разделе данного документа. Существуют и другие менее распространенные и проприетарные коды. Если поле 460 содержит код протокола или следующего заголовка, который является стандартизированным зарегистрированным кодом, то общедоступные сети, по меньшей мере, теоретически, должны соответствующим образом реагировать на код и правильно интерпретировать полезную нагрузку. В тех случаях, когда код является проприетарным, только проприетарные сети и настраиваемый маршрутизатор могут интерпретировать этот код и выполнять соответствующие действия надлежащим образом.
В случае, когда поле 460 содержит эквивалент десятичного числа 1 в как поле протокола или следующего заголовка, полезная нагрузка IP 435 содержит конкретную сетевую утилиту 435, называемую ICMP или "протокол управления сообщениями в сети Интернет", используемую такими сетевыми устройствами, как серверы, маршрутизаторы, точки доступа и т.д. для доступа к задержкам распространения сети; для указания, что запрошенная услуга недоступна, или определения, что маршрутизатор или хост не могут быть достигнуты. Его назначенный идентификатор протокола или следующего заголовка, десятичное число 1, отличается от UDP и TCP в том, что ICMP обычно не используется для обмена информацией между системами или приложениями конечного пользователя, за исключением случая, когда выполняется определенная сетевая диагностика. Согласно фигуре 26 для IP-пакета, соответствующего данным 461, пакет ICMP содержит заголовок, состоящий из четырех частей, которыми являются тип 465, код 466, контрольная сумма 467 и остальная часть заголовка ICMP 468, за которой следуют данные ICMP 469.
Поля "Тип" 465 и "Код" 466 совместно облегчают доставку различных управляющих сообщений. Можно уточнить, что тип 3 управляющих сообщений означает, что получатель IP недоступен, при этом код указывает, почему он недоступен, например: код 0 означает, что была недоступна сеть получателя; код 1 означает, что был недоступен хост получателя; код 3 означает, что был недоступен порт получателя; а код 9 означает, что доступ к сети административно запрещен и т.д. Тип 5 означает, что пакет может быть переадресован, при этом код 0 означает перенаправлению датаграммы для сети, код 1 означает перенаправлению датаграммы для хоста и т.д. Тип 8 - "эхо-запрос", за которым следует тип 0 - "эхо-ответ", совместно выполняют важную и известную функцию "ping", аналогичную акустическому зондированию подводной лодки гидролокатором, чтобы проверить задержку распространения сети. Можно указать еще несколько важных функций: "трассировка маршрута" (код 30), "запрос доменного имени" (код 37), "ответ на запрос доменного имени" (код 38), "запрос метки времени" (код 13), "ответ на запрос метки времени" (код 14). Для задач доставки код 11 означает, что "время доставки превышено"; код 12 означает "неверный IP заголовок", а код 4 или "отключение источника" используется в случае контроля перегрузки. Контент данных ICMP 469 может содержать сообщения или может использоваться просто для загрузки сети более крупными пакетами, чтобы исследовать, в частности, могут ли возникать проблемы при передаче большого объема полезной нагрузки.
фигуре 26
Также на  показано, что, когда поле 460 содержит эквивалент десятичного числа 2 в поле протокола или следующего заголовка, полезная нагрузка IP 435 содержит конкретную сетевую утилиту 435, называемую IGMP (Internet Group Management Protocol - протокол управления группами пользователей в сети Интернет). В отличие от протокола ICMP, используемого при диагностике сетей IPv4 и IPv6, IGMP используется только при мультивещании IPv4 для сетевых приложений "один-ко-многим", таких как игры или онлайн трансляции. Однако термин IGMPv4 не используется, поскольку IGMP обязан своим происхождением более ранним реализациям Интернета. В настоящее время поддерживаются только протоколы IGMPv2 и IGMPv3. Кроме того, в IPv6 мультивещание осуществляется через встроенный в ICMPv6 протокол определения получателей мультивещательных запросов (Multicast listener discovery), а не непосредственно через чистое вложение IGMP. Пакет IGMP содержит заголовок, состоящий из четырех полей, которыми являются "Тип" 470, "MRT" 471, "Контрольная сумма" 472 и "Адрес группы IGMP" 473, за которыми следуют данные IGMP 474.
В IGMP поле "Тип" 470 описывает природу пакета как команды "Запрос членства", "Отчет о членах группы" или "Покинуть группу"; "Максимальное время ответа" (Maximum Response Time) 471 или максимальное время ответа устанавливает максимальное время для получения отчета до 100 мс, а контрольная сумма 472 представляет собой дополнение до единицы 16-разрядной суммы всего пакета IGMP. Для широковещательной передачи IGMPv2 отправляет пакет IGMP и данные IGMP со своей полезной нагрузкой 474 по адресу группы IGMP 473 в соответствии с настройкой типа 470, где "общий запрос" осуществляет мультивещание всем хостам, например, 224.0.0.1, а команда "Покинуть группу" аналогично отправляет сообщение всем маршрутизаторам, например, 224.0.0.2. В "запросе определенной группы" и "отчете о членах группы" IGMPv2 в информационном обмене задействуется только запрашиваемая группа. В IGMPv3 возможен более полный запрос членства, определяющий все подключенные стороны.
Другие датаграммы могут содержать не только ICMP и IGMP, а и проприетарные протоколы, где IP-адреса отправителя и получателя должны предусматривать связь с использованием уникального формата, в противном случае полезная нагрузка 435, как правило, будет содержать данные, соответствующие протоколам TCP или UDP транспортного уровня 4.
Уровень 4 модели OSI - транспортный уровень
фигурой 27
Функция транспортного уровня 4 модели OSI иллюстрируется , где три сетевых устройства 480A, 480B и 480C, содержащие блоки 483A, 483B и 483C для выполнения вычислений и хранения данных с соответствующими стеками связи 482A, 482B и 482C, совместно используют общую сеть 481. Транспортный уровень гарантирует, что связь 484 осуществляется только между стеком связи 482А в устройстве A и стеком связи 482B в устройстве B. Задача транспортного уровня заключается в управлении связью между этими двумя сетевыми устройствами и обеспечении контекста для типа прикладных данных, которые должны быть доставлены пакетами IP, и услуги, которая должна быть выполнена. Таким образом, по сути, сеть 481 уровня 3 модели OSI позволяет подключать любую комбинацию устройств, а транспортный уровень уровня 4 модели OSI, обеспечивает связь двух конкретных устройств.
Двумя преобладающими транспортными протоколами, используемыми в настоящее время, являются TCP и UDP. В "протоколе управления передачей данных" (TCP) установление связи между устройствами гарантируется процедурой подтверждения установления связи, которая подтверждает, что IP-пакет был надежно и точно доставлен по сети с коммутацией пакетов перед отправкой следующего пакета. Благодаря предусмотренной в TCP процедуре подтверждения установления связи, "подключение" может гарантироваться даже в системе связи с коммутацией пакетов "без организации соединения", содержащей локальную сеть, интрасеть или общедоступный Интернет. TCP обеспечивает надежную, контролирующую наличие ошибок доставку в надлежащем порядке последовательности цифровых байтов с высокой точностью, но без гарантии своевременной доставки. TCP используется для передачи нечувствительной ко времени доставки полезной нагрузки, в том числе большого количества различных компьютерных программ, файлов, текстовых, видео и голосовых сообщений, включая электронную почту, передачу файлов, веб-браузеры, функции удаленных терминалов и защищенные оболочки. Для чувствительной ко времени доставки полезной нагрузки предпочтительны другие протоколы, более подходящие для приложений реального времени, например, UDP.
Протокол управления передачей данных (TCP) -
TCP, работающий на транспортном уровне 4 модели OSI, занимает промежуточный уровень между сетевым (Интернет) уровнем 3, и верхними прикладными уровнями. При передаче IP-пакетов TCP может корректировать непредсказуемое поведение сети вследствие перегрузки сети, отбрасывания пакетов, уравновешивания нагрузки трафика и доставки в неправильном порядке. TCP обнаруживает эти и другие проблемы, запрашивает повторную передачу потерянных данных по мере необходимости, восстанавливает организацию данных, принятых в неправильном порядке, и даже смягчает последствия умеренной перегрузки сети, насколько это возможно. IP-пакеты, передаваемые транспортным уровнем TCP, могут называться датаграммами TCP/IP. Во время передачи пакета используется таймер для контроля времени доставки. В случае, когда это время истекает до доставки пакета, выполняется запрос на повторную передачу пакета. Пакеты TCP вложены в полезную нагрузку IP-пакетов. Полученные пакеты TCP буферизуются и повторно собираются для доставки приложениям.
Чтобы идентифицировать приложение или услугу, для которых предназначен пакет TCP, TCP использует цифровую идентификацию под названием "порт". Порт - это номер, используемый для уникальной идентификации передачи по сети, путем указания как хоста, так и задействованной службы. Порты используются протоколом TCP или UDP для распознавания различных IP-служб и приложений, таких как веб-служба (HTTP), почтовая служба (SMTP) и служба передача файлов (FTP). Устройства связи используют комбинацию IP-адресов уровня 3 и портов уровня 4 для управления обменом информацией по физической сети, содержащей физический уровень 1 и канальный уровень 2, с верхними прикладными уровнями модели OSI, начиная с уровня 5 и выше.
фигуре 28A
фигуре 28B
Каждый пакет TCP 500, показанный на , содержит заголовок TCP 506 и полезную нагрузку TCP 507. Подробные данные о функциях заголовка TCP 506 сведены в таблицу 508, показанную на , где заголовок TCP 506 содержит порт отправителя 501, порт получателя 502, порядковый номер 503, номер подтверждения 504, а также поля "Смещение", "Резервирование", "Флаги", "Размер окна", "Указатель срочности" и "Опции". Он также содержит контрольную сумму 505 для подтверждения целостности пакета. Порядковый номер 503 используется для отслеживания порядка поступления нескольких пакетов и зависит от состояния флага SYN в поле "Флаги" заголовка TCP 506. Поле "Подтверждение" используется в процессе подтверждения установления связи. Если для флага ACK в поле "Флаги" заголовка TCP 506 установлено значение двоичной единицы, поле подтверждения содержит очередной порядковый номер, ожидаемый приемником, после приема которого подтверждается получение всех последующих пакетов.
Данные поля "Смещение" определяют размер заголовка TCP 506, т.е. длину заголовка от начала датаграммы TCP 500 до начала полезной нагрузки TCP 507, которое указывается количеством 2-байтовых (32-разрядных) слов в диапазоне от 5 до 15 слов двухбайтовой длины. Зарезервированные биты в настоящее время не используются. Поле флагов содержит девять двоичных флагов, связанных с сокрытием информации, перегрузкой, срочностью, подтверждением пакета, функцией "push-функцией", сбросом соединения, управлением последовательностью действий и отсутствием данных от отправителя. Размер окна определяет максимальное количество байтов, которое отправитель предписывает получить в одном пакете. Контрольная сумма представляет собой контрольную сумму длиной 2 байта (16 бит) для контроля ошибок заголовка TCP 506 и полезной нагрузки TCP 507. Если для флага URG установлено значение двоичной единицы, в поле "Указатель срочности" указывается последний байт данных, подлежащий срочной отправке.
фигуре 29
a
b
1
a
b
1
1
1
В связи с коммутацией пакетов на основе TCP/IP подтверждение установления связи является ключевой функцией для обеспечения целостности данных. Согласно  в момент времени t=0 ноутбук 510 отправляет пакет TCP/IP веб-серверу 531, отправляя заголовок TCP 512A, полезную нагрузку TCP 513A и время перемещения 514A, для которых требуется общая длительность Δt, за ними следует подтверждение от веб-сервера 511 ноутбуку 510, содержащее заголовок TCP 512B и нулевое поле 513B, для которых требуется общая длительность Δt. Общая величина объединенного интервала t=Δt+Δt представляет собой минимально необходимое время для отправки и подтверждения пакета TCP/IP, что примерно в два раза превышает время первоначальной доставки пакета. После этого, и только после этого может передаваться второй пакет, содержащий заголовок TCP 512C и полезную нагрузку TCP 513C. В случае если пакет поврежден или потерян, этот пакет должен быть отправлен и подтвержден повторно, что увеличивает продолжительность доставки с t до 2t. Если пакет потребует повторения передачи "n" раз, продолжительность передачи только одного пакета составит nt. Переменная временная задержка при использовании транспортного протокола TCP создает серьезные проблемы при передаче чувствительных ко времени доставки пакетов, например, видео или технология VoIP.
Таким образом, пакеты TCP/IP имеют следующие характеристики:
● Надежность - TCP/IP гарантирует доставку за счет управления подтверждением, контроля ошибок, запросов на повторную передачу и функций перерыва.
● "Тяжеловесность" - TCP/IP использует большой пакет транспортного уровня с длинным сложным заголовком и требует по меньшей мере трех пакетов только для того, чтобы установить соединение между хостом и клиентом.
● Переменная/низкая скорость передачи данных - Из-за подтверждения установления связи скорость передачи данных TCP/IP изменяется и становится значительно меньше, чем для UDP, что делает протокол TCP непривлекательным для таких приложений реального времени, как передача видеоконтента и технологии VoIP.
● Правильный порядок - TCP буферизует и реорганизует все пакеты, принятые в неправильном порядке.
● Контроль перегрузки - TCP предоставляет несколько функций управления перегрузкой, отсутствующих в UDP.
● Контроль ошибок - Пакеты TCP/IP проверяются на целостность, если они принимаются и передаются повторно, если какие-либо пакеты отбрасываются или поступают в поврежденном виде.
Протокол пользовательских датаграмм (UDP) -
постфактум
В качестве альтернативы протоколу управления передачей данных (TCP), протокол пользовательских датаграмм (UDP) использует режим передачи без установления соединения, с минимальным составом протокола: без установления соединения и без подтверждения доставки пакета. Обладая чувствительностью к нестабильности, свойственной сети, UDP не предлагает никаких средств подтверждения доставки, а также никакого упорядочивания пакетов и дублирующей защиты. Тем не менее, он использует контрольные суммы для подтверждения целостности данных. UDP лучше всего подходит для приложений, чувствительных к времени передачи, или для целей, когда контроль и исправление ошибок либо не являются необходимыми, либо выполняются  в приложении, исключая расход ресурсов на такую обработку на сетевом уровне.
фигуре 30
Пакет UDP 529, показанный на, содержит заголовок UDP 520 и полезную нагрузку UDP 524. Заголовок UDP 520, описанный в таблице 525, содержит всего четыре поля: адрес порта отправителя 521 длиной 2 байта, адрес порта получателя 521 длиной 2 байта, поле "Длина" 523 и "Контрольная сумма" 523. Адреса портов UDP используют тот же формат, что и пакеты TCP/IP. Поле длины пакета UDP 523 в IPv6 изменяется по длине от минимального значения 8 байтов до максимального значения 65 535 байтов. По практическим соображениям наибольшая длина контрольной суммы в протоколе IPv4 ограничена немного меньшим значением 65 507 байтов.
Контрольная сумма 523 длиной 2 байта используется для обнаружения ошибок общей длины полезной нагрузки UDP 524 вместе с данными от заголовка UDP 520, алгоритмически преобразованного в псевдозаголовок для включения IP-адресов и других полей, заимствованных из заголовка IP. Псевдозаголовок никогда не существует в датаграмме в явном виде, но создается, т.е. алгоритмически синтезируется из данных, имеющихся в заголовке IP и заголовке UDP, только для целей контроля ошибок. Формат псевдозаголовка и значения контрольной суммы отличаются для пакетов UDP на основе IPv4 и IPv6. В IPv4 функция контрольной суммы является необязательной, тогда как в IPv6 ее использование является обязательным. Когда она не используется, это поле заполняется цифровым значением 0. После заголовка UDP 520 следует полезная нагрузка UDP 524, длина которой в IPv4 является переменной от 0 до 65 507 байтов.
Таким образом, на транспортном уровне 4 для передачи IP-пакета по сети связи с коммутацией пакетов могут использоваться как UDP, так и TCP/IP. Пакеты UDP имеют следующие характеристики:
● Ненадежность - UDP не гарантирует доставку и нечувствителен к потере пакетов. В UDP отсутствуют механические средства для идентификации потери пакетов, для запроса повторной передачи или для контроля состояния перерыва во время передачи.
● Легковесность - UDP использует небольшой транспортный уровень с заголовком минимального размера, в котором отсутствуют многие функции TCP и связанные с ними свойства пакета.
● Высокая скорость - Вследствие их небольшого размера, пакеты UDP могут передаваться быстро и не требуют квитирования доставки или повторной передачи потерянных или поврежденных пакетов. Минимальная скорость передачи данных вдвое выше, чем у TCP, и в четыре раза выше, чем в случаях, связанных с повторной передачей пакетов TCP. В нестабильных сетях запрос на повторную передачу может полностью остановить доставку TCP-пакетов
● Неупорядоченность - порядок, в котором принимаются пакеты, может не соответствовать порядку, в котором они были отправлены. Приложение должно быть достаточно интеллектуальным, чтобы обеспечить правильный порядок следования пакетов.
● Отсутствие контроля перегрузки - даже если не учитывать, что это является следствием небольших ресурсов, выделяемых на пакет, UDP не исключает возможность перегрузки, если только функция контроля перегрузки не реализована на прикладном уровне.
● Контроль ошибок - Пакеты UDP проверяются на целостность только после их получения. При обнаружении ошибок эти пакеты отбрасываются без какого-либо запроса на повторную передачу.
Использование портов уровня 4 -
Порты играют важную роль в реализации уровня 4 - транспортного уровня - в сети связи с коммутацией пакетов. Среди других преимуществ порты помогают идентифицировать приложения или службы, предоставляемые сервером или устройством, они помогают разрешить нескольким пользователям взаимодействовать с одним и тем же сервером, не смешивая коммуникации отдельного клиента, они предоставляют средства для поддержки полнодуплексной связи с использованием разных пар портов для обмена "хост-клиент" и "клиент-хост", и они помогают облегчить работу NAT, чтобы увеличить количество доступных IP-адресов для пользователей, одновременно ограничивая стоимость и количество необходимых подключений непосредственно в Интернете.
фигурой 31A
Пример обмена датаграммами хоста и клиента иллюстрируется , где клиентское устройство 526B - планшет или ноутбук - запрашивает веб-страницу с хоста 526A, которым, как правило, является веб-сервер. В процессе обмена клиент 526B отправляет IP-датаграмму, содержащую заголовок IP 529 уровня 3, имеющий IP-адрес 527B с числовым значением "IP-адрес B", на хост-сервер по IP-адресу 527A, имеющему числовое значение "IP-адрес A". Вложенный в полезную нагрузку датаграммы уровня 3 клиент также отправляет заголовок транспортного уровня 4 530, содержащий свой собственный номер порта отправителя 528A со специальным значением 9999. Запрос порта отправляется на порт 80 хоста - зарезервированный HTTP-порт 528A, используемый для загрузки веб-страниц в веб-браузер. Поэтому, несмотря на то, что номер запрашиваемого порта 9999 назначается произвольно специальным образом как номер следующего открытого порта, порт получателя 80 имеет конкретное значение для запрашиваемой услуги, а именно, запроса веб-страницы.
фигуры 31А
Простая версия IP-датаграммы, используемой для этого запроса веб-страницы, иллюстрируется в нижней части  и содержит заголовок IP уровня 3 529, заголовок транспортного уровня 4 530 и полезную нагрузку 536 IP-пакета. В заголовке 529 IP уровня 3 IP-адрес отправителя 531 имеет числовое значение "IP-адрес B", а IP-адрес получателя 532 имеет значение "IP-адрес A". В заголовке 530 транспортного уровня 4 числовое значение номера порта отправителя 533 равно "9999", а числовое значение номера порта получателя 534 равно "80". Полезная нагрузка 536 IP-пакета включает поле полезной нагрузки (данных) 535, содержащее данные прикладных уровней 5-7.
фигуре 31B
На  показан ответ на запрос клиента на предоставление услуг. Согласно фигуре, все направления стрелок меняются на противоположные, а все IP-адреса отправителя и получателя и номера портов меняются друг с другом, по сравнению с предыдущим фигурой. В процессе обмена IP-датаграмма, содержащая заголовок IP 537 уровня 3, отправляется с IP-адреса отправителя 531 с числовым значением "IP-адрес A" на IP-адрес получателя 532, имеющий числовое значение "IP-адрес B". Вложенный в датаграмму уровня 3 заголовок транспортного уровня 4 538 включает в себя порт отправителя 533, имеющий числовое значение номера порта "80" и порт получателя 534, имеющий числовое значение номера порта "9999". Встроенный в полезную нагрузку 539 IP-пакета ответ на запрос предоставления услуг представляет собой полезную нагрузку (данные) 536, которая может содержать HTML-код для создания веб-страницы.
фигуре 31C
Таким образом, несмотря на то, что некоторые номера портов свободны и назначаются по мере необходимости при выборе сервера, другие номера зарезервированы для использования в пакетах UDP, в пакетах TCP или в обоих из них. Список обычно официально зарезервированных номеров портов приведен на , в их число входят известный порт 80 для просмотра веб-страниц HTTP с использованием только TCP, порт 20 для передачи файлов, порт 23 для работы с telnet, порт 110 для получения электронной почты по протоколу POP3 только для TCP, порт 220 для получения электронной почты по протоколу IMAP3, а также порты для большого количества защищенных версий протоколов, таких как HTTPS, IMAPS, FTP через TSL/SSL и т.д. Однако недавно было обнаружено, что безопасность SSL - внутреннего способа защиты транспортного уровня - имеет уязвимые места для определенных видов атак, как указано в одном из заголовков в начале этого документа. Порт 7, используемый для функций "echo" и "ping" уровня 4, был в значительной степени заменен функцией ICMP уровня 3.
фигуре 31D,
В таблице, приведенной на  показаны диапазоны номеров портов и данные об их использовании. Согласно фигуре, номера зарезервированных портов обычно находятся в диапазоне от 0 до 1023 для "системных портов", а номера портов более 49 152 обычно свободны и доступны. В промежуточном диапазоне номеров портов от 1024 до 49 151 крупные блоки свободны и доступны для динамического распределения портов, но некоторые зарезервированные порты там также присутствуют. Широко распространена практика, когда крупные корпорации могут сообщать о выборе выделенных портов в своем программном обеспечении, но не регистрировать эти номера портов официально. Несмотря на это, "официальные" и зарезервированные номера портов, хотя они и не строго контролируются, находят широкую поддержку, потому что компании хотят обеспечить совместимость своих систем и программного обеспечения с Интернетом и с продукцией других предприятий.
Порты также используются для облегчения работы "межсетевого экрана", предотвращения или, по меньшей мере, запрещения несанкционированного доступа к компьютеру, серверу или устройству для конкретной услуги. Например, любой сервер, расположенный в интрасети, то есть в частной сети, расположенной за преобразованием сетевых адресов (NAT) или защищенный выделенным блоком сетевой безопасности, может быть ограничен конкретными типами запросов на обслуживание, инициированных из Интернета. Например, межсетевой экран может быть настроен на блокировку запросов через порт 80, отключение запросов HTTP-сервиса и предотвращение загрузки веб-страниц из Интернета. В качестве альтернативы, межсетевой экран может быть настроен на разрешение запросов на предоставление услуг из Интернета только через порт 25, без предоставления таких прав для других портов. В таких случаях межсетевой экран разрешает запросы на обслуживание для протокола SMTP (простой протокол передачи почты), позволяя отправлять электронную почту из интрасети в Интернет и обратно, но блокирует все остальные типы транзакций. Такие строгие меры со стороны межсетевого экрана создают проблемы, потому что дополнительная защита блокирует многие действительные транзакции, не позволяя сотрудникам и провайдерам на местах получать доступ к важной информации, необходимой для выполнения своей работы.
Другое направление использования портов - помочь задержать процесс образования нехватки IP-адресов в IPv4. Вместо того чтобы назначать для каждого персонального устройства несколько выделенных IP-адресов, Интернет-провайдеры (ISP), такие как провайдеры кабельных сетей, общедоступных сетей Wi-Fi, сотовой телефонной связи и другие, имеют возможность организовать динамическое циклическое использование IP-адресов Интернета и использовать IP-адреса частных сетей для связи между своим интернет-шлюзом и своими частными клиентами. Таким образом, один IP-адрес в Интернете может обслуживать до 65 534 пользователей подсети класса B или 254 пользователей подсети класса C при условии, что пропускная способность восходящего канала достаточно высока для поддержки трафика.
фигуре 32A
Устройство, которое выполняет двунаправленное преобразование и информационный обмен через этот один IP-адрес со многими IP-адресами, называется "преобразованием сетевых адресов " (NAT). Показанный на  преобразотель сетевых адресов (NAT) 550 содержит блок преобразования IP-адреса и номера порта 554 и два стека связи, в том числе подключенный к Интернету стек связи 553A и стек связи подсети класса C 553B. Подключенный к Интернету стек связи 553А устанавливает связь со всеми остальными сетевыми устройствами, подключенными к Интернету, такими как сервер 22А, маршрутизатор 27 и веб-сервер 511, через общедоступную сеть 531. На транспортном уровне 4 стек связи 553А управляет параллельной связью с несколькими устройствами, например, 557А и 557В. В приведенном примере локальная сеть 552 подключает различные домашние устройства, например, ноутбук 35, холодильник 34, стационарный компьютер 35 и маршрутизатор домашней сети Wi-Fi 62A, к стеку связи подсети класса C 553B. В этой частной сети транспортные протоколы уровня 4 управляют связью между стеком связи 553B и сетевыми устройствами, например, соединениями 556A и 556B уровня 4. При поддержке обмена информацией между частной и общедоступной сетями блок преобразования IP-адреса и порта 554 динамически строит специальную таблицу пересылки 555 для перенаправления передачи каждого пакета частной сети в общедоступную сеть и наоборот.
фигурой 32B
Работа NAT иллюстрируется , на котором стационарный компьютер 36 и ноутбук 35, подключенные к частной сети "за NAT", пытаются одновременно обмениваться данными с подключенными к Интернету веб-сервером 21A и сервером электронной почты 27 только через один общедоступный IP-адрес для подключения к Интернету. В приведенном примере ноутбуку 35 выделен IP-адрес, обозначенный "NB" и назначен динамический порт, стационарному компьютеру 36 выделен IP-адрес, обозначенный "DT" и назначен динамический порт, веб-серверу 21A выделен IP-адрес, обозначенный "S1" и предоставлен порт 80 для сервиса веб-страниц на основе HTTP, а серверу электронной почты 27 выделен IP-адрес, обозначенный "S2", и предоставлен порт 110 для услуг электронной почты на основе IMAP. NAT 550 имеет общедоступный IP-адрес "N" в Интернете и использует назначенный динамический порт.
Во время работы ноутбук 35 инициирует запрос веб-страницы 560A IP-пакетом с IP-адреса отправителя NB и произвольного номера порта 9999 веб-серверу 21A на IP-адрес получателя S1 и номер порта 80. Одновременно стационарный компьютер 36 инициирует запрос электронной почты 561A IP-пакетом с IP-адреса отправителя DT и произвольного номера порта 10200 почтовому серверу 27 на IP-адрес получателя S2 и номер порта 110. После приема этих запросов NAT 550 перенаправляет входящие сообщения на исходящее Интернет-соединение, осуществляя трансляцию адреса в соответствии с таблицей трансляции 555. Затем NAT отправляет запрос от ноутбука 35, сохраняя IP-адрес получателя S1 и номер порта 9999, но заменяя информацию об отправителе от ноутбука 35 на NAT 550 с транслированным IP-адресом отправителя "N" и номером порта отправителя 20000 для создания IP-пакета Интернета 560B.
Аналогичным образом NAT 550 транслирует запрос от стационарного компьютера 36 серверу электронной почты 27, сохраняя IP-адрес получателя S2 и номер порта 9999, но заменяя информацию об отправителе от стационарного компьютера 36 на NAT 550 с транслированным IP-адресом отправителя "N" и номером порта отправителя 20400 для создания IP-пакета Интернета 561B. Таким образом, веб-сервер 21A и сервер электронной почты 27 считают, что они обмениваются данными с NAT 550 и понятия не имеют о запросе, поступающем от ноутбука 35 и стационарного компьютера 36. Вообще-то, такие IP-адреса, как "NB" или "DT", используемые устройствами, подключенными к подсети NAT, не являются допустимыми адресами в Интернете и не могут быть использованы для подключения напрямую без вмешательства NAT 550.
После приема веб-сервером 21А запрашиваемого 560B IP-пакета, он отправляет в ответ HTML-код для построения веб-страницы по маршруту 560C IP-пакета с IP-адреса отправителя "S1" и порта "80" на IP-адрес получателя "N" и номер порта 20000. Обращаясь к таблице трансляции 555, NAT знает, что ответы на номер порта 20000 соответствуют запросу из ноутбука 35 и перенаправляет сообщение, заменяя IP-адрес получателя и номер порта на данные ноутбука, а именно IP-адрес "NB" и номер порта 9999, для создания ответного 560D IP-пакета.
Параллельно с этой транзакцией после получения запроса в виде 560B IP-пакета от NAT 550 сервер электронной почты 27 отправляет в ответ IMAP-код, содержащий адрес электронной почты, по маршруту 561C IP-пакета с IP-адреса отправителя "S2" и номера порта 110 на IP-адрес получателя "N" и номер порта 20400. Обращаясь к таблице трансляции 555, NAT знает, что ответы на номер порта 20400 соответствуют запросу от стационарного компьютера 36 и перенаправляет сообщение, заменяя IP-адрес получателя и номер порта на данные стационарного компьютера, а именно IP-адрес "DT" и номер порта 10200 для создания ответного 561D IP-пакета. Таким образом, несколько пользователей могут отдельно обращаться к нескольким сетевым устройствам, подключенным к Интернету и сайтам через один IP-адрес.
Другие протоколы транспортного уровня 4 -
Относительно других известных протоколов транспортного уровня, кроме TCP и UDP, нет единого мнения о том, работают ли они как уникальные и независимые протоколы уровня 4, или они работают как улучшенная версия TCP и UDP уровня 4, или это просто прикладные программы верхнего уровня, работающие поверх UDP и TCP.
Один из таких протоколов - протокол DCCP (Datagram Congestion Control Protocol - протокол управления перегрузкой датаграммы) -является ориентированным на сообщения протоколом транспортного уровня для управления контролем перегрузки, который полезен для приложений с ограничениями времени доставки данных, таких как онлайн-мультимедиа и многопользовательские онлайн-игры, но он не имеет средств упорядочения пакетов, принимаемых в неправильном порядке, которые имеются в TCP. Несмотря на возможность использования на автономной основе, протокол DCCP применяется по другому назначению - для выполнения функций управления перегрузкой для приложений на основе UDP. Кроме трафика передаваемых данных, DCCP содержит трафик подтверждения, информирующий отправителя, когда пакет прибыл, и были ли отмечены "явные уведомления о перегрузке" (ECN).
Еще одной попыткой управлять своевременной доставкой пакетов, в частности текста, является технология LCM (Lightweight Communication and Marshaling - легковесная связь и маршалинг) на основе опции многоадресной рассылки UDP. По сравнению с одноадресной рассылкой UDP, многоадресная рассылка UDP обладает одним преимуществом, которое заключается в том, что несколько приложений могут стабильно работать на одном хосте или распределяться по нескольким платформам. Помимо стремления минимизировать задержку сети, некоторые протоколы уровня 4 используются для "туннелирования" данных при создании виртуальных частных сетей (VPN), работающих в Интернете и через Интернет. Такими протоколами на основе UDP являются протокол GRE (Generic Routing Encapsulation - общая инкапсуляция маршрутов), протокол PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol - протокол туннелирования точка-точка), протокол SSTM (Secure Socket Tunneling Mechanism - защищенный механизм туннелирования сокетов), протокол SSH (Secure Shell - защищенная оболочка) и другие. Некоторые реализации VPN предназначены для повышения безопасности, однако в действительности они увеличивают сетевую задержку.
Кроме вышеупомянутых стандартизованных протоколов UDP и TCP транспортного уровня 4, неясно, какова степень восприятия проприетарных протоколов и какие компромиссы они предлагают для снижения сетевой задержки за счет повреждения IP-пакетов или повышения безопасности за счет увеличения задержки.
Уровни 5, 6 и 7 модели OSI - прикладные уровни
фигуре 33
В то время как порт # определяет тип запрашиваемой службы, приложение должно понимать природу данных, инкапсулированных как полезную нагрузку уровня 4. Принятие мер на основе содержимого доставленного пакета является задачей верхних прикладных уровней модели OSI - уровней 5, 6 и 7. Взаимосвязь нескольких устройств на прикладном уровне графически иллюстрируется на блок-схеме, приведенной на , где три устройства 570A, 570B и 570C, каждое из которых имеет свои средства выполнения вычислений и хранения данных 573A, 573B и 573C, соединены соответствующими стеками связи 572A, 572B и 572C, совместно использующими связь на прикладном уровне 571. В действительности эти устройства имеют связи на всех уровнях модели OSI, но для простоты показывается только соединение прикладного уровня.
Кроме подключения к сети с коммутацией пакетов, основное правило для установления связи устройств на прикладном уровне заключается в том, что на всех коммуникационных устройствах должно существовать одно и то же или совместимое приложение. Например, банковская программа не может понять программу видеоигр, программа САПР не может интерпретировать онлайн-видео высокой четкости, музыкальный проигрыватель не может заниматься торговлей на фондовом рынке и т.д. В то время как многие прикладные программы являются проприетарными и принадлежащими одной компании или провайдеру, некоторые приложения и сервисы являются широко распространенными, а в некоторых случаях даже имеют правительственные полномочия для работы в среде с открытым исходным кодом. Например, когда компания Microsoft попыталась привязать свой почтовый сервер Outlook только и исключительно к операционной системе Microsoft Windows, в Европейском Союзе на основании судебных решений постановили, что такие действия нарушают антимонопольные законы и заставили Microsoft опубликовать свое почтовое приложение как отдельную программу с четко определенными подключениями к операционной среде, в которой оно работает. Вскоре после этого на нескольких вычислительных платформах появилось множество конкурирующих почтовых программ, использующих почтовые протоколы и функции Microsoft.
Различие между прикладными уровнями 5, 6 и 7 является малозаметным. Как следствие, многие называют эти уровни в семиуровневой модели OSI одним общим термином - "прикладные уровни", "верхние уровни" или даже просто "уровень 7". В последней интерпретации уровень 7 рассматривают как истинное приложение, а уровни 5 и 6 считают вспомогательными уровнями, используемыми для его обслуживания, аналогично вызову подпрограмм в компьютерной программе. Чтобы еще более запутать ситуацию, альтернативное пятиуровневое описание сетей с коммутацией пакетов, конкурирующее с семиуровневой моделью OSI, объединяет все три прикладных уровня в один уровень, называемый уровнем 5, хотя по структуре он ближе к уровню 7 в модели OSI.
Сеансовый уровень 5 -
В семиуровневой модели OSI уровень 5 называется "сеансовым уровнем" и координирует диалоги между приложениями и внутри них, включая управление дуплексной, полудуплексной и симплексной связью, а также обеспечение проверки контрольных точек, восстановления и правильного завершения сеансов TCP. Он также устанавливает, управляет и завершает подключение для удаленных приложений непосредственно в среде приложений, которые используют "удаленные вызовы процедур" или RPC (от англ. Remote Procedure Call). Уровень 5 также связан с управлением сеансами кросс-приложений, когда одно приложение запрашивает доступ к процессу другого приложения, например, импортирует диаграмму из Excel в PowerPoint. Еще одно приложение уровня 5 - протокол SOCKS (SOCKet Sequre - "защищенный сокет") - это интернет-протокол, используемый для маршрутизации IP-пакетов между сервером и клиентом через прокси-сервер и для выполнения "проверки подлинности", чтобы ограничить доступ к серверу только авторизованным пользователям. Опираясь на идентификацию пользователя для предоставления или запрета доступа и привилегий, SOCKS обеспечивает столь же надежную защиту, как и используемые процессы аутентификации.
В процессе работы SOCKS действует как прокси-сервер, осуществляя маршрутизацию TCP-соединения через произвольный IP-адрес и предоставляя услуги пересылки для UDP-пакетов. В случаях, когда клиенту блокируется доступ к серверу через межсетевой экран, с помощью SOCKS клиент может связаться с прокси-сервером SOCKS в сети клиента и запросить соединение, которое клиент хочет установить, чтобы связаться с сервером. После получения доступа к серверу прокси-сервер SOCKS открывает соединение через межсетевой экран и осуществляет обмен данными между сервером и клиентом так, как будто межсетевой экран отсутствует. Действуя на более низком уровне, чем прокси-серверы на основе HTTP, SOCKS использует способ квитирования для информирования программного обеспечения прокси-сервера о соединении, которое клиент пытается установить без интерпретации или перезаписи заголовков пакетов. После выполнения подключения SOCKS работает незаметно для пользователей сети. В более новой версии SOCKS, называемой SOCKS4, расширены возможности программного обеспечения, при этом клиенты могут указывать доменное имя получателя, а не требуемый IP-адрес.
Поскольку SOCKS не более надежен, чем процесс аутентификации, используемый для идентификации авторизованного пользователя, он может быть превращен хакерами и преступниками в средство для преодоления защиты межсетевого экрана. Для борьбы с этим воздействием была разработана версия SOCKS5, предлагающая большее количество вариантов аутентификации, а также дополнительно предоставляющая поддержку перенаправления UDP с использованием запросов DNS (сервера доменных имен). SOCKS5 также был обновлен для поддержки IP-адресов IPv4 и IPv6. Во время подтверждения установления связи и согласования сеанса клиент и сервер идентифицируются по номеру способа, применяемого для аутентификации, а именно:
● 0×00: Аутентификация не выполняется
● 0×01: Способы GSSAPI
● 0×02: Имя пользователя/пароль
● 0×03-0×7F: Способы, назначенные IANA (Управлением по присвоению интернет-номеров)
● 0×80-0xFE: Способы, зарезервированные для частного использования
После завершения переговоров и выбора способа аутентификации можно начинать информационный обмен. Доказано, что простейшая процедура аутентификации "имя пользователя/пароль" по своей сути небезопасна и легко взламывается, особенно при четырехсимвольном пароле. В качестве альтернативы применяется "универсальный прикладной программный интерфейс службы безопасности" (GSSAPI), который сам по себе является не способом защиты, а стандартизованным интерфейсом IETF, вызывающим библиотеку программного обеспечения, содержащую код безопасности и способы проверки подлинности, в основном написанные провайдерами услуг безопасности. Используя GSSAPI, пользователи могут изменять свои способы защиты, не переписывая текст прикладной программы. Вызовы процедуры включают в себя получение доказательства идентичности пользователя или секретного криптографического ключа, генерирование токена клиента или отправки вызова на сервер и получения ответного токена, преобразования данных приложения в защищенный или зашифрованный токен и его восстановление и т.д. В качестве альтернативы, Управление по присвоению интернет-номеров (IANA), являющееся подразделением некоммерческой интернет-корпорации по присвоению имен и номеров (ICANN), в соответствии со своим уставом, назначает определенные способы для обеспечения стабильности и безопасности сети.
Представительский уровень 6 -
Уровень 6 управляет синтаксическим представлением данных и объектов, включая поддержку соглашения по кодированию символов, аудио, видео и графическим форматам. По сути,, представительский уровень, иногда называемый синтаксическим уровнем, подготавливает или преобразует файлы и встроенные объекты в форму, используемую данным приложением, и "представляет" данные на прикладной уровень 7. Например, если графический объект принят в формате, непонятном данному приложению, программное обеспечение представительского уровня, по возможности преобразует или трансформирует этот формат в приемлемый для данного приложения. И наоборот, уровень 6 может преобразовывать специально форматированные объекты в стандартные форматы и вкладывать их перед передачей на сеансовый уровень 5. Таким образом, уровень 6 устанавливает синтаксический контекст между различными приложениями для перемещения данных вверх и вниз по стеку связи и протокола. Например, графический объект, созданный в Adobe Illustrator или AutoCAD, может быть импортирован и встроен в презентацию PowerPoint или в документ электронной почты на основе HTTP.
априори
Уровень 6 также отвечает за шифрование, то есть форматирование и шифрование данных перед отправкой по сети, и, наоборот, за дешифрование данных и их переформатирование перед представлением на прикладной уровень. Например, после получения файла с разделителями позиций табуляции, отправленного в зашифрованном формате через Интернет, уровень 6, после расшифровки файла в соответствии с установленными ключами дешифрования, может переформатировать данные для импорта в электронную таблицу на основе строк и столбцов, например, Excel, или такой реляционной базы данных, как Oracle. Для повышения безопасности шифрование и дешифрование на уровне 6 может быть ограничено авторизованными отправителями и получателями, чья идентичность подтверждена с помощью процедуры аутентификации уровня 5. Безопасность такой связи не выше, чем при шифровании, используемом для обеспечения конфиденциальности файла данных, и при аутентификации, используемой для подтверждения права пользователя на доступ к файлу данных.
Несмотря на то, что программное обеспечение представительского уровня может быть разработано как заказное для конкретного устройства или операционной системы, для обеспечения транспортабельности и функциональной совместимости программа может быть построена с использованием базовых правил кодирования ASN.1 (Abstract Syntax Notation, version 1 - абстрактная синтаксическая нотация, версия 1), в том числе таких возможностей, как преобразование текстового файла с кодировкой EBCDIC в файл с кодировкой ASCII или сериализация объектов и других структур данных из XML и в XML. Как протокол представительского уровня 5 ASN.1 сопоставляет структурированные данные с конкретными правилами кодирования, например, преобразуя целое число в битовую строку, подлежащую передаче, и аналогично декодирует битовую строку, используя "правила кодирования XML", также известные как XER. Примеры различных форматов, охватываемых операциями уровня 6:
● текст, в том числе в форматах ASCII и EBCDIC;
● графическая информация, в том числе в форматах PNG, JPG, GIF, BMP, EPS;
● звук и видео, в том числе в форматах MP4, WMV, MOV, AVI, MIDI;
● документы, в том числе в форматах PDF, DOC, PPT, HTML, XML, MIME, архивы (например, ZIP);
● потоковые данные, в том числе в форматах RTP, RTSP, RTMP;
● зашифрованные данные, в том числе в форматах TLS/SSL, SSH.
Прикладной уровень 7 -
В семиуровневой модели OSI "прикладной" уровень 7 упрощает интерфейс между пользователем, клиентом или устройством с хостом, сервером или системой. Поскольку прикладной уровень ближе всего к пользователю, он упрощает интерфейс между пользователем и хостом. В случае, когда пользователь - это человек, а хост - электронное устройство, например, сотовый телефон или компьютер, этот интерфейс упрощается за счет нажатия клавиш, касания или жестов с использованием клавиатуры или сенсорного экрана или иногда с помощью голоса. Интерфейсы сенсорного экрана, первоначально называемые GUI (Graphical User Interface - графический интерфейс пользователя), в значительной степени уступили место устройствам, называемым термином UI/UX (User-Interface/User-Experience - интерфейс пользователя/взаимодействие с пользователем) -конструкции интерфейса, основанной на изучении взаимодействия человека и машины. В M2M-подключениях и машинно-инфраструктурных (M2X) системах интерфейс человека заменяется разнородными аппаратными устройствами, говорящими на разных машинных языках.
Независимо от этих различий, прикладной уровень должен позволять человеку и машине или нескольким машинам разговаривать друг с другом в распознаваемой форме. Поскольку модель OSI работает со стеком связи и протокола, эти интерфейсы выходят за рамки модели OSI, но все же играют важную роль в обсуждении предмета переговоров, включая идентификацию партнеров по связи, определение доступности ресурсов и синхронизацию связи. При идентификации партнеров по связи уровень 7 должен определить, имеет ли другая сторона установленное программное обеспечение, разрешено ли устанавливать связь, и вводит правильные учетные данные.
априори
В некоторых случаях может потребоваться, чтобы уровень 5 сначала подтвердил идентичность другой стороны, прежде чем инициировать обмен данными. Это подтверждение может быть выполнено во время запроса на обмен информацией или установлено  посредством процесса привязки или с использованием проверки AAA - трехэтапной процедуры, означающей аутентификацию, авторизацию и администрирование. В коммуникационных приложениях, таких как сотовая телефонная связь с использованием технологии VoIP, прикладное программное обеспечение также должно проверить наличие подтверждения в сети и достаточную стабильность для размещения вызова, т.е. установить, что последовательность IP-пакетов отправлена и получена с достаточно малой задержкой, чтобы говорить о приемлемом уровне качества обслуживания. При синхронизации связи весь информационный обмен между приложениями требует совместных действий, управляемых прикладным уровнем.
Примерами реализации задач на прикладном уровне являются эмуляция терминалов, почтовые службы, управление сетью, веб-браузеры, управление файлами, резервное копирование и облачные сервисы хранения, драйверы периферийных устройств, в том числе:
FTP
● управление файлами, в том числе , FTAM, SFTP, NNTP, IRC, SIP, ZIP;
HTTP
● веб-браузеры, в том числе  (например, Safari, Firefox, Chrome, Outlook, Netscape и т.д.);
SMTP
IMAP
● почтовые службы, в том числе , , POP3, а также Microsoft Outlook, Apple Mail, Google Gmail, Yahoo, Hotmail и т.д.;
● службы связи и вещания, в том числе SIP, NNTP, IRC и OTT ("over-the-top") пользовательские реализации;
DNS
● управление сетью, в том числе , SNMP, DHCP, SNMP, BGP, LDAP, CMIP;
● эмуляция терминалов, в том числе Telnet;
● службы резервного копирования и облачного хранения, в том числе NFS и коммерческие версии Android, iOS, Apple Time Machine, Apple iCloud, Carbonite, Barracuda, Dropbox, Google Drive, Microsoft One Drive, Box;
● драйверы периферийных устройств, в том числе принтеров, сканеров, камер, флэш-карт;
● приложения безопасности, например, Symantec, Norton, AVG.
Подчеркнутые примеры наиболее распространенных приложений для компьютеров и смартфонов включают передачу файлов, передачу гипертекста для просмотра веб-страниц, службы электронной почты и поисковые запросы DNS для преобразования доменных имен в IP-адреса. Благодаря их широкому распространению у этих общеизвестных приложений есть выделенные порты, назначенные для таких служб.
Приложения
управления файлами
-
Одно общеизвестное приложение уровня 7 - это программа передачи файлов (FTP), используемая для отправки файлов или загрузки данных. Файлы после загрузки "записываются" в энергонезависимый накопитель для последующего использования. Если в этих файлах содержится исполняемый код, программа загрузки и установки вместе с операционной системой устройства открывает и устанавливает программное обеспечение в каталог приложений на компьютере или мобильном устройстве.
фигура 34
Этот процесс иллюстрирует, где ноутбук 35, которому выделен числовой IP-адрес "NB" и назначен динамический порт, запрашивает файл с файлового сервера 21A путем отправки 580 IP-пакета как запроса FTP с использованием транспортного протокола TCP на номер порта 21 - управляющего порта FTP файлового сервера. Результирующий 580 IP-пакет включает в себя IP-адрес получателя "S1", номер порта получателя 21, а также свой IP-адрес отправителя "NB" и номер своего специального порта 9999. Поскольку порт №21 - это порт управления для запроса услуг передачи файлов, файловый сервер 21A знает, что ноутбук 35 запрашивает файл и ожидает регистрационную информацию для подтверждения IP-адреса и номера порта получателя пакета.
Затем в активном сеансе FTP ноутбук 35 отправляет адрес получателя и номер порта получателя для запрошенного файла, аналогично платежным реквизитам для банковского перевода, содержащих SWIFT-код и номер счета. Результирующий 581 IP-пакет включает в себя IP-адрес ноутбука "NB" и номер его порта 9999 как информацию об отправителе, и IP-адрес сервера "S1" как получателя. Номер порта получателя пакета изменяется на порт №20 для установления канала данных FTP отдельно от подключения команд.
Затем в качестве ответа файловый сервер 21А открывает полезную нагрузку IP-пакета для определения имени файла и, необязательно, пути к запрашиваемому файлу, и после определения местонахождения файла 583 вкладывает его в ответный 582 IP-пакет и отправляет пакет обратно по указанным данным ноутбуку 35 путем замены местами IP-адресов и портов, т.е. получателем становится IP-адресом "NB" с номером порта 9999, а отправителем становится IP-адрес "S1" и порт №20. Как и в предыдущих двух транзакциях, IP-пакет использует TCP как транспортный механизм.
Как только ноутбук 35 получает файл, его извлекают из полезной нагрузки пакета 582 и, возможно, преобразуют с использованием представительского уровня 6 в файл данных 583 для хранения или для загрузки в операционную систему 585 ноутбука. В последнем случае эта программа или другая программа - утилита в операционной системе - загружает исполняемый код файла 583 для создания прикладной программы 586.
Для первоначальной реализации активной передачи файлов FTP сохраняются две проблемы. Во-первых, поскольку порт команд FTP (порт №21) является открытым стандартом, хакеры часто используют его, чтобы попытаться подставить свои идентификационные данные и загрузить файлы, доступ к которым для них является несанкционированным, или иным образом осуществить атаку типа "отказ в обслуживании", которая лишает устройство возможности работать. Другой проблемой активной передачи FTP является то, что 582 IP-пакет, отправляемый с файлового сервера, может блокироваться NAT или межсетевым экраном, которые перехватывают его доставку ноутбуку 35. Вариант этой процедуры, называемый пассивным FTP, может обойти проблему межсетевого экрана, но в настоящее время большинство маршрутизаторов с NAT совместимы с FTP и поддерживают передачу файлов с надлежащими учетными данными или аутентификацией.
В дополнение к FTP-сервисам, доступным для порта №20, или вместо них применяется "защищенный протокол передачи файлов", также известный как протокол передачи файлов SSH. Эта передача использует защищенную оболочку или порт SSH (порт №22) -это тот же порт, который используется для защищенных логинов и защищенной перенаправление портов. К альтернативным приложениям для передачи файлов относится менее популярный протокол FTAM (File Transfer, Access and Management - передача, доступ и управление файлами), а также процедуры сжатия данных с использованием ZIP и других алгоритмов.
Веб-браузеры и веб-серверы -
Еще один широкий класс приложений уровня 7 включает программы, которые используют специальную технологию форматирования под названием "гипертекст". Эти приложения включают "веб-серверы", которые хранят гипертекстовые документы; "веб-браузеры", которые читают и отображают их; а также проприетарный протокол передачи сообщений с назначенными выделенными зарегистрированными портами для облегчения быстрого доступа. Ключевым компонентом является веб-браузер - графически ориентированная коммуникационная программа, предназначенная для загрузки и отображения гипертекстовых документов из Интернета, интрасети или других сетей с коммутацией пакетов. Сетевым компаньоном браузера является веб-сервер - быстродействующий компьютер, используемый для распространения гипертекстовых документов в браузерах, запрашиваемых доступ к их файлам. Гипертекст также может использоваться для отображения электронных писем со встроенным форматированием, недоступным для простых устройств просмотра электронной почты.
В процессе работы браузеры не устанавливают прямое соединение друг с другом, а обмениваются информацией через посредников, содержащих один или несколько веб-серверов, доступных для обоих. Чтобы опубликовать документ, пользователь просто "отправляет" документ или изображение на "веб-страницу", размещенную на любом сервере, подключенном к Интернету или к любой другой частной или общедоступной сети или облаку. Пользователь, инициирующий передачу документа, решает, кто имеет доступ к опубликованным файлам, и имеют ли они права на чтение или редактирование. Веб-сервер, на котором размещаются документы, может принадлежать издателю документа, или находиться под его управлением, или может представлять незаинтересованную сторону, не связанную с размещенным контентом и дизайном веб-страницы.
В документах на основе гипертекста используется специальный язык форматирования документа, называемый HTML (HyperText Markup Language - язык разметки гипертекста) для отображения текстового, графического и видеоконтента способом, который динамически настраивается так, чтобы наилучшим образом соответствовать окну, в котором он будет отображаться. Функция HTML заключается в загрузке материала для отображения и его динамическом форматировании на каждой странице. Каждая страница может содержать как статические, так и динамически изменяемые размерные поля с текстом, загруженным из жестко запрограммированного программного обеспечения или загружаемым из файла или базы данных. Несмотря на сложность разработки и записи, преимущество использования базы данных для содержимого HTML-страницы заключается в том, что база данных может обновляться часто или регулярно, при этом веб-страница будет настраиваться автоматически. В противном случае каждую веб-страницу нужно будет перерабатывать при изменении контента. HTML также определяет местоположение объектов, в том числе нижних и верхних колонтитулов, боковых панелей и полей с фиксированным местоположением, а также плавающих объектов, которые динамически обтекаются текстом.
Сами объекты могут представлять собой статические графические объекты или фотографии, анимированную графику, флэш-видео, аудиофайлы, видеоролики и фильмы с высокой четкостью изображения и многое другое. Как и текст, форматирование может быть жестко закодировано или динамически связано. Связанные объекты могут быть динамически преобразованы из одного формата или типа объекта в другие с помощью функций представительского уровня 5. Например, заданное поле в электронной таблице может быть преобразовано в статический снимок или графический объект во время рисования страницы. Другие объекты также могут содержать прямые ссылки на другие серверы и веб-сайты, а при щелчке можно передавать информацию о компьютере пользователя, просматривающего веб-страницу, личную и контактную информацию, предпочтения и интересы с предварительным одобрением или без предварительного одобрения пользователем, просматривающим веб-страницу. По сути, щелчок по ссылке считается молчаливым согласием с условиями хоста связанной веб-страницы. Например, щелчок на рекламном объявлении нового автомобиля может отправить информацию в базу данных людей, заинтересованных в покупке новых автомобилей, и привести к получению нежелательного "спама" по электронной почте о новых рекламных акциях, отправляемых на личный адрес электронной почты пользователя. С этого времени на динамических веб-страницах может автоматически запускаться содержимое полей баннерной рекламы, отображающее автомобильную рекламу - все это последствия одного единственного действия - щелчка пользователя на ссылке и просмотра рекламы. Компании интернет-маркетинга продают такую информацию о пользователях торговцам и рекламодателям, даже не зная, отражают ли их данные о поведении пользователя его намерения или они случайные.
Важно отметить, что в документах на основе гипертекста большая часть текста и почти все объекты, используемые для создания запрашиваемой веб-страницы, не включаются в начальную HTML загрузку веб-страницы, а загружаются после загрузки начальной HTML-страницы. Документы и объекты не загружаются с использованием вышеупомянутого протокола FTP, но вместо этого используют более динамичный процесс, называемый HTTP (HyperText Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). HTTP представляет собой приложение и формат данных, работающие на представительском уровне 6 и обслуживающие приложения уровня 7, например, веб-браузеры.
На уровне 4 - транспортном уровне - для доступа к сети HTTP пользуется своим собственным зарезервированным номером порта, а именно - портом №80. Поскольку порт №80 часто авторизован и разблокирован межсетевыми экранами или программным обеспечением безопасности, например, портом 21 FTP, порт 80 является излюбленной целью для хакеров, желающих получить несанкционированный доступ или документы, или для запуска атак типа "отказ в обслуживании", вредоносной атаки на сервер, чтобы устранить его от поддержки обычных функций, заставляя его обслуживать бессмысленные FTP- или HTTP-запросы от хакера или противника.
фигура 35A
Процедуру загрузки веб-страницы по протоколу HTTP иллюстрирует , где ноутбук 35, которому выделен IP-адрес "NB" и назначен специальный порт №9999, запрашивает HTML-документ с веб-сервера 21A по IP-адресу "S1" с помощью 590 IP-пакета. Для запроса веб-страницы 590 IP-пакет указывает порт №80 веб-сервера. Затем в качестве ответа веб-сервер 21A прикрепляет полезную нагрузку HTML и возвращает 591 IP-пакет, заменяя адреса и номера портов на данные пакета 591, а именно, отправителем теперь является порт №80 на IP-адресе 9999, а получателем теперь является порт №9999 на IP-адресе "NB". Данные HTML передаются с использованием соединения на основе TCP для обеспечения высокой надежности доставки полезной нагрузки.
После получения кода HTML браузер в ноутбуке считывает HTML-файл и поочередно идентифицирует IP-вызовы для загрузки контента на веб-страницу. В показанном примере первый вызов для графической информации заключается в загрузке контента с того же веб-сервера 21A, что и при первой загрузке, поэтому ноутбук 35 снова готовит 592 IP-пакет для IP-адреса получателя "S1" и порта №80. Поскольку порт ноутбука назначается динамически, для отправителя 592 IP-пакета он изменяется на специальный порт №10001, но сохраняется IP-адрес "NB". В качестве ответа веб-сервер 21А вкладывает JPEG-файлы в полезную нагрузку 539 IP-пакета, заменяя адреса отправителя и получателя так, чтобы отправителем был порт №80 с IP-адреса "S1", а получателем - порта 10001 на IP-адресе "NB". Получив 593 IP-пакет, браузер в ноутбуке разворачивает полезную нагрузку, преобразует графический формат с использованием представительского уровня 6 в совместимый с браузером формат, затем размеры и устанавливает изображения на страницу браузера, т.е. прикладной уровень 7.
Согласно фигуре, следующий запрос на загрузку объекта на странице HTML поступает не с веб-сервера S1, а с совершенно другого сервера, в частности с медиасервера 511, имеющего IP-адрес "S5". Таким образом, веб-браузер в ноутбуке 35 подготавливает 594 IP-пакет как другой HTTP-запрос к порту получателя №80, на этот раз по IP-адресу получателя "S5". Несмотря на то, что IP-адрес отправителя "S1" остается прежним, при назначении динамического порта номер порта отправителя снова изменяется, на этот раз, на порт №10020. В ответ медиасервер 511 готовит 595 IP-пакет от отправителя с IP-адресом "S5" и номером порта 80 на самый последний IP-адрес ноутбука "NB" и порт №10030. Прикрепленная полезная нагрузка, вложенная в 595 IP-пакет, содержит данные в формате MPEG. После ее получения представительский уровень 6 готовит файлы, доставляет их на прикладной уровень 7, где приложение браузера устанавливает их, и продолжает считывать HTML-код и собирать веб-страницу до тех пор, пока она не будет заполнена.
фигуре 35B
Поэтому, при использовании HTML контент веб-страницы не создается из одной загрузки, как файл, отправленный с использованием FTP, а создается с использованием последовательности вызовов на разные серверы, каждый из которых доставляет конкретный контент. Эта концепция иллюстрируется графически на , где HTML-страница 591, текст и данные в формате JPEG 593 загружаются из порта №80 веб-сервера "S1", видео в формате MPEG 595 загружается из порта №80 медиасервера 511, а фотографии в формате PNG 596 и данные в формате JPEG 597 поступают из порта 80 файлового сервера 27. Таким образом, веб-страница строится по данным из нескольких источников. Кроме кода HTML, запрашиваемего различные текстовые, графические и аудио-видео элементы, нет центрального командного пункта или системы управления, ответственных за создание документа. Если, например, один сервер отвечает медленно из-за собственной загрузки или из-за перегруженности трафика, картинка веб-страницы 591 может зависать, останавливаясь на некоторое время до ее заполнения. Это прерывание может не иметь ничего общего с хостом веб-страницы, например, Yahoo, но может быть вызвано связанными серверами, вызываемыми веб-страницами HTML, например, новостными серверами CNN или Fox.
Один из источников опасности, связанной с веб-страницами HTML - это возможность для хакеров и вредоносного ПО собирать информацию о пользователе, в частности, если соединение перенаправляется на фишинговый пиратский сайт для сбора персональной информации под эгидой действительно этичного бизнеса, для ведения которого действительно требуется домашний адрес пользователя, номер кредитной карты, PIN-код, номер страхового свидетельства и т.д.
Всемирная паутина
фигуре 3
- Одно чрезвычайно популярное, если не универсальное, приложение HTML представляет собой просмотр веб-страниц с документами, доступными во Всемирной паутине, в частности, по веб-адресам, набор которых в браузере, начинается с букв "www". Во время работы каждый раз, когда пользователь вводит веб-адрес, также известный как URL (Uniform Resource Locator - унифицированный указатель ресурса), в адресную строку браузера, например, "http://www.yahoo.com", браузер отправляет запрос маршрутизатору, расположенному непосредственно над ним, для определения целевого IP-адреса. В этом процессе, проиллюстрированном ранее на , участвует ноутбук 60, отправляющий IP-пакет маршрутизатору 62A с запросом порта №53. Это номер порта, идентифицирующий запрос услуг для поиска сервера доменных имен (DNS). Маршрутизатор 62А перенаправляет запрос DNS на маршрутизатор 62A сервера доменных имен, который, в свою очередь, предоставляет числовое значение IP-адреса целевого домена. Если, например, сервер 66A является веб-сервером Yahoo с числовым значением IP-адреса "S11", то сервер доменных имен (DNS) 71 вернет этот IP-адрес маршрутизатору 62A, а IP-пакет будет построен с IP-адресом "S11" и портом №80 получателя веб-страницы.
Следует отметить, что, хотя во Всемирной паутине доступны многие документы, не все интернет-документы размещаются в ней. Некоторые веб-страницы, например несмотря на то, что они доступны в сетях общего пользования, не используют префикс www, прежде всего, чтобы создать трудности для хакеров при их поиске. Другие веб-серверы используют частные сети или интрасети, скрытые за межсетевым экраном и доступные только за межсетевым экраном или через доступ, использующий зашифрованный канал или туннель, называемый "виртуальной частной сетью" (VPN). Чтобы понять уникальное свойство Всемирной паутины, важно понять ее развитие и эволюцию, которые определяют, как ее преимущества и сильные стороны, так и ее недостатки, и уязвимые места.
Исторически, до изобретения Всемирной паутины и браузера, связь через Интернет главным образом основывалась на электронной почте и на передаче файлов с использованием протокола FTP. Затем в 1989 году Тим Бернерс-Ли продемонстрировал первую успешную интернет-связь между клиентом и сервером, используя протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). После этого в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн Марк Андрисен (Marc Andreesen) разработал первый полнофункциональный браузер под названием Mosaic, известный своим новаторским интуитивным интерфейсом, поддержкой нескольких интернет-протоколов, совместимостью со средами Macintosh и Microsoft Windows, обеспечением обратной совместимости и поддержки более ранних протоколов, таких как FTP, NNTP и gopher, а также простотой установки, стабильностью в жестких условиях эксплуатации и высокой надежностью. Принципиально важно то, что Mosaic был первым браузером для отображения изображений и текста на одной странице, а не открывал графику в отдельном окне.
Mosaic был быстро коммерциализирован в Netscape Navigator и во многом ответственен за подпитывание интернет-революции и широкое использование веб-сайтов для личных и бизнес-приложений. Несмотря на то, что в настоящее время существует бесчисленное множество браузеров, Firefox - прямой потомок Mosaic и Netscape, а также Microsoft Explorer, Apple Safari и Google Chrome сегодня являются наиболее широко используемыми браузерами. Для облегчения поиска документов и контента во Всемирной паутине одновременно появился еще один класс приложений - поисковая система веб. Такие поисковые системы, как Google и Yahoo, сегодня доминируют на рынке.
По мере проникновения бизнеса в Интернет зарождалась электронная коммерция на основе продаж и покупок через Интернет, осуществляемых на специальных сайтах, таких как Amazon, eBay, Barnes & Noble, Best Buy и недавно Alibaba. Вскоре произошла фрагментация рынка, при этом провайдеры стали специализироваться на определенном типе продуктов или услуг, а не предлагать услуги специального веб-сайта электронной коммерции. Например, быстро появились торговые компании, специализирующиеся на сравнительном шопинге при поездках и перевозках, такие как Priceline, Expedia, Orbitz и Sabre, вместе с собственными проприетарными электронными базами. Для пользователей, желающих приобрести музыку, видео, электронные книги, игры и программное обеспечение, предлагают свои онлайн сервисы такие провайдеры, как iTunes и AppStore компании Apple, Walmart, Amazon MP3, Google Play, Sony Unlimited Music, Kindle Fire и Windows Store. Службы онлайн-видео и аудио, например, iTunes, Google Play, Netflix, Hulu Plus, Amazon Prime, а также провайдеры радиовещательных и кабельных программ iHeart, например, Comcast Xfinity, становятся все более популярными, особенно благодаря услугами Wi-Fi, предлагаемым в самолетах, автобусах, лимузинах, а также на вокзалах и в кафе по всему миру.
Несмотря на опасения по поводу конфиденциальности и безопасности, дети и молодежь в настоящее время публикуют огромное количество личной информации на общедоступных веб-сайтах. Индустрия, называемая "социальными сетями", начиналась с веб-сайтов, обеспечивающих удобство публикации, обновления и редактирование документов, в которых люди публиковали свои личные мнения, делились опытом, вели веб-дневники или "блоги". Затем YouTube предоставил начинающим творческим личностям возможность публиковать и распространять домашние видео. Facebook развил эту тенденцию, предлагая функции блога, хронологически объединенные с фото- и видеоматериалами в интерактивном формате, где посетители вашей "домашней страницы" публикуют комментарии и ставят "лайки", когда им нравится то, что они читают или видят. Facebook также расширил возможности управления контактами, просмотра списков контактов для друзей и их добавления в Facebook, и разрешил владельцу учетной записи "дружить" с другими пользователями, запросив доступ к их домашней странице, или игнорировать их. Благодаря расширению возможностей управления персональными контактными людей, число пользователей Facebook выросло во много раз, что позволило людям с устаревшей контактной информацией вновь открыть друг друга в социальных сетях. Затем те же способы социальных сетей были адаптированы для знакомств, поиска партнеров или получения сексуальных услуг (легальных или нелегальных), а в мире профессионалов для контактов с коллегами по отрасли, например, используя LinkedIn.
Поскольку Всемирная паутина основана на той же философии с открытым исходным кодом, что и сети Internet и OSI с коммутацией пакетов, в ней нет центрального командного пункта или системы управления, и, как таковая, она остается нерегулируемой, что затрудняет каким-либо правительственным или регулирующим организациям осуществлять контроль, вводить ограничения или подвергать цензуре ее контент. Более того, благодаря публикации личной информации, преступникам стало легче "следить" за людьми, собирая их публичную информацию, чтобы было легче подбирать их пароли, следить за их действиями и даже отслеживать их местонахождение, где бы они не находились, по данным GPS и информации о транзакциях. В некоторых случаях, например, в контактной и справочной службе с открытым исходным кодом, называемой списком Крейга, сексуальные маньяки и убийцы скрывают свою личность и намерения, чтобы найти жертв своих преступлений. Кроме преступников и хакеров, использующих Всемирную паутину и социальные сети для наблюдения за своими целями, недавние новостные откровения показали, что правительства также отслеживают и контролируют электронные письма граждан, телефонные разговоры, веб-сайты, блоги и даже ежедневное перемещение без видимой причины и разрешения для выполнения этих действий. Один из аргументов, используемых для оправдания такого вторжения, заключается в том, что использование информации, свободно распространяемой на публичном сайте или в общедоступной сети, является "честным занятием" и что необходимо заранее предотвращать преступные и террористические действия до того, как они произойдут, что во многом подобно "будущему преступлению" в популярном фильме "Особое мнение", и само по себе является оправданием такого агрессивного наблюдения и шпионажа.
В качестве реакции на кражу идентификационной информации и такого нежелательного вторжения со стороны правительственных организаций, потребители переходят на такие сайты, как Snapchat, и телефонные службы, гарантирующие повышенную безопасность и конфиденциальность, требующие подтверждения или "аутентификации" другой стороны как того, кого вы знаете и кому доверяете. Тем не менее, такие "зоны доверия", как их теперь называют, зависят от способов защиты, доступных для сетей связи с коммутацией пакетов. Как видно из данных, приведенных во вступительном разделе данного документа, эти сети, протоколы связи, веб-сайты и хранилище данных все-таки не являются совершенно безопасными, иначе в прессе сегодня не было бы так много сообщений о кибер-преступности.
Приложения электронной почты -
фигура 36
Одним из наиболее распространенных и самых старых приложений в сетях с коммутацией пакетов является электронная почта или "email". Этот процесс иллюстрирует , где ноутбук 35, которому выделен числовой IP-адрес "NB" и назначен динамический порт, загружает IP-пакет электронной почты 601 на сервер электронной почты 600. В дополнение к вложенной полезной нагрузки электронной почты SMTP, IP-пакет электронной почты на основе протокола TCP 601 включает в себя IP-адрес получателя "S9", порт получателя №21 или, как вариант, порт №465 со своим IP-адресом отправителя "NB" и его проприетарным портом №10500. Порт №21 представляет почтовые службы, использующие простой протокол передачи почты (SMPT), а порт №465 представляет собой "защищенную" версию SMTPS на основе технологии SSL. Однако в недавних новостях сообщили, что SSL признан уязвимым и не полностью защищен от хакеров.
специальный
В ответ на получение IP-пакета электронной почты 601 сервер электронной почты 600 подтверждает его прием, возвращая 602 IP-пакет, содержащий подтверждение SMTP, отправляемое на IP-адрес получателя "NB" и порт 10500 с сервера электронной почты 600 с IP-адресом отправителя "S9" с использованием порта №21 или порта SSL №46. Между тем сервер электронной почты 600 одновременно передает электронное письмо как сообщение IMAP в 605 IP-пакете с IP-адреса отправителя "S9" и порта IMAP №220 стационарному компьютеру 36 на IP-адрес получателя "DT" и  порт №12000. После получения сообщения электронной почты стационарный компьютер 36 подтверждает сообщение IMAP серверу электронной почты 600 IP-пакетом 604 с IP-адреса отправителя "DT" и порта №12000 на IP-адрес получателя "S9" и порт 220. Таким образом, в транзакции по доставке электронной почты задействованы три стороны, в том числе отправитель - ноутбук 35, сервер электронной почты 600 и получатель - стационарный компьютер 36. В ходе информационного обмена отправитель использует протокол SMTP, а получатель сообщения использует протокол IMAP для подтверждения сообщения. Обмен по протоколу IMAP обновляет базу данных на сервере и на стационарном компьютере, чтобы обеспечить соответствие записей их файлов. Поскольку сервер электронной почты выступает в качестве посредника, есть возможность перехватить сообщение либо путем перехвата 601 IP-пакета между ноутбуком и сервером, либо 605 IP-пакета между сервером и стационарным компьютером, либо путем взлома файла, хранящегося на сервере электронной почты 600. В альтернативном варианте, для доставки почты также может использоваться приложение POP3 (обычное почтовое отделение), но без синхронизации файлового сервера.
Другие приложения уровня 7 -
Кроме системы управления файлами, веб-браузеров, серверов DNS и функций электронной почты, существует множество других приложений, в том числе эмуляция терминалов с использованием Telnet, управление сетью, драйверы периферийных устройств, утилиты резервного копирования, программы обеспечения безопасности, а также приложения для связи и вещания. Например, приложения резервного копирования включают в себя "сетевую файловую систему" (NFS) на основе TCP, теперь в своей четвертой версии, а также коммерческое программное обеспечение резервного копирования, включая пользовательские версии для Android, iOS, Apple Time Machine, Apple iCloud, Carbonite, Barracuda, Dropbox, Google Drive, Microsoft One Drive, Box. Во время работы облачное хранилище хранит данные на сетевом накопителе аналогично серверу электронной почты. Эти данные могут быть получены владельцем файла или, если позволяют предоставленные права, третьей стороной. Аналогично транзакциям электронной почты, существует множество возможностей взлома данных во время транспортирования и при их хранении на сервере.
Приложения передачи данных и широковещательные приложения включают SIP (англ. Session Initiation Protocol - протокол установления сеанса) -широковещательный протокол сигнализации, который используется для управления сеансами передачи мультимедийных сообщений, таких как голос и технология VoIP (англ. Voice-over-Internet Protocol - передача голоса с помощью интернет-протокола); IRC (англ. Internet Relay Chat - ретранслируемый интернет-чат) -протокол прикладного уровня для передачи сообщений в виде текста, а также NNTP (англ. Network News Transfer Protocol - протокол передачи сетевых новостей) -прикладной протокол, используемый для передачи новостей между новостными серверами и для публикации статей. OTT-провайдеры, такие как Skype, Line, KakaoTalk, Viper, WhatsApp и другие, используют настраиваемые приложения для доставки текста, изображений и голоса через Интернет с использованием технологии VoIP.
Другие приложения включают настраиваемые драйверы периферийных устройств для принтеров, сканеров, камер и т.д. Сетевые приложения включают SNMP (англ. Simple Network Management Protocol - простой протокол сетевого управления) -протокол интернет-стандарта для управления устройствами в IP-сетях, в том числе маршрутизаторами, коммутаторами, группой модемов и серверами; приложения BGP (англ. Border Gateway Protocol - протокол пограничного шлюза) в качестве стандартизованных внешних шлюзов для обмена информацией о маршрутизации и достижимости между автономными интернет-системами, а также LDAP (англ. Lightweight Directory Access Protocol - облегченный протокол доступа к каталогам) для управления каталогами, позволяющий обмениваться информацией об услугах, пользователях, системах, сетях и приложениях, доступных во всех частных сетях и интрасетях. Одна из особенностей приложений, связанных с LDAP, заключается в том, что один логин обеспечивает доступ к нескольким устройствам, подключенным через одну интрасеть. К другим сетевым приложениям относится CMIP (англ. Common Management Information Protocol - протокол общей управляющей информации).
Еще одним важным сетевым приложением является DHCP (англ. Dynamic Host Configuration Protocol - протокол динамической настройки узла). DHCP используется для запроса IP-адресов с сетевого сервера, начиная от домашних сетей и маршрутизаторов Wi-Fi до корпоративных сетей, университетских сетей и региональных ISP (англ. Internet Service Providers - Интернет-провайдер). DHCP используется как для IPv4, так и для IPv6.
Качество обслуживания
Рассматривая качество работы сети, оценивают несколько факторов, а именно:
● скорость передачи данных, т.е. пропускную способность;
● качество обслуживания;
● защищенность сети и данных;
● конфиденциальность пользователей.
На основании приведенных выше соображений скорость передачи данных оценивается миллионами бит в секунду (Мбит/с). Кроме того, QoS учитывает еще несколько факторов, в том числе задержку, качество звука, стабильность сети, прерывистость работы или частые прерывания для обслуживания, нарушения синхронизации или подключения, низкую мощность сигнала, снижение скорости работы приложений и функциональную сетевую избыточность в условиях чрезвычайной ситуации.
фигуре 37
Для программ, файлов и проверок, связанных с безопасностью, определяющим фактором является точность данных. Важность факторов зависит от характера полезной нагрузки, передаваемой по сети с коммутацией пакетов. Напротив, для голоса и видео, включающих приложения реального времени, ключевыми являются факторы, влияющие на время доставки пакета. Показатели качества и их влияние на различные приложения, такие как видео, голос, данные и текст, в качественном виде приведены в таблице, показанной на . Хорошее состояние сети, характеризуемое приемлемой формой сигнала 610A IP-пакета с высокой скоростью передачи данных - это состояние, отличающееся минимальными временными задержками, чистым сильным сигналом, отсутствием искажений сигнала, стабильной работой и отсутствием потерь передачи пакетов. Прерывистые сети, характеризуемые формой сигнала 610B пакета с пониженной скоростью передачи данных со случайными прерываниями, наиболее существенно влияют на функции видео, вызывая болезненно медленную загрузку обычного видео и неприемлемое качество онлайн-видео. Перегруженные сети, работающие с пониженной эффективной скоростью передачи данных с регулярными кратковременными прерываниями, для которых пример формы сигнала 610C IP-пакета показан на фигуре, не только серьезно ухудшают качество видео из-за рваных прерывистых движений, размытого изображения и неправильной цветопередачи и яркости, но и начинают также ухудшать качество звуковой или голосовой связи из-за искажений, эха и даже выпадения целых предложений из беседы или саундтрека. Однако в перегруженных сетях данные все-таки могут быть доставлены при использовании протокола TCP посредством повторных запросов на ретрансляцию.
Нестабильные сети, иллюстрируемые формой сигнала 610D IP-пакета, демонстрируют низкую пропускную способность с многочисленными остановками и непредсказуемой продолжительностью передачи данных. Нестабильные сети также содержат поврежденные IP-пакеты, заштрихованные темным цветом на фигуре с изображением формы сигнала 610D, которые при передаче на основе протокола TCP должны быть отправлены повторно, а при передаче на основе протокола UDP просто отбрасываются как поврежденные или неправильные данные. При снижении качества сети до определенного уровня даже электронные письма становятся прерывистыми, и нарушается синхронизация IMAP (англ. Internet Message Access Protocol - протокол доступа к электронной почте Интернета). Благодаря облегченному формату данных, большинство SMS и текстовых сообщений будут доставлены, хотя и с некоторой задержкой, даже при серьезной перегрузке сети, но вложения загружаться не будут. В нестабильных сетях может произойти нарушение работы любого приложения и даже приостановка нормальной работы компьютера или мобильного телефона в ожидании доставки файла. В таких случаях видео зависает, звук настолько изменяется, что становится неразборчивым, VoIP-соединения многократно отбрасываются, иногда даже более десятка раз в течение нескольких минут вызова, а в некоторых случаях не удается подключиться вообще. Аналогично, передача электронных писем останавливается или зависает, а круглые значки на экране компьютера вращаются бесконечно. Индикаторы выполнения задачи останавливаются вообще. Даже текстовые сообщения отбрасываются и становятся "не доставляемыми".
Несмотря на то, что нестабильность сети может возникать под влиянием большого количества факторов, в том числе неисправностей электропитания серверов управления ключами и "суперточек присутствия", перегрузки по числу вызовов, передачи огромных файлов данных или UHD-фильмов, и во время активных DoS-атак (англ. Denial of Service - "отказ в обслуживании") на выбранные серверы или сети, ключевыми факторами, используемыми для отслеживания QoS сети, являются частота отбрасывания пакетов и задержка пакетов. Отбрасывание пакетов происходит тогда, когда IP-пакет не может быть доставлен и по превышению лимита времени определяется как "бессмертный", или, когда маршрутизатор или сервер обнаруживает ошибку контрольной суммы в заголовке IP-пакета. Если при передаче пакета используется протокол UDP, этот пакет теряется, при этом прикладной уровень 7 должно быть достаточно интеллектуальным, чтобы узнать, что что-то было потеряно. Если при передаче пакета на транспортном уровне 4 используется протокол TCP, будет сформирован запрос для повторной передачи пакета, что увеличит нагрузку на уже потенциально перегруженную сеть.
фигуре 38
Другой фактор, определяющий QoS - задержку распространения - можно количественно измерить несколькими способами: либо как задержку передачи IP-пакета от узла к узлу или, при однонаправленной передаче, от отправителя к получателю, либо, в альтернативном варианте, как время приема-передачи от отправителя к получателю и обратно к отправителю. Сравнение влияния задержки распространения на доставку пакетов при использовании протоколов передачи данных UDP и TCP показано на . По мере увеличения межмодовой задержки распространения в сети увеличивается необходимое время приема-передачи, например, во время разговора с использованием технологии VoIP. В случае UDP-передачи 621 время приема-передачи увеличивается линейно с задержкой распространения. Поскольку большие задержки распространения связаны с более высокой частотой ошибок по битам, количество потерянных UDP-пакетов увеличивается, но поскольку UDP запрашивает повторную передачу отброшенных пакетов, линейная зависимость времени приема-передачи от задержки сохраняется при увеличении задержки. TCP-передача 620 показывает значительно более длительное время приема-передачи для каждого отправленного пакета, чем UDP, из-за необходимости подтверждения установления связи для подтверждения доставки пакета. Если частота ошибок по битам остается низкой, и большинство пакетов не требуют повторной отправки, то задержка распространения TCP увеличивается линейно с межмодовой задержкой распространения, но с большей скоростью, то есть крутизной линии TCP 620. Если, однако, сеть связи становится нестабильной, по мере увеличения задержки распространения, то время приема-передачи, связанное с передачей по протоколу TCP, показанное линией 622, экспоненциально возрастает из-за предусмотренной протоколом необходимости повторной передачи отброшенных пакетов. Таким образом, применение TCP противопоказано для приложений, чувствительных ко времени передачи, таких как технология VoIP и онлайн-видео.
Поскольку вся пакетная связь имеет статистический характер, и в ней нет двух пакетов с одинаковым временем распространения, наилучшим способом оценки сетевой задержки для однонаправленной передачи является измерение времени приема-передачи большого количества IP-пакетов одинакового размера с последующим делением пополам для оценки задержки однонаправленной передачи. Задержка до 100 мс считается отличной, до 200 мс - очень хорошей и до 300 мс - еще допустимой. Задержки распространения величиной 500 мс, с которыми часто сталкиваются запускаемые в Интернете приложения OTT, создают некомфортные условия для пользователей и мешают нормальному разговору. В частности, в процессе голосовой связи такие длительные задержки распространения создают "плохое" звучание и могут приводить к возникновению реверберации, создавая "звонкий" или металлический звук, прерывая нормальный разговор, когда другая сторона ждет ответа на свой последний комментарий, и в результате речь становится искаженной или неразборчивой.
Чтобы внести ясность, задержка при однонаправленной передаче данных отличается от результата ping-теста, выполняемого с помощью утилиты ICMP уровня 3 (например, программы бесплатного тестирования сети на сайте http://www.speedtest.net) частично из-за того, что ICMP-пакеты обычно менее объемные, по сравнению с реальными IP-пакетами, поскольку в ping-тесте не используется функция TCP "запрос на повторную отправку", а также потому, нет никакой гарантии, что при передаче по общедоступной сети Интернета маршрут ping-теста будет соответствовать фактическому маршруту пакета. По сути, получается, что если сигнал ping-теста приходит с большой задержкой, то это значит, что что-то не так с сетью или с какой-либо связью между устройством и сетью, например, в маршрутизаторе Wi-Fi или на участке последней мили, но хороший результат ping-теста сам по себе не может гарантировать малую величину задержки распространения реального пакета.
В целях повышения защищенности сети часто используются способы шифрования и верификации для предотвращения взлома, перехвата или шпионажа. Но сложное шифрование и протоколы шифрования с несколькими ключами постоянно подтверждают идентичность собеседников, создают дополнительные задержки и тем самым увеличивают эффективную задержку сети, снижая качество обслуживания за счет повышения защищенности.
Информационная безопасность и конфиденциальность информации
К основным понятиям в области связи относятся информационная безопасность и конфиденциальность информации. Эти два понятия, хотя они и связаны, несколько отличаются друг от друга. "Информационная безопасность, включающая сетевую безопасность, компьютерную безопасность и защищенную связь, охватывает способы, используемые для контроля, перехвата и предотвращения несанкционированного доступа, неправильного использования, модификации или отказа от обслуживания компьютера или сети связи, доступных для сети ресурсов или данных, содержащихся в сетевых устройствах. Такие данные могут включать в себя личную информацию, биометрические данные, финансовые записи, записи о здоровье, личные сообщения и записи, а также частные фотографии и видеозаписи. К сетевым устройствам относятся сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки, стационарные компьютеры, файловые серверы, серверы электронной почты, веб-серверы, базы данных, хранилища персональных данных, облачные хранилища, подключенные к Интернету бытовые приборы, обладающие сетевыми возможностями автомобили, а также общедоступные устройства, используемые отдельными лицами, такие как кассовые аппараты или POS-терминалы, бензоколонки, банкоматы и т.д.
Очевидно, что кибер-преступники и компьютерные хакеры, пытающиеся получить несанкционированный доступ к защищенной информации, совершают преступление. Если незаконно полученные данные содержат личную информацию, атака также является нарушением неприкосновенности личной жизни жертвы. Однако, с другой стороны, нарушения конфиденциальности могут происходить без нарушения закона и фактически не могут быть предотвращены. В сегодняшнем сетевом мире несанкционированное использование личной информации человека может осуществляться без нарушения требований к информационной безопасности. В ряде случаев компании, собирающие данные для какой-либо одной цели, могут продать свою базу данных другим клиентам, заинтересованным в использовании этих данных для другой цели. Даже когда Microsoft купила Hotmail, было хорошо известно, что список рассылки был продан рекламодателям, заинтересованным в рассылке информации потенциальным клиентам. Считаются ли такие действия нарушением конфиденциальности информации, остается спорным вопросом.
"Конфиденциальность информации", включающая конфиденциальность в Интернете, конфиденциальность компьютера и частное общение, подразумевает персональное право личности или полномочия распоряжаться своей личной и конфиденциальной информацией и ее использованием, в том числе на сбор, хранение, совместное использование или обмен информацией с другими. Конфиденциальная информация может включать информацию, идентифицирующую личность, в том числе рост, вес, возраст, отпечатки пальцев, группу крови, номер водительского удостоверения, номер паспорта, номер карты социального страхования или любую личную информацию, полезную для идентификации человека без знания его имени. В будущем даже карта ДНК человека может стать предметом юридической регистрации. Кроме личной идентификационной информации, существует неличная конфиденциальная информация, которая может включать бренды одежды, которые мы покупаем; веб-сайты, которые мы часто посещаем; курим ли мы; употребляем ли алкоголь; владеем ли пистолетом; на каком автомобиле ездим; какими заболеваниями переболели в течение жизни; есть ли в нашей семье наследственные заболевания или недуги, и даже каким людям мы нравимся.
Эта конфиденциальная информация в сочетании с публичными отчетами, касающимися личного дохода, налогов, имущественных документов, судимости, нарушений правил дорожного движения, а также любая информация, размещенная на сайтах социальных сетей, образуют мощный набор данных для заинтересованных сторон. Технология преднамеренного сбора больших наборов данных, фиксирующих демографическую, личную, финансовую, биомедицинскую и поведенческую информацию, а также анализ этих данных по шаблонам, тенденциям и статистической корреляции, сегодня известна как "большие данные". Система здравоохранения, в том числе страховые компании, медицинские работники, фармацевтические компании и даже адвокаты подозреваемых в преступной халатности врачей, проявляют очень большой интерес к личной информации, хранящейся в виде больших данных. Автомобильные компании и производители товаров широкого потребления также хотят получить доступ к таким базам данных, чтобы направлять свою рыночную стратегию и рекламный бюджет. Даже политики в ходе недавно состоявшихся выборов начали искать большие данные, чтобы лучше понять мнения избирателей и предметы политических споров, которых следует избегать.
Проблема конфиденциальности информации заключается не в том, что сегодня большие данные фиксируют личную информацию (это уже стандартная процедура), а в том, сохраняет ли этот набор данных ваше имя или достаточную личную идентификационную информацию, чтобы идентифицировать вас, даже не зная вашего имени. Например, изначально правительство США заявило, что личная информация, собранная веб-сайтом healthcare.gov, используемая для подписания Закон о доступном медицинском обслуживании, будет уничтожена после создания частных медицинских счетов. Затем недавно оно откровенно признало, что сторонняя корпорация, помогавшая правительству США выполнять сбор данных, ранее подписала правительственный контракт, дающий ей право сохранить и использовать собранные данные, а это означает, что конфиденциальные личные данные, ставшие известными правительству США, в действительности не являются конфиденциальными.
И наконец, следует отметить, что наблюдение практикуется как правительствами, так и преступными синдикатами, использующими аналогичные технологические способы. Конечно, преступники явно не имеют законного права на сбор таких данных, но случаи несанкционированного наблюдения со стороны государства являются более мрачной практикой, существенно отличающейся в разных странах. Например, Агентство национальной безопасности США неоднократно оказывало давление на Apple, Google, Microsoft и другие компании, требуя обеспечить доступ к их облакам и базам данных. Прослушивались и перехватывались даже разговоры и заявления правительственных официальных лиц. На вопрос, отслеживает ли Skype, являющийся подразделением Microsoft, содержимое передач своих абонентов, IT-директор Skype неожиданно ответил: "Без комментариев".
Способы кибер-преступности и кибер-наблюдения -
фигуре 39
Сосредоточившись на теме кибер-безопасности, следует отметить, что существует множество средств для получения несанкционированного доступа к данным устройства, сети и компьютера. В качестве примера на  показано большое количество вредоносных и хакерских технологий, используемых для совершения кибер-преступлений и несанкционированного проникновения в якобы защищенные сети.
Например, человек с планшетом 33, подключенным к Интернету, может захотеть позвонить на телефон 9 бизнес-офиса, отправить сообщение на телевизор 36, позвонить другу за город по обычной телефонной сети с коммутацией каналов на телефон 6, или загрузить файлы из веб-хранилища 20, или отправить электронную почту через почтовый сервер 21A. Несмотря на то, что все эти приложения - это обычные приложения Интернета и глобальных систем связи, на разных участках сети существует большое количество возможностей для наблюдения, кибер-преступности, мошенничества и кражи личных данных.
Например, для планшета 33, подключенного к сети через антенну 18 сотовой радиостанции и базовую станцию 17 LTE или через антенну 26 радиосистемы ближнего действия и общедоступную базовую станцию 100 сети Wi-Fi, злоумышленник может контролировать радиолинию. Аналогично, вызов 28 LTE можно контролировать или анализировать перехватывающим радиоприемником или сниффером 632. Тот же перехватчик 632 может быть настроен для контроля передачи данных по каналу Wi-Fi 29 и на принимающей стороне по кабелю 105 между передающей системой кабельного модема (CMTS) 101 и кабельным модемом 103.
В некоторых случаях вызов LTE также может быть перехвачен ложной пиратской вышкой 638 путем перенаправления канала связи 639 между планшетом 38 и вышкой сотовой связи 18. Передача данных по сети с коммутацией пакетов в маршрутизатор 27, сервер 21A и сервер 21B, а также облачное хранилище 20, также уязвима для атак "человек посередине" 630. Подключения к проводной линии 637 могут перехватывать вызовы на линии обычной телефонной сети (POTS) от шлюза 3 абонентской сети связи (PSTN) до телефона 6, а также на линии корпоративной АТС от сервера АТС 8 до офисного телефона 9.
Благодаря ряду брешей в защите, шпионское ПО 631 может установиться на планшет 33, на маршрутизатор 27, на мост PSTN 3, на облачное хранилище 20, на устройство подключения кабельных модемов (CMTS) 101 или на стационарный компьютер 36. Троян 634 может установиться на планшет 33 или стационарный компьютер 36 для фишинга паролей. Червь 636 также может использоваться для атаки на стационарный компьютер 36, особенно если на компьютере установлена операционная система Microsoft с включенной функцией active X. Наконец, для запуска атак типа "отказ в обслуживании" вирус 633 может атаковать любое количество сетевых устройств, включая серверы с номерами 21A, 21B и 21C, стационарный компьютер 36 и планшет 33.
фигуре 40
На  графическая часть упрощена и отображается применительно к тому, в какой части сети связи и инфраструктуры работает каждый вид вредоносного ПО. В показанном облаке 22, содержащем сервер 21А, волоконно-оптическую линию связи 23 и сервер 21В, кибер-атаки могут включать вирус 633, атаку "человек посредине" 630, правительственный надзор 640 и атаку "отказ в обслуживании" 641. Последняя миля сети связи предоставляет еще более обширные возможности для вредоносных программ и кибер-атак и делится на три секции: местная телефонная компания/сеть, последнее звено и устройство. Местная телефонная компания/сеть, согласно фигуре, содержит высокоскоростной волоконно-оптический кабель 24, маршрутизатор 27, устройство подключения кабельных модемов (CMTS) 101, коаксиальный/волоконно-оптический кабель 105, кабельный модем 103, антенну Wi-Fi 26 и вышку радиосвязи LTE 25. В этой части сети может применяться перехват радиоканала 632, шпионское ПО 631, вирус 633 и атака "человек посередине" 630.
В последнем звене - местном подключении к устройству - сетевое подключение включает проводную линию 104, соединение Wi-Fi 29 и соединение LTE/радио 28 и подвергается воздействию шпионского ПО 631, перехвата радиоканала 632, прослушивания 637 и ложной вышки 638. Само устройство, в том числе, например, планшет 33, ноутбук 35, стационарный компьютер 36, а возможно также смартфоны, смарт-телевизоры, POS-терминалы и т.д., подвергается множеству атак, включая шпионское ПО 631, троян 634, вирус 633 и червь 636.
фигуре 41А
фигуре 41B
фигуре 39
фигуре 41C
Такие способы наблюдения и шпионские устройства легкодоступны на коммерческом и онлайн-рынке. На показаны два таких устройства: устройство 650, используемое для контроля трафика в локальных сетях Ethernet, и устройство 651, обеспечивающее те же функции для контроля данных Wi-Fi. Два доступных для приобретения устройства, 652 и 653, используемые для контроля сотовой связи, показаны на . Несмотря на то, что на графике сети на  анализ пакетов 632 облачных соединений 23 волоконно-оптическим кабелем не был идентифицирован как угроза, во время исследований стало очевидным, что не инвазивный перехват данных для оптической линии связи, т.е. такой, где волоконно-оптический кабель не нужно обрезать или хотя бы временно нарушать его нормальную работу, уже существует. Согласно , устройство 655 выполняет анализ трафика волоконно-оптической линии связи путем захвата световой утечки на резком изгибе волоконно-оптического кабеля 656. Если защитная оболочка удалена заранее, вставка волоконно-оптического кабеля 656 в зажим в устройстве 655 обеспечивает малый радиус разворота волоконно-оптического кабеля 656, где происходит утечка света 657 в фотодатчик 659, которая передается по электронному кабелю 660 в ноутбук 661 для анализа.
фигуре 42
Помимо использования способов взлома и наблюдения, существует большое количество коммерческих легкодоступных шпионских программ для контроля разговоров по сотовому телефону и передачи данных через Интернет. В таблице, приведенной на , сравниваются свойства 10 лучших шпионских программ, рекламирующих способность успешно следить за своими сотрудниками, детьми и супругом(ой). На удивление обширный набор функций, включающий отслеживание звонков, фотографий и видео, текстовых сообщений SMS/MMS, сторонних мгновенных сообщений, электронных писем, отслеживание координат GPS, использования Интернета, адресной книги, событий календаря, прослушивание, управление приложениями и даже функции удаленного управления, в совокупности содержит пугающе убедительное количество способов нарушения конфиденциальности информации.
фигуре 43
На самом деле кибер-атаки стали настолько частыми, что их отслеживают ежедневно. Один из таких сайтов отслеживания, показанный на , отображает бреши в защите и кибер-атаки на карте мира, в том числе место, продолжительность и тип атаки. Для запуска кибер-атаки обычно задействуется несколько этапов или сочетаний способов, в том числе:
● анализ IP-пакетов;
● опрос портов;
● профилирование;
● самозванцы;
● перехват пакетов;
● кибер-инфекция;
● наблюдение;
● пиратское администрирование.
Анализ IP-пакетов -
фигуре 44
Используя устройства радиоконтроля, кибер-преступник может получить значительный объем информации о пользователе, его транзакциях и его учетных записях. Согласно , содержимое IP-пакета можно получить или проанализировать в любой точке пути между двумя пользователями. Например, когда пользователь 675A отправляет файл, например, фотографию или текст в 670 IP-пакете из своего ноутбука 35 на мобильный телефон 32 своего друга 675B, кибер-пират 630 может обнаружить IP-пакет в одном из нескольких мест, перехватив последнее звено 673A отправителя, перехватив локальную сеть 672A отправителя, контролируя облако 671, перехватив местную телефонную компанию 672B получателя или перехватив последнее звено 673B получателя. В перехваченном 670 IP-пакете доступны для наблюдения следующие данные: MAC-адреса уровня 2 задействованные в информационном обмене устройств, адреса уровня 3 отправителя принимающей стороны, т.е. получателя пакета, включая используемый протокол передачи, например, UDP, TCP и т.д. IP-пакет также содержит номера портов уровня 4 отправляющего и принимающего устройств, потенциально позволяющие определить тип запрашиваемой услуги, а также сам файл данных. Если файл не зашифрован, содержащиеся в файле данные также могут быть просто считаны кибер-пиратом 630.
Если полезная нагрузка не зашифрована, текстовая информация, например, номера учетных записей, логины и пароли, могут быть считаны и, если они представляют ценность, украдены и изменены в преступных целях. Если полезная нагрузка содержит видео или пиктографическую информацию, нужно проделать некоторую дополнительную работу, чтобы определить, какой формат прикладного уровня 6 используется для передачи содержимого, но как только он будет идентифицирован, содержимое можно будет просмотреть, опубликовать или даже использовать для шантажа одной или обеих сторон информационного обмена. Такая кибер-атака называется атакой "человек посредине", потому что кибер-пират лично не знаком ни с одной из сторон информационного обмена.
Как было указано ранее, маршрутизация IP-пакетов в облаке непредсказуема, поэтому контроль облака 671 является более сложным, потому что кибер-пират 630 должен захватить важную информацию IP-пакета при первой встрече с ним, поскольку последующие пакеты могут не следовать по тому же маршруту, и проанализировать пакет. Перехват данных на последней миле повышает вероятность наблюдения последовательности связанных пакетов из одного и того же разговора, поскольку местные маршрутизаторы обычно следуют предписанной таблице маршрутизации, по меньшей мере, до тех пор, пока пакеты не достигнут точки присутствия (POP) за пределами области обслуживания собственного оператора клиента. Например, клиент Comcast, скорее всего, будет передавать IP-пакеты в цепочку маршрутизации, полностью используя принадлежащую Comcast сеть, пока пакет не будет географически перемещен за пределы доступа и области обслуживания клиентов Comcast.
Если последовательность пакетов, передаваемых между одними и теми же двумя IP-адресами, наблюдается в течение достаточно длительного времени, весь разговор можно воссоздать по частям. Например, если текстовые SMS-сообщения передаются по одной и той же сети на участке последней мили, кибер-пират 630 может идентифицировать через IP-адреса и номера портов, что несколько IP-пакетов, передающих текст, представляют собой разговор между одними и теми же двумя устройствами, т.е. между сотовым телефоном 32 и ноутбуком 35. Поэтому даже если номер учетной записи и пароль были в тексте разных сообщений или были отправлены не полностью и распространились по многим пакетам, совпадение идентификаторов пакетов по-прежнему позволяет кибер-пирату воссоздать разговор и украсть информацию об учетной записи. После того, как данные учетной записи будут украдены, злоумышленники могут либо перевести деньги в оффшорный банк, либо даже узурпировать полномочия учетной записи, изменив пароль учетной записи и параметры безопасности, т.е. используя кражу личных данных на временной основе.
Даже если полезная нагрузка зашифрована, остальная часть 670 IP-пакета, включая IP-адреса и номера портов, не шифруется. После многократного анализа большого количества IP-пакетов кибер-пират, обладающий достаточной вычислительной мощностью, может способом "грубой силы" систематически проверять каждую комбинацию, пока не взломает пароль шифрования. Как только ключ будет взломан, этот пакет и все последующие пакеты могут быть дешифрованы и использованы кибер-пиратом 630. Вероятность взлома пароля входа в систему путем "угадывания пароля" значительно повышается, если анализ пакетов сочетается с описанным ниже "профилированием" пользователя и учетной записи. Следует обратить внимание на то, что атаки "человек посередине" на устройства связи обычно не задействуются, потому что кибер-пират не имеет прямого доступа к ним.
Опрос портов -
фигуре 45
Еще один способ взлома устройства заключается в том, что по его IP-адресу производится опрос большого количества портов уровня 4 и проверка наличия ответа на направленные запросы. Согласно , когда кибер-пират 680 определяет по результатам анализа пакета или другими средствами, что мобильный телефон 32 с IP-адресом "CP" является целевым устройством, кибер-пират 680 запускает последовательность опросов портам на сотовом телефоне 32 в поисках незащищенного или открытого порта, порта сервисного и технического обслуживания или путей обхода защиты. Пока хакерская программа опроса систематически проверяет каждый номер порта, атаки обычно сосредоточены на таких печально известных портах, как порт №7 для ping-теста, порт №21 для FTP, порт №23 для эмуляции терминала telnet, порт №25 для простой электронной почты и т.д. Согласно фигуре, последовательно отправляя пакеты 680A, 680B, 680C и 680D кибер-пират 660 ожидает ответа сотового телефона 32, который в данном примере произошел по запросу 680D. Каждый раз, когда отправляется ответ, пират узнает больше об операционной системе целевого устройства.
В процессе опроса портов кибер-пират 630 не хочет раскрывать свою реальную идентификацию, поэтому он будут использовать скрытый псевдо-адрес, символически обозначенный здесь как "PA", для приема сообщений, но не прослеживаемый до его персонального устройства. В качестве альтернативы, кибер-преступники могут использовать краденый компьютер и учетную запись, при этом ситуация выглядит так, будто кто-то пытается взломать целевое устройство, но, если его отследить, это приведет следствие к невиновному человеку, а не к злоумышленнику.
Профилирование -
Профилирование пользователей и учетных записей - это процесс, в ходе которого кибер-пират проводит исследования с использованием общедоступной информации, чтобы больше узнать о целевом объекте, его учетных записях и его личной истории, чтобы взломать его пароли, идентифицировать учетные записи и определить активы. Как только хакер получает IP-адрес цели по результатам анализа трафика или другими средствами, он может воспользоваться утилитой traceroute для поиска DNS-сервера учетной записи устройства. Затем, используя функцию "Who is" (Кто это) в Интернете, можно узнать имя владельца учетной записи. Затем в процессе профилирования кибер-преступник производит поиск в Интернете для сбора всей имеющейся информации о владельце учетной записи. В качестве источников информации используются такие общедоступные записи, как документы о собственности, данные о регистрации автомобилей, браках и разводах, залоговых правах на имущество в обеспечение уплаты налога, парковочных билетах, нарушениях правил дорожного движения, судимости и т.д. Во многих случаях веб-сайты университетов и профессиональных обществ также содержат домашний адрес, адреса электронной почты, номера телефонов и дату рождения человека. Изучая сайты социальных сетей, такие как Facebook, LinkedIn, Twitter и другие, кибер-преступник может собрать значительную подробную информацию, в том числе о семье и друзьях, имена домашних животных, адреса прежнего места жительства, сведения об одноклассниках, главных событиях в чьей-то жизни, а также фотографии и видеофайлы, в том числе содержащие деликатные подробности, семейные тайны и данные о личных врагах.
Следующим шагом кибер-пирата является использование данных этого профиля для "угадывания" паролей пользователя на основе его профиля для взлома целевого устройства и других учетных записей этого человека. После того, как кибер-преступник подберет пароль одного устройства, велика вероятность того, что он может подойти и к другим учетным записям, потому что люди склонны использовать одни и те же пароли для удобства их запоминания. В этот момент может появиться возможность украсть идентификационные данные человека, перевести деньги, сделать его мишенью полицейских расследований и, по сути, разрушить чью-то жизнь, похитив все его состояние. Например, как описано во вводной части этого документа, собрав длинный список паролей с украденных учетных записей, кибер-преступники использовали эти пароли для незаконной покупки премиум билетов на концерты и спортивные события на несколько миллионов долларов с использованием тех же паролей и логинов.
Самозванцы -
Когда кибер-пират выдает себя за кого-то другого, он не использует или использует незаконно полученные защищенные учетные данные, чтобы получить доступ к сообщениям и файлам под ложным предлогом того, что он является уполномоченным агентом или устройством, кибер-пират действует как "самозванец". Кибер-атака типа "самозванец" может возникать, когда у кибер-преступника есть достаточная информация или доступ к учетной записи пользователя, чтобы узурпировать учетную запись жертвы, отправлять от ее имени сообщения и умышленно искажать их смысл от имени владельца взломанной учетной записи. Недавно, например, у близкой знакомой одного из изобретателей была взломана личная учетная запись мессенджера "Line". Получив контроль над учетной записью, кибер-преступник отправил сообщения ее друзьям с ложной информацией о том, что "она попала в автомобильную аварию, и ей срочно нужны деньги в долг", указав платежные реквизиты для отправки денег. Не зная, что учетная запись была взломана, ее друзья подумали, что запрос реален, и бросились спасать ее финансовое положение. Чтобы избежать подозрений, в отправленном каждому другу запросе были указаны суммы менее 1000 долларов США. К счастью, прежде чем отправлять деньги, один из друзей позвонил ей, чтобы перепроверить платежную информацию, и мошенничество было обнаружено. Если бы не этот звонок, никто никогда не узнал бы, что запросы были от самозванца, а владелец учетной записи Line никогда не узнал бы о том, что деньги были отправлены или даже запрошены.
Другая форма введения в заблуждение возникает, когда устройству предоставлены привилегии безопасности и оно имеет возможность обмениваться информацией с сервером или другим сетевым устройством, и при этом каким-то образом устройству кибер-пирата удается выдавать себя за авторизованный сервер, в результате чего устройство жертвы охотно передает файлы и информацию на пиратский сервер, не осознавая, что этот сервер является самозванцем. По имеющимся данным, этот способ использовался, чтобы склонить знаменитостей к резервному копированию личных файлов изображений с помощью iCloud, умолчав, что это резервное облако было самозванцем.
Другая форма самозванца возникает, когда кто-то, имея физический доступ к личному телефону или открытому браузеру человека, выполняет такие мошеннические операции, как отправка электронной почты, ответ на телефонный звонок, отправка текстового сообщения с учетной записи или устройства другого лица. Получатель полагает, что он подключен к известному устройству или учетной записи, и что лицо, управляющее этим устройством или учетной записью, является его владельцем. Самозванец может оказаться шутником, например, другом, выставляющий деликатные комментарии в Facebook, или его действия могут носить более личный характер, когда чей-то супруг отвечает на личные вызовы или перехватывает конфиденциальные текстовые сообщения личного характера. Результатом этого несанкционированного доступа может быть ревность, развод и судебное преследование. Оставляя устройство временно неконтролируемым в офисе или кафе, например, выходя в туалет, вы подвергаетесь дополнительному риску, предоставляя самозванцу возможность быстрого доступа к личной или корпоративной информации, отправки несанкционированных сообщений электронной почты, передачи файлов или загрузки какой-либо вредоносной программы в устройство, как описано в следующем разделе, озаглавленном "Инфекция".
Кибер-атака со стороны самозванца также имеет большое значение при краже устройства. В таких случаях, даже, несмотря на то, что устройство вышло из системы, у вора достаточно времени, чтобы подобрать логин. Функция "find my computer" (найти мой компьютер), которая должна найти украденное устройство в сети и стереть файлы компьютера при первом входе кибер-пирата в систему на этом устройстве, больше не работает, потому что высокотехнологичные преступники сегодня знают, как активировать только само устройство без сотового или Wi-Fi-соединения. Этот риск особенно велик для сотовых телефонов, где безопасность входа обеспечивает простой четырехзначный идентификационный номер или PIN-код. Подбор PIN-кода - это всего лишь вопрос времени, поскольку есть только 9999 возможных комбинаций.
Ключевой проблемой для защиты любого устройства является предотвращение доступа для самозванцев. Предотвращение вмешательства самозванцев требует надежных средств аутентификации личности пользователя через определенные промежутки времени и подтверждения того, что только они имеют право на доступ к информации и привилегиям, в которых они нуждаются. Защита устройства часто является самым слабым звеном в этой цепочке. После преодоления защиты устройства необходимость в надежной сетевой безопасности является спорной.
Перехват пакетов -
фигуре 46
Перехват пакетов представляет собой кибер-атаку, в ходе которой нормальный поток пакетов через сеть перенаправляется через вредоносное устройство. Этот пример показан на , где ноутбук 35 с IP-адресом "NB" и ad hoc-портом №9999 отправляет файл в виде 670 IP-пакета на сотовый телефон (не показан), имеющий IP-адрес "CP" и FTP-порт данных №20. При нормальных условиях 670 IP-пакет будет передаваться по маршруту от ноутбука 35 до маршрутизатора 26 Wi-Fi и до маршрутизатора 27 с высокоскоростным проводным подключением 24 к серверу 22A в облаке.
Если, однако, целостность маршрутизатора 27 была нарушена кибер-атакой со стороны кибер-пирата 630, 670 IP-пакет может быть перезаписан в 686A IP-пакет, который для ясности показан в сокращенном виде с указанием только IP-адресов и номеров портов. Для перенаправления IP-пакета адрес и номер порта получателя сотового телефона изменяются на соответствующие данные кибер-пиратского устройства 630, а именно - на IP-адрес "PA" и порт №20000. После этого кибер-пиратское устройство 630 получает любую необходимую ему информацию из полезной нагрузки IP-пакета и, возможно, изменяет содержимое полезной нагрузки IP-пакета. Мошенническая полезная нагрузка может использоваться для совершения ряда мошеннических преступлений, для сбора информации или для загрузки вредоносного ПО в сотовый телефон, как описано ниже в разделе "Инфекция".
Затем взломанный пакет 686B IP-пакет переопределяется так, чтобы он выглядел как исходный 670 IP-пакет с IP-адресом отправителя "NB" из порта №9999, отправленный на IP-адрес сотового телефона "CP" в порт №20, за исключением того, что пакет передается по проводному соединению 685B вместо проводного соединения 24. В качестве альтернативы, перехваченный IP-пакет может быть возвращен на взломанный маршрутизатор 27, а затем отправлен в облако через проводное соединение 24. Чтобы максимизировать преступную выгоду от перехвата пакета, кибер-пирату 630 необходимо скрыть свои идентификационные данные при перехвате пакетов, и по этой причине они маскируют истинную маршрутизацию IP-пакета, при этом даже функция "traceroute" ICMP уровня 3 будет испытывать трудности при идентификации истинного пути передачи данных. Если, однако, этот перехват заметно увеличивает задержку при маршрутизации пакетов, эта необычная задержка может быть поводом для исследования со стороны оператора сети.
Кибер-инфекция -
фигуре 42
Одной из самых коварных категорий кибер-атаки является "кибер-инфицирование" - установка на целевые устройства или в сеть вредоносного ПО, с помощью которого можно собирать информацию, совершать мошеннические действия, перенаправлять трафик, инфицировать другие устройства, нарушать работу или выключать систему, или вызвать отказ в обслуживании. Кибер-инфекция может распространяться через электронные письма, файлы, веб-сайты, системные расширения, прикладные программы или по сетям. Один из основных классов вредоносных программ - "шпионское ПО" - описанный в таблице на , собирает все виды информации о транзакциях и направляет кибер-пирату. В случае "фишинга" веб-страница или оболочка приложения, которая отображается как знакомая страница входа в систему, запрашивает логин учетной записи или личную информацию, а затем передает эту информацию кибер-пирату. Другие вредоносные инфекции могут управлять оборудованием, например, управлять маршрутизатором для выполнения вышеупомянутого перехвата пакетов. В этих случаях кибер-пират пытается получить информацию или получить выгоду для достижения своих целей.
Другой класс кибер-инфекций, содержащий вирусы, черви и трояны, предназначен для перезаписи критических файлов или для повторного выполнения бессмысленных функций, чтобы лишить устройство возможности выполнения своих обычных задач. В основном, чтобы запретить обслуживание, ухудшить качество работы или полностью уничтожить устройство. Эти злонамеренные инфекции по своей сути разрушительны и используются с целью мести, чтобы нарушить нормальную работу бизнеса конкурента или просто ради забавы хакером, желающим увидеть, возможно ли это.
Наблюдение -
Подслушивание и наблюдение выходят за рамки кибер-преступности. В таких случаях частного детектива или знакомого нанимают или принуждают установить устройство или программу в личные устройства представляющего интерес субъекта для осуществления контроля над его разговорами, обменом данными и местоположением. Риск быть пойманным увеличивается, потому что детектив должен получить временный доступ к целевому устройству так, чтобы субъект об этом не узнал. Например, в продаже есть SIM-карты, которые могут копировать права доступа к сети телефона, но одновременно передается информация кибер-преступнику, контролирующему вызовы и трафик данных цели.
К другим формам наблюдения относится использование подпольных видеокамер для наблюдения за каждым действием и телефонным звонком человека, во многом аналогично казино. С помощью видеоконтроля пароль или PIN-код устройства можно узнать, просто наблюдая за нажатиями клавиш пользователем во время процесса входа в систему. При достаточно большом количестве камер на месте наблюдения, в конечном счете, рано или поздно будет записан процесс входа в систему. Чтобы получить доступ к сети камер, не вызывая подозрений, кибер-пират может взломать существующую систему видеонаблюдения на зданиях, в магазинах или на улицах, а также через доступ к чужой сети следить за поведением ничего не подозревающих жертв. Объединение видеонаблюдения с анализом пакетов предоставляет еще более полный набор данных для последующего запуска кибер-атак.
Пиратское администрирование (несанкционированное проникновение) -
Еще одно средство, благодаря которому кибер-пираты могут получить информацию - это взлом и получение доступа к правам системного администратора устройства, сервера или сети. Таким образом, вместо получения несанкционированного доступа к учетной записи одного пользователя, взломав логин администратора системы, кибер-пират получает гораздо более широкий доступ и привилегии без ведома тех, кто использует систему. Поскольку системный администратор выступает системе в качестве полицейского, никто не может пресечь его преступную деятельность - в сущности, в системе или сети с коррумпированной администрацией никто не может контролировать полицию.
Заключение
-
Повсеместное распространение и совместимость, которые Интернет, сети с коммутацией пакетов и почти всеобщее признание семиуровневой модели OSI (Open Source Initiative) обрели за последние двадцать лет, позволили расширить глобальную связь в небывалом масштабе, соединив широкий диапазон устройств от смартфона до планшетов, компьютеров, интеллектуальных телевизоров, автомобилей и даже бытовой техники, и лампочек. Глобальное признание интернет-протокола (IP) в качестве основы для подключения к Ethernet, сотовой связи, Wi-Fi и кабельному телевидению не только унифицировало связь, но и значительно упростило проблему для хакеров и кибер-преступников, пытающихся проникнуть в максимально возможное количество устройств и систем. Учитывая множество программных и аппаратных способов, доступных сейчас для атаки современных сетей связи, очевидно, что одного способа защиты недостаточно для полной безопасности. Вместо этого необходим системный подход к защите каждого устройства, последнего звена, местной телефонной компании/сети и облачной сети, чтобы обеспечить их защиту от сложных кибер-атак. Используемые способы должны обеспечивать внутреннюю информационную безопасность и конфиденциальность информации без ущерба для качества обслуживания, задержки сети, качества видео или звука. Несмотря на то, что шифрование должно оставаться важным элементом разработки следующего поколения безопасной передачи и хранения данных, безопасность сети не должна опираться исключительно на способы шифрования.
Сущность изобретения
В соответствии с этим изобретением данные (которые в широком смысле включают в себя текстовые, аудио-, видео-, графические и все другие виды цифровой информации или файлов) передаются через динамическую защищенную коммуникационную сеть и протокол (SDNP) или "облако". Облако SDNP включает в себя множество "узлов", иногда называемых "медиаузлами", которые индивидуально размещаются на серверах или других типах компьютеров или цифрового оборудования (в совокупности именуемых здесь как "серверы"), расположенных в любой точке мира. Возможно размещение двух и более узлов на одном сервере. Как правило, данные передаются между медиаузлами светом по волоконно-оптическим кабелям, радиоволнами в высокочастотном или сверхвысокочастотном диапазоне, электрическими сигналами по медным проводам или коаксиальному кабелю, или по каналам спутниковой связи, но в широком смысле изобретение включает в себя любые средства, с помощью которых цифровые данные могут передаваться из одной точки в другую. Сеть SDNP включает облако SDNP, а также каналы "последней мили" между облаком SDNP и клиентскими устройствами, такими как сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки и стационарные компьютеры, мобильные потребительские электронные устройства, а также устройства и бытовые приборы Интернета вещей, автомобили и другие транспортные средства. Системы связи последней мили также включают вышки сотовой телефонной связи, кабель или оптоволокно, проложенные в доме, и общедоступные маршрутизаторы Wi-Fi.
При передаче между медиаузлами в облаке SDNP данные представлены в виде "пакетов", дискретных цепочек цифровых битов, которые могут иметь фиксированную или переменную длину, при этом данные замаскированы с использованием следующих способов: скремблирования, шифрования или разделение - или соответствующих обратных процессов: дескремблирования, дешифрования и смешивания. (Примечание. В данном документе, если из контекста не следует иное, слово "или" используется в его конъюнктивном (и/или) смысле.)
Скремблирование подразумевает изменение порядка следования данных в пакете. Например, для сегментов данных A, B и C, которые в исходном пакете следуют в порядке ABC, порядок следования изменится на CAB. Обратная по отношению к скремблированию операция называется "дескремблированием" и подразумевает изменение порядка следования данных в пакете на тот, в котором он первоначально появился - ABC в приведенном выше примере. Объединенная операция дескремблирования, а затем скремблирования пакета данных называется "повторным скремблированием". При повторном скремблировании пакета, который ранее был скремблирован, этот пакет может быть скремблирован тем же самым или другим способом по отношению к предыдущей операции скремблирования.
Вторая операция - "шифрование" - это кодирование данных в пакете и их представление в форме, называемой зашифрованным текстом, которая может быть понятна только отправителю и другим авторизованным сторонам, а также тому, кто должен выполнять обратную операцию - "дешифрование", чтобы сделать это. Объединенная операция дешифрования пакета данных с зашифрованным текстом и его последующего шифрования, как правило, но необязательно с использованием способа, который отличается от способа, используемого при его предыдущем шифровании, в данном документе называется "повторным шифрованием".
Третья операция - "разделение", как следует из названия, означает разделение пакета на два или более пакета меньшего размера. Обратная операция - "смешивание" - определяется как объединение двух или более разделенных пакетов обратно в один пакет. Разделение пакета, который ранее был разделен, а затем смешан, может быть выполнено таким же образом или может отличаться от предыдущей операции разделения. Порядок выполнения операций является обратимым, при этом разделение может быть отменено путем смешивания, и, наоборот, смешивание нескольких входных элементов в один выходной может быть отменено путем разделения для восстановления составляющих компонентов. (Примечание. Поскольку скремблирование и дескремблирование, шифрование и дешифрование, а также разделение и смешивание являются обратными процессами, для выполнения обратной операции необходимо только знание алгоритма или способа, который использовался для прямой операции. Следовательно, когда речь идет о конкретном алгоритме скремблирования, шифрования или разделения, должно быть понятно, что знание этого алгоритма позволяет выполнить обратный процесс).
В соответствии с настоящим изобретением пакет данных, который проходит через облако SDNP, скремблируется или шифруется, или же над ним выполняется одна или обе эти операции в сочетании с разделением. Кроме того, в пакет может добавляться "бесполезные" (т.е. бессмысленные) данные, чтобы сделать пакет более сложным для расшифровки или привести длину пакета в соответствие с установленными требованиями. Кроме того, пакет может быть подвергнут статистическому анализу, т.е. разделен на отдельные куски. На профессиональном языке специалистов по компьютерам проводить синтаксический анализ - это значит разделить оператор компьютерного языка, компьютерную команду или файл данных на части, которые могут быть полезны для компьютера. Синтаксический анализ может также использоваться для затруднения понимания цели команды или пакета данных или для упаковки данных в пакеты, имеющие заданную длину.
Несмотря на то, что формат пакетов данных соответствует интернет-протоколу, в облаке SDNP адреса медиаузлов не являются стандартными интернет-адресами, т.е. они не могут быть идентифицированы каким-либо сервером доменных имен Интернета. Следовательно, несмотря на то, что медиаузлы могут технически получать пакеты данных через Интернет, эти медиаузлы не будут распознавать адреса или отвечать на запросы. Более того, даже если бы пользователям Интернета нужно было связаться с медиаузлом, они не смогли бы получить доступ или просмотреть данные внутри медиаузла, потому что медиаузел может распознать их как самозванцев, не имеющих необходимых идентификационных учетных данных как медиаузла SDNP. В частности, если медиаузел не зарегистрирован как действующий узел SDNP, работающий на сервере, соответствующем требованиям сервера имен SDNP или его эквивалентной функции, пакеты данных, отправляемые с этого узла на другие медиаузлы SDNP, будут игнорироваться и отбрасываться. Аналогичным образом, только клиенты, зарегистрированные на сервере имен SDNP, могут обращаться к медиаузлу SDNP. Подобно незарегистрированным серверам, пакеты данных, полученные из источников, не являющихся зарегистрированными клиентами SDNP, будут игнорироваться и немедленно отбрасываться.
В сравнительно простом варианте осуществления, называемом "одномаршрутным", пакет данных проходит по единственному пути через ряд медиаузлов в облаке SDNP, при этом он скремблируется в медиаузле, в котором он входит в облако и дескремблируется в медиаузле, в котором он выходит из облака (эти два узла называются "шлюзовыми узлами" или "шлюзовыми медиаузлами"). В несколько более сложном варианте осуществления пакет повторно скремблируется на каждом медиаузле с использованием способа скремблирования, отличного от того, который использовался на предыдущем медиаузле. В других вариантах осуществления пакет также шифруется в шлюзовом узле, в котором он входит в облако и дешифруется в шлюзовом узле, в котором он выходит из облака, и, кроме того, пакет может быть повторно зашифрован в каждом медиаузле, через который он проходит в облаке. Поскольку данный узел при скремблировании или шифровании пакета каждый раз использует один и тот же алгоритм, этот вариант осуществления называется "статическим" скремблированием и шифрованием.
В случае, когда выполняется две и более операции преобразования пакета, например, он скремблируется и шифруется, обратные операции рекомендуется выполнять в противоположном порядке, т.е. в обратной последовательности. Например, если пакет скремблируется, а затем шифруется до выхода из медиаузла, то при поступлении на следующий медиаузел, он сначала дешифруется, а затем дескремблируется. Пакет воссоздается в своей исходной форме только в том случае, если он находится в медиаузле. Пока пакет передается между медиаузлами, он находится в скремблированном, разделенном или смешанном либо шифрованном виде.
В другом варианте осуществления, называемом "мультимаршрутной" передачей данных, в шлюзовом узле производится разделение пакета, после чего несколько образовавшихся пакетов пересекают облако по ряду "параллельных" маршрутов, причем ни один из путей не имеет общих медиаузлов с другими, за исключением шлюзовых узлов. Затем эти несколько пакетов смешиваются для воссоздания исходного пакета, как правило, в выходном шлюзовом узле. Таким образом, даже если хакеру удалось понять смысл одного пакета, у него будет только часть всего сообщения. Пакет также может быть скремблирован и зашифрован в шлюзовом узле до или после его разделения, а несколько образовавшихся пакетов могут быть повторно скремблированы или повторно зашифрованы в каждом медиаузле, через который они проходят.
В следующем варианте осуществления изобретения пакеты передаются не только по одному пути или ряду параллельных путей в облаке SDNP, а могут передаваться по разным путям, многие из которых пересекаются друг с другом. Поскольку в этом варианте осуществления изобретения изображение возможных путей напоминает решетку, этот процесс называется "решетчатой передачей". Как и в описанных выше вариантах осуществления изобретения, пакеты могут быть скремблированы, зашифрованы и разделены или смешаны при прохождении через отдельные медиаузлы в облаке SDNP.
Маршруты пакетов через сеть SDNP определяются функцией сигнализации, которая может выполняться либо сегментами самих медиаузлов, либо предпочтительно в "двухканальном" или "трехканальном" вариантах отдельными узлами сигнализации, работающими на выделенных серверах сигнализации. Функция сигнализации определяет маршрут каждого пакета, когда он покидает передающее клиентское устройство (например, сотовый телефон), на основе состояния (например, задержки распространения) сети, приоритета и срочности вызова, и информирует каждый из медиаузлов на маршруте о том, что он должен получить пакет, и указывает узел, которому его нужно отправить. Каждый пакет идентифицируется меткой, а функция сигнализации указывает каждому медиаузлу, какую метку применить для каждого из пакетов, которые он отправляет. В одном варианте осуществления изобретения метка данных включается в заголовок или подзаголовок SDNP, поле данных, прикрепленное к каждому под-пакету данных, используется для идентификации под-пакета. Каждый под-пакет может содержать сегменты данных из одного или нескольких источников, хранящиеся в специальных "слотах" данных в пакете. Несколько под-пакетов могут присутствовать в одном более крупном пакете данных при передаче данных между любыми двумя медиаузлами.
Функция маршрутизации согласуется с функциями разделения и смешивания, так как после разделения пакета необходимо определить соответствующие маршруты каждого из под-пакетов, на которые он разделен, а узлу, в котором эти под-пакеты должны быть восстановлены (смешаны), должно быть дано указание произвести их смешивание. Пакет может быть разделен, а затем смешан один раз, как в мультимаршрутном варианте, или он может быть разделен и смешан несколько раз по мере прохождения по сети SDNP к выходному шлюзовому узлу. Определение узла, в котором будет производиться разделение пакета, на сколько под-пакетов он будет разделен, соответствующие маршруты под-пакетов и узлы, в которых эти под-пакеты будут смешаны, чтобы воссоздать исходный пакет - все эти вопросы находятся под контролем функции сигнализации, независимо от того, выполняется она отдельными серверами сигнализации или нет. Алгоритм разделения может определять, какие сегменты данных при передаче должны быть включены в каждый из под-пакетов, а также порядок и положение сегментов данных в этих под-пакетах. Алгоритм смешивания определяет обратный процесс в узле, где под-пакеты смешиваются, чтобы воссоздать исходный пакет. Разумеется, при наличии соответствующей команды от функции сигнализации, в этом узле пакет может быть снова разделен в соответствии с другим алгоритмом разделения, соответствующим времени или состоянию в момент возникновения разделенного процесса.
Когда медиаузел получает команду от функции сигнализации отправить несколько пакетов в конкретный целевой медиаузел при "следующем переходе" по сети, даже если эти пакеты являются разделенными пакетами (под-пакетами) или относятся к разным сообщениям, этот медиаузел может объединять пакеты в один более крупный пакет, особенно когда несколько под-пакетов должны быть отправлены в один и тот же медиаузел для следующего перехода (аналогично почтовому отделению, в котором помещают пачку писем с одним и тем же адресом получателя в ящик и отправляют этот ящик по адресу).
В "динамических" вариантах осуществления изобретения отдельные медиаузлы в облаке SDNP не пользуются одними и теми же способами и алгоритмами скремблирования, шифрования или разделения для поочередно проходящих через них пакетов. Например, данный медиаузел может скремблировать, шифровать или разделять какой-либо пакет с использованием одного конкретного алгоритма скремблирования, шифрования или разделения, а затем скремблировать, шифровать или разделять следующий пакет с использованием другого алгоритма скремблирования, шифрования или разделения. Работа в "динамическом" режиме значительно увеличивает трудности, с которыми сталкиваются потенциальные хакеры, потому что у них остается короткий промежуток времени (например, 100 мсек), чтобы понять смысловое содержание пакета, и даже если оно будет успешным, полезность этих знаний будет кратковременной.
В динамических вариантах осуществления изобретения каждый медиаузел связан с так называемым "сервером DMZ (англ. DeMilitarized Zone - демилитаризованная зона)", который можно рассматривать как часть узла, которая изолирована от части передачи данных, и в которой есть база данных, содержащая списки или таблицы ("селекторы") возможных алгоритмов скремблирования, шифрования и разделения, которые этот медиаузел может применять к исходящим пакетам. Селектор является частью объема информации, называемого "разделяемыми секретами", поскольку эта информация неизвестна даже медиаузлам и поскольку все серверы DMZ имеют одинаковые селекторы в данный момент времени.
Когда медиаузел принимает пакет, который был скремблирован, в динамических вариантах осуществления изобретения он также получает "начальное состояние", которое используется для указания принимающему узлу, какой алгоритм должен использоваться при дескремблировании пакета. Начальное состояние представляет собой скрытое числовое значение, которое само по себе не имеет смысла, но основано на постоянно изменяющемся состоянии, например, на моменте времени, в который пакет был скремблирован предыдущим медиаузлом. Когда предыдущий узел скремблировал пакет, связанный с ним сервер DMZ сформировал начальное состояние на основе состояния. Разумеется, это состояние также использовалось соответствующим сервером DMZ при выборе алгоритма, который должен применяться при скремблировании пакета, который был передан на отправляющий медиаузел в виде указания о том, как скремблировать пакет. Таким образом, отправляющий узел получил и указания о том, как скремблировать пакет, и начальное состояние, которое должно быть передано на следующий медиаузел. Генератор начальных состояний, работающий на сервере DMZ, генерирует начальное состояние в соответствии с алгоритмом, основанным на состоянии во время выполнения процесса. Несмотря на то, что генератор начальных состояний и его алгоритмы являются частью разделяемых секретов медиаузла, сгенерированное начальное состояние не является секретным, поскольку без доступа к алгоритмам числовое значение начального состояния не имеет смысла.
Таким образом, следующий медиаузел на маршруте пакета получает скремблированный пакет и начальное состояние, которое получено для состояния, связанного с пакетом (например, момента времени, в который было выполнено скремблирование). Начальное состояние может быть включено в сам пакет или может быть отправлено на принимающий узел до отправки пакета, либо по тому же маршруту, что и пакет, либо по какому-нибудь другому маршруту, например, через сервер сигнализации.
Независимо от того, как он получает начальное состояние, принимающий узел отправляет это начальное состояние на свой сервер DMZ. Поскольку на этом сервере DMZ есть селектор или таблица алгоритмов скремблирования, которые являются частью разделяемых секретов и поэтому являются такими же, как и селектор в сервере DMZ отправляющего узла, он может использовать начальное состояние для идентификации алгоритма, который использовался при скремблировании пакета и может указать принимающему узлу, как дескремблировать пакет. Таким образом, принимающий узел воссоздает пакет в дескрембрированном виде, тем самым восстанавливая исходные данные. Как правило, до передачи на следующий узел пакет снова скремблируется в соответствии с другим алгоритмом скремблирования. В этом случае принимающий узел подключается к его серверу DMZ, чтобы получить алгоритм скремблирования и начальное состояние, и процесс повторяется.
Таким образом, когда пакет проходит свой путь по сети SDNP, он скремблируется каждым узлом в соответствии с разными алгоритмами скремблирования, и на каждом узле создается новое начальное состояние, которое позволяет следующему узлу дескремблировать пакет.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения фактическое состояние (например, время) может передаваться между узлами (т.е., отправляющему узлу не нужно посылать начальное состояние принимающему узлу). Серверы DMZ, связанные как с отправляющим, так и с принимающим медиаузлом, содержат генераторы скрытых чисел (опять же, являющиеся частью разделяемых секретов), которые содержат одинаковые алгоритмы в любой момент времени. Сервер DMZ, связанный с отправляющим узлом, использует состояние для генерации скрытого числа, а скрытое число - для определения алгоритма скремблирования из селектора или таблицы возможных алгоритмов скремблирования. Передающий узел передает состояние принимающему узлу. В отличие от начальных состояний, скрытые номера никогда не передаются по сети, а передаются исключительно по конфиденциальной линии связи между медиаузлом и его сервером DMZ. Когда принимающий медиаузел принимает состояние для входящего пакета данных, генератор скрытых чисел в связанном с ним сервере DMZ использует состояние для создания идентичного скрытого номера, который впоследствии используется с селектором или таблицей для идентификации алгоритма, в соответствии с которым будет дескремблироваться пакет. Это состояние может быть включено в пакет или может быть передано из отправляющего узла в принимающий узел до передачи пакета или по какой-нибудь другому маршруту.
Способы, используемые для динамического шифрования и разделения, аналогичны способам, используемым при динамическом скремблировании, но вместо "начального состояния" для динамического шифрования используются "ключи". Разделяемые секреты, хранящиеся на серверах DMZ, включают в себя селекторы или таблицы алгоритмов шифрования и разделения, а также генераторы ключей. В случае шифрования c симметричным ключом, отправляющий узел передает ключ принимающему медиаузлу, который может использоваться сервером DMZ принимающего узла для идентификации алгоритма, используемого при шифровании пакета, и тем самым дешифровать файл. В случае шифрования с асимметричным ключом медиаузел запрашивает информацию, т.е. принимающий узел сначала отправляет ключ шифрования узлу, содержащему передаваемый пакет данных. Затем отправляющий медиаузел зашифровывает данные в соответствии с этим ключом шифрования. Только принимающий медиаузел, генерирующий ключ шифрования, имеет соответствующий ключ дешифрования и возможность дешифровать зашифрованный текст, созданный с использованием этого ключа шифрования. Важно отметить, что при асимметричном шифровании доступ к ключу шифрования, используемому для шифрования, не предоставляет никакой информации о том, как расшифровать пакет данных.
В случае разделения медиаузел, в котором пакет был разделен, передает начальное состояние медиаузлу, в котором результирующие под-пакеты будут смешиваться, а сервер DMZ, связанный с узлом смешивания, использует это начальное состояние для идентификации алгоритма разделения и, следовательно, алгоритма, который будет использоваться при смешивании под-пакетов.
Как указано выше, в двух- или трехканальных вариантах осуществления изобретения функция сигнализации выполняется узлом сигнализации, работающим на отдельной группе серверов, называемых серверами сигнализации. В таких вариантах осуществления изобретения начальные состояния и ключи могут передаваться через серверы сигнализации, а не из отправляющего медиаузла непосредственно принимающему медиаузлу. Таким образом, отправляющий медиаузел может отправлять начальное состояние или ключ на сервер сигнализации, а сервер сигнализации может перенаправлять начальное состояние или ключ на принимающий медиаузел. Как было указано выше, серверы сигнализации отвечают за разработку маршрутов пакета, поэтому сервер сигнализации знает следующий медиаузел, которому направляется каждый пакет.
1
1
Чтобы усложнить задачу для потенциальных хакеров, список или таблица возможных способов скремблирования, разделения или шифрования в селекторе может периодически (например, ежечасно или ежедневно) "перетасовываться" таким образом, чтобы способы, соответствующие конкретным начальным состояниям или ключам, были изменены. Таким образом, алгоритм шифрования, применяемый данным медиаузлом к пакету, созданному в момент времени t в день 1, может отличаться от алгоритма шифрования, который он применяет к пакету, созданному в то же время t в день 2.
Каждый из серверов DMZ обычно физически связан с одним или несколькими медиаузлами в одной и той же "группе серверов". Как было указано выше, медиаузел может запрашивать указания о том, что делать с полученным пакетом, предоставляя связанному с ним серверу DMZ начальное состояние или ключ (например, на основе времени или состояния при создании пакета), но этот медиаузел не может получить доступ к разделяемым секретам или каким-либо другим данным или коду на сервере DMZ. Сервер DMZ отвечает на такие запросы, определяя по начальному состоянию или ключу, какой способ должен использовать медиаузел для дескремблирования, дешифрования или смешивания пакета. Например, если пакет скремблирован, и медиаузел хочет знать, как его дескремблировать, сервер DMZ может проверить список (или селектор) алгоритмов скремблирования, чтобы найти конкретный алгоритм, соответствующий данному начальному состоянию. Затем сервер DMZ дает команду медиаузлу дескремблировать пакет в соответствии с этим алгоритмом. Короче говоря, медиаузел передает запросы, содержащиеся в начальных состояниях или ключах, серверу DMZ, а сервер DMZ отвечает на эти запросы выдачей команд.
Несмотря на то, что медиаузлы доступны через Интернет (хотя у них нет IP-адресов, которые распознаются DNS), серверы DMZ полностью изолированы от Интернета, и соединяются только в локальной сети проводами или волоконно-оптическим кабелем с подключенными к этой сети медиасерверами.
В "одноканальных" вариантах осуществления изобретения начальные состояния и ключи передаются между отправляющим медиаузлом и принимающим медиаузлом в составе пакета данных или могут передаваться в отдельном пакете до передачи пакета данных по тому же маршруту, что и пакет данных. Например, при шифровании пакета медиаузел №1 может включить в пакет ключ шифрования на основе момента времени, в который было выполнено шифрование. Когда этот пакет поступает на медиаузел №2, медиаузел №2 передает ключ на соответствующий сервер DMZ, а сервер DMZ может с помощью этого ключа выбрать способ дешифрования в своем селекторе и выполнить дешифрование. Затем медиаузел №2 может направить запрос своему серверу DMZ, как снова зашифровать пакет, прежде чем передать его в медиаузел №3. Сервер DMZ снова обращается к селектору, сообщает медиаузлу №2, какой способ он должен использовать при шифровании пакета, и передает медиаузлу №2 ключ, который отражает состояние, соответствующее способу шифрования. Медиаузел №2 выполняет шифрование и передает зашифрованный пакет и ключ (отдельно или в составе пакета) медиаузлу №3. Затем этот ключ может быть аналогичным образом использован медиаузлом №3 для дешифрования пакета и т.д. В результате нет одного статического способа дешифрования, который хакер мог бы использовать при дешифровании пакетов.
Использование времени или динамического состояния "состояние" в приведенном выше примере для определения способа скремблирования, шифрования или разделения, которое должно быть включено в начальное состояние или ключ, является только иллюстративным. Любой изменяющийся параметр, например, количество узлов, через которые прошел пакет, также может использоваться как "состояние" в начальном состоянии или ключе для выбора конкретного способа скремблирования, шифрования или разделения, который будет использоваться.
В "двухканальных" вариантах начальные состояния и ключи могут передаваться между медиаузлами через второй канал "команд и управления", состоящий из серверов сигнализации, а не передаваться непосредственно между медиаузлами. Узлы сигнализации могут также предоставлять медиаузлам информацию маршрутизации и сообщать медиаузлам на маршруте пакета, как этот пакет должен быть разделен или смешан с другими пакетами, при этом они требуют, чтобы каждый медиаузел применял идентификационную "метку" для каждого передаваемого пакета, чтобы следующий медиаузел (узлы) был способен распознавать пакет(ы). Серверы сигнализации по возможности предоставляют данному медиаузлу информацию только о предыдущем и следующем медиаузлах пакета, проходящего через сеть. Ни один отдельный медиаузел не знает весь маршрут пакета через облако SDNP. В некоторых вариантах осуществления изобретения функция маршрутизации может быть распределена между двумя или более серверами сигнализации, при этом один сервер сигнализации определяет маршрут к конкретному медиаузлу, второй сервер сигнализации определяет маршрут от этого медиаузла к другому медиаузлу и так далее до выходного шлюзового узла. При этом ни один сервер сигнализации тоже не имеет полной информации о маршруте пакета данных.
В "трехканальных" вариантах третья группа серверов, называемая "серверами имен", используется для идентификации элементов в облаке SDNP и для хранения информации, касающейся идентификации устройств, подключенных к облаку SDNP, и их соответствующих IP-адресов или SDNP-адресов. Кроме того, серверы имен постоянно контролируют медиаузлы в облаке SDNP, поддерживая, например, текущий список активных медиаузлов и таблицу задержек распространения для каждой комбинации медиаузлов в облаке. На первом этапе размещения вызова клиентское устройство, например, планшет, может отправить IP-пакет на сервер имен с запросом адреса и другой информации получателя или вызываемого абонента. Кроме того, отдельный выделенный сервер имен используется для работы при первом контакте всякий раз, когда устройство впервые подключается, т.е. регистрируется, в облаке.
В качестве дополнительного преимущества с точки зрения безопасности в одиночном облаке SDNP могут быть предусмотрены отдельные "зоны" безопасности, имеющие разные селекторы, начальные состояния и генераторы ключей и другие разделяемые секреты. Смежные зоны соединяются мостовыми медиаузлами, которые содержат разделяемые секреты обеих зон и имеют возможность преобразовывать данные, отформатированные в соответствии с правилами для одной зоны, в данные, отформатированные в соответствии с правилами для другой зоны, и наоборот.
Аналогичным образом, для связи между различными облаками SDNP, обслуживаемыми, например, различными провайдерами услуг, между интерфейсными мостовыми серверами в каждом облаке формируется дуплексный канал связи. Каждый интерфейсный мостовой сервер имеет доступ к соответствующим разделяемым секретам и другим элементам безопасности для каждого облака.
Подобные способы безопасности обычно могут применяться на "последней миле" между облаком SDNP и клиентским устройством, например, сотовым телефоном или планшетом. Клиентское устройство обычно помещается в отдельную зону безопасности от облака и сначала должно стать авторизованным клиентом SDNP, что предполагает установку на клиентском устройстве специального программного пакета для зоны безопасности устройства, как правило, путем загрузки с сервера администрирования SDNP. Клиентское устройство связано с облаком SDNP через шлюзовой медиаузел в облаке. У шлюзового медиаузла есть доступ к разделяемым секретам, относящимся как к облачной зоне безопасности, так и к зоне безопасности клиентского устройства, но клиентское устройство не имеет доступа к разделяемым секретам, относящимся к облаку SDNP.
Для повышения уровня безопасности клиентские устройства могут обмениваться начальными состояниями и ключами напрямую друг с другом через серверы сигнализации. Таким образом, передающее клиентское устройство может отправлять начальное состояние и/или ключ прямо принимающему клиентскому устройству. В таких вариантах осуществления изобретения пакет, принятый принимающим клиентским устройством, будет находиться в той же скремблированной или зашифрованной форме, что и пакет, выходящий из отправляющего клиентского устройства. Таким образом, принимающее клиентское устройство может использовать начальное состояние или ключ, который оно получает от отправляющего клиентского устройства, чтобы дескремблировать или дешифровать пакет. Обмен начальными состояниями и ключами непосредственно между клиентскими устройствами дополняет собственное динамическое скремблирование и шифрование сети SDNP, и, таким образом, представляет собой дополнительный уровень безопасности, называемый вложенной безопасностью.
Кроме того, клиентское устройство или шлюзовой узел, с которым оно обменивается данными, могут смешивать пакеты, которые представляют собой данные одного и того же вида - например, голосовые пакеты, файлы текстовых сообщений, документы, части программного обеспечения, или которые представляют собой информацию разного типа, например, один голосовой пакет и один текстовый файл, один текстовый пакет и одно видео или фотоизображение - до того, как пакеты достигнут сети SDNP, а выходной шлюзовой узел или клиентское устройство получателя может разделять смешанный пакет для восстановления исходных пакетов. Это дополняет скремблирование, шифрование или разделение, которое происходит в сети SDNP. В таких случаях отправляющее клиентское устройство может отправить принимающему клиентскому устройству начальное состояние, в котором указывается, как разбить пакет, чтобы воссоздать исходные пакеты, которые были смешаны в отправляющем клиентском устройстве или шлюзовом медиаузле. Выполнение последовательного смешивания и разделения может включать в себя линейную последовательность операций или, как вариант, использовать вложенную архитектуру, где клиенты принимают свои собственные меры безопасности, и облако SDNP тоже.
Важным преимуществом настоящего изобретения является то, что в сети SDNP нет единого пункта управления и что ни один узел и ни один сервер в этой сети не имеет полного представления о том, как происходит передача данных или как она может динамически меняться.
Например, узлы сигнализации, работающие на серверах сигнализации, знают маршрут (или, в некоторых случаях, только часть маршрута), по которому происходит передача данных, но они не имеют доступа к содержимому передаваемых данных и не знают, кто является истинным вызывающим абонентом или клиентом. Кроме того, узлы сигнализации не имеют доступа к разделяемым секретам на серверах DMZ медиаузла, поэтому они не знают, как шифруются, скремблируются, разделяются или смешиваются пакеты данных во время передачи.
Серверы имен SDNP знают истинные номера телефонов или IP-адреса вызывающих абонентов, но не имеют доступа к передаваемым данным или маршрутизации различных пакетов и под-пакетов. Как и узлы сигнализации, серверы имен не имеют доступа к разделяемым секретам на серверах DMZ медиаузла, поэтому они не знают, как шифруются, скремблируются, разделяются или смешиваются пакеты данных во время передачи.
Медиаузлы SDNP, фактически передающие медиаконтент, не имеют представления о том, кто является отправителем информации, и не знают маршрут, по которому проходят различные фрагментированные под-пакеты через облако SDNP. В действительности, каждый медиаузел знает только, какие пакеты данных ожидать (идентифицируются своими метками или заголовками) и куда их отправлять дальше, т.е. "следующий переход", но медиаузлы не знают, как данные шифруются, скремблируются, смешиваются или разделяются, а также не знают, как выбрать алгоритм или дешифровать файл, используя состояние, числовое значение начального состояния или ключ. Знания, необходимые для правильной обработки сегментов данных входящих пакетов, известны только серверу DMZ, использующему свои разделяемые секреты, алгоритмы, недоступные по сети или самому медиаузлу.
Другим оригинальным аспектом настоящего изобретения является его способность уменьшать сетевую задержку и минимизировать задержку распространения для обеспечения QoS, а также исключать эхо-сигналы или отбрасывание вызовов путем управления размером пакетов данных, т.е. одновременно отправляя небольшие пакеты данных через облако, а не полагаясь на одно высокоскоростное соединение. Динамическая маршрутизация сети SDNP использует свои знания о задержках распространения между узлами сети для динамического выбора наилучшего маршрута для передачи данных в этот момент времени. В другом варианте осуществления изобретения для высокоприоритетных клиентов сеть может облегчать маршрутизацию передачи, отправляя дублированные сообщения во фрагментированном виде через облако SDNP, выбирая только самые быстрые данные для восстановления исходного звука или содержимого данных.
Среди многих преимуществ системы SDNP в соответствии с данным изобретением в вариантах с параллельной и "решетчатой передачей" пакеты могут быть фрагментированы при их переходе в облако SDNP, что предотвращает понимание сообщения потенциальными хакерами даже в том случае, если они способны расшифровать отдельный под-пакет или группу под-пакетов, а в "динамических" вариантах способы скремблирования, шифрования и разделения, применяемые к пакетам, постоянно изменяются, что не дает потенциальному хакеру какой-либо значительной выгоды от успешного дешифрования пакета в данный момент времени. Многочисленные дополнительные преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники после ознакомления с приведенным ниже описанием.
Краткое описание чертежей
На приведенных ниже чертежах компонентам, которые имеют общее сходство, присвоены подобные числовые обозначения. Однако следует отметить, что не каждый компонент, которому присвоено определенное числовое обозначение, обязательно идентичен другому компоненту с тем же числовым обозначением. Например, операция шифрования, имеющая конкретное числовое обозначение, необязательно идентична другой операции шифрования с тем же числовым обозначением. Более того, группы компонентов, например, серверы в сети, которые имеют одно общее идентификационное числовое обозначение, необязательно идентичны друг другу.
фигуре 1
На  схематически показана телефонная сеть с коммутацией каналов.
фигуре 2
На  схематически показана сети связи с коммутацией пакетов.
фигуре 3
На  схематически показана маршрутизация пакетов в сети связи с коммутацией пакетов.
фигуре 4
На  в графическом виде показана конструкция IP-пакета для связи по сети с коммутацией пакетов.
фигуре 5A
На  схематически показана сеть связи, иллюстрирующая примеры физического уровня 1 соединения с высокой пропускной способностью.
фигуре 5B
На  схематически показана сеть связи, иллюстрирующая примеры физического уровня 1 соединения последней мили.
фигуре 6A
На  схематически показано соединение между двумя устройствами на физическом уровне 1.
фигуре 6B
На  схематически показано соединение между тремя устройствами на общем физическом уровне 1.
фигуре 7A
На  схематически показано соединение канального уровня 2 между тремя устройствами с использованием шинной архитектуры.
фигуре 7B
На схематически показано соединение канального уровня 2 между тремя устройствами с использованием архитектуры с концентратором.
фигуре 7C
На  схематически показано соединение канального уровня 2 между тремя устройствами с использованием архитектуры последовательной цепи (daisy chain).
фигуре 8A
На  схематически показано соединение канального уровня 2 между тремя устройствами с сетевым коммутатором.
фигуре 8B
На  схематически в простом виде показан сетевой коммутатор.
фигуре 8C
На  схематически показана работа сетевого коммутатора.
фигуре 9
На  в графическом виде показана конструкция канального уровня 2 IP-пакета с использованием протокола Ethernet.
фигуре 10
На  схематически в простом виде показан сетевой мост Ethernet-радио.
фигуре 11
На  в графическом виде показана конструкция канального уровня 2 IP-пакета с использованием протокола Wi-Fi.
фигуре 12A
На  схематически показана двунаправленная работа точки доступа к сети Wi-Fi.
фигуре 12B
На  схематически показана двунаправленная работа преобразователя Wi-Fi.
фигуре 13
На  в графическом виде показана эволюция телефонной связи, передачи текста и данных по сетям сотовой связи.
фигуре 14A
На  в графическом виде показано распределение по частоте в сетях связи 4G/LTE.
фигуре 14B
На  в графическом виде показано кодирование при мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), используемом в радиосвязи 4G/LTE.
фигуре 15
На  в графическом виде показана конструкция канального уровня 2 IP-пакета с использованием протокола 4G/LTE.
фигуре 16
На  схематически показана сети связи кабельного модема.
фигуре 17
На  схематически показана конструкция канального уровня 2 сети связи кабельного модема.
фигуре 18
На  в графическом виде показана конструкция решетчатой кодировки, используемой в кабельных модемах на основе DOCSIS.
фигуре 19
На  в графическом виде показана конструкция канального уровня 2 пакета связи с использованием протокола DOCSIS.
фигуре 20
На  схематически показано сетевое соединение уровня 3 между тремя устройствами.
фигуре 21
На  в графическом виде показаны пакеты связи, сформированные в соответствии с семиуровневой моделью OSI.
фигуре 22
На  в графическом виде показана конструкция сетевого уровня 3 для сравнения пакетов связи IPv4 и IPv6.
фигуре 23
На  в графическом виде показан IP-пакет в соответствии с протоколом IPv4.
фигуре 24
На  в графическом виде показан IP-пакет в соответствии с протоколом IPv6.
фигуре 25
На  в графическом виде показаны поля адреса, построенные в соответствии с протоколами IPv4 и IPv6.
фигуре 26
На  в графическом виде показано поле протокола/следующего заголовка в IP-пакете и его соответствующая полезной нагрузке.
фигуре 27
На  схематически показан транспортный уровень 4 соединения между тремя устройствами.
фигуре 28A
На  в графическом виде показана конструкция транспортного уровня 4 IP-пакета с использованием протокола TCP.
фигуре 28B
На  приведена таблица, описывающая поля протокола TCP.
фигуре 29
На  в графическом виде показана последовательности передачи TCP-пакета.
фигуре 30
На в графическом виде показана конструкция транспортного уровня 4 IP-пакета с использованием протокола UDP.
фигуре 31A
На  схематически показана передача данных на транспортном уровне 4 от клиента к хосту.
фигуре 31B
На  схематически показана передача данных на транспортном уровне 4 от хоста к клиенту.
фигуре 31C
На  приведена таблица, описывающая обычно используемое распределение портов UDP и TCP.
фигуре 31D
ad hoc-
На  приведена таблица, описывающая выделенные блоки для адресов, зарезервированных и портов, используемых UDP и TCP.
фигуре 32A
На  схематически показан преобразователь сетевых адресов (NAT).
фигуре 32B
На  схематически показана работа преобразователя сетевых адресов.
фигуре 33
На  схематически показаны три устройства, подключенные на прикладном уровне 5, уровне 6 и уровне 7.
фигуре 34
На  схематически показана загрузка содержимого с использованием приложения уровня 7 для протокола передачи файлов (FTP).
фигуре 35A
На  схематически показана загрузки веб-страниц с использованием приложения уровня 7 для протокола передачи гипертекста (HTTP).
фигуре 35B
На  в графическом виде показана веб-страница HTML, созданная путем загрузки с различных серверов.
фигуре 36
На  схематически показана приложения уровня 7 для электронной почты на основе протокола IMAP.
фигуре 37
На  показана таблица, в которой сравнивается QoS для различных состояний сети.
фигуре 38
На  показан график зависимости времени приема-передачи (RTT) от задержки распространения внутри узла сети.
фигуре 39
На  схематически показаны различные примеры вредоносного ПО в сети связи.
фигуре 40
На  в простом виде представлено сетевое соединение облака и последней мили, а также вредоносные программы, используемые при кибер-атаках.
фигуре 41A
На  показаны электронные устройства, способные контролировать связь по Ethernet и Wi-Fi.
фигуре 41B
На  показаны электронные устройства, способные контролировать сотовую телефонную связь.
фигуре 41C
На  показано электронное устройство, способное отслеживать связь по волоконно-оптическому кабелю.
фигуре 42
На  показана таблица, в которой сравниваются десять имеющихся в продаже шпионских программ.
фигуре 43
На  приведена карта мира, на которой показаны инциденты, связанные с проведением кибер-атак всего за один день.
фигуре 44
На  показана возможность анализа IP-пакетов и проведения атак "человек посередине" в сети с коммутацией пакетов.
фигуре 45
На  показана кибер-атака с использованием обнаружения на основе опроса портов.
фигуре 46
На  показана кибер-атака, использующая захват IP-пакетов.
фигуре 47
На  схематически показано шифрование с двумя ключами.
фигуре 48A
На  схематически показана виртуальная частная сеть.
фигуре 48B
На  показан стек связи виртуальной частной сети.
фигуре 48C
На  схематически показан VoIP-вызов по специальной VPN.
фигуре 49A
На  схематически показан OTT VoIP-вызов через Интернет.
фигуре 49B
На  схематически показан VoIP-вызов по одноранговой сети.
фигуре 50
На  схематически показана обычная передача пакетов по сети.
фигуре 51A
На  схематически показан процесс скремблирования пакета.
фигуре 51B
На  схематически показан процесс дескремблирования пакетов.
фигуре 51C
На  схематически показаны различные алгоритмы скремблирования пакетов.
фигуре 51D
На  схематически показано статическое параметрическое скремблирование пакетов.
фигуре 51E
На  схематически показано динамическое скремблирование со скрытым числом.
фигуре 51F
На  схематически показано динамическое скремблирование пакетов с подмешиванием псевдослучайного сигнала.
фигуре 52
На  схематически показано статическое скремблирование пакетов в линейной сети.
фигуре 53
На  схематически показан процесс повторного скремблирования пакетов.
фигуре 54
На  схематически показано динамическое скремблирование пакетов в линейной сети.
фигуре 55A
На  схематически показан процесс шифрования пакетов.
фигуре 55B
На  схематически показан процесс дешифрования пакетов.
фигуре 56
На  схематически показан процесс скремблирования с шифрованием и его обратная функция.
фигуре 57
На  схематически показано статическое скремблирование с шифрованием в линейной сети.
фигуре 58
На  схематически показан процесс повторного пакетирования данных DUSE, включающий повторное скремблирование и повторное шифрование.
фигуре 59
На  схематически показано динамическое скремблирование с шифрованием в линейной сети.
фигуре 60A
На  схематически показан процесс разделения пакетов фиксированной длины.
фигуре 60B
На  схематически показан процесс смешивания пакетов фиксированной длины.
фигуре 61A
На  схематически показаны различные способы смешивания пакетов.
фигуре 61B
На  схематически показано смешивание пакетов с конкатенацией.
фигуре 61C
На  схематически показано смешивание пакетов с чередованием.
фигуре 62A
На  схематически показан способ смешивания с последующим скремблированием.
фигуре 62B
На  схематически показан способ скремблирования с последующим смешиванием.
фигуре 63
На  схематически показано статическое скремблирование с последующим смешиванием в линейной сети.
фигуре 64
На  схематически показано динамическое скремблирование с последующим смешиванием в линейной сети.
фигуре 65
На  схематически показаны различные процессы обработки зашифрованных пакетов.
фигуре 66A
На  схематически показано динамическое смешивание зашифрованных скремблированных данных в линейной сети.
фигуре 66B
На  схематически показано статическое смешивание скремблированных данных с динамическим шифрованием в линейной сети.
фигуре 66C
На  схематически показано динамическое смешивание, скремблирование и шифрование в линейной сети с использованием способа "возврат к нормальному состоянию".
фигуре 66D
На  схематически показан способ DUS-MSE возврата к нормальному состоянию.
фигуре 67A
На  схематически показано смешивание пакетов с одним выходом.
фигуре 67B
На  схематически показана смешивание пакетов с несколькими выходами.
фигуре 67C
На  схематически показано разделение пакетов переменной длины.
фигуре 67D
На  схематически показано разделение пакетов фиксированной длины.
фигуре 67E
На  показана блок-схема, иллюстрирующая алгоритм смешивания.
фигуре 67F
На  показана блок-схема, иллюстрирующая алгоритм разделения.
фигуре 67G
На  схематически показана блок-схема, иллюстрирующая двухступенчатый алгоритм смешивания и скремблирования.
фигуре 67H
На  показана блок-схема, иллюстрирующая гибридный алгоритм смешивания/скремблирования.
фигуре 67I
На  показана блок-схема, иллюстрирующая идентификацию меток.
фигуре 68A
На  схематически показана различные типы маршрутизации пакетов.
фигуре 68B
На  схематически показана одномаршрутная или линейная передача.
фигуре 68C
На  схематически показана мультимаршрутная или параллельная передача.
фигуре 68D
На  схематически показана передача по решетчатому маршруту.
фигуре 68E
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления передачи по решетчатому маршруту.
фигуре 69
На  схематически показана статическая мультимаршрутная передача.
фигуре 70
На  схематически показано статическое мультимаршрутное скремблирование.
фигуре 71A
На  схематически показано динамическое мультимаршрутное скремблирование.
фигуре 71B
На  схематически показаны различные комбинации скремблирования и разделения.
фигуре 71C
На  схематически показано вложенное смешивание, разделение, скремблирование и шифрование.
фигуре 72
На  схематически показан способ статического скремблирования с последующим разделением и динамическим шифрованием.
фигуре 73
На  схематически показана мультимаршрутная передача статических скремблированных данных с динамическим шифрованием.
фигуре 74
На  схематически показаны различные комбинации способов разделения, скремблирования и шифрования.
фигуре 75
На  схематически показана статическая решетчатая маршрутизация данных переменной длины.
фигуре 76
На  схематически показана статическая скремблированная решетчатая маршрутизация данных переменной длины.
фигуре 77A
На  схематически показано смешивание и разделение для решетчатой передачи данных переменной длины.
фигуре 77B
На  схематически показано смешивание и разделение для решетчатой передачи данных фиксированной длины.
фигуре 77C
На  схематически показаны различные комбинации возможностей подключения узла связи в решетчатой сети.
фигуре 77D
На  схематически показаны возможности подключения узла не планарной решетчатой сети.
фигуре 78A
На  схематически показано смешивание и разделение повторно скремблированных данных.
фигуре 78B
На  схематически показано смешивание дескремблированных данных решетчатых входов.
фигуре 78C
На  схематически показана операция разделения и скремблирования для решетчатых выходов.
фигуре 78D
На  схематически показано повторное скремблирование и повторное смешивание для решетчатой передачи.
фигуре 79A
На  схематически показано смешивание и разделение скремблированных данных фиксированной длины для решетчатой передачи.
фигуре 79B
На  схематически показан альтернативный вариант смешивания и разделения скремблированных данных фиксированной длины для решетчатой передачи.
фигуре 80
На  схематически показана статическая скремблированная решетчатая маршрутизация данных переменной длины.
фигуре 81A
На  схематически показано смешивание и разделение зашифрованных данных.
фигуре 81B
На  схематически показано смешивание дешифрованных данных решетчатых входов.
фигуре 81C
На  схематически показано разделение и шифрование для решетчатых выходов.
фигуре 82A
На  схематически показан зашифрованный пакет с повторным скремблированием для решетчатой передачи.
фигуре 82B
На  схематически показана операция дешифрования, дескремблирования и смешивания (DUM) для решетчатых входов.
фигуре 82C
На  схематически показана операция разделения, скремблирования и шифрования (SSE) для решетчатых выходов.
фигуре 83A
На  схематически показан медиаузел SDNP для решетчатой передачи.
фигуре 83B
На  схематически показан одномаршрутный медиаузел SDNP.
фигуре 83C
На  схематически показан одномаршрутный проходной медиаузел SDNP.
фигуре 83D
На  схематически показан медиаузел SDNP для избыточного дублирования маршрута.
фигуре 83E
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное скремблирование.
фигуре 83F
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное дескремблирование.
фигуре 83G
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий повторное одномаршрутное скремблирование.
фигуре 83H
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное шифрование.
фигуре 83I
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное дешифрование.
фигуре 83J
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий повторное одномаршрутное шифрование.
фигуре 83J
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное шифрование скремблированных данных.
фигуре 83L
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий одномаршрутное дешифрование дескремблированных данных.
фигуре 83M
На  схематически показан медиаузел SDNP, выполняющий повторное одномаршрутное пакетирование.
фигуре 83N
На  схематически показан решетчатый вход шлюза SDNP.
фигуре 83O
На  схематически показан решетчатый выход шлюза SDNP.
фигуре 83P
На  схематически показан скремблированный вход шлюза SDNP и дескремблированный выход шлюза SDNP.
фигуре 83Q
На  схематически показан зашифрованный вход шлюза SDNP и дешифрованный выход шлюза SDNP.
фигуре 83R
На  схематически показана скремблированный зашифрованный вход шлюза SDNP и дескремблированный дешифрованный выход шлюза SDNP.
фигуре 83S
На  схематически показана шлюзы SDNP, выполняющие решетчатое повторное скремблирование и решетчатое повторное шифрование
фигуре 84A
На  схематически показаны соединения медиаузла SDNP.
фигуре 84B
На  схематически показано облако SDNP.
фигуре 84C
На  схематически показана шифрованная связь между медиаузлами SDNP.
фигуре 84D
На  схематически показана межузловая шифрованная связь SDNP.
фигуре 85A
На  схематически показано облако SDNP с возможностью подключения последней мили к клиенту сотового телефона.
фигуре 85B
На  схематически показан шлюз SDNP с незащищенным соединением последней мили.
фигуре 85C
На  схематически показан шлюз SDNP с защищенным соединением последней мили.
фигуре 85D
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления шлюза SDNP с защищенным соединением последней мили.
фигуре 86
На  схематически показаны различные клиенты, подключенные к облаку SDNP.
фигуре 87
На  схематически показана маршрутизация пакетов в облаке SDNP.
фигуре 88A
На  схематически показана маршрутизация пакетов, начинающаяся в облаке SDNP.
фигуре 88B
На  схематически показана маршрутизация пакетов первого облачного перехода в облаке SDNP.
фигуре 88C
На  схематически показана маршрутизация пакетов второго облачного перехода в облаке SDNP.
фигуре 88D
На  схематически показана маршрутизация пакетов третьего облачного перехода в облаке SDNP.
фигуре 88E
На  схематически показана маршрутизацию пакетов из шлюза облака SDNP.
фигуре 88F
На  схематически показана сводная информация о маршрутизации пакетов в облаке SDNP для конкретного сеанса.
фигуре 89A
На  схематически показана маршрутизация пакетов, начинающаяся в облаке SDNP, для альтернативного сеанса.
фигуре 89B
На  схематически показана маршрутизация пакетов первого облачного перехода в облаке SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 89C
На  схематически показана маршрутизация пакетов второго облачного перехода в облаке SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 89D
На  схематически показана маршрутизация пакетов третьего облачного перехода в облаке SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 89E
На  схематически показана маршрутизация пакетов четвертого облачного перехода в облаке SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 89F
На  схематически показана маршрутизацию пакетов из шлюза облака SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 89G
На  схематически показана сводная информация о маршрутизации пакетов в облаке SDNP для альтернативного сеанса.
фигуре 90
На  схематически показано содержимое пакетов SDNP, доступное для проведения атак типа "человек посередине" и анализа пакетов.
фигуре 91A
На  в графическом виде схематически показана передача пакетов SDNP во времени.
фигуре 91B
На  схематически показана передача пакетов SDNP во времени в виде таблицы.
фигуре 91C
На  в графическом виде схематически показан пакет SDNP для альтернативного сеанса передачи пакетов во времени.
фигуре 92A
На  схематически показано управление входящими пакетами SDNP для медиаузла SDNP.
фигуре 92B
На  схематически показано управление исходящими пакетами SDNP для медиаузла SDNP.
фигуре 93
На  схематически показан выбор алгоритма SDNP.
фигуре 94
На  схематически показана регулярная перестановка алгоритма SDNP.
фигуре 95A
На  схематически показано многозонное облако SDNP.
фигуре 95B
На  схематически показано многозонное управление защищенностью SDNP.
фигуре 95C
На  схематически показан многозонный дуплексной мост SDNP.
фигуре 95D
На  схематически показана многозонная сеть SDNP, содержащая несколько облаков.
фигуре 95E
На  схематически показана незащищенная связь между облаками SDNP.
фигуре 95F
На  схематически показана использование многозонных дуплексных мостов SDNP для защищенных каналов связи между облаками.
фигуре 96A
На  схематически показан защищенный шлюз SDNP и канал последней мили к планшету клиента.
фигуре 96B
На  схематически показаны функции облачного интерфейса.
фигуре 96C
На  схематически показаны функции клиентского интерфейса.
фигуре 96D
На  схематически показаны функции клиента.
фигуре 97A
На  схематически показаны функциональные элементы защищенного шлюза облака SDNP.
фигуре 97B
На  схематически показана взаимосвязь функциональных элементов в защищенном шлюзе облака SDNP.
фигуре 98
На  схематически показан клиентский интерфейс в защищенном шлюзе облака SDNP.
фигуре 99A
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче.
фигуре 99B
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче с использованием скремблирования при передаче в облаке SDNP.
фигуре 99C
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче с использованием скремблирования при передаче в облаке SDNP и на одиночном маршруте последней мили.
фигуре 99D
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче со сквозным скремблированием.
фигуре 99E
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче с использованием скремблирования при передаче в облаке SDNP и на одиночном маршруте последней мили с повторным скремблированием.
фигуре 99F
На  схематически показано управление ключами при многозонной передаче с повторным скремблированием, специфическим для зоны.
фигуре 100A
На  схематически показана доставка и установка кода SDNP.
фигуре 100B
На  схематически показана доставка и многозональная установка кода SDNP.
фигуре 101A
На  схематически показана доставка секретных данных SDNP на сервер DMZ.
фигуре 101B
На  схематически показана связь по медиаканалам секретных данных.
фигуре 101C
На  схематически показана передача секретных данных и ключей по медиаканалу SDNP.
фигуре 102
На  схематически показано динамическое управление SDNP через сервер сигнализации SDNP.
фигуре 103A
На  схематически показана доставка ключей и начальных состояний SDNP через сервер сигнализации SDNP.
фигуре 103B
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления доставки ключей и начальных состояний SDNP через сервер сигнализации SDNP.
фигуре 104
На  схематически показана доставка клиенту SDNP.
фигуре 105A
На  схематически показана одноканальная доставка ключей и начальных состояний SDNP клиенту.
фигуре 105B
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления одноканальной доставки ключей и начальных состояний SDNP клиенту.
фигуре 106
На  схематически показана клиентская перестановка алгоритма SDNP.
фигуре 107
На  схематически показана двухканальная доставка ключей и начальных состояний SDNP клиенту.
фигуре 108
На  схематически показана доставка открытого ключа клиенту SDNP.
фигуре 109
На  схематически показана одноканальная решетчатая передача данных SDNP.
фигуре 110A
На  показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 1.
фигуре 110B
На  показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 2.
фигуре 110C
На показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 3.
фигуре 110D
На  показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 4.
фигуре 110E
На  показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 5.
фигуре 110F
На  показана блок-схема специальной связи по медиаканалу SDNP, часть 6.
фигуре 111A
На  приведена блок-схема, содержащая сводные данные о специальной последовательности отправки пакета SDNP.
фигуре 111B
На  показана карта сети, содержащая сводные данные о маршрутизации отправки в SDNP.
фигуре 112A
На  приведена блок-схема, содержащая сводные данные о специальной последовательности ответа пакета SDNP.
фигуре 112B
На  показана карта сети, содержащая сводные данные о маршрутизации ответа в SDNP.
фигуре 113A
На  схематически показана подготовка пакета SDNP.
фигуре 113B
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления подготовки пакета SDNP.
фигуре 114
На  показана таблица, содержащая сводные данные об одном из вариантов реализации архитектуры пакета SDNP.
фигуре 115
На  схематически показан вариант осуществления двухканальной решетчатой передачи данных SDNP, в котором функция сигнализации внутри облака реализуется теми же серверами, которые действуют как медиаузлы, а функция сигнализации на участках первой и последней мили реализуется отдельными серверами сигнализации.
фигуре 116
На  схематически показан альтернативный вариант осуществления двухканальной решетчатой передачи данных SDNP, в котором функция сигнализации, как в облаке, так и на участках первой и последней мили реализуется отдельными серверами сигнализации.
фигуре 117
На  схематически показана трехканальная решетчатая передача данных SDNP.
фигуре 118
На  схематически показан узел SDNP и регистрация устройств.
фигуре 119
На  схематически показан контроль задержки распространения в SDNP в режиме реального времени.
фигуре 120
На  показан график, иллюстрирующий контроль задержки распространения тестового пакета.
фигуре 121
На  схематически показана трехканальная решетчатая передача данных SDNP.
фигуре 122
На  схематически показаны резервные серверы имен SDNP.
фигуре 123
На  схематически показаны резервные серверы сигнализации SDNP.
фигуре 124A
На  показана блок-схема трехканальной связи SDNP, часть 1.
фигуре 124B
На  показана блок-схема трехканальной связи SDNP, часть 2.
фигуре 124C
На  показана блок-схема трехканальной связи SDNP, часть 3.
фигуре 124D
На  схематически показана блок-схема, показывающая трехканальную связь SDNP, часть 4.
фигуре 124E
На  схематически показана блок-схема, показывающая трехканальную связь SDNP, часть 5.
фигуре 125A
На  приведена блок-схема, содержащая сводные данные о трехканальной последовательности отправки пакета SDNP.
фигуре 125B
На  показана карта сети, содержащая сводные данные о маршрутизации трехканальной отправки пакетов SDNP.
фигуре 126A
На  приведена блок-схема, содержащая сводные данные о трехканальной ответной последовательности пакетов SDNP.
фигуре 126B
На  показана карта сети, содержащая сводные данные о маршрутизации трехканальной ответной последовательности пакетов SDNP.
фигуре 126C
На  приведена блок-схема, содержащая сводные данные об альтернативном варианте осуществления трехканальной ответной последовательности пакетов SDNP.
фигуре 127
На  схематически показана предварительная обработка пакета узла SDNP.
фигуре 128
На  схематически показано повторное пакетирование SDNP.
фигуре 129A
На  схематически показано восстановление пакетов последнего узла в реальном времени.
фигуре 129B
На  схематически показано восстановление пакетов буферизованного последнего узла.
фигуре 129C
На  схематически показано восстановление пакетов буферизованного клиента.
фигуре 129D
На  показана блок-схема, содержащая сводные данные о конструкции клиентского пакета.
фигуре 130
На  схематически показана команда SDNP и пакеты сигналов управления.
фигуре 131
На  схематически показано определение динамического маршрута SDNP.
фигуре 132A
На  приведена блок-схема, показывающая пакеты сигналов управления и команд, путь 1-1.
фигуре 132B
На  приведена блок-схема, показывающая пакеты сигналов управления и команд, путь 1-2.
фигуре 132C
На  схематически показано восстановление пакета SDNP.
фигуре 133A
На  схематически показано представление уровней OSI фрагментированной передачи SDNP.
фигуре 133B
На  схематически показано представление уровней модели OSI для туннельной фрагментированной передачи SDNP.
фигуре 134
На  схематически показана маршрутизация передачи пакетов SDNP.
фигуре 135
На  показана таблица, сравнивающая связь по сети SDNP со связью по другим сетям с коммутацией пакетов.
Описание изобретения
После почти полутора веков использования телефонных сетей с коммутированными каналами современные системы и сети связи за период времени длительностью всего лишь в какое-то десятилетие перешли к использованию способа пакетной коммутации данных с использованием протокола сети Интернет, с передачей данных через сети стандартов Ethernet, Wi-Fi, 4G/LTE и DOCSIS3 по обычным и оптоволоконным кабелям. Можно назвать много преимуществ технологии совместной передачи голосовых, текстовых данных, компьютерных данных, а также статических и видеоизображений; среди них - использование резервных трактов передачи данных для гарантирования надежной доставки IP-пакетов (что является причиной, по которой Интернет изначально и создавался), а также беспрецедентный уровень взаимодействия и возможностей по объединению сетей в масштабах всего мира. Однако, как и в случае с любыми инновациями, степень сложности задач, которые приходится решать в связи с введением в действие новых технологий, сопоставима с количеством предоставляемых ими преимуществ.
Недостатки существующих провайдеров услуг связи
Как было описано во вступительной части данного повествования, современные системы связи характеризуются многими недостатками. Самые производительные системы связи сегодня, состоящие из созданного по особому заказу цифрового оборудования, которое находится в собственности крупнейших мировых провайдеров услуг дальней связи, таких как AT&T, Verizon, NTT, Vodaphone и т.д., как правило, обеспечивают превосходное качество передачи голоса, но по высокой стоимости, которая включает в себя высокие тарифы ежемесячной абонплаты, тарифы на подключение услуг, тарифы на использование дальней связи, сложные планы учета различных скоростей передачи данных, оплату роуминговых услуг при использовании дальней связи, а также различные тарифы на использование услуг по техническому обслуживанию оборудования. Так как форма собственности указанных сетей является частной, информация о фактической безопасности передачи данных не находится в общественном доступе; и факты нарушения безопасности данных, совершения хакерских атак и несанкционированного вмешательства в работу систем не обнародуются публично. С учетом количества фактов подслушивания телефонных разговоров и нарушения права на неприкосновенность частной жизни, о которых средства массовой информации сообщают ежедневно, существуют серьезные сомнения в безопасности процесса связи, обеспечиваемого частными провайдерами соответствующих услуг - под угрозой может находиться безопасность передачи данных, находящихся если не в частном облаке указанных провайдеров, то, по меньшей мере, в процессе их передачи с использованием соединений "последней мили".
"Интернет-провайдеры" являются еще одним звеном в глобальной сети коммуникаций. Как описано в предисловии к данному изобретению, процесс передачи голосовых сообщений по сети Интернет с использованием технологии VoIP характеризуется множеством проблем, связанных с QoS, включая следующие:
● Интернет, будучи сетью с пакетной коммутацией данных, не предназначен для регулярной во времени передачи IP-пакетов, или же для поддержки приложений в режиме реального времени с низкими значениями временных задержек и высоким качеством обслуживания
● Характер маршрутизации IP-пакета является непредсказуемым, что приводит к возникновению задержек постоянно меняющейся величины, внезапным "выбросам" большого количества ошибок передачи данных, а также неожиданным "провалам" в передаче голосовых данных
● Маршрут передачи IP-пакета выбирается по усмотрению Интернет-провайдера, который определяет конкретную сеть, через которую будет осуществляться передача пакетных данных, и может регулировать процесс маршрутизации с учетом балансирования загрузки своей собственной сети или же лучшего обслуживания своих VIP-клиентов за счет ухудшения качества соединения основной массы своих клиентов - общего трафика в своей сети.
● Провайдеры услуг "низкого качества" ("OTT providers"), такие как, например, Line, KakaoTalk, Viber и т.д., используют свободные, "открывающиеся" в конкретный момент времени случайным образом каналы передачи данных в сети Интернет, путешествуя по нему "автостопом" и, таким образом, не имея возможности контролировать факторы, обеспечивающие качество передачи данных в сети.
● Использование тяжеловесных аудиокодеков, которые не способны обеспечить разборчивость передаваемых голосовых данных даже при умеренных скоростях передачи данных
● Использование технологии передачи голосовых данных, базирующейся на применении протокола передачи данных TCP, приводит к высоким временным задержкам и снижению качества аудиопотока, что связано с наличием задержек, вызванных использованием протоколов "рукопожатия" и процессами повторной передачи IP-пакетов. При использовании в процессе передачи данных только протокола UDP без вспомогательных средств, отсутствуют гарантии сохранения целостности полезной нагрузки.
фигуре 40
Вдобавок к вопросам низкого качества обслуживания, уровень безопасности сегодняшних устройств и сетей является совершенно неприемлемым и не соответствует нуждам будущих глобальных коммуникаций. Как описано во вступлении и было ранее показано на , уровень безопасности сетей перед лицом большого количества осуществляемых кибернетических атак с использованием коммуникационных устройств, включая те, на которых установлено шпионское программное обеспечение, троянские программы, программы-вирусы и программы для фишинга, является неадекватным; среди опасностей, поджидающих пользователя на уровне "последнего звена" - шпионское программное обеспечение, перехват пакетов, подслушивание телефонных разговоров и перехват разговоров с использованием ложных пиратских базовых станций; на уровне местной сети или части сети, обслуживаемой местными телефонными компаниями (соединения "последней мили") - шпионское программное обеспечение, перехват пакетов, вирусные программы и пиратские "атаки посредников". К самому облаку может осуществляться несанкционированный доступ, сопровождающийся взломом средств обеспечения безопасности на любом из шлюзов - здесь вступают в действие такие факторы, как использование вирусного программного обеспечения, атаки кибер-пиратов ("атаки посредников"), DoS-атаки, а также несанкционированная правительственная слежка. Подытожив, можно сказать, что безопасность сегодняшнего процесса связи находится под угрозой с учетом многочисленных уязвимостей, с легкостью используемых кибер-пиратами и обеспечивающих возможность совершения кибер-преступлений или нарушения приватности пользователей в кибернетическом пространстве; среди указанных видов уязвимости можно назвать следующие:
● Наличие открытой информации о получателе IP-пакета, включая IP-адрес получателя, номер порта получателя и MAC-адрес получателя.
● Наличие открытой информации об источнике IP-пакета, включая IP-адрес источника, номер порта источника и MAC-адрес источника.
● Наличие открытой информации о типе используемого транспортного уровня Слоя 4, а также (на основе информации о номере порта) -о типе запрашиваемой услуги и данных приложения, заключенных внутри полезной нагрузки IP-пакета
● При использовании незашифрованных файлов - наличие доступа ко всем данным приложения и файловым данным, заключенным внутри полезной нагрузки IP-пакета, -включая личную и конфиденциальную информацию, данные входа в систему, пароли приложений, финансовые данные, а также видео- и фото-данные
● Наличие диалога связи, что дает возможность кибер-преступнику осуществлять повторные попытки взлома зашифрованных файлов
● Наличие многочисленных возможностей по установке вредоносного ПО (включая шпионское ПО, программы для фишинга и троянские программы) на устройства связи и маршрутизаторы с использованием путей проникновения вирусов через протокол FTP, сообщения электронной почты и веб-страницы.
фигуре 44
Повторяя ключевое положение, можно заявить, что фундаментально присущий сетям с пакетной коммутацией, использующим Интернет-протокол (показано на), недостаток заключается в том, что любая враждебно настроенная сторона или кибер-пират, перехватившие 670 IP-пакет, могут видеть, какие устройства участвовали в процессе создания данных, входящих в состав IP-пакета, откуда пришел этот IP-пакет, куда он пересылается сейчас, как происходит процесс передачи данных (т.е., используется ли протокол UDP или же используется протокол TCP), а также запрос на предоставление какой услуги был отправлен (т.е., данные приложения какого типа содержатся внутри полезной нагрузки). В данном отношении, кибер-пират способен определить "контекст" разговора, что облегчает ему процесс взлома используемого кода шифрования, компрометации безопасности используемого пароля и получения несанкционированного доступа к файлам, данным и содержанию полезной нагрузки.
Шифрование
- Для защиты от различного рода описанных кибер-атак, современные сетевые администраторы, специалисты по информационным технологиям и сами программные приложения могут использовать, в основном, лишь одно средство защиты - шифрование. Шифрование является средством преобразования обычного, легкоузнаваемого текста (текста, предназначенного для чтения, текста исполняемых программ, предназначенных к просмотру видеофайлов, файлов изображений или же предназначенных к прослушиванию аудиофайлов) в альтернативные типы файлов, известные под названием "зашифрованный текст", которые представляются в виде потоков бессмысленных текстовых символов.
Процесс шифрования, преобразования незащищенного файла в зашифрованный файл, включает в себя использование логических или математических алгоритмов, которые называются "кодом", что позволяет преобразовать данные в эквивалентные текстовые элементы без демонстрации какой-либо очевидной модели процесса преобразования, протекающего во время шифрования. После этого зашифрованный файл пересылается по сети связи или же с использованием какого-либо компьютерного носителя на устройство-получатель. После получения файла получающее устройство декодирует зашифрованное сообщение с использованием процесса, известного под названием "дешифрование", для отображения оригинального содержимого файла. Дисциплина, изучающая процессы шифрования и дешифрования и известная под общим наименованием "криптография", соединяет в себе элементы математики (включая теорию чисел, теорию множеств и теорию разработки алгоритмов), компьютерной науки и электротехники.
заранее
При использовании простых технологий шифрования, с применением "одного ключа" или "симметричного ключа", для разблокировки процесса шифрования и дешифрования файла может использоваться одно ключевое слое или одна ключевая фраза,  известная обеим сторонам, обменивающимся информацией. Например, во время Второй мировой войны подводные лодки и морские суда обменивались сообщениями по открытым каналам радиосвязи с использованием технологии шифрования сообщений. В самом начале, в процессе шифрования использовался лишь один ключ. Путем анализа моделей кода, криптологи Альянса иногда могли вычислить ключевое слово или модель, использовавшиеся в процессе шифрования, и, таким образом, тайно прочитать зашифрованные сообщения. По мере усложнения способов шифрования процесс взлома кода вручную все более усложнялся.
Код шифрования эволюционировал в шифры, основывающиеся на применении механических машин, что являлось ранней формой компьютерных вычислений. В то время единственным способом взлома кода являлась кража шифровального аппарата и использование для дешифровки сообщений тех же самых инструментов, которые использовались и для их шифрования. Самой трудной задачей было выкрасть шифровальный аппарат и не быть пойманным при выполнении этой задачи. Если врагу становилось известным, что тайна шифровальной машины была нарушена, он просто изменял используемый код (шифр) и обновлял с учетом этого изменения уже функционирующие шифровальные аппараты. Данный принцип все еще практикуется и сегодня - самой эффективной кибер-атакой является та, которая не была обнаружена.
С появлением компьютерных технологий и наступлением времен Холодной войны процесс шифрования стал более сложным, однако скорость работы компьютеров, используемых в процессе взлома кодов шифрования, также увеличилась. На каждой стадии развития процесса безопасной связи технологии и практические навыки шифрования информации и возможности по взлому кода шифрования развивались практически параллельно друг другу, с одной и той же скоростью. Важный следующий шаг в развитии технологий шифрования был предпринят в 70-х годах, когда была представлена инновационная технология шифрования на двойном ключе; этот принцип используется и по сей день. Одним из наиболее известных способов шифрования на двойном ключе является использование криптосистемы открытого ключа RSA-кодирования - способа, названного по первым буквам имен его разработчиков: Rivest, Shamir и Adleman. Несмотря на то, что в развитии указанного способа официально признаны заслуги лишь указанных разработчиков, многие из их современников независимо от них также пришли к использованию аналогичного способа. Способ RSA использует два криптографических ключа, в основе которых лежат два больших простых числа, которые не разглашаются публично. Один из алгоритмов используется для преобразования указанных двух простых чисел в ключ шифрования, который в этом документе обозначается как E-key; другой математический алгоритм используется для преобразования тех же двух тайных простых чисел в тайный ключ дешифрования, который в данном документе обозначается также как D-key. Пользователь системы RSA, который выбрал тайные простые числа (в данном документе обозначается как "владелец ключа"), распространяет, или "публикует" данный ключ E-key, сгенерированный с использованием соответствующего алгоритма и имеющий размер, который, как правило, варьируется от 1024 бит до 4096 бит, всем, кто желает зашифровать свой файл. В связи с тем, что этот ключ отправляется многим пользователям в незашифрованном виде, ключ E-key известен под названием "открытого ключа".
Стороны, желающие поддерживать связь с владельцем ключа, затем используют указанный открытый ключ E-key в сочетании с доступным алгоритмом, находящимся в открытом доступе, который, как правило, предлагается в форме коммерческого программного обеспечения, в процессе осуществления шифрования любого файла, который предполагается переслать конкретному владельцу ключа. При получении зашифрованного файла владелец ключа использует тайный ключ D-key для дешифрования указанного файла; в процессе данного действия файл преобразуется в обычный незашифрованный текст. Уникальностью способа двойного ключа, в общем случае, и, конкретно, алгоритма RSA является тот факт, что открытый ключ E-key, используемый для шифрования файла, не может использоваться для дешифрования. Для дешифрования может быть использован только тайный ключ D-key, которым располагает владелец ключа.
Фигура 47
Концепция использования двойного ключа, раздельного ключа или "множественного" ключа при шифровании и дешифровании файлов не ограничивается способом RSA или любым другим алгоритмическим способом, но, с методологической точки зрения, описывает способ осуществления связи в качестве определенной последовательности этапов. , например, иллюстрирует процесс обмена двумя ключами во время процедуры обмена информацией средствами сети с коммутируемыми пакетами данных. Согласно иллюстрации, ноутбук 35, который "желает" получить защищенный файл с сотового телефона 32, сначала генерирует два ключа - ключ E-key 690 для шифрования и ключ D-key 691 для дешифрования, с использованием конкретного алгоритма. Ноутбук 35 затем пересылает ключ E-key 690 на сотовый телефон 32 с использованием общественной сети 692, через которую передается 695 ip-пакет. Процесс пересылки 695 IP-пакета, очевидно, иллюстрирует использование незашифрованной формы, MAC-адреса, IP-адреса источника (NB) и адреса порта №9999 ноутбука 35, а также IP-адреса получателя (CP), порта №21 сотового телефона 32 и протокола передачи данных TCP, а также зашифрованной копии ключа E-key 690 в качестве своей полезной нагрузки.
Используя заранее согласованный алгоритм шифрования или программный пакет, сотовый телефон 32 затем обрабатывает незашифрованный текстовый файл 697А с использованием алгоритма шифрования 694А и ключа шифрования E-key 690, что дает на выходе зашифрованный файл, а именно, зашифрованный текст 698, который передается в качестве полезной нагрузки 696 IP-пакета в процессе защищенной передачи данных 693 с сотового телефона 32 на ноутбук 35. При получении 696 IP-пакета, для дешифровки файла с использованием секретного ключа дешифрования (например, ключа D-key 691) используется алгоритм 694В. Так как обеспечивается согласование ключа D-key 691 с ключом E-key 690, то, по сути, при работе алгоритма 694В для дешифровки зашифрованного текста 698 используется информация об обоих ключах; в процессе обеспечивается создание незашифрованного обычного текста 697В. В то время как полезная нагрузка 696 IP-пакета защищена в форме зашифрованного файла (т.е., зашифрованного текста 698), остальная часть IP-пакета по-прежнему пересылается в незашифрованной форме (что открывает возможность ее перехвата), открытой к прочтению любым кибер-пиратом, включая информацию об IP-адресе источника (СР) и номере порта (№20), а также об IP-адресе получателя (NB) и связанном номере порта (№9999). Итак, даже если полезная загрузка сама по себе и не может быть открыта, другие составляющие процесса обмена информацией по-прежнему могут отслеживаться.
Виртуальные частные сети -
Другим способом обеспечения безопасности, также основанным на использовании процедуры шифрования, является использование так называемой виртуальной частой сети" (VPN). При использовании VPN в сети, где происходит передача зашифрованных IP-пакетов, формируется "туннель" или "безопасный канал". При использовании VPN шифруется не только лишь полезная нагрузка, но также и содержимое всего IP-пакета, который затем "встраивается" в другой незашифрованный IP-пакет, выполняя функцию "переносчика" данных, при помощи которого инкапсулированный пакет передается от одного шлюза VPN к другому. Первоначально, виртуальные частные сети использовались для объединения неравноправных локальных сетей в одно целое на большом расстоянии - например, когда компании-владельцы частных сетей в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе и Токио хотели объединить свои различные локальные сети в одну с использованием такой же функциональности, как будто бы это была одна глобальная частная сеть.
фигуре 48А
специально созданным для этой цели
пециально созданным для этой цели
Основной принцип работы виртуальных частных сетей показан на , где сервер 700, будучи частью одной локальной сети, поддерживающей определенное количество устройств в беспроводном режиме с использованием радиосоединений 704 и в проводном режиме с использованием соединений 701, соединяется при помощи "виртуальной частной сети" (VPN), состоящей из контента 706 и VPN-туннеля 705, со вторым сервером 707, который имеет проводные соединения 708 с настольными компьютерами 709А через 709С, с ноутбуком 711, а также с базовой станцией Wi-Fi 710. В добавление к указанным соединениям, характеризующимся относительно низкой пропускной способностью, сервер 707 соединен также с суперкомпьютером 713 посредством высокоскоростного соединения 712. В процессе функционирования данной системы, внешний 714 IP-пакет с сервера А (с указанием IP-адреса источника (S8) и номера порта (№500)) отсылается на сервер В с IP-адресом получателя S9 и номером порта 500. Указанный внешний 714 IP-пакет описывает процесс формирования серверами 700 и 707 зашифрованного "туннеля" передачи данных между ними в прямом и обратном направлении. Полезная нагрузка VPN внешнего пакета 714 содержит в своем составе 715 IP-пакет "последней мили", что обеспечивает непосредственный обмен информацией между настольным компьютером 702В с IP-адресом источника DT и соответствующим  портом №17001, а также ноутбуком 711 с IP-адресом источника NB и соответствующим с портом №21; указанный пакет несет в себе запрос на передачу файлов.
специально созданных для этого
Для того чтобы осуществить указанную передачу данных в безопасном режиме с использованием виртуальной частной сети, был создан туннель VPN 705, и инициировано открытие сеанса еще до того, как произошла фактическая передача данных. При использовании в корпоративном окружении, туннель VP 705 не пересылается через Интернет с использованием  портов, но, в общем случае, пересылается с использованием специально выделенного провайдера Интернет-услуг или провайдера связанных услуг, имеющего в своем распоряжении собственный волоконно-оптический кабель и сеть аппаратных средств. Провайдер услуг часто заключает с компанией ежегодные или долгосрочные контакты, по условиям которых гарантируется определенная пропускная способность VPN-серверов за определенную плату. В идеальном случае указанный выделенный высокоскоростной канал связи используется для прямого соединения серверов 700 и 707 без промежуточных соединений (или "соединений последней мили"), применение которых могло был негативно отразиться на скорости передачи данных через виртуальную частную сеть, качестве предоставляемых услуг или безопасности передаваемых данных.
фигуре 48В
На практике, использование обычных виртуальных частных сетей требует наличия двухступенчатого процесса - на первой стадии создается виртуальная частная сеть или осуществляется "вход" в нее, а на втором - происходит передача данных внутри безопасного канала, или "туннеля". Концепция туннелирования иллюстрируется иерархически на , где внешние IP-пакеты, переносимые стеками передачи данных 720 и 721, формируют VPN-соединение 722 на слоях с 1 по 4, используют Слой 5 для создания виртуального VPN-сеанса 723 и используют Слой 6 - слой презентации - для содействия процессу шифрования 725, для обеспечения процесса передачи информации между шлюзами с использованием VPN-канала 705 между серверами 700 и 707. В то время как VPN-соединение 722 использует Интернет-протокол для пересылки IP-пакетов, Слой 1 протокола физического уровня VPN и Слой 2 канала передачи данных VPN, в общем случае, поддерживаются выделенным провайдером услуг и не используют непредсказуемых маршрутов передачи данных через сеть Интернет. Данные Слоя 6 приложения, передаваемые в качестве потока информации "от устройства к устройству" 706 между, например, настольными компьютерами 702С и 709А, передаются в качестве инкапсулированных (туннелированных) данных 726, включая все семь слоев OSI, необходимых для установления связи так, как будто бы виртуальной частной сети не существовало.
В процессе функционирования внешний IP-пакет из стека передачи данных 720 сразу после его пересылки на сервер 707 открывается для выявления инкапсулированных данных 726 - истинного содержимого пакета. Таким образом, в процессе сквозной передачи данных в сети не выявляются подробности формирования VPN-туннеля, за исключением того факта, что VPN-туннель должен быть образован прежде, чем будет осуществлена какая-либо попытка передачи данных, и должен быть закрыт после окончания разговора. Если VPN-туннель не будет открыт до начала указанного процесса, это приведет к тому, что будет осуществляться незашифрованная передача 715 IP-пакета, данные которого могут быть перехвачены, похищены, заражены вирусом и т.д. Если VPN-туннель не будет закрыт после окончания разговора, это может предоставить кибернетическому преступнику возможность скрыть свою противозаконную деятельность внутри чьего-либо VPN-туннеля и, в случае ее обнаружения, может привести к тому, что подозрение в совершении уголовного преступления будет предъявлено невиновному лицу.
заранее
фигуре 48С
В то время как использование виртуальных частных сетей является обычным способом обеспечения соединения множественных частных локальных сетей друг с другом с использованием частных соединений с выделенной пропускной способностью и шириной пропускания, использование виртуальных частных сетей в составе общественных сетей и Интернета является проблематичным при общении между двумя заинтересованными сторонами. Одной из проблем использования виртуальных частных сетей является то, что VPN-соединение должно быть установлено , еще до того, как оно сможет быть использовано, а не на основе взаимного обмена пакетами данных. Например (согласно  на примере звонка с использованием передачи голоса по IP-протоколу (технология VoIP) с соединением, реализованным средствами сети с пакетной коммутацией данных), перед тем как будет обеспечено соединение сотового телефона 730 с адресатом (сотовым телефоном 737), сначала должен быть создан VPN-сеанс с использованием этапа 740 простого алгоритма, согласно иллюстрации. При этом сотовый телефон 730 с VPN-приложением отсылает IP-пакеты на VPN-хост 733 с использованием любого доступного маршрута "последней мили" (в данном случае - радиоканала связи 741А на базовую станцию Wi-Fi 731, после чего информация отсылается с использованием проводных систем связи 741В на маршрутизатор 732, а затем, с использованием проводных систем связи 741С - на VPN-хост 733). Как только сеанс связи между сотовым телефоном 730 и VPN-хостом 733 будет открыт, сотовый телефон 730 выдаст инструкцию VPN-хосту 733 по созданию VPN-туннеля 741, ведущего к VPN-хосту 734; происходит согласование параметров между сеансом Слоя 5 и туннелем, зашифрованным с использованием Слоя 6.
Как только VPN-соединение будет установлено, сотовый телефон 730, в соответствии с инструкциями приложения 745, начинает осуществлять звонок с использованием любого приложения телефонии на базе IP (технология VoIP). При выполнении данной инструкции приложение должно установить соединение "вызова" с использованием систем "последней мили" между VPN-хостом 734 и сотовым телефоном 737. Если VoIP-приложение не может этого сделать или не имеет соответствующих прав на проведение подобных действий, звонок не состоится - он будет немедленно прерван. В противном случае внутренний IP-пакет установит сеанс связи Слоя 5 приложения между вызывающим сотовым телефоном 730 и сотовым телефоном-адресатом 737, а также подтвердит тот факт, что тестовые IP-пакеты надлежащим образом дешифрованы и разборчивы.
Для того чтобы осуществить звонок в соответствии с этапом 745, звонок обязательно должен быть инициирован Слоем 7 приложения, работающего на телефоне, а не обычными телефонными функциями набора номера, т.к. SIM-карта провайдера услуг телефонии, установленная в телефоне, не совместима с функциями VPN-туннеля. Как только вызов будет осуществлен, сотовый телефон 730 будет передавать последовательность IP-пакетов, представляющую собой малые фрагменты (или "отрывки") голосовой информации, отобранные в соответствии с установленным на телефоне приложением связи. В приведенном примере эти фрагменты отсылаются приложением, установленным на телефоне вызывающего абонента 730, через канал Wi-Fi 746A на базовую станцию Wi-Fi 731, а затем через проводное соединение 746В - на маршрутизатор 732 и, наконец, через проводное соединение 746С - на VPN-хост 733. После этого данные пересылаются через защищенный канал связи посредством соединения 747 на VPN-хост 735 через VPN-туннель 742. Как только данные покинут VPN-туннель, VPN-хост перешлет данные на проводное соединение 748А, на маршрутизатор 735, а затем, через проводное соединение 748В - на систему сотовой связи и вышку 736, которая, в свою очередь, осуществляет вызов 737 в качестве обычного телефонного вызова. Процесс осуществления вызова с приложения сотового телефона на телефон, на котором не установлено аналогичное приложение, носит название процесса "внешнего" вызова.
Из приведенного выше примера можно видеть, что существует еще одна проблема при подключении к виртуальной частной сети с использованием общественной сети - соединения "последней мили", как между вызывающим абонентом (сотовым телефоном 730) и VPN-хостом 733, так и между VPN-хостом 734, осуществляющим "внешний" вызов, и принимающим абонентом (сотовым телефоном 737), не являются составной частью виртуальной частной сети и, следовательно, не гарантируют надлежащей безопасности, скорости соединения или же надлежащего качества услуг. Выражаясь более конкретно, "последняя миля" вызывающего абонента, состоящая из соединений 746А, 746В и 746С, а также соединения "внешнего" вызова 748А, 748В и 748С, открыта перехвату данных и кибер-атакам.
Как только звонок был завершен, и сотовый телефон 737 был отключен от связи, виртуальная частная сеть 742 должна быть закрыта в соответствии с этапом 749, где Слой 5 виртуальной частой сети осуществляет координацию процесса закрытия VPN-сеанса, и сотовый телефон 730 отключается от VPN-хоста 733.
Даже если все указанные инструкции были выполнены, все равно нет гарантии того, что попытка осуществления телефонного звонка или пересылки документов через виртуальную частную сеть не окажется безуспешной по нескольким причинам, включая следующие:
● Задержка передачи данных в виртуальной частной сети может оказаться слишком большой, что сделает невозможной работу приложений в режиме реального времени, передачу голоса по IP-протоколу или передачу потока видеоданных;
● Задержка передачи данных в соединении "последней мили" виртуальной частной сети между звонящим абонентом и шлюзом VPN или между шлюзом VPN и адресатом телефонного звонка может оказаться слишком большой, что сделает невозможной работу приложений в режиме реального времени, передачу голоса по IP-протоколу или передачу потока видеоданных;
● Ближайший к звонящему абоненту или к абоненту-адресату шлюз VPN (т.е., соединение "последней мили") может оказаться расположенным на слишком большом расстоянии - возможно, даже превышающем расстояние до абонента-адресата, действительное в том случае, если бы виртуальная частная сеть не использовалась, что приведет к значительной задержке передачи данных внутри соединения, нестабильной работе сети, неконтролируемой маршрутизации с использованием неизвестных сетей, варьированию технологии QoS и многочисленным возможностям осуществления атак посредников с использованием незащищенных сегментов соединения;
● Соединение "последней мили" виртуальной частной сети между шлюзом VPN и абонентом-адресатом вызова может не поддерживать функцию "внешнего" вызова и передачи пакетов, или же не поддерживать соединения с местными телефоными компаниями;
● Местные провайдерыуслуг или правительственные цензоры могут блокировать вызовы, приходящие от неизвестных шлюзов VPN, или же процесс установления соединения с такими шлюзами по причинам, связанным с необходимостью обеспечения национальной безопасности или соответствия нормам законодательства;
● При использовании корпоративных виртуальных частных сетей возможность осуществления вызовов с использованием функциональности технологии VoIP может предоставляться только сотрудникам компании или четко определенным уполномоченным категориям пользователей; процессы проведения финансовых транзакций или просмотра онлайн-видео могут быть заблокированы; могут быть заблокированы серверы передачи частных почтовых сообщений в общественную сеть, такие как, например, Yahoo, Google и т.д.; а также может быть заблокирован доступ к многочисленным веб-сайтам, таким как YouTube, программам онлайн-чатов, или же, например, сервису Twitter - в соответствии с политикой компании;
● В случае нестабильной работы сетей, виртуальная частная сеть по завершении звонка может остаться в открытом состоянии, что выразится в поддержании открытого сеанса в непрерывном режиме с выходом на устройство звонившего абонента до тех пор, пока не будет осуществлен сброс соединения VPN-провайдером в ручном режиме. Это может привести к потере части пропускной способности при осуществлении последующих звонков или же к необходимости выплаты больших сумм по тарифам за незакрытое соединение.
Сравнение сетей -
фигуре 49А
фигуре 48С
сравнение коммуникаций, предлагаемых "over-the top" или ОТТ-провайдерами, показанное на , с системами связи, использующими общедоступные сети для подключения к специальному VPN, показанным ранее на , быстро выявляет, что помимо самой VPN-связи, большинство обеих систем связи имеют почти идентичные компоненты и соединения. В частности, "последняя миля" вызывающего абонента, имеющего сотовый телефон 730, радиосвязь Wi-Fi 746A, базовую станцию Wi-Fi 731, проводные соединения 746B и 746C и маршрутизатор 732, представляют собой ту же связь "последней мили" в обеих реализациях. Аналогично, на "последней миле" другой стороны, сотовый телефон 737, соединение сотового телефона 748C, базовая станция сотовой связи и вышка 736, проводные соединения 748A и 748B и маршрутизатор 735 идентичны для версий Интернета и VPN. Основное различие заключается в том, что в общедоступной сети VPN-туннель 742 с защищенной связью 747 между VPNузлами 733 и 734 заменяется серверами/маршрутизаторами 752 и 754, обеспечивающими небезопасное коммуникационное соединение 755. Другое различие заключается в связи OTT, вызов доступен мгновенно, как описано в шаге 750, где для использования VPN необходимы дополнительные шаге 740 и 749 для настройки VPN и завершение сеанса VPN перед следующим вызовом.
В обоих примерах соединения "последней мили" предлагают непредсказуемое качество услуг связи, возможность перехвата пакетов и риск кибер-атак. Поскольку серверы/маршрутизаторы 752 и 774, вероятно, управляются разными провайдерами в разных локальных сетях, можно интерпретировать серверы как существующие различные облака, т.е. облака 751 и 753. Например, публично открытые сети, принадлежащие и управляемые Google, Yahoo, Amazon и Microsoft, могут рассматриваться как разные облака, например, "облако Amazon", хотя все они связаны Интернетом.
фигуре 49B
Конкурирующая сетевая топология, одноранговая сеть или PPN, показанная на , включает сеть, состоящую из большого числа одноранговых узлов с маршрутизацией пакетов, управляемых PPN, а не маршрутизатором или провайдером. В то время как одноранговые сети существовали на аппаратных средствах в течение десятилетий, именно Napster популяризировал эту концепцию как средство избежать контроля, затрат и регулирования Интернет-провайдеров. Подвергаясь преследованиям в судебном порядке со стороны правительственных органов США за нарушение авторских прав на музыку, основатели Napster были вынуждены объявить о банкротстве компании; в это же время, OTT-оператор Skype только начинал развиваться. Позже, сеть Skype отошла от обычной OTT модели сети к пиринговой, предложенной компанией Napster.
В PPN-коммутации каждое устройство, которое подключается для входа в PPN, становится еще одним узлом в PPN. Например, если в сети с топологией 761 сотовый телефон 730 с установленным ПО PPN регистрируется в одноранговой сети, он, как и все другие подключенные устройства в регионе, становится частью сети. Вызовы, выдаваемые любыми устройствами, переходят с одного устройства на другое, чтобы добраться до пункта назначения, другого устройства, подключенного к PPN. Например, если в сети с топологией 761 сотовый телефон использует свое соединение PPN для вызова другого устройства с подключенным PPN, например, сотового телефона 768, вызов следует обходным путем через любое устройство (устройства), физически расположенное в PPN между этими двумя устройствами. Как показано на фигуре, вызов, исходящий от сотового телефона 730, соединяется Wi-Fi 731 через базовую станцию Wi-Fi 731 с настольным компьютером 765A, затем с ноутбуком 766A, со стационарным компьютером 765B, затем со стационарным компьютером 765C и, наконец, с сотовым телефоном 768 через базовую станцию сотового телефона и вышку 767. Таким образом, вся маршрутизация контролируется PPN, а Интернет не участвует в управлении маршрутизацией. Поскольку задействованы обе стороны, ПО PPN, используемое для подключения к сети, также выступает в качестве приложения для голосовой связи на основе технологии VoIP.
В случае, когда сотовый телефон 730 пытается вызвать сотовый телефон 737 с устройством не на основе PPN на противоположном конце земли, маршрутизация должна обязательно включать передачу данных по Интернету, используя точки доступа, особенно при передаче пакетов через океаны или горные хребты. Первая часть маршрутизации в сети с топологией 761 протекает аналогично предыдущему примеру, начиная с сотового телефона 730 и проводит маршрут через базовую станцию 731 Wi-Fi, настольный компьютер 765А, ноутбук 766А, настольные компьютеры 765В и 765С. На данный момент, если ноутбук 766B подключен к сети, вызов будет проложен через него, в противном случае вызов должен быть направлен через базовую станцию сотового телефона и вышку 767 на сотовый телефон 768, а затем обратно на базовую станцию сотового телефона и вышку 767 перед отправкой.
Если вызов пересекает Тихий океан, тогда компьютеры и сотовые телефоны не могут переносить трафик через океан, поэтому звонок затем обязательно маршрутизируется в Интернет на сторонний сервер/маршрутизатор 770 в облаке 763 и далее через соединение 747 на сторонний сервер/маршрутизатор 771 в облаке 764. Затем вызов выходит из Интернета и входит в PPN в сети с топологией 762 сначала через стационарный компьютер 772, который, в свою очередь, подключается к Wi-Fi 773, к ноутбуку 776 и к базовой станции 736. Поскольку Wi-Fi 733 не запускает приложение PPN, фактический пакет, входящий в Wi-Fi 773, должен отправиться на планшет 775 или сотовый телефон 774 и обратно на Wi-Fi 773, прежде чем отправляться на базовую станцию сотового телефона и вышку 736 через проводное соединение. Наконец, вызов сотового телефона 748C подключается к сотовому телефону 737, который не является устройством с поддержкой PPN. Таким образом, соединение является "вызовом" для PPN, поскольку оно выходит из сети с топологией 762 PPN. Используя этот подход PPN, VPN сначала регистрирует вызывающее устройство в сети PPN согласно этапу 760, выполнив авторизацию PPN. После этого вызов может быть выполнен через приложение PPN согласно этапу 769. Преимущество такой пиринговой сети в том, что для передачи вызова на большие расстояние необходимости в дополнительном оборудовании нет, и каждое устройство, подключенное к PPN, регулярно обновляет провайдер PPN в отношении его статуса, загрузки и задержки, провайдер PPN может управлять маршрутизацией пакета для минимизации задержки.
Недостатки такого подхода в том, что пакеты пересекают сеть, содержащую множество неизвестных узлов, представляющих потенциальную угрозу безопасности и имеющих непредсказуемое влияние на задержку и качество обслуживания вызовов. Таким образом, за исключением Skype, одноранговые сети, работающие на уровне 3 и выше, обычно не используются в сетях связи с коммутацией пакетов.
Сравнительная сводка провайдеров специальных VPN, Интернет-провайдеров OTT и одноранговых сетей PPN дана ниже.
<b>Сеть</b>
<b>Виртуальная частная сеть VPN</b>
<b>OTT-интернет</b>
<b>Одноранговая сеть PPN</b>
Узлы
Общедоступные/хост-серверы
Общественные маршрутизаторы/серверы
Пользователи PPN
Пропускная способность узла
Известная инфраструктура
Известная инфраструктура
Смешанная, неизвестная
Облачная пропускная способность
Гарантированная
Непредсказуемая
Непредсказуемая
Пропускная способность "последней мили"
Зависит от провайдера
Зависит от провайдера
Зависит от PPN
Задержка
Неуправляемое
Неуправляемое
Оптимальный вариант
Стабильность сети
Неуправляемая
Неуправляемая, избыточная
Оптимальный вариант
Настройка вызова
Комплексный вход
Не требуется
Авторизация
Идентификатор пользователя
Имя пользователя
Номер телефона
Имя пользователя
Качество обслуживания технологии VoIP
От переменного до хорошего
Переменное
Переменное
Облачная безопасность
Только зашифрованная полезная нагрузка
Незашифрованная
Незашифрованная
Защита "последней мили"
Незашифрованная
Незашифрованная
Незашифрованная
Прослушиваемая
Заголовок пакета (облачный)Весь пакет (последняя миля)
Весь пакет
Весь пакет
Как показано на фигуре, в то время как VPN и Интернет имеют фиксированную инфраструктуру, узлы одноранговой сети различаются в зависимости от того, кто зарегистрирован и какие устройства подключены к PPN. Облачная пропускная способность, определенная в контексте этой таблицы как высокоскоростные междугородные соединения сетей, например, сети, пересекающие океаны и горные цепи, гарантируется по контракту только в случае VPN, а иначе непредсказуема. Пропускная способность "последней мили" - это локальный провайдер, зависящий как от Интернет-провайдеров, так и от VPN, но для PPN полностью зависимый от того, кто вошел в систему.
Задержка распространения последовательных IP-пакетов неуправляема для OTT и VPN, поскольку провайдер не контролирует маршрутизацию в "последней миле", но вместо этого зависит от местных операторов телефонной или сетевой сети, тогда как PPN имеют ограниченные возможности, используя оптимальные варианты для прямого трафика между узлами, которые в данный момент находятся в сети в определенной географии. Аналогично, для устойчивости сети PPN имеют возможность перенаправлять трафик, чтобы поддерживать сеть, но полностью зависят от того, кто входит в систему. Интернет, с другой стороны, является внутренне избыточным и почти уверенно гарантирует доставку, но не обязательно своевременную. Устойчивость сети для специального VPN зависит от количества узлов, разрешенных для подключения к хосту VPN. Если эти узлы отключены, VPN будет непригоден.
С точки зрения настройки вызова Интернет всегда доступен, PPN требуют дополнительной инструкции для входа в PPN до совершения вызова, а VPN могут включать сложную процедуру входа в систему. Более того, большинство пользователей считают использование OTT телефонных номеров, а не отдельных идентификаторов входа, используемыми VPN и PPN, в качестве важного преимущества для простоты пользования. Все перечисленные три сети страдают от неустойчивого качества технологии VoIP, в целом отставая от коммерческих операторов связи.
С точки зрения безопасности все три варианта не могут выступать в качестве соединений "последний мили", так как подвержены перехвату пакетов с открытыми адресами и полезными нагрузками. VPN обеспечивают шифрование облачного соединения, но все же предоставляют IP-адреса хостов VPN. Таким образом, никакая сетевая опция не считается безопасной. Таким образом, шифрование используется различными приложениями для предотвращения взлома и кибер-атак, либо как протокол уровня 6, либо как внедренная часть самого приложения уровня 7.
Излишнее доверие шифрованию.
Независимо от того, используется ли она для шифрования IP-пакетов или создания VPN, сегодняшняя сетевая безопасность зависит почти исключительно от шифрования и представляет собой одну слабую сторону в современных сетях связи на основе пакетной коммутации. Например, было проведено множество исследований по способам совершения атак на шифрование RSA. Хотя ограничение простых чисел на большие размеры значительно снижает риск "взлома" кода D-ключа дешифрования с использованием способов "грубой силы", способы полиномиального коэффициента успешно продемонстрировали взлом ключей на основе меньших простых чисел. Существуют опасения, что эволюция "квантовых вычислений" в конечном итоге приведет к практическим способам "взлома" ключей RSA и других ключей шифрования при кибер-атаке.
Для борьбы с постоянно присутствующим риском "взлома" кода появились новые алгоритмы и способы шифрования "большего ключа", такие как "улучшенный стандарт шифрования" или шифр AES, утвержденный US NIST в 2001 году. Принцип проектирования, основанный на шифре Rijndael, известном как подстановочно-перестановочная сеть, сочетает в себе как замену символов, так и перестановку с использованием разных размеров ключа и блока. В своем нынешнем воплощении алгоритм содержит фиксированные размеры блоков 128 бит с ключами, включающими в себя различные длины 128 бит, 192 бита и 256 бит, с соответствующим количеством повторений, используемых при преобразовании входного файла, варьирующихся в круглых числах в 10, 12, и 14 степенях соответственно. В практическом плане шифр AES можно эффективно и быстро выполнять как в программном, так и в аппаратном обеспечении для любого размера ключа. В криптографическом языке шифрование на основе AES с использованием ключа 256b называется "шифрованием AES256". Также доступно шифрование AES512 с использованием ключа 512b.
В то время как каждое новое поколение поднимает планку криптографии, чтобы улучшить способы шифрования и, чтобы быстрее ее разбить, заинтересованные в прибыли кибер-преступники часто концентрируются на своих целях, вместо того, чтобы использовать вычисления для взлома зашифрованного файла. Как описано ранее, используя перехват пакетов и опрос портов, кибер-пират может получить ценную информацию о разговоре, корпоративном сервере или даже VPN-шлюзе. Вместо атаки на сеть, кибер-анализ позволяет атаковать персональные компьютеры, ноутбуки и мобильные телефоны Главного или Финансового директора компании. Как только сотрудники компании переходят по ссылке, вложенной в электронные письма, автоматически устанавливается вредоносное и шпионское ПО, которое полностью обходит защиту межсетевого экрана, поскольку таким образом вредоносные программы получают доступ "изнутри".
фигуре 50
Вероятность взлома шифра также увеличивается, если данные перемещаются по сети без изменения, то есть статически. Например, в сети на  базовые данные в пакетах 790, 792, 794 и 799 остаются неизменными по мере того, как пакеты перемещаются по сети. Каждый показанный пакет данных содержит последовательность данных или звука, расположенных последовательно по времени или страниц, неизмененных от исходного порядка, когда он был создан. Если содержимое пакета данных является текстовым, чтение незашифрованного текстового файла в последовательности 1A-1B-1C-1D-1E-1F приведет к "разборчивому" тексту для коммюнике номер "1". Если содержимое пакета данных представляет собой аудио, преобразование, т.е. "воспроизведение", незашифрованного текстового файла в последовательности 1A-1B-1C-1D-1E-1F через соответствующий аудиокодек, по сути, основанный на программном обеспечении ЦАП, приведет к звуку для номера звукового файла номер "1".
В любом случае во всем этом раскрытии каждый интервал данных, представленный блоками фиксированного размера, содержит заданное количество бит, например, два байта (2В). Точное количество бит на каждый интервал является гибким только в том случае, если каждый узел связи в сети знает, какой размер каждого информационного интервала. В каждом интервале данных содержатся аудио-, видео- или текстовые данные, обозначенные на чертежах как число, за которым следует буква. Например, как показано на фигуре, первый интервал пакета 790 данных содержит контент 1А, где число "1" указывает конкретную связь №1, а буква "А" представляет первую часть данных в сообщении №1. Аналогично, второй интервал пакета 790 данных содержит содержимое 1В, где число "1" указывает, что оно является частью одного и того же сообщения №1, а буква "В" представляет вторую часть данных в сообщении №1, последовательно следуя за 1А.
Если, например, один и тот же пакет данных предположительно включает в себя контент "2А", данные представляют первый пакет "А" в другом сообщении, в частности для связи №2, не связанного с сообщением №1. Пакеты данных, содержащие однородные сообщения, например, где все данные для связи №1 легче анализировать и читать, чем те, которые смешивают разные сообщения. Данные, упорядоченные последовательно в правильном порядке, позволяют кибер-атакующему интерпретировать природу данных, будь то аудио, текст, графика, фотографии, видео, исполняемый код и т.д.
Более того, в показанном примере, поскольку IP-адреса источника и назначения пакета остаются постоянными, то есть когда пакеты остаются неизмененными во время транспортировки по сети в той же форме, что и данные, входящие или выходящие из шлюзовых серверов 21A и 21F, поскольку базовые данные не изменяются, у хакера больше шансов перехватить пакеты данных и получить больше шансов проанализировать и открыть файлы или прослушать разговор. Простая транспортная и одномерная безопасность, то есть полагающаяся только на шифрование для защиты, увеличивает риск кибер-атаки, потому что вероятность успеха выше при таком чрезмерно простом использовании Интернета в качестве сети с коммутацией пакетов.
Защита сетей реального времени и сетевых устройств
Для того, чтобы улучшить качество обслуживания телефонии, видео и передачи данных, одновременно устраняя множество уязвимых мест в системе безопасности, создающих проблемы современным сетями с коммутацией пакетов, необходим новый и инновационный системный подход к управлению маршрутизацией IP-пакетов, который управляет глобальной сетью, которая включает разрозненные технологии и одновременно способствующая сквозной безопасности. Задачи такой инновационной сети с коммутацией пакетов включают следующие критерии:
1. Обеспечить безопасность и качество обслуживания глобальной сети или провайдеру услуг дальней связи, включая динамическое управление маршрутизацией трафика голоса, видео и данных в режиме реального времени в сети;
2. Обеспечить безопасность и качество обслуживания "локальной сети или телефонной компании" в последней миле сети связи;
3. Обеспечить безопасность и качество обслуживания "последнего звена" сети связи, включая обеспечение безопасной связи, проходящей по незащищенным линиям;
4. Обеспечить безопасность коммуникационных устройств и аутентифицировать пользователей для предотвращения несанкционированного или мошеннического доступа или использования;
5. Во избежание предотвращения несанкционированного доступа содействовать безопасному способу хранения данных на устройстве, в онлайн, в сети или в облачном хранилище данных;
6. Обеспечение безопасности и конфиденциальности всей непубличной личной информации, включая все финансовые, личные, медицинские и биометрические данные и записи;
7. Обеспечение безопасности и конфиденциальности всех финансовых транзакций, связанных с онлайн-банкингом и покупками, кредитными картами и электронной оплатой; и
8. Обеспечение безопасности, конфиденциальность и анонимности в проведении транзакций и обмене информацией при межмашинном (M2M), межтранспортном (V2V) и межмашинно-транспортном (V2X) взаимодействии.
Из вышеизложенных целей содержание изобретения, содержащееся в данной сообщаемой информации, относится к первой теме, описанной в пункте №1, то есть "обеспечить безопасность и качество обслуживания глобальной сети или провайдеру услуг дальней связи, включая динамическое управление маршрутизацией трафика голоса, видео и данных в режиме реального времени в сети". Данный вопрос можно рассматривать как достижение безопасности сети или облака без ущерба для эксплуатационных характеристик связи в реальном времени.
Глоссарий
Если контекст не требует иного, термины, используемые в описании динамической защищенной коммуникационной сети и протокола, имеют следующие значения:
Анонимные пакеты данных: Пакеты данных, не содержащие информации о первоначальном отправителе или конечном получателе.
Дешифрование: Математическая операция, используемая для преобразования пакетов данных из зашифрованного текста в незашифрованный текст.
Сервер DMZ (англ. Demilitarized Zone - демилитаризованная зона): Компьютерный сервер, недоступный непосредственно из сети SDNP (англ. Secure Dynamic Network And Protocol - динамическая защищенная коммуникационная сеть и протокол) или Интернета, используемый для хранения селекторов, генераторов начальных состояний, генераторов ключей и других разделяемых секретов.
Динамическое шифрование/дешифрование: Шифрование и дешифрование, основанные на ключах, которые динамически изменяются по мере прохождения пакета данных через сеть SDNP.
Динамическое смешивание: Процесс смешивания, когда алгоритмы смешивания (обратные по отношению к алгоритмам разделения) динамически изменяются в зависимости от начального состояния на основе состояния, например, времени, состояния и зоны, когда создается смешанный пакет данных.
Динамическое скремблирование/дескремблирование: Скремблирование и дескремблирование, основанные на алгоритмах, которые динамически изменяются в зависимости от состояния, например, когда создается пакет данных или зона, в которой он создается.
Динамическое разделение: Процесс разделения, когда алгоритмы разделения динамически изменяются в зависимости от начального состояния на основе состояния, например, времени, состояния и зоны, когда пакет данных разделяется на несколько под-пакетов.
Шифрование: Математическая операция, используемая для преобразования пакетов данных из незашифрованного текста в зашифрованный текст.
Передача фрагментированных данных: Маршрутизация разделенных и смешанных данных по сети SDNP.
Удаление бесполезных данных (или "удаление информационного мусора"): Удаление бесполезных данных из пакетов данных для восстановления исходных данных или восстановления исходной длины пакета данных.
Вставка бесполезных данных (или "вставка информационного мусора"): Преднамеренное введение в пакет данных бессмысленной информации, либо для затруднения понимания реального содержимого данных, либо для управления длиной пакета данных.
Ключ: Скрытое цифровое значение, которое генерируется путем ввода состояния, например, времени, в генератор ключей, который генерирует ключ по секретному алгоритму. Ключ используется для выбора алгоритма для шифрования данных в пакете из селектора. Ключ можно использовать для безопасной передачи информации о состоянии по публичным или незащищенным линиям.
Сервер обмена ключами: Компьютерный сервер, часто принадлежащий сторонней организации и независимый от оператора сети SDNP, используемый для распространения ключей общего доступа для клиентов и, при необходимости, для серверов с использованием симметричных ключей шифрования, особенно при работе с ключами, управляемыми клиентом, т.е. на основе сквозного шифрования клиентом, чтобы предотвратить возможность шпионажа со стороны оператора сети.
Последнее звено: Сетевое соединение между устройством клиента и первым устройством в сети, с которым он обменивается информацией, как правило, это вышка радиосвязи, маршрутизатор Wi-Fi, кабельный модем, телевизионная приставка или соединение Ethernet.
Последняя миля: Сетевое соединение между шлюзом SDNP и клиентом, включая последнее звено.
Смешивание: Объединение данных из разных источников и типов данных для создания одного длинного пакета данных (или ряда меньших под-пакетов) с нераспознаваемым содержимым. В некоторых случаях ранее разделенные пакеты данных смешиваются для восстановления исходного содержимого данных. Операция смешивания может также включать в себя вставку и удаление бесполезных данных и синтаксический анализ.
Синтаксический анализ: Числовая операция, при которой пакет данных разбивается на более короткие под-пакеты для хранения или для передачи.
Скремблирование: Операция, в которой порядок или последовательность сегментов данных в пакете данных изменяется по отношению к его естественному порядку и приобретает нераспознаваемую форму.
Разделение: Операция, в которой пакет данных (или несколько последовательных пакетов данных) разбивается на несколько под-пакетов, которые направляются нескольким адресатам. Операция разделения также может включать в себя вставку и удаление бесполезных данных.
Программный коммутатор: Программное обеспечение, содержащее исполняемый код, выполняющий функции коммутатора и маршрутизатора.
SDNP: Аббревиатура (англ. Secure Dynamic Network And Protocol - Динамическая защищенная коммуникационная сеть и протокол), означающая гиперзащищенную сеть связи, выполненную в соответствии с настоящим изобретением.
Сервер администрирования SDNP: Компьютерный сервер, используемый для распространения исполняемого кода и разделяемых секретов по серверам SDNP в глобальном пространстве или в определенных зонах.
Узел моста SDNP: Узел SDNP, соединяющий одно облако SDNP с другим, имеющим разные зоны и учетные данные безопасности.
Клиент или клиентское устройство SDNP: Сетевое устройство, обычно - сотовый телефон, планшет, ноутбук, стационарный компьютер или устройство IoT, работающее с приложением SDNP для подключения к облаку SDNP, обычно подключаемое на последней миле этой сети.
Облако SDNP: Сеть взаимосвязанных серверов SDNP, запускающих исполняемый код программного коммутатора для выполнения операций узла связи SDNP.
Шлюзовой узел SDNP: Узел SDNP, соединяющий облако SDNP с последней милей SDNP и клиентом. Шлюзовые узлы SDNP требуют доступа, по меньшей мере, к двум зонам - к облаку SDNP и последней миле.
Медиаузел SDNP: Исполняемый код программного коммутатора, который обрабатывает входящие пакеты данных с определенными идентификационными метками в соответствии с инструкциями сервера сигнализации или другого компьютера, выполняющего функцию сигнализации, в том числе шифрование/дешифрование, скремблирование/дескремблирование, смешивание/разделение, теговую разметку и генерирование заголовков и подзаголовков SDNP. Медиаузел SDNP отвечает за идентификацию входящих пакетов данных, имеющих определенные метки, и за пересылку вновь созданных пакетов данных следующему адресату.
Медиасервер SDNP: Компьютерный сервер, на котором размещается программный коммутатор, выполняющий функции медиаузла SDNP при двухканальной и трехканальной связи, а также выполняющий задачи узла сигнализации SDNP и узла сервера имен SDNP при одноканальной связи.
Сервер имен SDNP: Компьютерный сервер, на котором размещен программный коммутатор, выполняющий функции узла сервера имен SDNP при трехканальной связи.
Узел сервера имен SDNP: Исполняемый код программного коммутатора, который управляет динамическим списком каждого устройства SDNP, подключенного к облаку SDNP.
Сеть SDNP: Вся гиперзащищенная сеть связи, распространяющаяся от клиента к клиенту, в том числе охватывающая участки связи последнего звена и последней мили, а также облако SDNP.
Узел SDNP: Узел связи SDNP, содержащий программный коммутатор, запускаемый на компьютерном сервере или на аппаратном устройстве, подключенном к сети SDNP, функционирующем как узел SDNP - медиаузел, узел сигнализации или узел сервера имен.
Сервер SDNP: Компьютерный сервер, представляющий собой либо медиасервер SDNP, либо сервер сигнализации SDNP, либо сервер имен SDNP и реализующий соответствующие функции программного коммутатора для работы в качестве узла SDNP.
Узел сигнализации SDNP: Исполняемый код программного коммутатора, который инициирует вызов или связь между сторонами, определяет все или часть из нескольких маршрутов для передачи фрагментированных данных на основе критериев вызывающего абонента и динамическую таблицу задержек распространения между узлами, а также формирует команды для медиаузла SDNP, как управлять входящими и исходящими пакетами данных.
Сервер сигнализации SDNP: Компьютерный сервер, на котором размещается программный коммутатор, выполняющий функции узла сигнализации SDNP в двухканальной и трехканальной системах связи SDNP, и также выполняющий функции узла сервера имен SDNP в двухканальных системах связи.
Параметры безопасности: Цифровые значения, например, начальные состояния и ключи, которые генерируются генераторами начальных состояний или генераторами ключей по секретным алгоритмам в сочетании с постоянно меняющимся входным состоянием, например, сетевым временем, и которые поэтому можно безопасно передавать по общедоступным или незащищенным линиям связи.
Начальное состояние: Скрытое цифровое значение, которое генерируется путем ввода состояния, например, времени, в генератор начальных состояний, который генерирует начальное состояние по секретному алгоритму. Начальное состояние используется для выбора алгоритма для скремблирования или разделения данных в пакете из селектора. Начальное состояние можно использовать для безопасной передачи информации о состоянии по общедоступным или незащищенным линиям связи.
Селектор: Список или таблица возможных алгоритмов скремблирования, шифрования или разделения, которые являются частью разделяемых секретов и которые используются вместе с начальным состоянием или ключом для выбора конкретного алгоритма скремблирования, дескремблирования, шифрования, дешифрования, разделения или смешивания пакета или пакетов.
Разделяемые секреты: Конфиденциальная информация о работе узлов SDNP, включающая таблицы или селекторы алгоритмов скремблирования/дескремблирования, шифрования/дешифрования и смешивания/разделения, а также алгоритмы, используемые генераторами начальных состояний, генераторами ключей, информацию о зонах и процессы перетасовки алгоритмов, локально хранящиеся на серверах DMZ, недоступных по сети SDNP или через Интернет.
Состояние: Входные данные, например, местоположение, зона или сетевое время, которые используются для динамического генерирования параметров безопасности, например, начальных состояний или ключей, или для выбора алгоритмов для конкретных операций SDNP, например, смешивания, разделения, скремблирования и шифрования.
Время: Универсальное сетевое время, используемое для синхронизации связи в сети SDNP.
Дескремблирование: Процесс, используемый для восстановления сегментов данных в скремблированном пакете данных до их первоначального порядка или последовательности. Дескремблирование - это функция, обратная по отношению к функции скремблирования.
Зона: Сеть определенных взаимосвязанных серверов, совместно использующая общие учетные данные безопасности и разделяемые секреты. Соединения последней мили представляют собой отдельные зоны от тех зон, которые находятся в облаке SDNP.
Разработка динамической защищенной коммуникационной сети и протокола (SDNP)
Для предотвращения кибер-атак и взлома системы связи с коммутацией пакетов при минимальной задержке пакетов в режиме реального времени, обеспечения возможности установления устойчивого соединения и максимальной непрерывности голосовой связи и онлайн-видео, разработана рассматриваемая в настоящем документе динамическая защищенная коммуникационная сеть и протокол (SDNP), основанная на ряде руководящих принципов, а именно:
● Передача данных в режиме реального времени должна всегда происходить по пути наименьшей задержки.
● При несанкционированном исследовании или синтаксическом анализе пакета данных должно быть недоступно содержимое, касающееся того, откуда поступил пакет, куда он направляется и что в нем находится.
● Полезная нагрузка пакета данных должна быть динамически перешифрована, т.е. дешифрована, а затем снова зашифрована с использованием другого алгоритма шифрования, исключая риск взлома в любое разумное время.
● Даже после расшифровки вся полезная нагрузка пакета данных по-прежнему содержит невразумительную информацию, представляющую собой динамически скремблированное сочетание нескольких разговоров и несвязанных данных, смешанных с бессмысленными наполнителями пакета.
Реализация вышеуказанных руководящих принципов включает в себя множество уникальных и обладающих признаками изобретения способов, функций, свойств и реализаций, в том числе полностью или частично в различных вариантах осуществления изобретения:
● SDNP использует одно или несколько выделенных облаков, содержащих телефонную систему, функции программного переключателя, реализованные с использованием проприетарного программного обеспечения управления и контроля, недоступного через Интернет.
● Передача данных внутри облака полностью происходит с использованием выделенной системы маршрутизации пакетов SDNP в проприетарных облаках на основе адресов SDNP и динамических портов (т.е. проприетарных адресов NAT), а не IP-адресов. Адреса SDNP не могут использоваться или маршрутизироваться через Интернет или за пределами облака SDNP.
● Сеть SDNP постоянно идентифицирует и осуществляет динамическую маршрутизацию всей передачи данных в режиме реального времени по имеющимся путям с самой малой задержкой.
кроме
● Никакая защищенная или выполняемая в режиме реального времени передача данных не маршрутизируется вне облака SDNP или через Интернет,  передачи данных между облаками и на участке последней мили, и кроме того обычно использует маршрутизацию для одного перехода с невидимыми адресами.
● Данные маршрутизации, содержащиеся в пакете данных, идентифицируют маршрут для одного перехода между двумя соседними устройствами, определяя только адреса SDNP или IP-адреса предыдущего и следующего сервера
● Номер телефона или IP-адреса вызывающего абонента и получателя вызова, т.е. соответствующие адреса отправителя и получателя клиента не присутствуют ни в заголовках IP-пакетов, ни в зашифрованной полезной нагрузке.
● Разделяемые секреты, связанные с управлением и контролем, существуют в системном программном обеспечении, установленном на защищенных серверах DMZ, недоступных через Интернет.
● Передача пакетов SDNP может осуществляться по трем независимым каналам, которыми являются "сервер имен", используемый для идентификации элементов в облаке SDNP; "медиасерверы", используемые для маршрутизации содержимого и данных, и "серверы сигнализации", используемые для управления и контроля пакетов и вызовов.
до вызова
● Информация о маршруте вместе с ключами и числовыми начальными состояниями (при необходимости) предоставляется всем участвующим в обмене медиасерверам по отдельному каналу сигнализации  или установления связи и без содержимого. Сервер сигнализации передает медиасерверам только данные о предыдущем и следующем адресатах пакета, проходящего через сеть.
● Медиапакеты содержат фрагментированные данные, представляющие только часть вызова, документа, текста или файла, динамически смешанные и повторно смешанные с другими пакетами, содержащими фрагментированные данные из других источников и разного типа.
● Для защиты передачи данных на участках первой и последней мили используются специальные способы защиты, в том числе разделение сообщений, связанных с сервером сигнализации, и медиапакетов и связанных с ними пакетов содержимого.
● Передача пакетов зависит от типа содержимого: голосовые сообщения и видео реального времени или онлайн-видео передаются на основе улучшенного протокола UDP, в то время как пакеты сигнализации, пакеты команд и управления, файлы данных, файлы приложений, системные файлы и другие файлы, которые чувствительны к потере пакетов или задержке, используют протокол TCP.
● Для подтверждения того, что устройство является реальным клиентом, а не клоном, и для проверки подлинности того, что участвующее в передаче лицо - это настоящий владелец устройства, а не самозванец, используются специальные способы защиты и проверки подлинности.
Чтобы обеспечить защищенную передачу данных с малой задержкой и высоким качеством обслуживания технологии VoIP и приложениях реального времени, рассматриваемая в этом документе "динамическая защищенная коммуникационная сеть и протокол" (SDNP) использует обладающую признаками изобретения "динамическую многосвязную" сеть, включающую:
● динамическую адаптивную многолучевую и многосвязную маршрутизацию с минимальной задержкой;
● динамическое скремблирование пакетов;
● динамическую фрагментацию с использованием разделения, смешивания, синтаксического анализа пакетов, а также наполнители пакетов бесполезными битами;
● динамическое внутриузловое шифрование полезной нагрузки в сети или облаке;
● динамический сетевой протокол с маскировкой адресов и необходимой информацией маршрутизации;
● многоканальную связь, отделяющую носитель и содержимое от сигнализации, команд и управления и сетевых адресов;
● динамический адаптивный транспортный протокол реального времени с функциями для конкретных типов данных и контекстной маршрутизацией;
● поддержку зашифрованной клиентом полезной нагрузки с управлением ключами пользователя;
● облегченный аудиокодек для повышения качества обслуживания в перегруженных сетях.
Как уже было указано, связь в сети SDNP основана на мультимаршрутной и многосвязной передаче для динамической маршрутизации пакетов данных. В отличие от одноканальной связи с коммутацией пакетов, используемой для передачи данных OTT в Интернет и технологии VoIP, в системе SDNP в соответствии с настоящим изобретением содержимое пакетов данных не передается последовательно целостными пакетами, содержащими информацию из общего источника или от вызывающего абонента, а передается во фрагментированной форме с динамическим смешиванием и повторным смешиванием содержимого, исходящего от нескольких источников и вызывающих абонентов, при котором указанные данные объединяют неполные обрывки данных, содержимого, голоса, видео и файлов с данными разного типа с помощью наполнителей бесполезными данными. Преимущество рассматриваемой реализации фрагментации и передачи данных заключается в том, что даже незашифрованные и не скремблированные пакеты данных почти невозможно интерпретировать, поскольку они представляют собой комбинацию несвязанных данных и типов данных.
Благодаря сочетанию фрагментированного смешивания и разделения пакетов со скремблированием и динамическим шифрованием пакетов, эти гибридные пакеты динамически зашифрованных, скремблированных фрагментированных данных представляют собой бессмысленные пакеты нечленораздельной информации, совершенно непонятные для какой-либо стороны или наблюдателя, не имеющих разделяемых секретов, ключей, числовых начальных состояний, а также переменных состояния и времени, используемых для создания, пакетирования и динамического повторного пакетирования этих данных.
Кроме того, фрагментированное содержимое каждого пакета и секреты, используемые для его создания, остаются в силе всего лишь на долю секунды, прежде чем пакет будет переконструирован новыми фрагментами и новыми мерами защиты, например, измененными начальными состояниями, ключами, алгоритмами и секретами. Ограниченная продолжительность времени, в течение которого у кибер-пирата есть доступ для взлома и вскрытия зависимого от состояния пакета данных SDNP, еще больше повышает защищенность SDNP, при этом имеется одна десятая секунды на то, чтобы выполнить обработку, требующую десятков тысяч лет вычислений, что на двенадцать порядков величины больше времени, доступного для взлома.
Комбинация вышеупомянутых способов задействует многомерную защиту, значительно превосходящую защиту, достижимую при статическом шифровании. По этой причине рассматриваемая динамическая защищенная коммуникационная сеть и протокол в настоящем документе называются "гиперзащищенной" сетью.
Скремблирование пакетов данных -
фигуре 51A
В соответствии с настоящим описанием изобретения защищенная связь по сети с коммутацией пакетов опирается на несколько элементов, позволяющих предотвратить взлом и обеспечить безопасность, одним из которых является скремблирование пакетов SDNP. Скремблирование пакетов SDNP предполагает перегруппировку сегментов данных из последовательности, что делает информацию недоступной для понимания и бесполезной. Согласно , не скремблированный пакет данных - пакет данных 923 - после выполнения операции скремблирования 924, превращается в скремблированный пакет данных 925. Операция скремблирования может использовать любой алгоритм, численный способ или способ управления последовательностью. Алгоритм может представлять собой статическое уравнение или включать динамические переменные или числовые начальные состояния на основе таких "состояний", как время 920 при скремблировании, и числовое начальное состояние 929, сгенерированное генератором начальных состояний 921, которое может генерировать начальное состояние 929, используя алгоритм, который также зависит от такого состояния, как время 920 при скремблировании. Например, если каждая дата преобразуется в уникальное монотонно возрастающее число, то каждое начальное состояние 929 является уникальным. Время 920 и начальное состояние 929 могут использоваться для выбора конкретного алгоритма и также могут использоваться для выбора или вычисления конкретной операции скремблирования 924, выбранной из списка доступных способов скремблирования, т.е. из алгоритмов скремблирования 922. На схемах потоков данных удобно иллюстрировать эту операцию и последовательность скремблирования пакетов с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом 926.
фигуре 51B
Операция дескремблирования, показанная на , иллюстрирует функцию, обратную операции скремблирования 924, а именно, операцию дескремблирования 927, где состояние или время 920 и соответствующее начальное состояние 929, используемые для создания скремблированного пакета данных 925, снова используются для отмены операции скремблирования, чтобы получить дескремблированные данные, а именно, дескремблированный пакет данных 923. Если при первоначальном скремблировании пакетов использовалось определенное состояние или время 920, тот же способ скремблирования должен быть снова использован и в операции 927 дескремблирования путем его выбора из списка алгоритмов скремблирования 922. Несмотря на то, что список алгоритмов скремблирования 922 относится к термину "скремблирование", та же таблица алгоритмов используется для идентификации и выбора обратной функции, необходимой для выполнения "дескремблирования", т.е. список алгоритмов скремблирования 922 содержит информацию, необходимую как для скремблирования пакетов данных, так и для дескремблирования пакетов данных. Поскольку эти две функции включают в себя одни и те же инструкции, выполняемые в обратном порядке, список 922 также может быть переименован в список алгоритмов "скремблирования/дескремблирования" 922. Однако для большей наглядности эта таблица отмечена только названием функции без указания ее обратной функции.
Если алгоритм скремблирования, выбранный для реализации операции дескремблирования 927, не соответствует исходному алгоритму, использованному при скремблировании пакетов, или если начальное состояние 929 либо состояние или время 920 не совпадают со временем скремблирования, то операция дескремблирования не сможет восстановить исходный дескремблированный пакет данных 923, и данные пакета будут потеряны. На схемах потоков данных удобно иллюстрировать этот процесс дескремблирования пакетов с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом 928.
-1
В соответствии с рассматриваемым изобретением для выполнения операции скремблирования могут использоваться различные алгоритмы при условии, что процесс является обратимым, а это означает, что повторение действий в обратном порядке по отношению к исходному процессу возвращает каждый сегмент данных в исходное и правильное положение в заданном пакете данных. С математической точки зрения допустимыми алгоритмами скремблирования являются те алгоритмы, которые обратимы, т.е. когда функция F(A) имеет обратную функцию F(A) или, как вариант, преобразование имеет соответствующую обратную функцию, для которой
-1
F[F(A)]=A
-1
Это означает, что при применении функции F к файлу данных, последовательности, строке символов, файлу или вектору A и при последующем применении обратной функции F будут получены исходные входные данные A, не изменившиеся ни по величине, ни по порядку следования элементов.
фигуре 51C
Примеры таких обратимых функций иллюстрируются статическими алгоритмами скремблирования, показанными на , в том числе алгоритмами зеркального отражения и фазового сдвига. В алгоритмах зеркального отражения сегменты данных заменяются другими сегментами данных, которые являются их зеркальным отражением относительно оси симметрии, определяемой модулем ("mod") процесса зеркального отражения. При зеркальном отражении по модулю 2, согласно фигуре, каждые два сегмента данных исходного пакета входных данных 930 меняются местами, т.е. меняются местами 1A и 1B, аналогично 1C и 1D, 1E и 1F, и т.д., при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 935 с осями симметрии между первым и вторым сегментами данных, между третьим и четвертым сегментами данных и т.д. или, на языке математики, в позициях 1,5; 3,5; 5,5;...; (1,5+2n).
При зеркальном отражении по модулю 3 первый и третий сегменты данных в каждой тройке сегментов данных меняются местами, а средний пакет каждой тройки остается в исходном положении. Соответственно, сегменты данных 1А и 1С меняются местами, а 1В остается в центре тройки; сегменты данных 1D и 1F меняются местами, а 1Е остается в центре тройки и т.д., при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 936. При зеркальном отражении по mod3 оси симметрии находятся в позициях 2, 5, 8,..., (2+3n).
При зеркальном отражении по mod4 первый и четвертый, а также второй и третий сегменты данных из каждой четверки сегментов данных меняются местами и т.д., при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 937 из пакета входных данных 931. Соответственно, сегмент данных 1А меняется местами с 1D; сегмент данных 1B меняется местами с 1С; и т.д. При зеркальном отражении по mod4 ось симметрии находится между вторым и третьим сегментами данных каждой четверки, т.е. между 2-м и 3-м сегментами данных, 6-м и 7-м сегментами данных и т.д., или, на языке математики, в позициях 2,5; 6,5;...; (2,5+4n). При зеркальном отражении по модулю m m-й сегмент данных входного пакета данных 932 заменяется первым, т.е. 0-м сегментом данных; 0-й сегмент данных заменяется на m-й элемент; и аналогичным образом n-й элемент заменяется на (m-n)-й сегмент данных, при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 938.
фигуре 51С
Другой способ скремблирования, также показанный на , представляет собой сдвиг кадра, где каждый сегмент данных сдвинут влево или вправо на один, два или более кадров. Например, при фазовом сдвиге на один кадр каждый сегмент данных сдвигается на один кадр, при этом первый сегмент данных сдвигается во вторую позицию; второй сегмент данных сдвигается в позицию третьего кадра и т.д., при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 940. Последний кадр входного пакета данных 930, кадр 1F в приведенном примере, смещается в позицию первого кадра, ранее занятую сегментом данных 1A.
При фазовом сдвиге на 2 кадра первый сегмент данных 1А входного пакета данных 930 сдвигается на два кадра в позицию, ранее занятую сегментом данных 1С, четвертый кадр 1D сдвигается в последнюю позицию скремблированного пакета выходных данных 941, предпоследний сегмент данных 1E сдвигается в первую позицию, а последний 1F сдвигается во вторую позицию. Аналогичным образом, при фазовом сдвиге на 4 кадра сегменты данных входного пакета данных 930 сдвигаются на четыре позиции, при этом первый кадр 1А, заменяет кадр, который ранее занимал 1E, 1B заменяет 1F, 1C заменяет 1A, и т.д., при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 942. В случае максимального фазового сдвига первый кадр заменяет последний; второй кадр, первоначально занятый сегментом 1B, становится первым кадром пакета выходных данных 943, при этом второй элемент сдвигается в первую позицию, третий - во вторую и т.д. Фазовый сдвиг одного кадра за пределы максимального фазового сдвига приводит к тому, что выходные данные не отличаются от входных. В приведенных примерах фазовый сдвиг данных производится вправо. Алгоритм также работает и при фазовом сдвиге влево, но с другими результатами.
фигуре 51D
Вышеупомянутые алгоритмы и аналогичные способы в данном описании называются алгоритмами статического скремблирования, поскольку операция скремблирования происходит в один момент времени, и преобразует набор входных данных в уникальные выходные данные. Кроме того, описанные ранее алгоритмы не используют значение пакета данных для определения порядка выполнения скремблирования. Согласно , в соответствии с рассматриваемым изобретением, параметрическое скремблирование означает, что способ скремблирования выбирается из таблицы возможных алгоритмов скремблирования, например, sort #A, sort #B и т.д. на основе значения, полученного из данных, содержащихся в самом пакете данных. Например, предположим, что каждый сегмент данных может быть преобразован в числовое значение, основанное на вычислении данных, содержащихся в этом сегменте данных. Одним из возможных подходов к определению численного значения сегмента данных является использование десятичного или шестнадцатеричного эквивалента битовых данных в сегменте данных. Если сегмент данных содержит несколько членов, числовой эквивалент можно найти, суммируя числа в сегменте данных. Затем сегмент данных объединяется в одно число или "параметр", по которому затем выбирается способ скремблирования.
В показанном примере на этапе 950 производится параметрическое преобразование не скремблированного пакета данных 930 в таблицу данных 951, содержащую числовое значение для каждого сегмента данных. Согласно фигуре, сегмент данных 1А (0-й кадр) имеет числовое значение 23, сегмент данных 1В (1-й кадр) имеет числовое значение 125 и т.д. Затем на этапе 952 для всего пакета данных 930 извлекается одно значение пакета данных. В приведенном примере сумма 953 представляет собой результат линейного смешивания всех значений сегментов данных из таблицы 951 и равна 1002. На этапе 954 это параметрическое значение, т.е. сумма 953, сравнивается с таблицей условий, например, с имеющимся в программном обеспечении набором предопределенных операторов типа "if-then-else", чтобы сравнить сумму 953 с рядом неперекрывающихся числовых диапазонов в таблице 955, чтобы и определить, какую процедуру сортировки следует использовать. В этом примере параметрическое значение 1002 находится в диапазоне от 1000 до 1499, а это означает, что следует использовать процедуру сортировки sort #C. После выбора процедуры сортировки параметрическое значение больше не требуется. После этого на этапе 956 входные не скремблированные данные 930 скремблируется выбранным способом, при этом образуется скремблированный пакет выходных данных 959. В приведенном примере результат сортировки Sort #C, приведенный в таблице 957, содержит набор относительных перемещений для каждого сегмента данных. Первый сегмент данных скремблированного пакета данных 959 (0-й кадр) определяется перемещением сегмента данных 1D на три позиции влево, т.е. его сдвигом три раза. Первый кадр содержит сегмент данных 1В, он не изменяет свое исходное положение, т.е. перемещается на 0 мест. Второй кадр содержит сегмент данных 1E, сдвинутый на две позиции влево относительно исходного положения. Точно так же третий кадр содержит сегмент данных 1F, сдвинутый на две позиции влево относительно исходного положения. Четвертый кадр скремблированного пакета выходных данных 959 содержит сегмент данных 1С, сдвинутый вправо, т.е. на +2 позиции, относительно своего исходного положения. Пятый кадр содержит сегмент данных 1А, сдвинутый на пять позиций вправо, т.е. на +5 позиций, относительно своего исходного положения.
Таким образом, согласно таблице 957 для процедуры сортировки sort #C, каждый сегмент данных перемещается в однозначно определенную новую позицию, при этом образуется параметрически определенный скремблированный пакет данных 959. Чтобы дескремблировать этот скремблированный пакет данных, процесс выполняется в обратном порядке с использованием того же способа сортировки sort #C. Чтобы гарантировать выбор того же алгоритма для выполнения операции дескремблирования, параметрическое значение 953 пакета данных не может быть изменено в результате операции скремблирования. Например, линейное смешивание параметрического значения каждого сегмента данных дает одно и то же числовое значение независимо от порядка чисел.
фигуре 51B
фигуре 51Е
фигуре 51Е
Динамическое скремблирование использует состояние системы, например, время, чтобы иметь возможность идентифицировать условия, при которых был скремблирован пакет данных, что позволяет выбрать тот же способ для выполнения операции дескремблирования. В системе, показанной на , состояние используется для создания замаскированного числового начального состояния, которое передается отправителю или получателю пакета, который затем использует это начальное состояние для выбора алгоритма скремблирования из таблицы. В качестве альтернативы, отправителю или получателю может быть передано само состояние, и это состояние может использоваться генератором скрытых чисел, расположенным у отправителя или получателя, для генерирования скрытого числа, по которому осуществляется выбор алгоритма скремблирования/дескремблирования. Такая компоновка показана на , где состояние, например, время 920 используется для генерирования скрытого числа 961 с помощью генератора скрытых чисел 960 и для выбора способа скремблирования из списка алгоритмов скремблирования 962. Используя скрытый номер 961 для выбора алгоритма из таблицы 962 алгоритма скремблирования, операция скремблирования 963 преобразует не скремблированный пакет данных 930 в скремблированный пакет данных 964. Согласно , состояние 920 может быть передано генератору скрытых чисел 960 непосредственно, или состояние 920 может быть передано генератору скрытых чисел через генератор начальных состояний 921.
Выбор алгоритма скремблирования по скрытому номеру, а не просто по числовому начальному состоянию, имеет преимущество, заключающееся в том, что он исключает любую возможность преступного воссоздания таблицы скремблирования путем анализа потока данных, т.е. статистического сопоставления повторяющихся наборов скремблированных данных с соответствующими числовыми начальными состояниями. Начальное состояние может быть видимым в потоке данных и, следовательно, уязвимо для шпионажа, в то время как генератор скрытых чисел и скрытое число HN, которое он создает, основываются на разделяемых секретах. Таким образом, скрытое число HN не присутствует в потоке данных, неуязвимо для шпионажа и синтаксического анализа, это означает, что оно не передается по сети, а генерируется локально по числовому начальному состоянию. Таким образом, эта математическая операция - генератор скрытых чисел - обеспечивает повышение уровня защищенности в части предотвращения хакерских атак, потому что назначение числового начального состояния замаскировано.
Сразу после выбора алгоритма числовое начальное состояние также может использоваться как входная переменная в алгоритме процесса скремблирования 963. Двойное назначение числового начального состояния дополнительно запутывает анализ, потому что начальное состояние не напрямую выбирает алгоритм, а работает вместе с ним при определении окончательной последовательности сегментов скремблированных данных. Аналогичным образом, чтобы дескремблировать динамически скремблированный пакет данных, начальное состояние 929 (или, как вариант, состояние или время 920) должно быть передано из узла связи, устройства или программного обеспечения, первоначально выполняющего скремблирование, любому узлу или устройству, желающему его дескремблировать.
В соответствии с рассматриваемым изобретением алгоритм генерации начальных состояний 921, генератор скрытых чисел 960 и список алгоритмов скремблирования 962 представляют собой "разделяемые секреты" - информацию, хранящуюся на сервере DMZ (как описано ниже) и неизвестную ни отправителю, ни получателю пакета данных. Разделяемый секрет устанавливается заранее и не связан с передаваемыми пакетами данных, кроме, возможно, времени установки кода, где используются различные процедуры аутентификации для исключения утечки секрета. Как описано ниже, разделяемые секреты могут быть ограничены "зонами", поэтому знание одного набора украденных секретов по-прежнему не позволяет хакеру получить доступ ко всей сети связи или перехватывать сообщения в реальном времени.
Кроме разделяемых секретов при динамическом скремблировании, где алгоритм скремблирования изменяется во время передачи пакета данных, для скремблирования или дескремблирования данных требуется начальное состояние на основе "состояния". Это состояние, на котором основано начальное состояние, может быть любым физическим параметром, таким как время, номер узла связи, идентификатор сети или даже координаты GPS, при условии, что не существует неопределенности относительно состояния, используемого при генерировании начального состояния, и при условии наличия средств информирования следующего узла о том, какое состояние использовалось при скремблировании предыдущего пакета данных. Алгоритм, используемый генератором начальных состояний для создания начального состояния, является частью общих секретов, и, следовательно, знание начального состояния не позволяет определить состояние, на котором основано это начальное состояние. Начальное состояние можно передавать от одного узла связи к другому, поместив его в сам пакет данных, отправив его через другой канал или путь или применив какую-либо комбинацию этих способов. Например, состояние, используемое при генерировании начального состояния, может представлять собой счетчик, первоначально содержащий случайное число, которое впоследствии увеличивается на постоянную величину при каждом прохождении пакета данных через узел связи, при этом каждое значение счетчика соответствует конкретному алгоритму скремблирования.
В одном из вариантов осуществления динамического скремблирования при первом выполнении операции скремблирования генерируется случайное число для выбора используемого способа скремблирования. Это случайное число помещается в пакет данных в его заголовке или той части пакета данных, которая зарезервирована для команд и управления, и не подвергается скремблированию. Когда пакет данных поступает в следующий узел, это введенное число считывается узлом связи и используется программным обеспечением для выбора надлежащего алгоритма для дескремблирования входящего пакета данных. Затем это число, т.е. "значение счетчика", увеличивается на единицу или какое-нибудь другое заданное целое число, пакет скремблируется в соответствии с алгоритмом, связанным с этим новым числом, а это новое число записывается в выходной пакет данных, взамен предыдущего числа. Следующий узел связи повторяет этот процесс.
В альтернативном варианте осуществления рассматриваемого способа на основе счетчика для выбора алгоритма скремблирования генерируется случайное число для выбора первоначального алгоритма скремблирования, и это число направляется каждому узлу связи, используемому для передачи конкретного пакета данных как "разделяемый секрет". Значение счетчика, например, начиная с 0, помещается в пакет данных в его заголовке или в той части пакета данных, которая зарезервирована для команд и управления, и не подвергается скремблированию. Затем этот пакет данных пересылается на следующий узел связи. Когда пакет поступает на следующий узел связи, сервер считывает значение счетчика, добавляет это значение к первоначальному случайному числу, идентифицирует алгоритм скремблирования, используемый при выполнении предыдущей операции скремблирования пакета данных, и дескремблирует пакет в соответствии с ним. Затем значение счетчика увеличивается на единицу или любое другое заданное целое число, и это значение счетчика снова сохраняется в заголовке пакета данных или той части пакета данных, которая зарезервирована для команд и управления, и не подвергается скремблированию, взамен предыдущего значения счетчика. Случайное число, служащее разделяемым секретом, не передается в пакете данных связи. После того как пакет данных поступает в следующий узел связи, сервер добавляет случайное число, являющееся разделяемым секретом, добавленное к измененному значению счетчика, извлеченному из пакета данных. Этот новое число однозначно идентифицирует алгоритм скремблирования, используемый предыдущим узлом связи для скремблирования входящего пакета. В случае применения этого способа кибер-пиратом может быть перехвачено только неинформативное значение счетчика из незашифрованной части пакета данных, глядя на которое не возникает никаких идей о том, что означают эти данные.
482567
В другом альтернативном способе может использоваться скрытое число для передачи состояния пакета и того, какой алгоритм использовался для его скремблирования. Скрытое число объединяет изменяющееся во времени состояние или начальное состояние с разделяемым секретом, который, как правило, представляет собой числовой алгоритм, при этом они вместе используются для создания конфиденциального числа, т.е. "скрытого числа", которое никогда не передается между узлами связи и, следовательно, не является предметом синтаксического анализа или исследования при проведении атаки "человек посередине" или со стороны кибер-пирата. Затем скрытое число используется для выбора применяемого алгоритма скремблирования. Поскольку состояние или начальное состояние не имеет смысла без знания алгоритма, используемого для вычисления скрытого числа, и поскольку алгоритм, являющийся разделяемым секретом, может храниться за межсетевым экраном, недоступным по сети или Интернету, никакой мониторинг сетевого трафика не сможет обнаружить образец. Для дополнительного усложнения ситуации местонахождение начальных состояний также может представлять собой общий секрет. В одном из вариантов осуществления изобретения число, передаваемое в не скремблированной части пакета данных и доступное для наблюдения и синтаксического анализа данных, например, 27482567822552213, представляет собой длинное число, в котором только его часть является начальным состоянием. Если, например, начальное состояние определяется цифрами с третьей по восьмую, то реальное начальное состояние - это не все число 27822552213, а только его часть, выделенная жирным шрифтом, т.е. начальное состояние - это 48256. Затем это начальное состояние вместе с являющимся разделяемым секретом алгоритмом используется для генерирования скрытого числа, а это скрытое число используется для выбора алгоритма скремблирования, динамически изменяющегося по всей сети.
фигуре 51F
1E, 1B
1B, 1E
0
1
1,1
1,1
2
1,2
3
1
3
5
7
2
4
6
1,6
f
Также в соответствии с рассматриваемым изобретением еще одним возможным динамическим скремблирующим алгоритмом является подмешивание, преднамеренно вводящее предсказуемый шум в поток данных при передаче. Один из возможных способов подмешивания заключается в повторной перестановке двух соседних сегментов данных, происходящих при прохождении пакета по сети. Согласно , в момент времени t, соответствующий динамическому состоянию 990 не скремблированный пакет данных 990 скремблируется с помощью операции скремблирования пакетов 926, в результате чего скремблированный пакет данных 1001 в момент времени t соответствует динамическому состоянию 991. Пакет данных 1001, входящий в узел связи N, размещенный на сервере 971, представляет собой последовательность сегментов данных, следующих в порядке 1D, 1B, 1E, 1F, 1C, 1A. Пакет данных 1001 преобразуется узлом связи N в момент времени t, при этом изменяется порядок следования сегментов данных путем обмена местами сегментов данных 1E и 1B. Результирующий пакет данных 1002, содержащий последовательность сегментов данных 1D,, 1F, 1C, 1A, затем обрабатывается узлом связи N, размещенным на сервере 972, в момент времени t, восстанавливая прежнюю последовательность 1D, , 1F, 1C, 1A. В каждом очередном узле относительные позиции сегментов данных 1B и 1E меняют местами или подмешивают шумоподобный сигнал, исключая образование двух одинаковых последовательных пакетов. Таким образом, исходная последовательность скремблирования содержит пакеты данных 1001, 1003, 1005 и 1007 в соответствующие моменты времени t, t, t и t и измененные пакеты данных 1002, 1004 и 1006 в соответствующие моменты времени t, t и t. Затем пакет данных 1007, выходящий из узла связи N, размещенного на сервере 972, дескремблируется с помощью операции дескремблирования пакета 928 для восстановления исходной последовательности данных 930 в момент времени t.
фигуре 52
0,0
0.f
Пример статического скремблирования в соответствии с рассматриваемой динамической защищенной коммуникационной сетью и протоколом, применяемой к пакету данных 930, проходящему по цепочке серверов связи 1010-1015, показан на , где узел связи N, размещенный на сервере 1010, выполняет операцию скремблирования пакета 926, в результате чего образуется скремблированный пакет данных 1008. Затем скремблированный пакет 1008 проходит по сети связи с коммутацией пакетов без каких-либо дальнейших изменений в последовательности сегментов данных, после чего узел связи N, размещенный на сервере 1015, наконец выполняет операцию дескремблирования пакета 928, восстанавливая исходную последовательность сегментов в пакете данных. Эта форма передачи данных представляет собой статическое скремблирование, поскольку пакет данных, изначально скремблированный, не изменяется при прохождении по сети до тех пор, пока не достигнет последнего сервера.
Представленные данные, проходящие по сети, хотя они и скремблированы, можно считать "текстовым файлом", поскольку в пакетах данных присутствуют фактические данные, т.е. пакеты не преобразованы в зашифрованный текст. Напротив, в зашифрованном тексте строка символов, содержащая исходные данные, независимо от того, скремблированы они или нет, преобразуется в ничего не значащую серию бессмысленных символов с помощью ключа шифрования, и не может быть снова преобразована в исходную форму текстового файла без ключа дешифрования. Роль шифрования в рассматриваемой системе связи на основе SDNP обсуждается ниже в разделе "Шифрование".
фигуре 53.
Чтобы изменить последовательность пакетов данных во время передачи по сети, требуется "ре-скремблирование" пакетов, согласно  Процесс ре-скремблирования пакетов преобразовывает скремблированный пакет данных в его исходное не скремблированное состояние, а затем снова скремблирует его в соответствии с новым алгоритмом скремблирования. Таким образом, используемый здесь термин "ре-скремблирование" означает дескремблирование пакета данных и его последующее повторное скремблирование, как правило, с помощью другого алгоритма или способа скремблирования. Такой подход позволяет исключить риск повреждения данных, возникающий при скремблировании ранее скремблированного пакета и потере контроля над слежением за последовательностью, необходимого для восстановления исходных данных. Согласно фигуре, скремблированный пакет данных 1008, изначально скремблированый с помощью операции скремблирования пакетов 926, "ре-скремблируется", сначала путем его дескремблирования с помощью операции дескремблирования 928, используя обратную операцию алгоритма скремблирования, по которому было выполнено скремблирование данных, а затем скремблирования пакета данных заново с помощью операции скремблирования 926, но по другому алгоритму скремблирования, а не по тому, который использовался в предыдущей операции скремблирования 926. Результирующий ре-скремблированный пакет данных 1009 отличается от предыдущего скремблированного пакета данных 1008. Операция ре-скремблирования 1017 представляет собой последовательное выполнение дескремблирования и последующего скремблирования, и в настоящем документе называется "US ре-скремблированием", где "US" - аббревиатура от англ. Unscrambling-Scrambling, что означает "дескремблирование-скремблирование". Чтобы восстановить исходный пакет данных 930, при операции дескремблирования окончательного пакета 928 необходимо применить обратную функцию того же алгоритма, который использовался для предыдущего ре-скремблирования пакета данных.
фигура 54
0
f
0,0
0,1
2
0,2
Применение US ре-скремблирования в сети связи с коммутацией пакетов на основе SDNP в соответствии с настоящим изобретением иллюстрирует , где пакет данных 930, сначала скремблированный с помощью операции скремблирования 926 на сервере 1011, последовательно преобразуется с помощью операции US ре-скремблирования 1017 по мере прохождения пакета данных по сети серверов связи с коммутацией пакетов 1012-1015. Последняя операция дескремблирования 928 происходит на сервере 1016 и восстанавливает исходную последовательность сегментов пакета данных 930. Поскольку ре-скремблирование многократно повторяется и производится в разные моменты времени от t до t, результирующая сеть представляет собой динамически скремблированную сеть связи. В процессе работы не скремблированный пакет данных 930 скремблируется с помощью операции скремблирования 926, реализованной в узле связи N, размещенном на сервере 1011. Используя операцию US ре-скремблирования 1017, реализованную в узле связи N, размещенном на сервере1012, пакет преобразуется в скремблированный пакет данных 1008 в момент времени t. Тот же процесс повторяется при каждом прохождении пакета данных через оставшиеся узлы связи. Например, в узле связи N, размещенном на сервере 1013, операция US ре-скремблирования 1017 преобразует ре-скремблированный пакет данных 1008 в новый ре-скремблированный пакет данных 1009.
2
3
0,1
0,0
0,2
0,1
0,3
0,2
0,f
Каждая операция ре-скремблирования 1017 сначала отменяет предыдущее скремблирование на основе предыдущего состояния поступающего в узел связи пакета, например, если пакет данных 1008 был скремблирован для состояния, соответствующего времени t, а затем снова производится скремблирование этого пакета для нового состояния, соответствующего времени t, при этом образуется ре-скремблированный пакет данных 1009. Как было описано ранее, состояние, используемое при определении выполняемого скремблирования, может включать начальное состояние, время или число, связанное с каким-либо физическим параметром, например, временем, номером узла связи, идентификатором сети или даже координатами GPS при условии отсутствия неопределенности относительно того, как выполнялось предыдущее скремблирование. Соответственно, де-скремблирование пакета данных, входящего в узел связи N, размещенный на сервере 1012, зависит от состояния предыдущего сервера, использовавшегося для скремблирования пакета данных, т.е. состояния узла связи N, размещенного на сервере 1011; де-скремблирование пакета данных, входящего в узел связи N, размещенного на сервере 1013, зависит от состояния узла связи N, размещенного на сервере 1012, во время скремблирования; де-скремблирование пакета данных, входящего в узел связи N, размещенный на сервере 1014, базируется на состоянии узла связи N, размещенного на сервере 1013 во время скремблирования и т.д. Последний узел связи в этой сети, в данном случае узел связи N, размещенный на сервере 1016, не выполняет US ре-скремблирование, а вместо этого выполняет операцию де-скремблирования 928, чтобы восстановить первоначальную не скремблированную последовательность сегментов пакета данных 930.
В соответствии с рассматриваемым изобретением статическое и динамическое скремблирование данных лишает интерпретацию не скремблированных данных всякого смысла, превращая звук в неузнаваемый шум, превращая текст в несвязный набор символов, превращая видео в "видео-снег" и код скремблирования в невосстанавливаемый. Само по себе скремблирование обеспечивает высокую степень безопасности. Однако в способе SDNP, рассматриваемом в настоящем документе, скремблирование - это только один из элементов, предназначенных для того, чтобы обеспечить и гарантировать защищенную связь, исключающую вмешательство хакеров, проведение кибер--атак, кибер--пиратство и проведение атак типа "человек посередине".
Шифрование пакетов -
В соответствии с настоящим описанием изобретения защищенная связь по сети с коммутацией пакетов опирается на несколько элементов, позволяющих предотвратить взлом и обеспечить безопасность, одним из которых является шифрование SDNP. Как указано выше, слово "шифрование" имеет греческое происхождение, означающее "скрывать, прятать, затемнять", и представляет собой средство преобразования нормальной информации или данных, обычно называемых "текстовым файлом", в "зашифрованный текст", имеющий непонятный формат, который делает данные нечитабельными без секретных знаний. В современной связи эти секретные знания обычно связаны с совместным использованием одного или нескольких "ключей", используемых для шифрования и дешифрования данных. Обычно эти ключи содержат псевдослучайные числа, генерируемые по определенному алгоритму. Сегодня написаны многочисленные статьи и тексты, обсуждающие достоинства и недостатки различных способов шифрования, например: "Криптономикон" Нила Стивенсона, © 1999 г.; "Книга шифров: наука о секретности от Древнего Египта до квантовой криптографии" Саймона Сингха, © 1999 г.; "Практическая криптография" Нильса Фергюсона, © 2013 г. и "Криптоанализ: исследование шифров и их расшифровка", впервые опубликованная в 1939 г.
Несмотря на то, что понятие шифрования или шифров появилось в древние времена и хорошо известно специалистам в данной области, применение криптографии в рассматриваемой динамической защищенной коммуникационной сетью и протоколом является уникальным, оно облегчает как сквозное шифрование, так и динамическое шифрование для одного межузлового перехода применительно к архитектуре самой сети, независимо от собственного шифрования данных любого клиента. Базовый принцип архитектурного проектирования системы передачи данных SDNP состоит в том, что при наличии достаточного времени любой статически зашифрованный файл или сообщение можно в конечном итоге взломать и похитить информацию, независимо от того, насколько сложен шифр. Несмотря на то, что это предположение может не соответствовать действительности, нет необходимости доказывать или опровергать его, потому что противоположный подход, т.е. ожидание сбоя конкретного способа шифрования, может привести к неприемлемым и необратимым последствиям.
Вместо этого система передачи данных SDNP базируется на предпосылке, что все зашифрованные файлы имеют ограниченный "срок хранения", это метафорическое высказывание означает, что зашифрованные данные являются надежными (защищенными) только в течение ограниченного периода времени и что конфиденциальные данные должны быть заново динамически перешифрованы через регулярные интервалы времени, в идеале гораздо меньшие, чем самые оптимистические оценки времени, необходимого для взлома шифра с использованием современных компьютеров. Например, если, по оценке криптологов, крупная серверная ферма криптодвижков может взломать данный шифр за один год, то в системе передачи данных SDNP пакет данных будет перешифровываться через каждую секунду или даже через каждые 100 мс - интервал, величина которого на много порядков короче интервала, в течение которого наилучшая технология способна взломать его. Поэтому шифрование в SDNP обязательно является динамическим, т.е. зависящим от времени, а также может быть зависящим от пространства, т.е. зависящим от местоположения узла связи в сети с коммутацией пакетов или географического положения. Таким образом, используемый здесь термин "перешифрование" относится к расшифрованию пакета данных и его последующему повторному зашифрованию, как правило, с помощью другого алгоритма или способа шифрования.
Следовательно, шифрование в SDNP предусматривает многократное и частое преобразование данных из незашифрованного текстового файла в зашифрованный текст, что делает информацию невразумительной и бесполезной. Даже если шифрование данных конкретного пакета чудесным образом удалось взломать, то при использовании способов динамического шифрования SDNP у следующего пакета данных будет совершенно другой ключ шифрования или шифр, что потребует начинать с самого начала новый процесс взлома его шифрования. Ограничение общего содержимого каждого уникально зашифрованного пакета данных смягчает потенциальный ущерб от несанкционированного доступа, поскольку открытый пакет данных сам по себе содержит слишком маленький файл данных и не представляет особой ценности или пользы для кибер-пирата. Более того, комбинируя динамическое шифрование с вышеупомянутыми способами скремблирования SDNP, можно значительно повысить защищенность связи. Даже в незашифрованном виде перехваченный файл данных содержит лишь небольшой фрагмент данных, голоса или видео, который скремблирование превращает в бессмысленную и невразумительную последовательность сегментов данных.
фигуре 55A
В соответствии с настоящим изобретением шифрование SDNP является динамическим и зависимым от состояния. Согласно , незашифрованный пакет данных представляет собой текстовой файл 930, обработанный посредством операции шифрования 1020, при этом образуется зашифрованный пакет данных, содержащий шифротекст 1024 или 1025. В случае шифротекста 1024 весь пакет данных текстового файла 930 зашифрован целиком, при этом сегменты данных от 1A до 1F обрабатываются как один файл данных. В случае шифротекста 1025 каждый сегмент данных текстового файла 930 от 1А до 1F шифруется отдельно и определенно и не объединяется с другими сегментами данных. Первый сегмент данных 1А зашифровывается и помещается в соответствующий первый сегмент данных шифротекста, показанного для наглядности строкой символов, начинающейся с 7$ и представляющего собой длинную строку символов или цифр, которые не показаны. Аналогично, второй сегмент данных 1В текстового файла зашифровывается и помещается во второй сегмент данных шифротекста, представляющего собой длинную строку символов, показанную для наглядности, начиная с ^. Символы 7$ и *^ показаны, чтобы продемонстрировать начальные элементы бессмысленных строк символов, цифр и буквенно-цифровых знаков, и не накладывают никаких ограничений или не содержат никаких конкретных данных об источнике текстового файла или длине зашифрованных строк символов.
Операция шифрования 1020 может использовать любой доступный алгоритм, криптографический способ или способ шифрования. Несмотря на то, что алгоритм может представлять собой статическое уравнение, в одном из вариантов осуществления изобретения операция шифрования использует динамические переменные или "состояния", например, время шифрования 920, а также генератор шифрования 1021 для создания "E-ключа" 1022, который также может зависеть от состояния, например, времени шифрования 920. Например, дата и время шифрования могут использоваться как числовое значение для генерации ключа шифрования, который нельзя воссоздать, даже если был обнаружен алгоритм шифрования. Время 920 или другие "состояния" также могут использоваться для выбора конкретного алгоритма из списка алгоритмов шифрования 1023, который является списком доступных алгоритмов шифрования. На диаграммах потоков данных удобно иллюстрировать эту операцию и последовательность шифрования пакета с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом, показанным для операции шифрования 1026. Во всех материалах описания настоящего изобретения символом, представляющим защищенные и зашифрованные данные, может также служить замок. Замок с расположенным над ним циферблатом указывает на защищенный механизм доставки, например, на зашифрованные файлы, которые, если они не будут приняты в течение определенного интервала времени или до определенного момента времени, саморазрушаются и теряются навсегда.
фигуре 55B
Операция дешифрования, показанная на , иллюстрирует обратную функцию операции шифрования 1020, а именно, операцию дешифрования 1031, где состояние или время 920 и другие состояния, используемые для создания шифротекста 1024, вместе с ключом дешифрования ("D-ключом") 1030, генерируемым генератором D-ключей 1029, повторно используются для отмены шифрования, то есть расшифрования файла, для получения незашифрованных данных, содержащих исходный пакет данных 990 текстового файла. Если при первоначальном шифровании пакетов использовалось определенное состояние или время 920, та же операция шифрования должна быть снова использована и в операции дешифрования 1031 путем ее выбора из списка алгоритмов шифрования 1023. Несмотря на то, что список алгоритмов шифрования 1023 относится к термину "шифрование", та же таблица алгоритмов используется для идентификации и выбора обратной функции, необходимой для выполнения "дешифрования", т.е. список алгоритмов шифрования 1023 содержит информацию, необходимую как для шифрования, так и для дешифрования пакетов данных. Поскольку эти две функции включают в себя одни и те же инструкции, выполняемые в обратном порядке, таблица 1023 также может быть переименована в таблицу алгоритмов "шифрования/дешифрования" 1023. Однако для большей наглядности эта таблица отмечена только названием функции без указания ее обратной функции.
Если алгоритм шифрования, выбранный для реализации операции дешифрования 1031, не соответствует обратному алгоритму по отношению к исходному алгоритму, использованному в операции шифрования пакетов, или если состояние или время 920 не совпадают со временем шифрования, или если D-ключ 1030 не связан известным числовым соотношением с E-ключом 1022, используемым во время шифрования, то операция дешифрования 1031 не сможет восстановить исходные незашифрованные данные 990, и данные пакета будут потеряны. На схемах потоков данных этот процесс дешифрования пакетов удобно иллюстрировать с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом операции дешифрования 1032.
Как уже было указано в этом описании, использование ключей шифрования и дешифрования в криптографии и общие алгоритмы шифрования, такие как симметричное шифрование, с открытым ключом, шифрование по способу RSA (аббревиатура от фамилий Rivest, Shamir и Adleman) и шифрование по способу AES256 (англ. Advanced Encryption Standard - улучшенный стандарт шифрования) и др., являются вопросами, хорошо известными специалистам в данной области. Однако применение таких известных криптографических способов в рассматриваемой системе передачи данных SDNP не так восприимчиво к взлому или расшифровке из-за скрытой информации, разделяемых секретов и зависящих от времени динамических переменных и состояний, уникальных для рассматриваемой системы передачи данных SDNP.
Поэтому даже в маловероятном случае, когда кибер-пират обладает достаточной вычислительной мощью, чтобы в конечном итоге взломать надежную систему шифрования, ему не хватает некоторой информации, включенной в сеть SDNP в качестве непубличных или разделяемых секретов, необходимых для выполнения операции дешифрования, кроме того он должен взломать систему шифрования за долю секунды, пока не изменится шифр. Кроме того, каждый пакет данных, проходящий по рассматриваемой сети SDNP, использует собственный способ шифрования с уникальными ключами и динамическими состояниями. Необходимость одновременного получения недостающей информации, динамических состояний и ограниченного информационного содержимого в любом конкретном пакете делает похищение сколь-нибудь важных данных из любого конкретного пакета данных как вызывающе сложной, так и неблагодарной задачей для кибер-пирата.
фигуре 56
Чтобы перехватить весь документ, онлайн-видео или голосовую беседу для восстановления связной последовательных данных, кибер-атака должна последовательно взламывать и расшифровывать не один, а тысячи последовательных пакетов SDNP. Крайне серьезная задача непрерывного взлома последовательности пакетов SDNP еще более усугубляется сочетанием динамического шифрования с ранее описанными способами скремблирования пакетов данных. Согласно , создание зашифрованного скремблированного пакета данных 1024 включает в себя последовательную комбинацию операции скремблирования 926 и операции шифрования 1026 для преобразования не скремблированного пакета данных 990 текстового файла сначала в скремблированный пакет данных 1008 текстового файла, а затем в шифротекст 1024 скремблированного пакета данных. Чтобы восстановить зашифрованный скремблированный пакет, обратные функции должны быть применены в обратной последовательности - сначала операция дешифрования 1032 для восстановления скремблированного пакета данных 1035 текстового файла, а затем операция де-скремблирования 928 для восстановления не скремблированного пакета данных 990 текстового файла.
Согласно фигуре, скремблирование и шифрование представляют собой дополняющие технологии для обеспечения защищенной связи. Незашифрованные скремблированные данные, проходящие по сети, можно считать "текстовым файлом", поскольку в пакетах данных присутствуют фактические данные, т.е. пакеты не преобразованы в шифротекст. Зашифрованные пакеты данных или шифротекст представляют собой скремблированные или не скремблированные строки символов, преобразованные в бессодержательную серию бессмысленных символов с помощью ключа шифрования, и не могут быть восстановлены в исходную форму текстового файла без соответствующего ключа дешифрования. В зависимости от используемого алгоритма ключи шифрования и дешифрования могут представлять собой один и тот же ключ или различные ключи, связанные известной математической зависимостью. Таким образом, скремблирование и шифрование представляют собой дополняющие технологии для обеспечения защищенной связи в соответствии с рассматриваемым изобретением для системы передачи данных SDNP.
-1
Эти два способа, скремблирование и шифрование могут рассматриваться независимо, даже когда они используются в сочетании друг с другом, за исключением того, что последовательность, используемая для восстановления исходного пакета данных из зашифрованного скремблированного пакета данных, должна быть обратной по отношению к последовательности, используемой для его создания. Например, если пакет данных 990 сначала был скремблирован с использованием операции скремблирования 926, а затем зашифрован с использованием операции шифрования 1026, то для восстановления исходного пакета данных зашифрованный скремблированный пакет данных 1024 сначала должен быть дешифрован с использованием операции дешифрования 1032, а затем де-скремблирован с использованием операции де-скремблирования 928. С точки зрения математики, если операция скремблирования F преобразует строку битов или символов в эквивалентную скремблированную версию, а операция де-скремблирования F отменяет это скремблирование, вследствие чего
-1
F[F(A)]=A,
-1
и, аналогично, если операция шифрования G преобразует строку текстового файла в эквивалентный шифротекст, а операция дешифрования G отменяет это шифрование, вследствие чего
-1
G[G(A)]=A,
то в комбинированном варианте при последовательном выполнении операций скремблирования и шифрования с последующим дешифрованием и де-скремблированием получается исходный аргумент A - не скремблированный пакет данных текстового файла. Соответственно,
-1
-1
F{G[G(F(A))]}=A
-1
-1
потому что действия выполняются в обратной последовательности, в частности, дешифрование [G] зашифрованного скремблированного пакета [G (F (A))] восстанавливает скремблированный пакет данных текстового файла F (A). Последующая операция де-скремблирования F скремблированного пакета текстового файла F(A) восстанавливает исходный пакет данных A.
При использовании линейных способов эта последовательность обратима. Например, если пакет данных сначала зашифрован, а затем скремблирован, то для восстановления исходного пакета данных скремблированный шифротекст должен быть сначала де-скремблирован, а затем дешифрован. Соответственно,
-1
-1
G{F[F(G(A))]}=A
Изменение последовательности не допускается. Дешифрование пакета данных, который ранее был зашифрован, а затем скремблирован, без предварительного де-скремблирования не восстановит исходный пакет данных, т.е.
-1
-1
F{G[F(G(A))]} ≠ A
Аналогично, де-скремблирование пакета, который был скремблирован, а затем зашифрован, также не сможет восстановить исходный пакет данных, потому что
-1
-1
G{F[G(F(A))]} ≠ A
В итоге, если пакет текстового файла скремблируется перед шифрованием, он должен быть дешифрован до де-скремблирования; если пакет текстового файла зашифровывается перед скремблированием, он должен быть де-скремблирован до его расшифрования.
фигуре 56
Хотя и понятно, что скремблирование и шифрование могут выполняться в любой последовательности, в одном из вариантов осуществления способов SDNP в соответствии с настоящим изобретением, шифрование и дешифрование во время передачи по сети происходят чаще, чем скремблирование, и поэтому шифрование должно происходить после скремблирования, а дешифрование - до де-скремблирования, согласно , а не наоборот. Для удобства комбинация операции скремблирования пакета 926 с последующей операцией шифрования 1026 определяется как операция шифрования скремблированного пакета 1041, а ее обратная операция - комбинация операции дешифрования 1032 с последующей операцией де-скремблирования пакета 928 - как операция де-скремблирования дешифрованного пакета 1042. Эти гибридные операции могут использоваться в статической и динамической системе передачи данных SDNP в соответствии с настоящим изобретением.
фигуре 57
0,0
1
0,f
f
На , на котором представлена система передачи данных SDNP, пакет текстового файла 990 проходит через ряд узлов связи 1011-1016 в сети связи с коммутацией пакетов в статически зашифрованной и скремблированной форме и представляет собой пакет данных шифротекста 1040, который не изменяется от узла к узлу и со временем. Согласно фигуре, на первом сервере - узле связи N 1101 - выполняется операция шифрования-скремблирования 1041 для преобразования исходного пакета данных 990 текстового файла в пакет данных 1040 шифротекста - зашифрованных скремблированных данных. После преобразования в момент времени t и соответствующего состояния 991 зашифрованный скремблированный пакет данных остается статическим и неизменным, поскольку пакет данных проходит по сети до тех пор, пока он не достигнет узла связи N 1016, где выполняется обратное преобразование пакета данных в его первоначальную форму - пакет данных текстового файла 990 с помощью операции дешифрования-де-скремблирования 1042 в момент времени t. Несмотря на то, что комбинация скремблирования и шифрования значительно повышает защищенность, она не является динамически защищенной, поскольку пакеты данных остаются неизменными с течением времени и по мере прохождения по сети.
1
Одно из средств повышения безопасности в любой реализации с использованием статического скремблирующего шифрования заключается в том, что для каждого отправляемого пакета данных применяются различные способы скремблирования и/или шифрования, включающие изменение состояния, начальных состояний и/или ключей в момент времени t, когда каждый пакет данных входит в сеть связи.
Однако более надежным является альтернативное решение с динамическим изменением способа шифрования и/или скремблирования пакета данных по мере прохождения пакета по сети во времени. Чтобы облегчить необходимую обработку данных для реализации чисто динамической версии системы связи SDNP, необходимо объединить ранее определенные процессы, чтобы "ре-скремблировать" (т.е. де-скремблировать, а затем скремблировать) и "перешифровывать" (т.е. расшифровывать, а затем зашифровывать) каждый пакет по мере его прохождения через каждый узел связи в сети связи с коммутацией пакетов. В настоящем документе иногда используется термин "перепакетировать" или "перепакетирование" для комбинации "ре-скремблирования" и "перешифрования", независимо от того, дешифруется ли пакет первоначально перед де-скремблированием или де-скремблируется перед дешифрованием. В любом случае операции де-скремблирования и дешифрования в данном узле должны выполняться в порядке, обратном выполнению операций скремблирования и шифрования при выходе пакета из предыдущего узла, т.е., если пакет был скремблирован, а затем зашифрован в предыдущем узле, то в текущем узле он должен быть сначала дешифрован, а затем де-скремблирован. Как правило, пакет после этого скремблируется, а затем зашифровывается, когда покидает текущий узел.
фигуре 58
Операция "перепакетирования" в узле связи показана на , где пакет данных входящего шифротекста 1040 сначала дешифруется с помощью операции дешифрования 1032, а затем де-скремблируется с помощью операции де-скремблирования 928 для восстановления пакета не скремблированного текстового файла 990, являющегося содержимым исходного пакета. Если какую-либо информацию в пакете необходимо проверить, произвести разбивку, расщепить или перенаправить, незашифрованный файл текстового файла является наилучшим форматом для выполнения таких операций. Затем пакет данных текстового файла 990 снова скремблируется с помощью операции скремблирования 926, после чего выполняется новое шифрование с помощью операции шифрования 1026 для создания нового скремблированного пакета данных шифротекста 1043. Поскольку операция перепакетирования входящего скремблированного пакета данных шифротекста 1040 осуществляется путем последовательного выполнения дешифрования, де-скремблирования, скремблирования и шифрования, для обозначения рассматриваемой в настоящем документе методики в соответствии с настоящим изобретением используется аббревиатура DUSE (англ. Decryption - дешифрование, Unscrambling - де-скремблирование, Scrambling - скремблирование, Encryption - шифрование). В динамической защищенной коммуникационой сети и протоколе желательно, чтобы состояние или время, ключ дешифрования и любые начальные состояния, используемые для выполнения операции дешифрования 1032 и операции де-скремблирования 928, отличались от состояния или времени, начальных состояний или ключей шифрования, используемых для выполнения операции скремблирования 926 и операции шифрования 1026.
фигуре 59
0,0
0,f
0,1
0,4
0,0
0,1
2
0,2
0,3
4
0,f
f
Ранее рассмотренная операция перепакетирования по способу DUSE 1045 может быть реализована как программное обеспечение, микропрограмма или оборудование в любом узле связи. Как правило, для выполнения таких операций предпочитают использовать программное обеспечение, потому что со временем текст программы можно обновлять или улучшать. Применение операции перепакетирования по способу DUSE 1045 в динамической сети показано на, где узел связи N, размещенный на сервере 1011, выполняет операцию шифрования скремблированного пакета 1041, узел связи N, размещенный на сервере 1016, выполняет операцию дешифрования-де-скремблирования 1042, а промежуточные узлы связи от N до N, размещенные на серверах с 1012 по 1015, соответственно, выполняют операции перепакетирования по способу DUSE 1045. В процессе работы пакет данных текстового файла 990 сначала обрабатывается с помощью операции скремблирования-шифрования 1041 в узле связи N, а затем обрабатывается с помощью операции перепакетирования по способу DUSE 1045 в узле связи N, при этом образуется перепакетированный скремблированный текстовой файл 1008, представляющий собой пакет после дешифрования, де-скремблирования пакета и скремблирования пакета, но еще до шифрования. Затем скремблированный текстовой файл 1008 шифруется, в результате чего формируется шифротекст 1040 в момент времени t и соответствующее состояние 992. Процесс снова повторяется в узле связи N, а затем в узле связи N, при этом образуется перепакетированный скремблированный текстовой файл 1009, который зашифровывается и формирует шифротекст 1048 в момент времени t и соответствующее состояние 994. Наконец, узел связи N выполняет операцию де-скремблирования-дешифрования 1042 для восстановления не скремблированного текстового файла 990 в момент времени t.
Смешивание и разделение пакетов -
фигуре 60A
Еще одним ключевым элементом динамической защищенной коммуникационной сети и протокола, рассматриваемым в настоящем документе, является его способность разделять пакеты данных на несколько под-пакетов, направлять эти под-пакеты по нескольким маршрутам и смешивать и воссоединять под-пакеты для восстановления полных пакетов данных. Процесс разделения пакетов показан на , где пакет данных 1054 разделяется с помощью операции разделения 1051 в сочетании с операцией алгоритмической разбивки 1052 и с операцией добавления «мусорной» информации 1053, которая имеет возможность вставлять или удалять сегменты не являющейся данными (мусор). Аналогично избыточной ДНК, присутствующей в геноме человека, «мусорные» сегменты данных вставляются с помощью операции добавления мусорной информации 1053, для расширения или управления длиной пакета данных или, при необходимости, для их удаления. Операция добавления мусорной информации 1053 особенно важна, когда для заполнения пакета имеется недостаточное количество данных. Наличие сегментов «мусорных» данных, вставленных в пакет данных, также затрудняет для кибер-пиратов возможность отделения реальных данных от шума. В настоящем документе "случайный" пакет или сегмент данных - это пакет или сегмент данных, который целиком состоит из неинформативных данных (битов). Эти случайные биты могут быть введены в поток пакетов данных, окружая реальные данные морем неинформативных битов.
Цель операции разбивки 1052 состоит в том, чтобы разбить пакет данных 1054 на более мелкие пакеты данных, например, под-пакеты данных 1055 и 1056 для обработки каждого из составляющих компонентов. Разбиение пакета данных 1054 на более мелкие части дает такие уникальные преимущества, как поддержка многолучевой передачи, т.е. передачи пакетов данных по нескольким и различным путям, и облегчение уникального шифрования составных частей под-пакетов с использованием разных способов шифрования.
Операция разделения может использовать любой алгоритм, численный способ или способ разбивки. Алгоритм может представлять собой статическое уравнение или включать динамические переменные или числовые начальные состояния или такие "состояния", как время 920 при первом формировании входящего пакета данных 1054 рядом под-пакетов и числовое начальное состояние 929, сгенерированное генератором начальных состояний 921, которое также может зависеть от такого состояния, как время 920 в момент создания пакета данных. Например, если каждая дата преобразуется в уникальное монотонно возрастающее число, то каждое начальное состояние 929 является уникальным. Время 920 и начальное состояние 929 могут использоваться для идентификации конкретного алгоритма, выбранного из списка доступных способов, т.е. из алгоритма 1050. Разделение (не смешивание) пакета представляет собой обратную процедуру по отношению к смешиванию с использованием того же алгоритма, выполняемого в строго обратной последовательности по отношению к используемой ранее для создания конкретного пакета. В конечном счете, все, что было сделано, отменяется, но не обязательно за один шаг. Например, скремблированный зашифрованный пакет данных может быть расшифрован, но остается скремблированным. Обработанный с помощью операции разделения 1051 неразделенный пакет входящих данных 1054 преобразуется в несколько пакетов данных, например, разделяется на пакеты 1055 и 1056 постоянной длины с помощью операции разбивки 1052, чтобы алгоритмически выполнить операцию. На схемах потоков данных операцию разделения пакета 1051, включающую в себя разбивку 1052 и операцию добавления случайной информации 1053, удобно иллюстрировать с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом операции разделения 1057.
При этом используемый в настоящем документе термин "разделение" может включать в себя разбивку, которая заключается в разделении пакета на два или более пакета или под-пакета, и кроме того он может включать в себя вставку «мусорных» пакетов или под-пакетов в образовавшиеся при "разбивке" пакеты или под-пакеты или удаление «мусорных» пакетов или под-пакетов из образовавшихся при "разбивке" пакетов или под-пакетов.
фигуре 60B
Обратная функция - операция смешивания пакетов 1060, показанная на , объединяет несколько пакетов 1055 и 1056 в один и формирует смешанный пакет 1054. Подобно разделению пакетов, операция смешивания пакетов может использовать любой алгоритм, численный способ или способ смешивания. Алгоритм может представлять собой статическое уравнение или включать динамические переменные или числовые начальные состояния или такие "состояния", как время 920, используемые для задания условий, при которых смешиваются пакеты входящих данных 1055 и 1056. Операция смешивания, используемая для создания пакета данных, может использовать числовые начальные состояния 929, генерируемые генератором начальных состояний 921, которые также могут зависеть от состояния, например, времени 920. Время 920 и начальное состояние 929 могут использоваться для идентификации конкретного алгоритма смешивания, выбранного из списка доступных способов смешивания, т.е. из алгоритмов смешивания 1050. На схемах потоков данных этот процесс смешивания пакетов удобно иллюстрировать с использованием схематического или символического представления, обозначенного здесь символом операции смешивания 1061.
фигуре 61А
В соответствии с настоящим изобретением смешивание и разделение пакетов могут использовать любой из большого числа возможных алгоритмов. На показаны три из большого количества возможных способов смешивания, а именно: конкатенация, чередование и алгоритмические способы. В процессе конкатенации последовательность сегментов пакета данных 1056 добавляется в конец пакета данных 1055, при этом образуется смешанный пакет 1054. В процессе чередования сегменты пакетов данных 1055 и 1056 поочередно перемешиваются, например, как 1A, 2A, 1B, 2B и т.д., при этом образуется смешанный пакет данных 1065. Еще одним из способов, используемых для смешивания пакетов, является алгоритм. В показанном примере алгоритм, представляющий собой отражательную симметрию с чередованием, изменяет порядок следования сегментов данных на 1A, 2A, 1B, 2B, 1C, 2C в первой половине смешанного пакета 1066 и на противоположный порядке во второй половине, т.е. 2D, 1D, 2E, 1E, 2F, 1F.
фигуре 61B
0
0,0
0, f
Пример применения смешивания пакетов с использованием конкатенации в соответствии с настоящим изобретением показан на . Согласно фигуре, в момент времени t несмешанные пакеты данных 1055 и 1056 смешиваются в узле связи N, размещенном на сервере 1011, с использованием операции смешивания 1061. Затем образовавшийся объединенный пакет данных 1066, содержащий последовательность сегментов 1A-1F, за которой следуют 2A-2F, передается по сети серверов 1011-1016, при этом он представляет собой неизменяемый текстовой файл, статический по своему составу во все моменты времени 998 до тех пор, пока в узле связи N, размещенном на сервере 1016, операция разделения пакетов 1057 не преобразует компоненты смешанного пакета данных 1066 в исходные пакеты данных 1055 и 1056.
фигуре 61С
0,f
0
Аналогично, пример применения смешивания с чередованием в соответствии с настоящим изобретением показан на . Аналогично последовательности из предыдущего примера, образуется смешанный пакет 1066 с последовательностью сегментов 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B.... Несмотря на то, что смешанный пакет отличается от показанного в примере с конкатенацией, операция разделения данных пакета 1057 способна восстановить исходные несмешанные пакеты данных 1055 и 1056, поскольку знание алгоритма смешивания и времени, состояния или начальных состояний, используемых в операции смешивания, передается узлу связи N, размещенному на сервере 1016, либо в составе пакета данных 1066, либо до передачи пакета в момент времени t.
Смешивание со скремблированием -
фигуре 62А
Рассматриваемые способы связи с коммутацией пакетов, использующие разделение и смешивание пакетов данных с различными комбинациями сегментов данных, могут в соответствии с рассматриваемым изобретением объединяться со скремблированием пакетов различными способами. На пакеты не скремблированного текстового файла 2155 и 1056 смешиваются с использованием операции смешивания 1061, при этом образуется смешанный пакет данных 1067, который в приведенном примере формируется чередованием сегментов текстового файла. После смешивания пакет данных 1067 скремблируется с помощью операции скремблирования 926, при этом образуется скремблированный пакет данных текстового файла 1068. Объединенная последовательность результатов операции смешивания пакетов 1061 и скремблирования пакетов 926 содержит операцию смешивания и скремблирования 1070, представляющую собой смешивание с последующим скремблированием.
фигуре 62B
В альтернативной реализации в соответствии с настоящим изобретением отдельные пакеты данных сначала скремблируются, а затем смешиваются, согласно . В этой реализации не скремблированные пакеты данных текстового файла 1055 и 1056 сначала скремблируются отдельными и независимыми операциями скремблирования 926, при этом образуются соответствующие скремблированные пакеты данных текстового файла 1008 и 1009. Эти скремблированные пакеты затем смешиваются друг с другом с помощью операции смешивания 1061, при этом образуется смешанный скремблированный пакет данных 1069.
фигуре 63
0,0
n
0,f
Совместно используемое смешивание и скремблирование, в соответствии с настоящим описанием, может быть интегрировано в статические или динамические сети связи SDNP. На  пакеты данных текстового файла 1055 и 1056 вводятся в узел связи N, размещенный на сервере 1011, который выполняет операцию смешивания и скремблирования 1070, представляющую собой операцию смешивания 1061, за которой следует операция скремблирования 926, для формирования смешанного скремблированного пакета 1068. Содержимое пакета остается постоянным во все моменты времени t, пока смешанный скремблированный пакет 1068 проходит серверы 1011-1016. Затем конечный узел связи N, размещенный на сервере 1016, выполняет операцию де-скремблирования 928, за которой следует операция разделения 1057, представленная как операция де-скремблирования и разделения 1044.
На фигуре 64
фигуре 64
0,0
2
0,4
5
0,f
2
2
показан пример динамического смешивания со скремблированием в сети связи SDNP. Как и в предыдущем примере статической SDNP, пакеты данных текстового файла 1055 и 1056 вводятся в узел связи N, размещенный на сервере 1011, который выполняет операцию смешивания и скремблирования 1070, представляющую собой смешивание с последующим скремблированием. Над смешанным скремблированным пакетом выполняется операция US ре-скремблирования 1010 на сервере 1012, при этом формируется смешанный скремблированный пакет 1072 в момент времени t, соответствующий состоянию 992. Затем серверы 1013 и 1014 выполняют операцию US ре-скремблирования 1017, чтобы повторно де-скремблировать, а затем ре-скремблировать пакет данных. Операция US ре-скремблирования повторяется в узле связи N, размещенном на сервере 1015, в результате чего образуется вновь ре-скремблированный пакет данных 1073 в момент времени t, соответствующий состоянию 995. Затем конечный узел связи N, размещенный на сервере 1016, выполняет операцию де-скремблирования-разделения 1044 для восстановления пакетов 1055 и 1056. В показанной динамической реализации сети операция де-скремблирования, используемая в каждой операции US ре-скремблирования 1017, использует время или состояние пакета данных, созданного на предыдущем сервере, а затем ре-скремблирует пакет данных в текущий момент времени. Например, пакет данных 1072, созданный в момент времени t на сервере 1012, ре-скремблируется на сервере 1013, т.е. де-скремблируется, используя состояние, связанное со временем t, а затем снова скремблируется с использованием состояния, связанного с текущим временем (не показано). Так, на приведенном на  примере показано, что в операции смешивания и разделения можно встраивать повторяющиеся и последовательные операции скремблирования и де-скремблирования.
Смешивание со скремблированием и шифрованием -
фигуре 65
Рассматриваемые способы связи с коммутацией пакетов, использующие разделение и смешивание пакетов данных с различными комбинациями под-пакетов в сочетании со скремблированием пакетов, могут в соответствии с рассматриваемым изобретением объединяться с шифрованием. На  показаны несколько примеров функций, объединяющих смешивание, скремблирование и шифрование, и соответствующих им обратных функций. Одним из примеров является смешивание-шифрование-скремблирование или операция MSE (англ. Mixing-Scrambling-Encryption - смешивание-шифрование-скремблирование) 1075, представляющая собой последовательность, содержащую операцию смешивания 1061, за которой следует операция скремблирования 926 и, наконец, операция шифрования 1026. Обратная функция дешифрование-де-скремблирование-разделение или операция DUS (англ. Decryption-Unscrambling-Splitting - дешифрование-де-скремблирование-разделение) 1076 представляет собой обратную последовательность операций, а именно: операцию дешифрования 1032, операцию де-скремблирования 928 и операцию разделения 1057. Выход операции MSE 1075 и вход операции DUS 1076 являются шифротекстом. Чтобы осуществлять передачу и восстанавливать исходное содержимое, хотя бы по частям, для его расшифрования должны использоваться те же общие секреты, числовые начальные состояния и ключи шифрования/дешифрования, что использовались для создания пакета шифротекста.
Промежуточные узлы могут включать в себя только операцию перешифрования 1077, представляющую собой комбинацию операции дешифрования 1032 и операции шифрования 1026 или могут включать в себя операцию DUSE 1045, представляющую собой последовательно выполняемые функции операции дешифрования 1032, операции де-скремблирования 928, операции скремблирования 926 и операции шифрования 1026. В операции перешифрования 1077 и операции DUSE 1045 функции операции дешифрования 1032 и операции де-скремблирования 928 могут потребовать, чтобы в предыдущий момент времени или в предыдущем состоянии узел связи отправлял им пакет с начальными состояниями или ключом. Функции операции шифрования 1026 и операции ре-скремблирования 926 также могут использовать информацию, начальные состояния и ключи, сгенерированные для текущего времени или состояния, т.е. для того времени, когда узел связи "обновляет" пакет данных. Обновление пакетов данных затрудняет доступ к информации в пакете данных при проведении кибер-атак, потому что данные пакетов вновь запутываются, а время, доступное для взлома кода, сокращается.
фигуре 66A
0,0
0
1
0,0
1
0,f
Один из примеров использования динамического комбинационного смешивания, скремблирования и шифрования и их обратных функций показан на , где два пакета данных 1055 и 1056 входят в узел связи N, размещенный на сервере 1011, в момент времени t. Эти два пакета могут представлять одинаковые типы данных, например, два голосовых пакета, два файла текстовых сообщений, два документа, две части программного обеспечения и т.д. или могут представлять два разнородных типа информации, например, один речевой пакет и один текстовый файл, один текстовый пакет и одно видео или фотоизображение и т.д. Затем в момент времени t, используя информацию состояния 991 для генерирования ключей, числовых начальных состояний или других секретов, узел связи N, размещенный на сервере 1011, выполняет операцию смешивания-скремблирования-шифрования (MSE) 1075. В результате образуется скремблированный пакет данных в формате шифротекста, неразборчивый и не интерпретируемый ни для какого наблюдателя, не владеющего информацией о состоянии, используемой для его создания. Кроме того, в момент времени t генерируется числовое значение, соответствующее времени или состоянию при смешивании пакетов, и передается в конечный узел N либо путем отправки этой информации перед отправкой смешанного пакета данных, либо, наоборот, вложением этого начального состояния в заголовок этого же пакета данных (рассматривается ниже в настоящем описании).
0,1
1
2
0,f
0,f
5
0,f
5
f
0
0,x
Затем данные передаются на узел связи N, размещенный на сервере 1012, который выполняет операцию DUSE 1045, дешифруя и дескремблируя входящие данные на основе информации о состоянии 991, соответствующей времени t, затем обновляет статус безопасности, путем скремблирования и шифрования данных опять на основе информации о состоянии 992, соответствующей времени t. Если информация о состоянии 991 передается в конечный узел N, путем включения ее в пакет данных или заголовок, тогда требуются две копии информации о состоянии - одна для конечного узла N, содержащая состояние 991, в случае смешивания, и вторая о состоянии, используемом операцией DUSE, которое меняется каждый раз, когда пакет данных переходит от одного узла к другому, то есть от состояний 991 к 992, 993 и т. д. Используя состояния последней операции, выполняемой во входящем пакете данных, операция DUSE 1045 выполняет повторное скремблирование незашифрованных данных, сначала дешифруя их, потом выполняя повторное скремблирование, а затем снова зашифровывая их, то есть операция повторного скремблирования вложена в операцию повторного шифрования. Итоговый исходящий пакет данных содержит зашифрованные данные 1080B с лежащим в основе незашифрованным контентом, представленным незашифрованным текстом 1080А. Операция DUSE 1045 последовательно повторяется на серверах 1013, 1014 и 1015, что приводит к созданию зашифрованного текста 1081B с лежащим в основе незашифрованным контентом, представленным незашифрованным текстом 1081A в момент времени t. Связь завершается узлом связи N, размещенным на сервере 1016, который выполняет операцию 1076 дешифрования, дескремблирования и разделения (DUS), которая дешифрует и дескремблирует входящий пакет данных на основе информации о состоянии 995, соответствующей времени t, используемого для последнего обновления, затем разделяет пакет в соответствии с состоянием 991 при первом смешивании. Поскольку промежуточные узлы не знают условия смешивания, даже сетевой оператор с доступом к промежуточным узлам не знает условий, используемых при смешивании. Итоговые выводы 1055 и 1056 незашифрованного текста в момент времени t восстанавливают данные, отправленные по сети, начиная со времени t. Поскольку содержимое пакета было повторно скремблировано и повторно зашифровано по мере прохождения пакетом через каждый узел N, где x=0, 1, 2,... f, возможность перехвата и интерпретации передаваемых пакетов данных чрезвычайно усложнена и дает мало времени для взлома.
Фиг. 66B
0
0,0
Более простой способ установить безопасную связь подразумевает смешивание и скремблирование пакета в начале связи, но использует повторяющиеся этапы повторного шифрования. В отличие от полностью динамического зашифрованного примера скремблирования и смешивания на предыдущей иллюстрации,  включает статическое смешивание и скремблирование на сервере 1011 с динамическим шифрованием на серверах 1011-1015, означая при этом, что только шифрование меняется с течением времени. Связь устанавливается в момент времени t, начиная с пакетов данных 1055 и 1056, доставляемых на узел связи N, размещаемый на сервере 1011. Как и в предыдущем примере, два пакета могут представлять любое сочетание типов данных, включая голосовые пакеты, текстовые сообщения, документы, программное обеспечение, видео или фотоизображения и т. д.
1
0,0
Затем в момент времени t, используя информацию о состоянии 991 для генерации ключей, числовых начальных значений или других секретов, узел связи N выполняет операцию 1075 смешивания, шифрования и скремблирования (MSE). Полученный зашифрованный текст 1082B представляет собой скремблированный пакет данных в формате зашифрованного текста, неразборчивый и интерпретируемый любому наблюдателю, не имеющему информации о состоянии, используемой для его создания. Базовый пакет данных, содержащий незашифрованный текст 1082A, скремблируется и даже без шифрования остается непонятным для кибер-пиратов, пытающихся восстановить исходные данные, текст, изображение или звук без информации о состоянии, ключей, начальных значений и секретных ключей.
0,1
1
2
0,0
1
0,1
0
0,0
Затем данные передаются на узел связи N, размещенный на сервере 1012, который вместо выполнения операции DUSE, как в предыдущем примере, только повторно шифрует входящие данные, то есть расшифровывает данные на основе информации о состоянии 991, соответствующей время t, затем зашифровывает их снова на основании информации о состояния 992, соответствующей текущему времени t. Процесс, показанный как операция повторного шифрования 1077, приводит к созданию пакета исходящих данных, содержащему зашифрованный текст 1083B, с базовым скремблированным незашифрованным текстом 1083A, идентичным предыдущему незашифрованному тексту 1082A. Операция повторного шифрования 1077 последовательно повторяется на серверах 1013, 1014 и 1015, что приводит к созданию нового зашифрованного текста. Например, зашифрованный текст 1084B и базовый неизменный незашифрованный текст 1084A представляют данные, который перемещаются между серверами 1013 и 1014. Основной незашифрованный текст 1084A не меняется с того момента, как он был первоначально скремблирован операцией MSE 1075 в узле связи N в момент времени t. Однако повторные шифрования в узлах связи N и N уже изменили зашифрованный текст два раза, когда он вышел из узла связи N.
1
0,f
0
Передаваемые секретные ключи, используемые для выполнения статического смешивания, скремблирования и динамического шифрования, а также для изменения направления процесса, требуют два времени или состояния - время t и соответствующее состояние 991, используемое для статического смешивания и скремблирования на сервере 1011 и необходимое для дешифрования и разделения в конечной DUS операции 1076 на сервере 1016, динамическое время и соответствующее состояние, используемое последним узлом связи для выполнения каждой операции 1077 повторного шифрования на серверах 1012-1015, а также состояние, которое изменяется динамически и постоянно, когда пакет данных проходит по сети связи с коммутацией пакетов. На последнем этапе связь завершается узлом связи N, размещенным на сервере 1016, который выполняет операцию DUS 1045, дешифруя, дескремблируя и разбивая (не смешивая) входящий пакет данных для воспроизведения выводов 1055 и 1056 незашифрованного текста, те же данные, которые были отправлены по сети, начиная с момента времени t.
0,0
0,1
0,f-1
0,f
Поскольку пакет зашифрован в узле N, повторно зашифрован при прохождении узлов N... N и дешифрован в узле N, хотя данные были смешаны и скремблированы только один раз, возможность перехвата и интерпретации передаваемых пакетов данных чрезвычайно комплексная и дает мало времени для взлома. Более того, смешивание нескольких источников данных, описанных ранее в настоящем приложении, еще больше осложняет попытки взлома и кибер-пиратства, так как нарушитель понятия не имеет, какие данные в нем представлены, откуда они пришли или куда они направляются - по сути, им не хватает деталей и контекста в характере пакета данных.
Фиг. 66С
Фиг. 66D
0,0
1
0,1
1
Другим способом управления содержимым пакета данных во время его транспортировки является «возврат в рабочее состояние» на каждом переходе между "облаками". В этом способе, показанном на , за исключением узлов шлюза, каждый узел выполняет последовательную операцию - операцию DUS 1076, за которой следует операция MSE 1075, по сути, полностью перестраивая пакет данных для транспортировки при каждом переходе. Как показано на фигуре, пакеты входящих данных 1055 и 1056 сначала смешиваются узлом N в момент времени t, используя состояние 991, что приводит к созданию зашифрованного текста 1080Z, соответствующего незашифрованному тексту 1080Y. Затем зашифрованный текст 1080Z отправляется на узел N, где операция DUS 1076 идентифицирует входящий пакет, который был создан с использованием состояния 991, соответствующего моменту времени t, и, как подробно показано на , последовательно расшифровывает его, преобразуя входящий зашифрованный текст 1080Z в незашифрованный текст 1080Y. Затем незашифрованный текст 1080Y дескремблируется и разделяется (не смешивается), тем самым восстанавливая исходные пакеты данных 1055 и 1056.
2
0,1
При подготовке к следующему переходу сети, два исходных пакета данных снова смешиваются и скремблируются, на этот раз используя алгоритмы, выбранные в момент времени t, соответствующие состоянию 992, что приводит к созданию незашифрованного текста 1080A, который впоследствии зашифровывается для получения зашифрованного текста 1080B, готового к отправке на узел N. Используя этот способ, пакеты входящих данных возвращаются в исходное нормальное состояние каждый раз, когда они попадают в узел и выходят в совершенно новом «обновленном» состоянии, соответствующем текущему состоянию. В этом способе каждый узел должен знать только состояние входящего пакета и не должен знать о каких-либо предварительных состояниях, используемых при транспортировке данных.
Операции смешивания и разделения
Фиг. 60A
Фиг. 60B
Процесс смешивания и разделения пакетов для объединения и разделения данных разных типов, показанных ранее на  и , иллюстрирует пакеты фиксированной длины, подчиняющиеся принципу «сохранения сегментов данных», где общая длина пакета длинных данных 1054 имеет такое же количество сегментов данных, что и сумма пакетов более коротких данных 1055 и 1056, созданных из него.По сути, сохранение сегментов данных означает, что при последовательных операциях смешивания и разделения сегменты данных не создаются и не разрушаются. Этот простой принцип является проблематичным при коммуникации, поскольку количество данных в реальном времени может быть разреженным и неспособным заполнить даже один полный пакет.
Фиг. 67A
В ином крайнем случае, когда сеть может быть сильно перегружена, сервер может быть неспособен принять длинный пакет без длительных задержек распространения, что приведет к большой задержке. По этой и другим причинам динамическое смешивание и разделение пакетов данных, в соответствии с раскрытым изобретением, обеспечивает средство для управления, объединения и разделения пакетов данных различной длины, контролируя при этом как длину, так и количество вводов пакета данных, а также число и длину выводов пакетов данных. Использование пакетов данных различной длины, содержащих контент, предназначенный для разных пунктов назначения, дополнительно сбивает с толку хакеров, обеспечивая при этом дополнительную степень безопасности сети. Как показано на , операция разбора (анализа) 1087 и случайная операция 1088, предназначенная для «мусорных» вставок и удалений данных, используются совместно для управления и контроля длиной пакета данных в смешанных пакетах данных, применимых как для операций смешивания с одним выводом, так и с множественными выводами.
Фиг.67А
На  показан пример смешивания пакета с одним выводом, в котором несколько вводов различной длины, в примере, показанном как пакеты 4 сегментов данных 1090А и 1090C и пакет 3 сегментов данных 1090В, смешиваются с использованием операции смешивания 1086 для получения одного длинного пакет данных 1091. Операция смешивания 1086 выбирается из списка алгоритмов смешения 1085 в соответствии с текущим временем или состоянием 920, когда происходит смешивание, включая использование числового начального значения 929, созданного генератором начальных значений 921. Во время операции смешивания 1086, случайная операция 1088 вставляет сегменты «мусорных» данных в вывод пакета данных 1091, в соответствии с выбранным алгоритмом.
После смешивания, длинный пакет данных 1091 или альтернативные под-пакеты, возникающие в результате операции разбора (анализа) 1092, могут либо храниться локально, например, ожидая поступления других пакетов данных, либо могут отправляться на другие узлы сети связи. Перед отправкой на хранение или маршрутизацией, каждый пакет или под-пакет «помечается» заголовком или подзаголовком, идентифицирующим этот пакет. Тег имеет важное значение для распознавания входящего пакета, поэтому он может обрабатываться в соответствии с инструкциями, полученными ранее относительно того, что делать с его данными, в том числе, как смешивать, скремблировать, шифровать или разделять, дескремблировать и расшифровывать содержимое пакета данных. Использование заголовков пакета данных и подзаголовков для идентификации и маркировки пакетов данных более подробно описано ниже в настоящем приложении.
prop
Таким образом, помимо ввода в заблуждение кибер-взломщиков, роль анализа, случайной информации и удаления случайной информации заключается в управлении длиной пакета данных. Например, если окончательный длинный пакет данных 1091 является слишком длинным, то, в соответствии с выбранным алгоритмом, операция анализа (разбора) 1087 разбивает вывод длинного пакета данных 1091 на более короткие фрагменты. Длина коротких фрагментов может задаваться выбранным алгоритмом, например, вырезать объединенный длинный пакет с регулярными интервалами 1092 из «n» под-пакетов. Желательная длина пакета может определяться априори или основываться на сетевом условии, например, максимальная допустимая длина может рассчитываться на основе сетевых задержек. Например, если задержка распространения Δt между двумя узлами превышает определенное значение, тогда пакет данных будет анализироваться с точки зрения его уменьшения, например, длинный пакет данных 1091 разбивается с равномерными промежутками посредством операции анализа 1092 на «n» под-пакеты.
Фиг. 67B
Независимо от того, как анализируется длинный пакет, операция смешивания с несколькими выводами создает несколько выводов пакета данных, например, пакеты данных 1093A, 1093B и 1093C, как показано на . В показанном выше процессе, «мусорные» данные могут вставляться в под-пакеты для создания под-пакетов контролируемой или фиксированной длины. Каждый сегмент пакета данных или под-пакета, например, 1A, 1B, 1C и т.д., идентифицируется не по его значению или содержанию, а по его «слотовой» позиции в пакете. Например, длинный пакет данных 1091 содержит 18 слотов данных с данными, присутствующими в слотах 1, 4, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 15 и 17, тогда как под-пакет 1093A имеет длину всего из 6 слотов, содержащих фактический контент данных или аудио в 1 и 4 слотах.
Фиг. 60A.
Для удобств, операция смешения с несколькими вводами и одним выводом (MISO) символически представлена здесь символом 1089, в то время как операция смешения с множественным вводом и множественным выводом (MIMO) символически представлена символом 1094, аналогичным более раннему, более идеализированному примеру, показанному на  В соответствии с изобретением, раскрытым в настоящем документе, смешивание с одним выводом и множественными вводами 1089 полезно для безопасных соединений последней мили, в то время как смешивание с множественным вводом и множественным выводом 1094 полезно для реализации многоканальных и сетчатых сетей маршрутизации, описанных ниже в настоящем приложении. В таксономии раскрытых элементов и операций сети SDNP, операция смешивания MISO 1089 может рассматриваться как частный случай операции смешивания MIMO 1094.
Фиг. 67C
Обратная функция для смешивания множественного ввода и одного вывода или MISO смешивания представляет собой разделение одного ввода и множественного вывода или SIMO разделение. В одной модификации, показанной на , один длинный пакет данных 1091 делится посредством операции разделения 1100 на множество под-пакетов данных 1103A, 1103B и 1103C, которые могут содержать под-пакеты фиксированной или меняющейся длины. В показанном примере под-пакет 1103A содержит 4 слота данных, тогда как под-пакеты 1103B и 1103C содержат только 3 слота.
Фиг. 67D
Во второй модификации, показанной на , один длинный пакет данных 1091 делится посредством операции разделения 1105 на множество под-пакетов 1108A, 1108B и 1108C идентичной фиксированной длины с использованием сегментов «мусорных» данных в качестве наполнителя, при наличии несоответствующих данных для заполнения всего пакета данных. В обоих примерах время или состояние 920 и числовое начальное значение 929, используемые при создании входящих пакетов данных, необходимы для выбора алгоритма смешивания из таблицы 1085 и для установки параметров, необходимых для выполнения операций разделения 1100 и 1105. Хотя таблица смешения алгоритма 1085 ссылается на термин «смешивание», эта же таблица алгоритмов используется для идентификации и выбора обратной функции, необходимой для выполнения «разделения», то есть таблица алгоритмов смешивания 1085 содержит информацию, необходимую как для смешивания пакетов данных, так и для разделения пакетов данных. Поскольку две функции включают в себя одни и те же этапы, которые выполняются в обратном порядке, таблица 1085 также может быть переименована в таблицу алгоритмов «смешивания/разделения» 1085. Однако для ясности, таблица обозначается только этой функцией, а не ее обратной функцией. Способы, используемые для выполнения смешивания и разделения пакетов данных, являются алгоритмическими и во многом похожими на алгоритмы скремблирования, описанные выше, за исключением того, что они обычно включают в себя несколько пакетов данных в качестве входящих или исходящих. Один исключительный случай, когда операции смешивания или разделения могут выполняться в одном пакете данных, связан со вставкой или удалением «мусорных» данных.
Фиг.67Е
На  показан один конкретный алгоритм смешивания, который смешивает три входящих пакета данных 1090A, помеченных как под-пакет A, 1090B как под-пакет B и 1090C как под-пакет C, в один длинный пакет данных 1091, затем разбирает длинный пакет данных 1091 на три разных исходящих под-пакета 1090D, помеченных как под-пакет D, 1090E как под-пакет E и 1090F как под-пакет F. Как представлено графически, операция смешивания 1094 перераспределяет содержимое данных из слотов входящих пакетов данных в длинный пакет, а также вставляет «мусорные» данные в некоторые промежуточные слоты. Например, третий слот под-пакета 1090А, содержащий сегмент данных 1С, перемещается в 11 слот длинного пакета данных 1091, 3 слот под-пакета 1090B, содержащий сегмент данных 2F, перемещается в 17 слот длинного пакета данных 1091 и 2 слот под-пакета 1090C, содержащий сегмент данных 3D, перемещается в 12 слот длинного пакета данных 1091. Таким образом, полный алгоритм смешивания содержит подстановочную таблицу, как показано на примере ниже:
Слот длинного пакета №
Входящийпод-пакет №
Слот входящегопод-пакета №
Данные, включенные в слот
Слот 1
Под-пакет А
Слот 1
1A
Слот 2
Вставленные «мусорные данные
Слот 3
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 4
Под-пакет А
Слот 2
1B
Слот 5
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 6
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 7
Под-пакет А
Слот 3
1C
Слот 8
Под-пакет В
Слот 1
2C
Слот 9
Под-пакет С
Слот 1
3C
Слот 10
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 11
Под-пакет В
Слот 2
2D
Слот 12
Под-пакет С
Слот 2
3D
Слот 13
Под-пакет А
Слот 4
1E
Слот 14
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 15
Под-пакет С
Слот 3
3E
Слот 16
Вставленные ««мусорные» данные
Слот 17
Под-пакет В
Слот 3
2F
Слот 18
Под-пакет С
Слот 4
«Мусорные» данные
Таким образом, в целом, функция операции смешивания состоит в том, чтобы определить, в какой слот в смешанном пакете или длинном пакете вставлены входящие данные, а также определить, какие слоты смешанного пакета содержат мусорные данные.
Табличное представление алгоритма является иллюстративным, с целью показа, что любое перераспределение под-пакетов входящих данных в длинный пакет данных возможно. В качестве части операции смешивания 1094, следующей выполняется операция разбора 1087, разрезающая 1092 длинный пакет данных 1091 на три фрагмента равной длины для создания исходящих под-пакетов 1093D, 1093E и 1093F, помеченных соответственно в качестве под-пакета D, под-пакета E и под-пакета F.
Фиг. 67F
На  показан алгоритм, выполняющий операцию разделения или «не смешивания» 1101, начинающуюся с трех под-пакетов равной длины 1093D, 1093E и 1093F, полученных в результате предыдущей операции разбора 1087 и перераспределения данных для создания новых под-пакетов 1103A, 1103B и 1103C различной длины, как описано в таблице ниже. Цель операции разбора состоит в том, чтобы разбить длинный пакет на различные фрагменты меньшего размера или более короткой продолжительности для локального хранения или сериализации данных для передачи.
Входящийпод-пакет
Входящийслот №
Под-пакет выхода сплиттера
Слот выхода сплиттера№
Данные, включенныев слот
Под-пакет D
Слот 1
Под-пакет G
Слот 1
1A
Слот 2
Удаленные «мусорные» данные
Слот 3
Удаленные «мусорные» данные
Слот 4
Под-пакет G
Слот 2
1B
Слот 5
Удаленные «мусорные» данные
Слот 6
Удаленные «мусорные» данные
Под-пакет E
Слот 1
Под-пакет G
Слот 3
1C
Слот 2
Под-пакет H
Слот 1
2C
Слот 3
Под-пакет J
Слот 1
3C
Слот 4
Удаленные «мусорные» данные
Слот 5
Под-пакет H
Слот 2
2D
Слот 6
Под-пакет J
Слот 2
3D
Под-пакет F
Слот 1
Под-пакет G
Слот 4
1E
Слот 2
Удаленные «мусорные» данные
Слот 3
Под-пакет J
Слот 3
3E
Слот 4
Удаленные «мусорные» данные
Слот 5
Под-пакет H
Слот 3
2F
Слот 6
Удаленные «мусорные» данные
Как показано на фигуре, под-пакет 1103А, помеченный как под-пакет G, содержит 4 слота, где слот 1 заполняется сегментом данных 1А из слота 1 под-пакета D, соответствующего слоту 1 длинного пакета 1091, слот 2 заполняется сегментом данных 1B из слота 4 под-пакета D, соответствующего слоту 4 длинного пакета 1091, слот 3 заполняется сегментом данных 1С из слота 1 под-пакета E, соответствующего слоту 7 длинного пакета 1091, а слот 4 заполняется сегментом данных 1E из слота 1 под-пакета E, соответствующего слоту 13 длинного пакета 1091. Аналогично, под-пакет 1103В, помеченный как под-пакет H, содержит 3 слота, в которых 1 содержит сегмент данных 2C из 2 слота под-пакета E, второй содержит сегмент данных 2D из 5 слота под-пакета E, а третий содержит сегмент данных 2F из 5 слота под-пакета F. Под-пакет 1103C также содержит три слота. В слоте 1 сегмент данных 3C поступает из слота 6 под-пакета E. В слоте 2 сегмент данных 3D поступает из слота 6 под-пакета E. В слоте 3 под-пакета J сегмент данных 3E поступает из слота 3 под-пакета F.
Поскольку такой алгоритм разделения определяет (а) сколько будет разделенных под-пакетов, (б) сколько слотов будет в каждом разделенном под-пакете, (в) в какой слот разделенных под-пакетов будут направляться данные длинного пакета, (г) какие слоты будут удаляться, поскольку они содержат «мусорные» данные и (д) если вводятся новые слоты, содержащие «мусорные» данные, возможно облегчить создание под-пакета определенной длины. В случае операции разделения, которая следует за операцией смешивания, количество под-пакетов в разделенных пакетах должно равняться количеству под-пакетов в пакетах до их смешивания, если «мусорные» данные не удаляются или не вставляются.
Фиг. 61B
Роли описанных операций смешивания и разделения, выполняемые в соответствии с настоящим изобретением, могут адаптироваться для реализации фрагментированной транспортировки данных через любую сеть с предварительной заявкой о том, что все узлы в сети знают, какая последовательность операций должна выполняться. В транспорте с одним маршрутом, например, показанном ранее на , пакеты данных 1055 и 1056 представляют различные разговоры или коммюнике от разных абонентов или источников. После объединения, длинный пакет данных или его разбитые версии готовы для транспортировки по сети. Такую функцию можно считать связью с множественным вводом и одним выводом или узлом MISO.
Исходные пакеты данных восстанавливаются с помощью обратной функции, узла связи с одним вводом и множественным выводом или узлом связи SIMO, выполняющим разделение. Если пакеты данных в связи с одним маршрутом достигли конечного адресата, их данные длинного пакета разделяются последний раз, а «мусорные» данные удаляются, чтобы восстановить исходный пакет данных. Смешанные данные необязательно должны быть одинаковыми типами данных. Например, один вызывающий абонент может разговаривать по телефону и одновременно отправлять текстовые сообщения, тем самым одновременно генерируя или получая два разных потока данных. Если, однако, разделенные пакеты данных предназначены для продолжения маршрутизации дальше в сети в несмешанном состоянии, в пакеты данных включаются «мусорные» данные, чтобы избежать контроля данных.
Фиг. 64
Фиг. 66A
Фиг. 67G
При транспортировке однородных данных, безопасность достигается, прежде всего, посредством скремблирования, как показано на , или посредством комбинации скремблирования и шифрования, как показано на . Комбинация смешения с последующим скремблированием, используемым в обоих примерах, дополнительно рассмотрена на иллюстрации на , где операция смешивания 1094 смешивает входящие данные под-пакетов 1090A, 1090B и 1090C для формирования длинного нескремблированного пакета данных 1091. Затем операция скремблирования 926 в этом примере выполняет линейный сдвиг фазы одним слотом данных вправо, например, когда данные 1А в слоте 1 нескремблированного пакета перемещаются в слот 2 в скремблированный пакет, а данные 1С в слоте 7 перемещаются в слот 8 в скремблированном пакете и так далее, чтобы создать скремблированный длинный пакет данных 1107.
Фиг. 67E
Операция разбивки 1087 разрезает скремблированный длинный пакет данных 1107 вдоль линий разреза 1092 после 6-го и 12-го слотов, для создания выданных под-пакетов 1093G, 1093H и 1093J. Результат фазового сдвига не только влияет на положение данных в выданных под-пакетах, но фактически изменяет содержимое пакетов. Например, если сегмент данных 3D в положении слота 12 в нескремблированном длинном пакете данных 1107 перемещается в положение 13 после скремблирования, операция разбора 1087, расположенная в линии разреза 1092 после 12 слота, естественно вытесняет данные из под-пакета 1093H в 1093J, что подтверждается сравнением под-пакета 1093H с его новой последовательностью сегментов данных J-1C-2C-3C-J-2D (где J указывает на «мусорные» данные) относительно под-пакета 1093E на , имеющего последовательность сегментов данных 1С-2C-3C-J-2D-3D.
Фиг. 67H
Фигуре 67G
На  показано объединение алгоритмического смешивания, то есть, перераспределение входящих данных из под-пакетов для формирования длинного пакета данных, причем последующий алгоритм скремблирования может воспроизводиться идентично, путем объединения операций смешивания и скремблирования в один шаг, просто путем изменения алгоритма перераспределения. Операция гибридного смешивания и скремблирования 1094А идентична алгоритму предыдущего смешивания, за исключением того, что она смещает данные в одну позицию справа в длинном пакете данных 1107 во время перераспределения. Например, сегмент данных 1А в под-пакете 1090А перераспределяется в слот 2 длинного пакета данных 1107, а не в слот 1, сегмент данных 3D в под-пакете 1090C перераспределяется в слот 13 длинного пакета данных 1107, а не в слот 12. Окончательные выданные под-пакеты 1093G, 1093H и 1093J идентичны выводу под-пакетов с использованием последовательности смешивания с последующим скремблированием, как показано на . По сути, алгоритм скремблирования после смешивания представляет собой другой алгоритм смешивания. Поскольку по всему тексту в окончательном выводе нет разницы, это раскрытие будет продолжать идентифицировать отдельные операции смешивания и скремблирования, понимая, что два числовых процесса могут объединяться. Так же понятно, что обратный процесс, дескремблирующий и затем разделяющий пакет данных, может заменяться одной комбинированной операцией, которая выполняет как дескремблирование, так и разделение в один шаг.
Фиг. 67I
При передаче данных одним маршрутом, пакеты данных не могут проходить по параллельным путям, но должны перемещаться последовательно по одному пути между медиасерверами или между устройством клиента и облачным шлюзом, то есть передача данных за последнюю милю. Прежде чем под-пакеты данных смогут быть отправлены в сеть, они должны отмечаться одним или несколькими заголовками для идентификации пакета, чтобы целевой узел связи понимал, что делать с входящим пакетом. Хотя форматирование и информация, содержащиеся в этих заголовках, более подробно описываются ниже, для ясности и упрощенная реализация идентификации пакетов показана на . Как показано ниже, серия пакетов данных 1099A, 1099B, 1099C и 1099Z поступает последовательно в узел связи. Каждый пакет данных включает в себя заголовок, например, 1102А, и его соответствующие данные, например, 1090A.
Когда пакеты данных попадают в узел, операция 1600 отделяет заголовок от данных для обработки. Как показано для первого входящего пакета 1099A, заголовок 1102A, обозначенный Hdr A, отделяется от пакета данных 1099A, а затем передается на операцию считывания тегов 1602, которая определяет, получил ли узел связи какие-либо инструкции, относящиеся к пакету 1099A. Если узел не получил никаких инструкций, относящихся к пакету 1099А, соответствующие данные будут удаляться. Это показано на примере под-пакета 1092, помеченного под-пакета Z, который содержит данные из цепочки сообщений 6, 7, 8, 9, не связанных с какой-либо инструкцией, полученной узлом связи. Однако, если пакет данных «ожидается», а именно, его тег соответствует инструкции, ранее принятой узлом связи с другого сервера, тогда распознанные пакеты данных, в этом случае под-пакеты 1090A, 1090B и 1090C, отправляются на смешивание 1089. Соответствующий алгоритм, ранее выбранный для входящих пакетов данных, загружается из таблицы 1050 алгоритма смешивания в операцию смешивания 1089. Другими словами, ранее узел связи был проинструктирован, что, если он принимает три пакета, идентифицированных как Hdr A, Hdr B и Hdr C, соответственно, он должен смешивать эти три пакета в соответствии с конкретным алгоритмом смешивания, указанным в Таблице 1050. Как было отмечено выше, этот алгоритм смешивания может включать операцию скремблирования.
В соответствии с этим описанием, операция смешивания 1059 затем последовательно выдает под-пакеты данных 1093D, 1093E и 1093F, каждый из которых помечен новым идентификационным заголовком, то есть Hdr D, Hdr E и Hdr F, в пакеты данных о продуктах 1099D, 1099E и 1099F, готовых для транспортировки к следующему узлу связи в сети. В связи с одним маршрутом эти пакеты данных отправляются поочередно по одному и тому же маршруту до целевого адресата. Хотя на схеме и показано, как теги используются для идентификации пакетов для смешивания, способ идентификации тега идентичен для выполнения определенных операций скремблирования и шифрования, а также их обратных функций дешифрования, дескремблирования и разделения.
Фиг. 67F
Фиг. 67B
Операции смешивания и разделения могут применяться к сетчатому транспорту с несколькими маршрутами, описанному далее, используя операции смешивания и разделения с несколькими выводами. Различные выводы, представленные стрелками, направленными наружу, в символе разделения SIMO 1101 на  могут использоваться для направления пакетов данных по сети в разных направлениях, по разным путям и маршрутам. Инструкции, полученные от узла связи, указывают тег, который будет применяться в качестве заголовка для каждого из разделенных пакетов, а также идентификатор узла, которому должен отправляться каждый из разделенных пакетов. Узлы-получатели также получают указание ожидать пакеты. Аналогично, операция смешивания с множественными вводами и множественными выводами 1094, показанная на , может применяться к сообщениям с несколькими маршрутами. Как показано ниже в этом приложении, смешивание пакетов данных MISO и MIMO и разделение пакетов данных SIMO представляют собой ключевые элементы при реализации многопутевой и сетчатой маршрутизации. Даже при отсутствии скремблирования и шифрования пакетов данных, многопутевая и сетчатая маршрутизация пакетов данных значительно уменьшает риск целенаправленного перехвата данных кибер-пиратами, анализ пакетов и атаки через посредника в сети, поскольку ни один узел связи не содержит весь разговор, не принимает или не передает все данные в полном объеме. Для иллюстративных целей количество под-пакетов, показанных на показанных фигурах, используется исключительно в иллюстративных целях. Фактическое количество переданных пакетов может содержать десятки, сотни или даже тысячи под-пакетов.
Маршрутизация пакетов.
Как показано на примере приложения, один путь содержит последовательный поток пакетов данных, используемых в сетевой коммуникации на основе пакетной коммутации, такой как Интернет. Хотя этот путь может меняться со временем, перехват потока данных с помощью анализа пакета может, как минимум на некоторый период времени, дать кибер-пирату полные пакеты данных взаимосвязанной и последовательной информации. Без скремблирования и шифрования, используемых в коммуникации SDNP, описываемой в соответствии с настоящим изобретением, любая последовательность пакетов данных после перехвата может быть легко интерпретирована при любой атаке через посредника, обеспечивающей эффективные и повторяющиеся кибератаки.
Такая одномаршрутная связь является основой интернет-связи, VoIP- и OTT-связи, и одной из причин, по которой интернет-связь сегодня достаточно небезопасна. В то время как последовательные отправленные пакеты могут проходить разные маршруты, рядом с узлами связи источника и назначения, вероятность того, что последовательные пакеты будут следовать одному и тому же маршруту и будут проходить через одни и те же серверы, становится все более вероятной, поскольку маршрутизация пакетов в Интернете определяется поставщиками услуг, монополизирующими любую географическую зону. Просто отслеживая маршрутизацию пакета обратно к его источнику, затем анализируя пакет рядом с источником, вероятность перехвата нескольких пакетов одного и того же сеанса обмена сообщениями и потока данных резко возрастает, так как связь осуществляется только одним географическим провайдером интернет-услуг или ISP.
Фиг. 68A
Фиг. 68B
u,v
w,z
u,v
w,z
0,0
0,1
0,2
2,3
1,4
1,f
Как графически показано на , одномаршрутная связь 1110 представляет собой последовательный поток данных 1111 от узла связи N к другому узлу связи, в этом случае узел связи N. Хотя путь может изменяться со временем, в каждом конкретном случае, каждый взаимосвязанный пакет последовательно передается в сеть, которая проходит к своему адресату вдоль одного единственного пути. В качестве обозначения, узел связи N обозначает узел связи, размещенный на сервере «v», расположенном в сети «u», в то время как узел связи N обозначает узел связи, размещенный на сервере «z», расположенном в сети «w». Сети «u» и «w» представляют собой облака, принадлежащие различным ISP. Хотя маршрутизация пакетов данных в середине интернет-маршрутизации может переноситься любым количеством ISP, как пакеты данных возле их адресата, они неизменно переносятся общим ISP и сетью, что упрощает трассировку и анализ последовательных пакетов данных, включающих один и тот же разговор. Этот момент иллюстрируется графически на , где одномаршрутная связь 1111 осуществляется через ряд серверов 1118, представляющих единую сеть связи последовательных путей 1110. Как показано на фигуре, связь начинается с узла связи N, проходящего последовательно через узлы связи N и N, все в той же сети с номером «0», до достижения узла связи N, переносимого другим ISP через сеть 2. После этого данные отправляются на конечные узлы, на сеть 1, то есть, узлы связи N и N. Таким образом, во время перехода пакетные данные, изначально переданные в Интернет, остаются на сервере 0, прежде чем он сможет распространить их на другую сеть ISP. Аналогично, по мере приближения пакета данных к своему месту назначения, вероятность того, что последовательные пакеты пройдут через одни и те же узлы увеличивается, поскольку все они расположены в сети 1 ISP.
В отличие от одномаршрутной пакетной связи, используемой для интернет-связи, OTT-связи и VoIP-связи, в одном варианте исполнении связи SDNP, в соответствии с настоящим изобретением, содержимое пакетов данных не переносится последовательно взаимосвязанными пакетами, содержащими информацию из общего источника или вызывающего абонента, а это происходит во фрагментарной форме, динамически смешивая и повторно смешивая контент, исходящий из множества источников и вызывающих абонентов, причем упомянутые данные собирают неполные фрагменты данных, контента, голоса, видео и файлов с разными типами данных с наполнителями «мусорных» данных. Преимуществом раскрытой реализации фрагментации данных и транспорта является то, что даже незашифрованные и незаскремблированные пакеты данных почти невозможно интерпретировать, поскольку они представляют собой комбинацию несвязанных данных и типов данных.
Фиг. 68A,
u,v
w,z
Как показано на  SDNP связь фрагментированных пакетов данных не является последовательной, как в транспорте с одним маршрутом 1110, а является параллельной, с использованием транспорта с множественными маршрутами 1114 или транспорта с «сетчатым маршрутом» 1114. В транспорте с множественными маршрутами 1112 массив из двух или более узлов связи с коммутацией пакетов N и N одновременно создает и транспортирует данные по нескольким маршрутам 1113A, 1113B, 1113C, 1113D и 1113E. Поскольку показано пять маршрутов, транспортировка может осуществляться как минимум по двум маршрутам и как максимум до десятка или более, если это необходимо. Важно подчеркнуть, что эта реализация сети связи не представляет собой простую повторяющуюся маршрутизацию, обычно используемую сетью Интернет и сетью с коммутацией пакетов, то есть там, где одни и те же данные могут отправляться по одному пути или даже по нескольким путям одновременно. Передача или обмен данными полных взаимосвязанных пакетов данных избыточно по нескольким каналам фактически увеличивает риск взлома, поскольку дает кибер-пирату множественные источники идентичных данных для анализа и взлома.
Фиг. 68С
0,0
f,f
1,1
1,2
1,3
1,4
2,1
2,2
2,3
2,4
3,1
3,2
3,3
3,4
4,1
4,2
4,3
4,4
Вместо этого, в SDNP связи информация фрагментируется, например, с некоторой частью данных, отправляемых по маршрутам 1113A, 1113B и 1113D, без данных, отправляемых первоначально по маршрутам 1113C и 1113E, а затем, в более позднее время, фрагментированные данные разделяются и комбинируются по-разному и отправляются по маршрутам 1113A, 1113C и 1113E без передачи данных по маршрутам 1113B и 1113D. Пример транспорт с множественными маршрутами 1112 показан на  с помощью сети, содержащей массив серверов связи 1118, выполненных с возможностью установки нескольких путей передачи данных между узлами связи N и N. Как показано на фигуре, транспортировка с множественными маршрутами происходит на четырех комплектах взаимосвязанных серверов, представляющих сети с 1 по 4. Один путь данных, маршрут 1113А, содержит узлы связи N, N, N и N. Параллельный путь данных, маршрут 1113B, содержит узлы связи N, N, N, и N. Аналогично, маршрут параллельных данных 1113C содержит взаимосвязанные узлы связи N, N, N и N, в то время как маршрут 1113D содержит взаимосвязанные узлы связи N, N, N и N.
Фиг.68D
Фиг. 68E
0,0
f,f
1,1
1,2
1,3
1,4
2,1
2,2
2,3
2,4
3,1
3,2
3,3
3,4
4,1
4,2
4,3
4,4
1,1
2,1
3,1
4,1
1,2
2,2
2,3
4,2
1,3
2,3
3,3
4,3
1,4
2,4
3,4
4,4
При транспортировке по «сетчатому маршруту» 1114, показанном также на , сообщение отправляется по нескольким маршрутам взаимодействия, включая вышеупомянутые маршруты 1113A, 1113B, 1113C, 1113D и 1113E, а также перекрестные соединения 1115A-1115E между маршрутами 1113A-113D. Вместе соединения образуют «сетку», посредством которой пакеты данных могут перемещаться посредством любой комбинации маршрутов и даже смешиваются или повторно комбинируются динамически, когда пакеты данных отправляются по другим маршрутам. В сетчатом транспорте 1114 сеть содержит массив серверов связи 1118, предназначенных для установления путей передачи сетчатых данных между узлами связи N и N. Как показано на фигуре, транспорт с множественными маршрутами происходит на взаимосвязанных серверах с горизонтально и вертикально ориентированными путями передачи данных. Горизонтально ориентированный маршрут 1113А содержит узлы связи N, N, N и N, маршрут 1113B содержит узлы связи N, N, N и N, маршрут 1113C содержит взаимосвязанные узлы связи N, N, N и N, и наконец маршрут 1113D содержит взаимосвязанные узлы связи N, N, N и N Вертикально ориентированный маршрут 1115А содержит узлы связи N, N, N и N, маршрут 1115B содержит узлы связи N, N, N и N, маршрут 1115C содержит связанные между собой узлы связи N, N, N и N и маршрут 1115D содержит связанные между собой узлы связи N, N, N и N. Сеть дополнительно может быть дополнена диагональными соединениями 1119, как показано на .
Фиг. 69
0,0
0
f,f
f
0,0
f,f
f
n
0
f
Транспортировка с множественными маршрутами может комбинироваться различными способами с помощью скремблирования и шифрования. Пример транспорта с множественными маршрутами без скремблирования показан на , где сеть серверов связи 1118 передает пакет данных 1055 из узла связи N в момент времени t в узел связи N, в момент времени t. На транспорте 1112, узел связи N выполняет операцию разделения 1106, отсылающую сегменты данных 1C и 1E в пакет данных 1125A по маршруту данных 1113A, отправляя сегмент данных 1B в пакете данных 1125B по маршруту данных 1113B, отправляя сегмент данных 1D в пакете данных 1125C по маршруту данных 1113C и отправляя сегменты данных 1А и 1F в пакет данных 1125C по маршруту данных 1113D. Под-пакеты могут включать сочетание данных и несвязанных под-пакетов или «мусорных» данных. Поскольку под-пакеты не скремблируются, последовательность сегментов данных 1С и 1E в пакете данных 1125А остается в последовательном порядке, даже если другие сегменты данных могут вставляться между или до либо после них. Наконец, в узле связи N операция смешивания 1089 восстанавливает исходный пакет данных в момент времени t. В любое время t между временем t и временем t содержимое пакетов данных с 1125A по 1125D остается постоянным.
Фиг. 70
Фиг. 69
Фиг. 69
Фиг. 70
0,0
n
f,f
Простой вариант вышеупомянутого транспорта с множественными маршрутами без скремблирования показан на , содержащий транспорт с множественными маршрутами со статическим скремблированием, что означает, что входящий пакет данных 1055 скремблируется перед разделением и передается по нескольким маршрутам в сети. В частности, узел связи N выполняет операцию скремблирования и разделения 1071, а не просто операцию разделения 1106, как показано на . Полученные скремблированные смешанные пакеты данных 1126A-1126D, как и в предыдущем примере, являются статическими и временными инвариантами, которые остаются неизменными в любое время t, в то время как они независимо проходят по сети по путям 1113A-1113D соответственно, пока не достигнут конечного узла связи N, где они снова объединяются и дескремблируются с помощью операции дескремблирования и смешивания 1070 для восстановления исходного пакета данных 1055. По сравнению с предыдущим примером на , единственное существенное различие в пакетах данных 1126A-1126D на  заключается в том, что пакеты скремблируются, то есть сегменты данных, которые они содержат, не представлены в исходном последовательном порядке. Например, в пакете данных 1126A сегмент данных 1E встречается до сегмента 1В, а в пакете данных 1126D сегмент данных 1D встречается до сегмента 1А. Недостатком статической пакетной связи является то, что, хотя она не подвержена простому анализу пакетов, она позволяет анализировать кибер-пиратские постоянные данные. Тем не менее, поскольку данные, присутствующие в каком-либо одном пакете данных, который перемещается по любому маршруту, являются неполными, фрагментированными, скремблированными и смешанными с другими несвязанными источниками данных и разговорами, он все же значительно превосходит OTT-связь через Интернет.
Фиг. 71A
3
1,3,
4
1,4
Улучшением статического скремблирования является использование динамического скремблирования, показанного на , где повторное скремблирование пакетов, то есть операция повторного скремблирования US 1017, изменяет порядок сегментов данных в пакете данных, когда пакет данных проходит сеть, что означает, что сравнение любого пакета данных, проходящего по заданному маршруту, изменяется со временем. Например, в отношении маршрута прохождения пакетов данных 1113A в пакете данных 1126A в момент времени t сразу после прохождения операции повторного скремблирования US 1017 в узле связи N сегмент данных 1E находится во 2 временном слоте и предшествует сегменту данных 1B, расположенному в 4 временном слоте. В момент времени t после того, как узел связи N выполнит операцию повторного скремблирования US 1017, пакет данных 1127A изменится с сегментом данных 1B, расположенным до сегмента 1E, последовательно расположенным во временных слотах 3 и 4. Сравнивая пакеты данных 1126D - 1127D, положение сегментов данных 1D и 1A изменяется, но порядок остается неизменным. Этот способ использует способ динамического скремблирования каждого сегмента данных в пакете данных, а не только данные из определенного источника или разговора. Можно изменять длину пакета сразу же после его дескремблирования и перед повторным скремблированием, например, путем вставки или удаления «мусорных» данных. Однако в показанном примере длина пакета остается фиксированной, только с изменением их последовательности.
0,0
f,f
0,0
f,f
1,1
2,1
3,1
4,1
Фиг. 71A,
местоположения
Как показано на фигуре, первый узел связи N выполняет операцию скремблирования и разделения 1071, последний узел связи N выполняет операцию смешивания и дескремблирования 1070, а все промежуточные узлы связи выполняют операцию повторного скремблирования US 1017. В каждом случае операция дескремблирования зависит от времени или состояния входящего пакета, а операция скремблирования использует время или состояние исходящего пакета данных. При параллельном транспорте с множественными маршрутами разделение происходит только один раз в узле связи N, и смешивание происходит только один раз, в конце транспортировки в узле связи N. Методологически эта последовательность может быть отнесена к категории «скремблирование, а затем разделение». В варианте исполнения динамического скремблирования, как показано на  известном как последовательное или линейное скремблирование, независимо от последовательности, предыдущие операции должны отменяться в обратном порядке, в котором они проводились, в результате чего изменение порядка расположения каждого  сегментов данных в пакете данных происходит алгоритмически, независимо от контента или откуда он пришел. Таким образом, первые узлы связи после разделения, а именно узлы связи N, N, N и 4, выполняют одну и ту же операцию дескремблирования, чтобы отменить влияние первоначального скремблирования при выполнении операции скремблирования затем разделения 1071, возвращая каждый сегмент данных, содержащий данные, в его исходное местоположение, в котором он находился до повторного скремблирования. В процессе разделения, местоположение пакета остается неизменным, там где он первоначально располагался с неиспользуемыми слотами, заполненными случайными данными. Например, если сегмент данных 1B перемещается в пятую позицию в пакете посредством операции скремблирования и разделения 1118, пакет, содержащий сегмент данных 1B, будет сохранять его в пятой позиции после разделения. Путем дескремблирования, пакет переместит сегмент данных 1B обратно во второй слот, которому он принадлежит, даже если все остальные слоты заполнены случайными данными. Дислокация «мусорных» данных не имеет значения, поскольку пакеты «мусорных» данных будут удаляться, то есть «повторно удаляться» позже в процессе восстановления данных. Как только позиция определенного сегмента данных восстанавливается до исходного слота с помощью операции дескремблирования, она может снова скремблироваться, перемещая ее в новое положение. Комбинация восстановления сегмента данных в исходное положение и последующее скремблирование в новую позицию означает, что процесс «скремблирования» включает в себя дескремблирование, а затем скремблирование, отсюда и название повторное скремблирование US 1017.
Фиг. 71В
Упрощенное описание ранее детализированного способа «линейного скремблирования, затем разделения», показанного на , противопоставляется двум другим альтернативным исполнениям описанного изобретения, называемым здесь «составным скремблированием, затем разделением» и «линейным разделением, затем скремблированием». При линейном способе скремблирования, затем разделения, последовательно и многократно скремблируя и дескремблируя каждый пакет данных обновляется безопасность пакета данных. Таким образом, скремблирование, впервые выполненное в операции скремблирования и разделения 1071, должно отменяться операцией повторного скремблирования US 1017 отдельно в каждом из путей прохождения данных, где скобки символически представляют собой несколько параллельных путей или маршрутов, означая время, состояние или числовое начальное значение, используемое для выбора и выполнения операции скремблирования до разделения в операции скремблирования и разделения 1071, затем передается первому узлу связи на каждом маршруте связи, так что это дает возможность выполнить операцию повторного скремблирования US 1017. После этого каждый маршрут отдельно скремблирует и дескремблирует пакеты данных, проходящие по этому маршруту, при этом операция повторного скремблирования US 1017 всегда использует время, состояние или числовое начальное значение, используемое для выполнения последнего скремблирования, а затем использует свое текущее время или состояние для выполнения нового скремблирования. На последнем этапе операции смешивания и разделения 1070 скремблированные компоненты повторно собираются в скремблированной форме, а затем окончательно дескремблируются, используя состояние или время, когда они последний раз скремблировались для восстановления исходных данных.
Фиг. 71B
В примере «составного скремблирования и разделения», также показанном на , операция 1071 скремблирования затем разделения 1071 сначала скремблирует пакет данных в начальное время или состояние, а затем, после разделения данных на несколько маршрутов, каждый путь данных независимо выполняет вторую операцию скремблирования 926, не связанную с первой, без отмены первой операции скремблирования. Поскольку операция скремблирования выполняется в уже скремблированном пакете данных, скремблирование можно рассматривать как «составное», то есть одно скремблирование внутри другого. При программировании родного языка для составных объектов или программного кода, первое скремблирование, выполняемое с помощью операции скремблирования и разделения 1071, содержит «внешний» цикл скремблирования, тогда как второе и все последующие скремблирования операции повторного скремблирования US 1017 представляют собой внутренний цикл скремблирования. Это означает, что данные, проходящие сеть, были дважды скремблированы и должны дескремблироваться дважды для восстановления исходных данных. Заключительный этап внутреннего цикла скремблирования содержит операцию дескремблирования 928, восстанавливая пакеты данных каждого маршрута в одно и то же условии, то есть, одну и ту же последовательность сегментов данных, как сразу же после первого разделения пакетов. Затем пакеты данных снова собираются в единый пакет данных и дескремблируются с использованием операции смешивания и дескремблирования 1070.
Фиг. 71C
Эта же концепция составных операций может использоваться при выполнении составных операций разделения и смешивания, как показано на . В рамках приложения SDNP клиента 1335, различные источники данных, включая видео, текстовые, голосовые и файлы данных, могут смешиваться, сериализоваться, вставляться со случайными данными, скремблироваться, а затем шифроваться операцией MSE 1075. Учетные данные безопасности, включая ключ 1030W и начальные значения 929W, могут передаваться с сотового телефона отправляющего клиента 32 непосредственно на планшет принимающего клиента 33 без использования медиаузлов, несущих контент. Например, эта информация может отправляться получателю, используя отдельную сеть «сервера сигнализации» (описанную ниже) или, в качестве альтернативы, поскольку начальные значения и ключи не содержат полезной информации для сторонних лиц, такая информация может отправляться даже получающему клиенту через Интернет. Эта первая операция, выполняемая в устройстве или приложении клиента, представляет собой начало внешнего цикла, используемого для реализации безопасности клиента независимо от сети SDNP.
0,0
После того как нечитабельный зашифрованный текст 1080W клиента смешивается, скремблирутся, засекречивается и шифруется, он отправляется на сервер шлюза SDNP N, где он снова обрабатывается с использованием разных совместно используемых секретных ключей с различными алгоритмами, состояниями и набором удостоверений защиты, специфическим для конкретной сети, таким как начальное число 929U и ключ 1030U при подготовке к передаче через облако SDNP. Этот внутренний цикл обеспечивает безопасность облачного сервера и полностью не зависит от цикла безопасности клиента. В рамках SSE операции 1140 шлюза для входящих пакетов данных, пакет данных может быть повторно, разбит на различные подпакеты и зашифрован в зашифрованный текст 1080U и 1080V для многопоточной или объединенной передачи.
f,f
f,f
0,0
В конечном итоге многочисленные подпакеты поступают к назначенному шлюзу N, где они обрабатываются операцией 1141 DMU для отмены операции разделения начального шлюза, то есть операция 1141 DMU отменяет действие операции 1140 SSE, завершающей функцию внутреннего цикла безопасности. Таким образом, шлюз Nотменяет все связанные с сетью меры безопасности, реализованные входящим шлюзом N, и восстанавливает исходный файл, в данном случае зашифрованный текст клиента 1080W, к тому же состоянию, что и при входе в облако SDNP.
0
Но поскольку этот пакет данных уже смешивался, скремблировался и зашифровывался, пакет данных, содержащий шифрованный текст 1080 W, исходящий из шлюза SDNP и отправляемый принимающему клиенту, по-прежнему зашифрован и не может интерпретироваться ничем иным, кроме приложения 1335 принимающего клиента. После того как восстановленный зашифрованный текст доставляется клиенту, он дешифруется и дескремблруется посредством операции DUS 1076 в соответствии с состоянием 990 отправляющего клиента, когда он был создан, в момент времени t и в конечном итоге разбивается для восстановления различных источников компонентов данных, включая видео-, текстовые, голосовые файлы и файлы данных, завершая внешний цикл безопасности.
Таким образом, чтобы предотвратить подрыв сети, например, когда киберпреступник, действуя в роли оператора сети SDNP, пытается подорвать безопасность SDNP «изнутри», учетные данные безопасности внешнего цикла, например, разделяемые секреты, начальные состояния, ключи, зоны безопасности и т. д., умышленно делаются отличными от данных внутреннего цикла безопасности.
Фигуре 71B
В другом варианте осуществления этой разработки, изображенном на , в процессе «линейного разделения и последующего скремблирования» данные сначала разделяются, а затем отдельно скремблируются по каждому маршруту данных. Вслед за операцией разделения данных 1057 реализуется и выполняется независимая операция скремблирования 926 маршрут за маршрутом. После скремблирования пакеты данных, проходящие по каждому маршруту, последовательно повторно скремблируются при помощи операций повторного US скремблирования 1017, что предполагает рескремблирование входящего пакета с использованием того же времени, состояния или числовых начальных значений, используемых операцией скремблирования 926 для их создания. После этого каждый маршрут отдельно скремблирует и рескремблирует пакеты данных, проходящие по этому маршруту, при этом операция US рескремблирования 1017 всегда использует время, состояние или числовое значение, используемое для выполнения последнего скремблирования, а затем использует текущее время или состояние для выполнения нового скремблирования. Последний этап включает операцию рескремблирования 928, восстановление пакетов данных каждого маршрута в прежнее состояние, то есть той же самой последовательности сегментов данных, которая имелась после первого разделения пакетов. Затем пакеты данных повторно собираются в один пакет рескремблированных данных с использованием операции смешивания 1061.
Фигуре 72
Независимо от используемой последовательности смешивания и скремблирования обработанные пакеты данных также могут быть подвергнуты статическому или динамическому шифрованию для улучшения и повышения степени безопасности. Пример этой комбинации показан на , содержащий способ, описанный как «статическое скремблирование с последующим разделением и динамическим шифрованием», включающим следующие этапы:
0
1. Началом служит ввод незашифрованного текста в момент времени t
1
2. Скремблирование незашифрованного текст 1055 с использованием статического скремблирования пакетов 926 в момент времени t
2
3. Разделение скремблированного незашифрованного текста 1130 на несколько разделенных пакетов данных 1131A, 1133A и другие с использованием операции разделения 1106 в момент времени t
3
Фигуре 72
4. Направление разделенных пакетов данных 1131A, 1133A и других на несколько различных непересекающихся параллельных маршрутов в момент времени t (обратите внимание, что только два из этих параллельных маршрута подробно показаны на )
4
5. Независимое шифрование каждого пакета данных 1131A, 1133A и других в момент времени t с использованием шифрования 1026, включая ключи шифрования и числовые начальные значения, соответствующие состоянию 994, в результате получают зашифрованный текст 1132A, 1134A и другие
6. Независимое дешифрование каждого пакета данных 1132A, 1134A и других с информацией о состоянии 994, включая разделяемые секреты, ключи, числовые начальные значения и т. д., используя дешифровку 1032, в результате получают незашифрованный текст 1131B, 1133B и других
6
7. Независимое повторное шифрование незашифрованного текста 1131B, 1133B и других с использованием шифрования 1026 в момент времени t с использованием ключей шифрования и числовых начальных значений, соответствующих состоянию 996, в результате получают зашифрованный текст 1132B, 1134B и другие
8. Независимое дешифрование каждого пакета данных 1132B, 1134B и других с информацией о состоянии 996, включая разделяемые секреты, ключи, числовые начальные значения и т. д., используя дешифровку 1032, в результате получают незашифрованный текст 1131C, 1133C и другие
7
9. Смешивание незашифрованного текста 1131C, 1133C и другого в момент времени t с использованием операции смешивания 1089 для получения скремблированного незашифрованного текста 1130
1
10. Рескремблирование скремблированного незашифрованного текста 1130 в момент времени t8 с использованием состояния 991, соответствующего моменту времени t, в момент начального скремблирование для восстановления исходного незашифрованного открытого текста 1055.
В представленном примере обработка исходного пакета данных включает последовательное применение скремблирования, разделения и шифрования, представленных как операция 1140. Конечная операция включает в себя дешифрование, смешивание и рескремблирование, представленные операцией 1141. Все промежуточные этапы включают повторное шифрование, которое включает в себя как дешифрование, так и шифрование.
Фигуре 73
f,f
Примером использования этого способа при мультимаршрутной передаче проиллюстрирован на , где узел связи N0,0 выполняет операцию скремблирования, разделения, шифрования 1140A, а узел связи N выполняет операцию дешифрования, смешивания и рескремблирования 1141A, тогда как все промежуточные узлы выполняют операцию повторного шифрования 1077. При мультимаршрутной передаче в соответствии с настоящей разработкой возможны различные комбинации статического и динамического скремблирования и статического и динамического шифрования.
Фигуре 74
В качестве возможности для скремблирования, разделения и шифрования, как альтернативный способ осуществления настоящей разработки пакеты данных могут быть разделены, затем скремблированы и зашифрованы с использованием операции разделения, скремблирования, шифрования 1140B, показанной на . При использовании такого способа входящий пакет данных сначала разделяется в ходе операции 1106. Далее пакеты данных на каждом маршруте независимо скремблируются в ходе операции 926 и зашифровываются операцией 1026. Затем полученные пакеты данных могут быть повторно расшифрованы независимо друг от друга, а затем повторно зашифрованы с использованием операции повторного шифрования 1077 или могут быть дешифрованы, рескремблированы, повторно скремблированы и повторно зашифрованные с использованием операции 1045 повторной обработки пакетов DUSE.
Фигурах 69 -73
В отличие от решетчатой маршрутизации, описанной ниже, при мультимаршрутной передаче, как показано на , каждый пакет данных, проходящий через сеть, обрабатывается только один раз данным узлом связи, и ни один узел связи не обрабатывает более одного пакета данных, содержащих связанные данные или общую цепочку сообщений, то есть маршруты данных 1113A, 1113B, 1113C и 1113D являются отдельными, четкими и непересекающимися.
Решетчатая маршрутизация
Фиг. 68A
. Возвращаясь к , решетчатая маршрутизация и передача пакетов, описанные здесь, подобны параллельной мультимаршрутной передаче, за исключением того, что пакеты данных, перемещаемые в сети по разным маршрутам, могут пересекаться маршрутами на одних тех же серверах. При статической решетчатой маршрутизации, как изложено здесь, эти пакеты данных проходят через общий сервер без взаимодействия, так как будто бы никаких иных данных цепочки сообщений или коммуникационных данных даже не существовало. При динамической решетчатой маршрутизации при вводе узла связи пакеты данных могут взаимодействовать с другими пакетами данных, присутствующими одновременно на том же сервере.
Используя ранее описанный способ разделения и смешивания, группы сегментов данных могут отделяться или удаляться из одного пакета данных, объединяться или присоединяться к другому пакету данных и отправляться по направлению к месту назначения, отличному от того, по которому он был получен. Решетчатая маршрутизация в соответствии с настоящей разработкой может использовать пакеты данных переменной или фиксированной длины. В пакетах переменной длины количество сегментов данных, содержащих пакет данных, может изменяться в зависимости от количества трафика, проходящего через данный узел связи. При решетчатой передаче с использованием пакетов данных фиксированной длины количество сегментов данных, используемых для формирования полного пакета данных, фиксировано на некотором постоянном числе или, как вариант, на некотором количестве сегментов данных, скорректированных с учетом квантованного целочисленного прироста.
Основное различие между использованием пакетов данных переменной и фиксированной длины заключается в использовании нежелательных данных в качестве содержимого пакетов. В пакетах с переменной длиной данных использование нежелательных данных является необязательным, основывается главным образом на соображениях безопасности, или для использования неиспользуемых маршрутов с целью отслеживания задержек прохождения сети. Использование нежелательных данных в пакетах данных фиксированной длины является обязательным, поскольку невозможно обеспечить наличие достаточного количества сегментов данных для заполнения пакетов, выходящих из узла связи. Таким образом, нежелательные данные обязательно используются постоянно и непрерывно в качестве содержимого пакетов для обеспечения того, чтобы каждый пакет данных, выходящий из сервера, был заполнен до указанной длины до того как будет отправлен по сети.
Фигуре 75
0,0
0
Пример передачи статических решетчатых данных по коммуникационной сети 1112 связи проиллюстрирован на , где пакет 1055 данных разбит узлом связи N в момент времени tна четыре пакета различной длины, в частности пакет данных 1128А, включающий сегмент данных 1F, пакет данных 1128B, включающий сегмент данных 1С, пакет данных 1128C, включающий сегменты данных 1A и 1D, и пакет данных 1128D, включающий сегменты данных 1B и 1E. Указанные сегменты данных могут сочетаться с другими сегментами данных из других пакетов данных и цепочек сообщений, также различной длины. По соображениям ясности фрагменты данных из других цепочек сообщений намеренно не были приведены в иллюстрации.
0,0
1,1
2,1
3,2
3,3
4,3
4,4
f,f
f
0,0
3.1
2,3
1,4
f,f
f
2,1
2,3
3,3
Во время статической передачи содержимое пакета данных, т. е. содержащиеся в нем сегменты данных, остаются неизменными при прохождении сети. Например, пакет данных 1128А, включающий сегмент данных 1F, проходит по узлам связи последовательно от узла N к узлу связи N, а затем к узлам связи N, N, N, N, и N, после чего собирается заново пакетами 1128B, 1128C и 1128D в конечном узле связи N, для воссоздания пакета данных 1055 в момент времени t. Аналогичным образом, пакет данных 1128C, включающий сегменты данных 1А и 1D, последовательно проходит через узлы связи от узла N к узлу N, затем к узлу связи Nи узлу связи N, после чего собирается заново пакетами 1128A, 1128B и 1128D в конечном узле связи N в момент времени t. Во время статической решетчатой передачи множественные пакеты данных проходят через общие серверы без смешивания или взаимодействия. Например, пакеты данных 1128A и 1128B проходят через узел связи N, пакеты данных 1128B и 1128C проходят через узел связи N, а пакеты данных 1128A и 1128D проходят через узел связи N, беспрепятственно друг для друга, без обмена содержимым или обмена сегментами данных.
f,f
f,f
f,f
f,f
Поскольку каналы передачи данных могут иметь разную длину и иметь разные задержки прохождения, некоторые пакеты данных могут поступать на конечный узел связи Nраньше других. В таких случаях в соответствии с настоящей разработкой пакеты данных должны временно находиться в узле связи Nдо тех пор, пока не поступят другие связанные пакеты данных. И хотя на фигуре видно, что окончательная сборка и восстановление исходного пакета данных 1055 происходит в узле связи N, на практике окончательная сборка пакета, то есть смешивание, может происходить на таком устройстве, как настольный компьютер, ноутбук, мобильный телефон, планшет, ресивер, автомобиль, холодильник или другое аппаратное устройство, подсоединенное к сети. Другими словами, в отношении решетчатой передачи нет никакого различия между узлом связи и устройством, подключенным к узлу связи, то есть узел связи Nможно рассматривать как настольный компьютер а не истинный высокопроизводительный сервер. Соединение устройства с раскрытым облаком SDNP, то есть соединение «последней мили», более подробно отражено далее в этом приложении.
1
0,0
0,0
3.1
2,3
3,2
1,4
f,f
f
0,0
4,1
4,2
3,3
2,4
f,f
f
Вышеупомянутая статическая маршрутизация может быть объединена с любым из вышеупомянутых способов SDNP, как описано, включая скремблирование, шифрование или их комбинации. Например, на фигуре 76 статическая решетчатая маршрутизация с пакетами данных переменной длины объединяется со статическим скремблированием. Как можно увидеть, в момент времени t пакет с расшифрованными данными 1055 конвертируется в скремблированный пакет незашифрованных данных 1130, который затем разделяется узлом связи N, после чего разделенные пакеты, смешанные с нежелательными данными, отправляются по сети 1112. Маршрутизация аналогична предыдущему примеру, за исключением того, что сегменты данных намеренно разупорядочены и смешаны с сегментами нежелательных данных до маршрутизации. Например, пакет данных 1132C, включающий сегменты данных 1D и 1A, разделенные промежуточным пакетом нежелательных данных, обходит узлы связи последовательно от узла связи N до узла связи N, затем к узлам N, N и N пока, наконец, повторно не собирается пакетами 1128A, 1128B и 1128D в конечном узле связи Nдля воссоздания пакета данных 1055 в момент времени t. Аналогичным образом пакет данных 1132D, включающий пакеты данных 1E и 1B, в обратном порядке проходит узлы связи последовательно от узла связи N к узлу связи N, затем к узлам связи N, N и N, после чего, наконец, повторно собирается с пакетами 1128А, 1128В и 1128С в конечном узле связи Nв момент времени t. В этом конечном узле во время смешивания выполняется операция удаления для устранения нежелательных данных для создания исходных скремблированных данных 1130. После дескремблирования исходные данные 1055 восстанавливаются.
Фигуре 77А
a,b
a,d
a,f
a,h
a,j
a,j
a,n
a,q
a,s
a,v
a,j
a,j
Для реализации динамического решетчатого обмена в соответствии с разработками, описанными в этом документе, пакеты должны обрабатываться для изменения их содержимого и направления в пределе каждого узла связи, обрабатывающего пакет. Этот процесс включает в себя объединение входящих пакетов данных в один длинный пакет данных или, в качестве возможного варианта, использование буфера данных, содержащего одни и те же подпакеты, так как будто бы был создан длинный пакет данных, а затем разделение этих пакетов на разные комбинации и отправка этих пакетов разным адресатам. Этот процесс может задействовать пакеты переменной или фиксированной длины, как описано выше. На  показаны элементы коммуникационной сети SDNP, включая узлы связи N, N, Nи N, все отправляющие в сети «A» соответствующие пакеты данных переменной длины 1128B, 1128D, 1128F и 1128H соответственно к узлу связи N, который выполняет операцию смешивания 1089, собирая пакеты в короткий или длинный пакет данных 1055. Затем пакет 1055 разделяется с использованием операции разделения 1106 в узле связи Nдля создания новых пакетов данных 1135N, 1135Q и 1135S с переменной длиной, которые отправляются в узлы связи N, Nи N соответственно. На узел связи Nданных или нежелательные данные не отправляются. В любом случае длина входящих пакетов является переменной, и пакеты могут содержать нежелательные данные или данные из других сообщений, переговоров или коммюнике, которые не представлены. Как показано на фигуре, комбинация операции смешивания 1089 и операции разделения 1106 выполняется посредством узла связи N для облегчения динамической решетчатой маршрутизации с использованием операции смешения и разделения данных 1148. Только что разделенные пакеты 1135N, 1135Q, 1135S и 1135V (при условии, что последний содержит нежелательные данные) и их маршрутизация определяются либо динамическими инструкциями, отправленными в узел связи Nсетью SDNP, либо с использованием предопределенного набора алгоритмов или команд в отсутствие таких входящих команд и сигналов управления как описано ниже.
a,j
Для обработки входящих пакетов, т. е. их смешивания и затем разбивания на новые пакеты разных комбинаций, узел Nдолжен до того, как поступят данные, получать инструкции о том, как ему следует идентифицировать обрабатываемые пакеты данных и что с ними делать. Эти инструкции могут включать фиксированные алгоритмы, хранящиеся локально как разделяемый секрет, то есть набор предопределенных алгоритмов или команд, или же последовательность может быть определена прямо в «динамической» инструкции по командованию и управлению, отправленной узлу заранее, данных, в идеале с другого сервера, контролирующего маршрутизацию, но не на сервер, несущий данные. Если инструкции о том, что делать с входящими данными, включены в сам поток данных, то есть часть носителя или контента, маршрутизацию называют «одноканальной» связью. Если маршрутизация пакетов данных определяется другим сервером и передается на медиасервер, маршрутизация данных называется «двухканальной» (возможно, и трехканальной) связью. Оперативные характеристики одно- и двух-/трехканальной связи описаны более подробно в приложении ниже.
Фигуре 77A
Фигуре 67I
a,j
Независимо от того, каким образом предоставляются инструкции, медиаузел должен распознавать входящие пакеты данных, чтобы узнать инструкцию, относящуюся к определенному пакету данных. Эта идентифицирующая информация или «тег» выполняет роль почтового индекса или штрих-кода маршрутизации пакета для идентификации интересующих пакетов. Однако входящие пакеты данных 1128B, 1128D, 1128F и 1128H, показанные на , представляют собой только аудио- или текстовое содержимое пакета, а не опознавательные метки. Процесс использования помеченных данных, присутствующих в заголовке пакета, для идентификации каждого конкретного пакета данных и определения того, как следует смешивать входящие пакеты данных, был описан ранее на . Конкретные примеры меток и информация о маршрутизации, содержащаяся в пакетах данных, обсуждаются в приложении к настоящему документу. Как только узел Nполучил информацию о том, какие пакеты данных нужно искать и какой алгоритм использовать в операции смешивания 1089 и операции разделения 1106, данные могут обрабатываться.
Фигуре 77B
a,b
a,d
a,f
a,h
a,j
a,n
a,q
a,s
Эквивалент пакета данных фиксированной длины для той же операции показан на , где узлы связи N, N, Nи N, все в сети «A» отправляют соответствующие пакеты данных фиксированной длины 1150B, 1150D, 1150F и 1150H, соответственно, к узлу связи N, который, в свою очередь, выполняет операцию смешивания и разделения 1148 для создания новых пакетов данных фиксированной длины 1151N, 1151Q и 1151S, отправленных узлам связи N, N и N соответственно. Данные или нежелательные данные 1151V не передаются на узел связи Na,v. В каждом случае длина входящих пакетов является фиксированной и обязательно включает нежелательные данные в качестве содержимого или данные из другой цепи сообщений или коммюнике, которые не показаны, для поддержания фиксированной длины пакетов данных, то есть включать заданное количество сегментов данных.
77C
a,b
a,j
a,q
a,v
a,f
a,q
a,b
a,j
a,f
a,f
a,q
,j
a,v
a,
a,q
a,v
a,v
a,f
Взаимосвязь серверов, как описано в сетевом протоколе Layer 3, содержит множество соединений, причем каждый выход коммуникационного узла подключен к входу другого коммуникационного узла связи. Например, как показано на Фигуре, выходы коммуникационного узла N, выполняющего операцию смешивания и разделения 1149B, соединены со входами коммуникационных узлов N, N, N и N. Выходы узла N, выполняющего операцию смешивания и разделения 1149Q, соединены со входами узлов N, Nи Nи другого коммуникационного узла, не показанного на иллюстрации. Подобным образом выходы коммуникационного узла N, выполняющего операцию смешивания и разделения 1149F соединены со входами коммуникационных узлов N, Na и N и другого коммуникационного узла, не показанного на иллюстрации; выходы коммуникационного узла Nj, выполняющего операцию смешивания и разделения 1149J, соединены со входами коммуникационных узлов Nи Nвместе с другими узлами связи, не показанными на иллюстрации; и выходы узла Nвыполняющие операции смешивания и разделения 1149V, соединены со входами коммуникационных узлов Nи других коммуникационных узлов, не показанных на иллюстрации.
a,b
a,q
a,q
a,b
Поскольку соединения вход-выход являются описаниями сети, а не просто соединениями или схемами уровня 1 PHY, эти сетевые соединения между устройствами могут быть установлены или разорваны на временной основе для любого устройства, поддерживающего соединение уровня 1 PHY и канал передачи данных уровня 2 для вышеупомянутой сети или облака. Кроме того, поскольку соединения представляют собой возможные пути передачи данных по сети и не являются фиксированными, постоянными электрическими контурами, то факт, что выход коммуникационного узла N соединен с входом коммуникационного узла N, а выход коммуникационного узла N соединен с вводом коммуникационного узла Nне создает обратной связи или гонки фронтов, как это было бы в электрических цепях.
В действительности любой компьютер, электрически подключенный к сети, может быть добавлен или удален как коммуникационный узел, который динамически и на временной основе использует программное обеспечение. Подключение компьютера к сети связано с «регистрацией» коммуникационного узла с сервером имен или любым сервером, выполняющим функцию сервера имен. Как описано в разделе Основные положения этого приложения, в Интернете сервер имен представляет собой сеть компьютеров, определяющих свою электронную идентификацию в качестве интернет-адреса, использующего форматы IPv4 или IPv6. Самый важный сервер имен Интернета - это глобальные серверы DNS или доменных имен. Некоторые компьютеры не используют настоящий Интернет-адрес, а вместо этого имеют адрес, назначенный NAT или транслятором сетевого адреса.
Аналогичным образом раскрытая защищенная динамическая сеть и протокол используют функцию сервера имен для отслеживания каждого устройства в сети SDNP. Всякий раз, когда запускается узел связи SDNP или, говоря компьютерным языком, всякий раз, когда программное обеспечение узла SDNP загружается, новое устройство динамически регистрируется на сервере имен сети, таким образом другие узлы SDNP узнают, что оно подключено к сети и доступно для связи. В системе трехканальной связи серверы имен SDNP отделены от серверов, используемых для управления и контроля, то есть серверов сигнализации, и от медиасерверов, несущих фактическое коммуникационное содержимое. В системе одноканальной связи один набор серверов должен выполнять как задачи сервера имен, так и маршрутизацию управления и переносить контент. Таким образом, три типа систем SDNP, описанных здесь, одноканальные, двухканальные и трехканальные, отличаются серверами, используемыми для выполнения функций переноса, сигнализации и именования. В одноканальных системах серверы узлов связи выполняют все три функции; в двухканальных системах функции сигнализации и именования отделены от функции переноса и выполняются серверами сигнализации; а в трехканальных системах функция именования отделена от функций переноса и сигнализации и выполняется серверами имен. На практике данная сеть SDNP не обязательно должна быть однородной и может быть подразделена на участки, которые являются одноканальными, участки, которые являются двухканальными, и участки, которые являются трехканальными.
Любой новый узел связи SDNP, подключенный к сети, регистрируется, сообщая серверу имен свой SDNP-адрес. Этот адрес является не Интернет-адресом, а адресом, известным только сети SDNP, и к нему нельзя получить доступ через Интернет, поскольку, как и адрес NAT, адрес SDNP для сети Интернет не имеет смысла, несмотря на то, что он соответствует Интернет-протоколу. По сути, связь с использованием раскрытой защищенной динамической сети и протокола представляет собой «анонимную» связь, поскольку IP-адреса не узнаваемы в Интернете, и только последний адрес SDNP и следующий адрес SDNP, то есть следующий пункт назначения пакета, имеются в данном пакете.
Важной реализацией сети SDNP является ее способность автоматически модулировать общую доступную полосу облака, как только трафик увеличивается или уменьшается в любое время суток. В сеть автоматически добавляются дополнительные узлы связи SDNP, как только трафик увеличивается, и убираются лишние при его уменьшении, снижая затраты сети без ущерба для стабильности или производительности.
Эта особенность означает, что полоса пропускания и протяженность сети SDNP, описанной здесь, также могут быть динамически скорректированы для минимизации эксплуатационных расходов, то есть расходы за неиспользуемые циклы вычислений на неиспользуемом узле убираются, с сохранением в то же время возможностей увеличения производительности по мере необходимости. Преимущества варианта сети SDNP, реализованного программным обеспечением или «программным коммутатором», резко контрастируют с фиксированным оборудованием и высокой стоимостью коммуникационных сетей, реализованных аппаратным обеспечением с пакетной коммутацией, которые все еще распространены сегодня.
Фигуре 77D
a,q
a,d
a,b
a,f
a,q
a,h
a,n
a,j
a,s
a,v
В сети, реализованной программным коммутатором, любой коммуникационный узел, загруженный программным обеспечением сети связи SDNP и подключенный к сети или Интернет, может быть при необходимости добавлен в SDNP, как показано на графе сети на , где компьютерные серверы 1149D, 1149B, 1149F, 1149Q, 1149H, 1149N, 1149J, 1149S и 1149V могут быть добавлены в качестве соответствующих коммуникационных узлов N, N, N, N, N, N, N, N, Nи Nсоответственно, как только возникает потребность в трафике в узле или в связи по его соединениям. Таким образом, каждая ссылка в облаке SDNP может рассматриваться как постоянное физическое соединение уровня 1 PHY с соответствующей линией передачи данных Уровня 2 в сочетании с сетевым соединением Уровня 3, которое устанавливается только тогда, когда SDNP при необходимости запускает, то есть активирует, новый коммуникационный узел.
Таким образом, облако SDNP на основе программного коммутатора является адаптивным и динамичным, меняющимся при необходимости. В отличие от равноправных сетей, где данные передаются через любое устройство или компьютер, даже с неизвестной пропускной способностью и надежностью, каждый коммуникационный узел SDNP является предварительно оцененным устройством, загруженным программным обеспечением SDNP, реализуемым с программным коммутатором, и полностью пригодным для присоединения к облаку SDNP и переноса данных с использованием предписанного протокола защищенной связи, который включает информационное содержимое (такое как разделяемый секрет) плюс синтаксис, например определенный формат заголовка. Разделяемые секреты описывают алгоритмы, генераторы начальных состояний, способы скремблирования, способы шифрования и способы смешивания, но не определяют формат всего пакета данных SDNP. Параметры безопасности, то есть параметры, используемые в определенное время и для конкретных сообщений, являются типом разделяемых секретов, но разделяемые секреты также включают весь список алгоритмов, даже те из них, которые не используются. Поскольку программное обеспечение зашифровано, а алгоритмы и разделяемые секреты обрабатываются динамически, даже в том случае, если код SDNP размещен в общедоступном облаке, таком как Amazon или Microsoft, операторы сервера не имеют возможностей для мониторинга содержимого трафика данных на коммуникационном узле SDNP, кроме общего объема транспортируемых данных.
Новые клиенты SDNP, такие как мобильный телефон, планшет или ноутбук, также регистрируются автоматически сервером имен или шлюзом SDNP при каждом включении как естественное расширение динамической сети. Таким образом, не только облако SDNP, но и количество клиентов, доступных для подключения, настраиваются автоматически, точно отражая количество подключенных к сети и активных пользователей в любой момент времени.
Скремблированная или зашифрованная ячеистая маршрутизация.
Для поддержки динамических автономных возможностей каждый узел связи SDNP выполняет предписанную комбинацию смешивания и разделения данных, скремблирования и дескремблирования, шифрования и дешифрования параллельно для одновременной поддержки многократной передачи информации, коммюнике и безопасных сеансов. При включении программного коммутатора связи SDNP все реализованные функции и последовательность этих операций могут быть полностью сконфигурированы с помощью программных инструкций, обозначенных в виде разделяемых секретов, которые осуществляются пакетом данных, или обозначенных параллельным сигнальным каналом для управления и контроля, отдельного и отличного от узла связи SDNP, используемого для переноса носителя. Несмотря на то, что возможно большое количество перестановок и комбинаций, примеры, показанные тут, предназначены для представления гибкости связи, основанной на SDNP, а не для ограничения применения различных функций SDNP, описанных для конкретной последовательности этапов обработки данных. Например, скремблирование может предшествовать или следовать за смешиванием или разделением, шифрование может происходить в начале, в конце или в середине и т.д.
Фигуре 78A,
Фигуре 78B
a,b
a,d
a,f
a,h
Одна из таких операций, а именно рескремблированная операция смешивания и разделения 1155, показанная на выполняет последовательность конкретных функций SDNP с помощью множества входящих пакетов данных из узлов связи N, N, N и N. Последние включают операцию дескремблирования 928, которая выполняется по каждому входящему пакету данных, смешивая и разделяя пакеты данных с помощью операции смешивания и разделения 1148, с последующим рескремблированием новых пакетов данных с помощью операции скремблирования 926 и пересылкой данных пакетов в ячеистую сеть. Как показано на , последовательность осуществления множества независимых операций дескремблирования 928 на каждом входе, после которых следует операция смешивания 1089, вместе охватывают операцию 1156А ʺдескремблированного смешивания ячеистых входовʺ. Для удобства последовательность может быть представлена символически посредством операции дескремблирования и смешивания 1161.
Фигуре 78C
Фигуре 78D
Обратной операцией дескремблирования и смешивания является операция ʺразделения и скремблированияʺ 1156B для ячеистых выходов, показанная на , содержащая последовательность разделения пакета данных с операцией разделения 1106, за которой следует выполнение множественных независимых операций скремблирования 926 для каждого выхода. Для удобства последовательность может быть представлена символически посредством операции разделения и скремблирования 1162. Как показано на, последовательная комбинация операции 1156А двухкомбинированного дескремблированного смешивания ячеистых входов, за которой следует операция 1156B разделения и скремблирования для ячеистых выходов, включает операцию ʺповторного скремблирования и ремиксаʺ для ячеистой передачи данных, символически показанную в качестве операции 1163.
Фигуре 79A
a,b
a,d
a,f
a,h
a,j
a,n
a,q
a,s
a,v
Применение вышеупомянутой операции дескремблированного смешивания ячеистых входов 1161, за которой следует операция разделения и скремблирования 1162 для ячеистых выходов, показана на. Тут входы пакетов данных фиксированной длины 1157B, 1157D, 1157F, и 1157H соответствующих узлов связи N, N, N и N обрабатываются с помощью операции дескремблированного смешивания ячеистых входов 1156 в узле связи N для формирования длинного пакета данных 1160. Несмотря на то, что операция 1156 включает функциональные возможности для независимого дескремблирования входящих пакетов данных перед смешиванием, этот шаг не требуется и поэтому пропускается, так как входы пакетов данных фиксированной длины 1157B, 1157D, 1157F и 1157H не скремблируются. Длинный пакет данных 1160 затем обрабатывается путем операции разделения и скремблирования 1162, что приводит к смешиванию, скремблированию пакетов данных 1158N, 1158Q, 1158S и 1158V, отправленных на соответствующие узлы связи N, N, N и N для ячеистой передачи данных.
Фигуре 79B
i,j
a,n
a,q
a,s
a,v
Аналогичная операция скремблированного смешивания и разделения для ячеистой передачи пакетов данных фиксированной длины представлена на для входящих пакетов данных 1165B, 1165D, 1165F и 1165H, которые скремблируются. Эти пакеты данных включают в себя «мусорные» сегменты данных, на что указывают сегменты данных без идентификационного номера. Операция дескремблирования и смешивания 1161 в узле связи N затем создает длинный пакет 1166, который короче, чем в предыдущем примере, потому что «мусорные» пакеты данных умышленно удаляются. В альтернативном варианте осуществления изобретения «мусорные» пакеты могут быть сохранены. Длинный пакет 1166 затем обрабатывается посредством операции разделения и скремблирования 1162 для создания кратных выходов пакета данных 1165N, 1165Q, 1165S и 1165V, отправленных на соответствующие узлы связи N, N, N и N для ячеистой передачи данных. В этих пакетах данных «мусорные» данные были повторно вставлены для заполнения пакетов данных заданным количеством сегментов данных. Несмотря на то, что в целом предпочтительнее и проще вводить «мусорные» сегменты данных в конце пакета данных, как показано пакетами данных 1165N и 1165S, если предписывает так алгоритм, «мусорные» пакеты необязательно могут быть введены в другое место в пакете данных, например, в первый слот, как показано в пакете данных 1165V.
Фигуре 80
0,0
f,f
Пример динамической ячеистой передачи данных со статическим скремблированием параллельно коммуникационной сети в соответствии с изобретением показан на, который включает сеть взаимосвязанных компьютерных серверов 1118, которые работают на программном обеспечении связи SDNP. Узел связи N выполняет операцию скремблирования и разделения 1162, узел связи N выполняет операцию смешивания и дескремблирования 1161, а все остальные узлы выполняют операцию рескремблирования и повторного смешивания 1163. Несмотря на то, что в показанном примере каждый сервер выполняет только одну специальную операцию, само собой разумеется, что программное обеспечение SDNP, установленное на всех компьютерных серверах 1118, способно выполнять любую функцию SDNP, по мере необходимости, включая операцию скремблирования и разделения 1162, операцию дескремблирования и смешивания 1161, операцию рескремблирования и повторного смешивания 1163 и другие, как указано выше.
0,0
1
Во время операции входящий пакет данных 1055 сначала скремблируется узлом связи N в момент времени t посредством операции скремблирования и разделения 1162. При этом создается скремблированный пакет данных 1130, который разделяется на четыре пакета различной длины: пакет данных 1170A, включающий сегмент данных 1F и ассоциированный сегмент «мусорных» данных в первом слоте; пакет 1170B, включающий сегмент данных 1C; пакет данных 1170C, который включает сегменты данных 1A и 1D в обратном порядке и пакет данных 1170D, который включает сегменты данных 1B и 1E в порядке возрастания. Показанные сегменты данных могут быть объединены с другими сегментами данных из других пакетов данных и каналов связи различной длины, где сегменты данных из других каналов связи были намеренно исключены из иллюстрации для ясности. Известно, что проходит время, пока пакеты данных проходят через сеть и их содержимое разделяется и повторно смешивается. Однако, с целью ясности, время было намеренно удалено из чертежа, за исключением примерного времени, показанного в начале и в конце процесса связи.
0,0
1,1
2,1
1,2
2,3
0,0
3,1
3,2.
3,1
2,1
3,1
Во время активной ячеистой передачи данных содержимое пакета данных, его сегменты данных изменяются по мере прохождения сети. Например, пакет данных 1170A, включающий сегмент «мусорных» данных и сегмент данных 1F, проходит узлы связи последовательно. Сначала от узла связи N к узлу связи N и затем к узлу связи N, где он смешивается с пакетом данных 1170B, включающим сегмент данных 1C, для формирования пакета данных 1171A. Последний содержит последовательность сегментов данных 1C, 1F и сегмент «мусорных» данных, который отправляется на узел связи N и затем на узел связи N. В течение того же периода времени пакет данных 1170C, включающий последовательность сегментов данных 1D, 1A, передается из узла связи N в узел связи N. Тут он пересылается без изменений, так же как пакет данных 1171C в узел связи NВ рамках операции смешивания и разделения, выполняемой узлом связи N, второй пакет данных 1171B, включающий полностью случайные данные без содержимого, генерируется и отправляется на узел связи N. Причина маршрутизации полностью случайного пакета, лишенного контента, есть двусторонней причиной - во-первых, запутать киберпиратов путем вывода нескольких пакетов данных из узла связи N, а во-вторых получить обновленные внутрисетевые данные задержки от неиспользуемых ссылок или маршрутов.
3,2
3,3
2,3
2,3
1,4
f,f
14
2,3
3,4
f,f
16
При входе в узел связи Nпакет данных 1171C разбивается на два пакета данных: пакет данных 1172C, включающий сегмент данных 1D, который направляется на узел связи N; пакет данных 1172B, включающий сегмент данных 1A; и ведущий сегмент данных, включающий «мусорные» данные, который направляется на узел связи N. После достижении сервера N пакет данных 1172B смешивается с входящим пакетом 1171A, а затем снова разбивается на пакет 1173A, включающий сегменты данных 1F и 1A и посылается на узел связи Nгде сегменты конечных ненужных данных добавляются для формирования пакета данных 1174A, который направляется на узел связи Nв момент t. Одновременно в результате операции разделения, выполняемой в узле связи N, пакет данных 1173B отправляется далее на узел связи N, где сегмент конечных «мусорных» данных добавляется к сегменту данных 1C перед отправкой его в последний узел связи N в момент t (время не показано).
0,0
4,1
4,2
3,3
2,4
f,f
15
2,4
15
2,4
3,3,
4,3
4,4
17
14
15
16
17
f,f
f
При этом пакет данных 1170D, включающий сегменты данных 1E и 1D, переносится с узла связи N на узел связи N и на узел связи N, где он рескремблируется, образуя пакет данных 1172D, включающий сегменты данных 1B и 1E в обратном порядке. При входе в узел связи N пакет данных 1172D смешивается с пакетом данных 1172 C, а затем снова разбивается, образуя пакеты данных 1173C и 1173D. Пакет данных 1173C, включающий сегмент данных 1B направляется на узел связи N,откуда он пересылается на конечный сервер Nв момент t, как пакет данных 1174B. Несмотря на то, что пакеты данных 1173C и 1174B являются идентичными, каждый содержит только сегмент данных 1B, то есть пакет 1173C фактически не изменяется узлом связи N. Это согласуется с временем tи его соответствующим состоянием, включая начальные числа, ключи, разделяемые секреты, алгоритмы и т.д., в узле связи N. Другой пакет данных, то есть пакет данных 1173D с выходящим узлом связи Nзатем направляется на узел связи N и узел связи N,где сегмент промежуточных «мусорных» данных вставляется между сегментами данных 1E и 1D для создания пакета данных 1174D в момент tс соответствующим состоянием 1137. Пакеты данных 1174A, 1174B, 1174C, и 1174D, каждый из которых формируется в разных состояниях и в разное время (особенно в моменты времени t, t, t, и t), дескремблируются и смешиваются в узел связи N. При этом они используют операцию дескремблирования и смешивания 1161 для повторного создания исходного декскремблированного пакета данных 1055 в момент времени t. Все узлы фиксируют, что делать для того, чтобы обработать входящий пакет данных по состоянию пакета или другому идентификатору, который соответствует набору разделенных секретов, известных узлу, либо потому, что отдельный сервер, называемый сигнальным сервером к узлу, априори фиксирует, что делать, когда поступает отдельный пакет.
f,f
f,f
f,f
f,f
Так и в случае статической ячеистой передачи данных, в активной ячеистой передаче данных, пути данных могут быть различной длины и проявлять разные задержки распространения. В результате чего пакеты данных могут поступить на последний узел связи N раньше других. В таких случаях, согласно данному изобретению, пакеты данных должны временно храниться в узле связи N, пока не поступят другие связанные пакеты данных. И хотя чертеж показывает, что окончательная установка и восстановление исходного пакета данных 1055 происходит в узле связи N, на практике окончательная повторная установка пакета может происходить в устройстве, таком как настольный компьютер, ноутбук, сотовый телефон, планшет, телеприставка, автомобиль, холодильник или другом аппаратном устройстве, подключенным к сети. Другими словами, в отношении ячеистой передачи данных нет никакого различия между узлом связи и устройством, подключенным к узлу связи, то есть узел связи Nможно рассматривать настольным компьютером вместо истинного сервера с большой пропускной способностью. Соединение устройства с раскрытым облаком SDNP, то есть конечным соединением, более подробно рассматривается далее в этом приложении.
Фигуре 81A
a,b
a,d
a,f
a,h
Как указывалось ранее, вышеупомянутая динамическая маршрутизация может быть объединена с одним или несколькими упомянутыми способами SDNP, как описано, включая скремблирование, шифрование или их комбинации. Одна такая зашифрованная операция смешивания и разделения 1180, показанная на, выполняет последовательность специальных операций SDNP на множественных входящих пакетах данных из узлов связи N, N, N и N, включающих операции дешифрования 1032, которые выполняются на каждом входящем пакете данных, смешивая и разделяя пакеты данных с помощью операции смешивания и разделения 1148, которая следует за повторным шифрованием новых пакетов данных с помощью операции шифрования 1026, и пересылая эти пакеты по ячеистой сети. Как показано на фигуре, входящие пакеты данных ранее были зашифрованы и содержат неразборчивые зашифрованные пакеты 1181A, 1183A и другие, которые не показаны. Ключи шифрования, необходимые для расшифровки зашифрованных входов, специфичные для времени, состояния и алгоритмов шифрования, используются для того, чтобы каждый входящий пакет проходил операцию дешифрования 1032 до выполнения дешифрования, как разделенный секрет, ключи, присутствующие в незашифрованном пакете данных, отправленные специфическим пакетом данных или коммюнике, или ключи, предоставляемые через другие каналы связи. Как описано ниже, ключи могут быть симметричными или асимметричными. Тема обмена ключами рассматривается ниже.
a,j
Фигуре 81B
Фигуре 81C
После дешифрования пакеты данных стают незашифрованными пакетами 1182A, 1184A и другими, которые не показаны, затем смешиваются узлом связи N в длинный пакет 1185, также включающий незашифрованный текст, и затем разделяются на новые незашифрованные пакеты 1182B, 1184B и другие, которые не показаны. Используя новые разные ключи шифрования на основе конкретного времени или состояния, пакеты данных затем зашифровываются для создания новых зашифрованных пакетов 1181B, 1183B и других, которые не показаны, отправленных на другие узлы связи. Как показано на , последовательность выполнения кратных независимых операций дешифрования 1032 на каждом входе, за которым следует операция смешивания 1089, вместе составляют ʺдешифрованное смешивание ячеистых входовʺ, символически представленное операцией дешифрованного смешивания 1090. Операция ʺразделения и шифрованияʺ для ячеистых выходов, показанная на , включает последовательность разделения пакета данных с помощью операции разделения 1106, за которой следует создание кратных независимых операций шифрования 1026 для каждого выхода. Для удобства последовательность может быть представлена символически операцией разделения и шифрования 1091.
Фигуре 82A
a,b
a,d
a,f
a,h
a,j
На  показан пример повторного шифрования, рескремблирования и повторного разделения пакетов данных из кратных узлов связи N, N, N и N для ячеистой передачи данных согласно изобретению. При использовании операции повторного шифрования, рескремблирования, смешивания и разделения 1201 на входящие пакеты данных, поступающие в узел связи N, каждый входящий пакет данных дешифруется операцией дешифрования 1032, дескремблируется операцией дескремблирования 928, смешивается операцией смешивания 1089, и впоследствии разделяется на множественные новые пакеты данных путем операции разделения 1106. Каждый пакет данных затем независимо снова скремблируется при помощи операции скремблирования 926, снова зашифровывается при помощи шифрования 1026 и затем посылается далее при помощи ячеистой сети. Как показано на фигуре, входящие пакеты данных предварительно были зашифрованы и содержат неразборчивый зашифрованный текст 1194A, 1197A и другие, которые не показаны.
Информация о времени и состоянии, разделенных секретах, числовых начальных числах, алгоритмах и ключах дешифрования необходима для дескремблирования и расшифровки зашифрованных входов, специфичных для времени, состояния и алгоритмов. Они используются для того, чтобы каждый входящий пакет проходил операцию дешифрования 1032 до проведения операции дешифровки и дескремблирования 928, как разделенный секрет, ключи или числовые начальные числа, присутствующие в незашифрованном пакете данных, отправленных специфичным пакетом данных или коммюнике, или ключей и числовых начальных чисел, доставленных другим каналом связи. Ключи могут быть симметрическими или асимметрическими. Тема обмена ключами и доставка числовых начальных чисел рассматривается ниже. Все узлы фиксируют, что делать, чтобы обработать входящий пакет данных по состоянию пакета или другому идентификатору, когда начальное число соответствует набору разделенных секретов, известных узлу, либо потому, что отдельный сервер, называемый сигнальным сервером к узлу, априори фиксирует, что делать, когда поступает отдельный пакет.
a,j
После дешифрования незашифрованные пакеты 1195A, 1198A и другие, которые не показаны, затем дескремблируются с помощью операций дескремблирования 928 для создания соответствующих дескремблированных незашифрованных пакетов 1196A, 1199A и других, которые не показаны. При операции смешивания 1089 дескремблированные незашифрованные пакеты смешиваются узлом связи N в длинный пакет 1220, который впоследствии разделяется на новые дескремблированные незашифрованные пакеты 1196B, 1199B и другие, которые не показаны, во время операции разделения 1106. Затем скремблируют заново путем операции скремблирования 926 с помощью новых начальных чисел, соответствующих текущему времени или состоянию для формирования скремблированных незашифрованных пакетов 1195B, 1198B и других, которые не показаны. Используя новые, различные ключи шифрования на основе этого конкретного времени или состояния, пакеты данных снова зашифровываются путем операций шифрования 1026 для формирования новых зашифрованных текстов 1194B, 1197B и других, которые не показаны, и затем отправляются на другие узлы связи.
-1
-1
-1
-1
-1
Как описано в соответствии с настоящим изобретением, связь SDNP может содержать любую последовательность шифрования, скремблирования, смешивания, разделения, дескремблирования и дешифрования. По меньшей мере теоретически, если выполняемая последовательность происходит в известной последовательности, математически описанной в виде функций y=H{G[F(x)]}, где внутренняя функция F выполняется первой и самая отдаленная функция H выполняется последней, а затем в порядке восстановления исходных данных x антифункция должна выполняться в обратной последовательности, где H выполняется первой и F выполняется последней, то есть x=F {G[H(y)]}. Данная последовательность операции ʺпервым пришел, последним обслуженʺ должна отменять изменения и восстанавливать исходное содержимое в том случае, если в ходе процесса не удаляются или не вставляются данные в пакеты. Если данные удаляются или вставляются в пакеты, скремблированный или зашифрованный файл является засоренным и не может быть восстановлен. Например, смешивание данных, зашифрованных путем разных шифровальных способов выходных данных, которые не могут быть незашифрованными без первоначального восстановления исходных компонентов. Одно ключевое преимущество динамической ячеистой связи с использованием передачи данных SDNP - затенение всего содержимого путем динамического смешивания, разделения и перемаршрутизации нескольких сеансов связи теряется, если данный узел связи не имеет возможности смешивать или разделять пакеты по мере необходимости.
Поэтому один вариант осуществления связи SDNP обеспечивает независимое скремблирование и шифрование на пакетах данных, выходящих из отдельных выходов узлов связи, а не для смешивания пакетов данных до операций скремблирования и шифрования. Соответственно, если пакеты данных, входящие в узел связи, зашифровываются, скремблируются, то они должны быть независимо дескремблированы и не зашифрованы до смешивания, то есть до формирования длинного смешанного пакета. Таким образом, предпочтительная последовательность операций для входящих пакетов заключается в последовательной расшифровке, дескремблировании и смешивании входящих данных на каждом входе в узел связи или в альтернативной последовательности с целью дескремблирования, дешифрования и смешивания входящих данных.
Фигуре 82B,
Первый случай показан на  где операция дешифрования, дескремблирования и смешивания ячеистых выходов схематически изображена операцией ʺDUMʺ 1209 и символически операцией DUM 1210, включает независимое формирование для каждого входа последовательности операции дешифрования 1032, операции дескремблирования 928, и затем смешивание конечных пакетов данных путем операции смешивания 1089. Отдельные переключатели 1208A и 1208B, присутствующие на каждом входе, используются для переадресации, по необходимости, пакетов данных вокруг одной из операций 1032 или одной из операций дескремблирования 928, соответственно. Например, если оба переключателя на определенном входе являются ʺоткрытымиʺ, тогда все пакеты данных должны пройти через сопутствующие операцию дешифрования 1032 и операцию дескремблирования 928. После этого пакет данных будет непременно дешифрован и дескремблирован. Если оба переключателя являются закрытыми, операции являются ʺукороченными,ʺ и данные не обрабатываются ни операцией дешифрования 1032, ни операцией дескремблирования 928, то есть данные, направляемые на операцию смешивания 1089, не изменяются.
Если переключатель 1208A является закрытым и переключатель 1208B является открытым, тогда данные направляются на операцию дешифрования 1032, но проходят через операцию дескремблирования 928, означающую, что входящий пакет данных будет дескремблирован, но не расшифрован. С другой стороны, если переключатель 1208A является открытым и переключатель 1208B является закрытым, то данные будут проходить через операцию дешифрования 1032, но будут направлены в сторону операции дескремблирования 928, означающую, что входящие пакеты данных будут дешифрованы, но не дескремблированы. Так как операции дешифрования 1032 и операции дескремблирования 928 обычно реализуются в программном обеспечении, которое не имеет физические переключатели, отводящие сигнал. Переключатели 1208A и 1208B символически представляют операцию программного обеспечения. В частности, если переключатель, параллельный операции, является открытым, то применимое программное обеспечение выполняет операцию, и если переключатель, параллельный операции, является закрытым, то применимое программное обеспечение не выполняет операцию, а просто проходит вход и выход без изменений. На языке электроники, функция ʺзамыкаетсяʺ закрытым переключателем, так что сигнал остается необработанным. Комбинации суммированы в следующей таблице истинности, где переключатель 1208A одновременно с операцией дешифрования 1032 известен как переключатель A и переключатель 1208B одновременно с операцией дескремблирования 928 известен как переключатель B.
Переключатель A
Переключатель B
Дешифрование
Дескремблирование
Влияние пакета данных
Открытый
Открытый
Да
Да
Дешифровние затем дескремблирование
Закрытый
Открытый
Нет
Да
Только дескремблирование
Открытый
Закрытый
Да
Нет
Только дешифрование
Закрытый
Закрытый
Нет
Нет
Пакет данных не изменяется
Фигуре 82C
Обратная функция, а именно операция разделения, скремблирования и шифрования, показана на  схематически операцией ʺSSEʺ 1209 и символически операцией SSE 1213, включает разделение операцией разделения 1106, за которой следует независимо осуществляемая операция дескремблирования 926 сразу за операцией шифрования 1026. Переключатели 1211B и 1211A, имеющиеся на каждом входе, используются для отведения, по необходимости, пакетов данных на операцию скремблирования 926 или операцию шифрования 1026, соответственно. Например, если оба переключателя 1211B и 1211A на определенном входе являются ʺоткрытымиʺ, тогда все пакеты данных должны проходить и должны обрабатываться операцией скремблирования 926 и операцией шифрования 1026. После этого пакет данных будет непременно расшифровываться и скремблироваться. Если оба переключателя являются закрытыми, то операции ʺзамыкаютсяʺ и данные проходят через переключатели 1211B и 1211A, и не обрабатываются ни операцией скремблирования 926, ни операцией шифрования 1026. Это означает, что данные, которые проходят через операцию разделения, на выходе являются неизменными.
Если переключатель 1211B является закрытым и переключатель 1211A является открытым, то данные будут отведены от операции скремблирования 926, но будут обработаны операцией шифрования 1026. Это означает, что выходной пакет данных будет зашифрован, но не скремблирован. В противном случае, если переключатель 1211B является открытым и переключатель 1211A является закрытым, то данные будут обработаны посредством операции скремблирования 926, но будут отведены от операции шифрования 1026. Это означает, что выходные пакеты данных будут скремблированы, но не зашифрованы.
Как указано выше, так как операции скремблирования 926 и операции шифрования 1026 обычно реализуются в программном обеспечении, которое не имеет физических переключателей, отводящих сигнал, то переключатели 1211B и 1211A символически представляют операцию программного обеспечения. В частности, если переключатель, параллельный операции, является открытым, то применимое программное обеспечение выполняет операцию; и если переключатель, параллельный операции, является закрытым, то применимое программное обеспечение не выполняет операцию, а просто проходит вход и выход без изменений. На языке электроники, функция ʺзамыкаетсяʺ закрытым переключателем, так что сигнал остается необработанным. Комбинации суммированы в следующей таблице истинности, где переключатель 1211B одновременно с операцией скремблирования 926 известен как переключатель В и переключатель 1211А одновременно с операцией шифрования 1026 известен как переключатель А.
Переключатель B
Переключатель A
Скремблирование
Шифрование
Влияние пакета данных
Открытый
Открытый
Да
Да
Скремблирование, затем шифрование
Закрытый
Открытый
Нет
Да
Только шифрование
Открытый
Закрытый
Да
Нет
Только скремблирование
Закрытый
Закрытый
Нет
Нет
Пакет данных не изменяется
Фигуре 83A
Комбинация множественного входа DUM 1209 и множественного выхода SSE 1212 формирует универсальный элемент для обеспечения безопасной связи в соответствии с изобретением, называемым медиаузлом SDNP 1201, показанным на. Как показано на фигуре, данных, поступающие на любые множественные входы, могут быть сначала расшифрованы операцией дешифрования 1032, или операция дешифрования 1032 может быть отведена. Пакет данных может быть затем дескремблирован операцией дескремблирования 928, или операция дескремблирования 928 может быть отведена. Различные входные сигналы после обработки могут быть смешаны с помощью операции смешивания 1089 и впоследствии разделены на новые пакеты путем операции разделения 1106. Каждые индивидуальные выходные пакеты данных затем скремблируются операцией скремблирования 926, или, наоборот, операция скремблирования 926 отводится, и затем зашифровывается операцией шифрования 1026, или, наоборот, операция шифрования 926 может быть отведена.
a,j
Фигуре 83B
Название ʺмедиаузелʺ отражает применение программного обеспечения связи данного узла связи, или ʺпрограммного коммутатораʺ в соответствии с настоящим изобретением, в частности, для переноса, маршрутизации и обработки контента, представляющего в реальном времени голос, текст, музыку, видео, файлы, код и т.д., то есть медиаконтент. Медиаузел SDNP также представлен символически для удобства как медиаузел SDNP M, размещенный на сервере 1215, как показано на. При использовании того же кода возможны все комбинации обработки сигнала с использованием показанного медиаузла SDNP, включая следующие примеры:
Фигуре 83C
● ʺПроход по одному маршрутуʺ, где один ввод направляется на один вывод ʺкак естьʺ или, наоборот, путем вставки или удаления «мусорных» пакетов или разбор входящего пакета данных на несколько более коротких пакетов данных. Данная функция, показанная на схематически и символически как операция прохода по одному маршруту 1217A, является пригодной, когда медиаузел работает просто как сигнальный ретранслятор в сети. «Мусорные» и разборные функции 1053 и 1052, как показано на фигуре, являются неотъемлемым свойством операции смешивания пакета 1061 и операции разделения пакета 1057 и включены тут только с целью удобства.
Фигуре 83D
● ʺИзбыточная репликация маршрутаʺ, где один ввод копируется и отправляется ʺкак естьʺ на два или более вывода или, наоборот, путем вставки или удаления «мусорных» пакетов или разбора входящего пакета данных на несколько более коротких пакетов данных перед пересылкой идентичных копий и/или последовательностей данных на два или более выхода. Данная функция, показанная схематически и символически на как операция избыточной репликации маршрута 1217B, является пригодной при реализации ʺмаршрутизации гонкиʺ для VIP клиентов или срочной связи, то есть отправка двух копий разными путями и использование первой, которая поступает в пункт назначения. «Мусорные» и разборные функции 1053 и 1052 являются неотъемлемым свойством операции смешивания пакета 1061 и операции разделения пакета 1057 и включены тут только с целью удобства.
Фигуре 83E
● ʺОдномаршрутное скремблированиеʺ, где один ввод скремблируется и направляется на один вывод независимо от того, был ли предварительно зашифрован пакет. Как показано на, одномаршрутное скремблирование применимо для связи первой мили между клиентом и облаком или коммюнике перед разделением пакетов данных или смешиванием для многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Функция, представленная схематически и символически как операция одномаршрутного скремблирования 1217C, включает операцию разделения одного входящего пакета 1057; в этом случае используется только для «мусорных» вставок и удаления и для разбора, за которой следует только операция скремблирования 1268B.
Фигуре 83F
● ʺОдномаршрутное дескремблированиеʺ обратная операция для одномаршрутного скремблирования, показанная символически как операция одномаршрутного дескремблирования 1217D на , используется для возврата скремблированного пакета в состояние дескремблирования, независимо от того, был ли пакет предварительно зашифрован до скремблирования. Функция включает серию комбинаций операции дескремблирования 1226A, за которой следует операция одномаршрутного смешивания 1061, используемая для «мусорных» вставок и удалений и для разбора пакета.
Фигуре 83G
● Выполняя последовательно две предыдущие функции одномаршрутного дескремблирования и скремблирования, ʺодномаршрутное рескремблированиеʺ, показанное схематически и символически как операция одномаршрутного рескремблирования 1216C на , используется для динамического восстановления пакета скремблирования в единый маршрут.
Фигуре 83H
● ʺОдномаршрутное шифрованиеʺ, где один ввод зашифровывается и направляется на один вывод, независимо от того, был ли предварительно скремблирован пакет. Данная функция, представленная схематически и символически как операция одномаршрутного шифрования 1217E на , используется для связи первой мили вне облака или для коммюнике до разделения или смешивания пакетов данных для многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Функция, как показано на фигуре, включает операцию разделения пакета с единым входом 1057; в этом случае используется только для «мусорных» вставок или удалений и для разбора, за которыми следует только операция шифрования 1226D.
Фигуре 83I
● Обратной для одномаршрутного шифрования операцией является операция ʺодномаршрутного дешифрованияʺ, показанная символически как одномаршрутная операция дешифрования 1217F на , используется для возврата зашифрованного пакета в его незашифрованное состояние, независимо от того, был ли пакет предварительно скремблирован до шифрования. Функция включает серию комбинаций операции дешифрования 1226С, за которой следует операция одномаршрутного смешивания 1061, используемая для «мусорных» вставок и удалений и для разбора пакета.
Фигуре 83J
● Выполняя последовательно две предыдущие функции одномаршрутного дешифрования и шифрования, ʺодномаршрутное повторное шифрованиеʺ, показанное схематически и символически как операция одномаршрутного повторного шифрования 1216D на , используется для динамического восстановления пакета шифрования в единый маршрут.
Фигуре 83K,
● ʺОдномаршрутное скремблированное шифрованиеʺ, где один ввод скремблируется, зашифровывается и направляется на один вывод. Функция, представленная схематически и символически как операция одномаршрутного скремблированного шифрования 1217G на  применяется для связи первой мили вне облака или для коммюнике до разделения и смешивания пакетов данных для многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Функция, как показано на фигуре, включает операцию разделения пакета с единым входом 1057. В этом случае используется только для «мусорных» вставок и удалений и разбора, за которыми следует операция скремблирования и шифрования 1226E.
Фигуре 83L
● Обратной для операции одномаршрутного скремблированного шифрования является ʺОдномаршрутное дескремблированное дешифрованиеʺ, показанное символически как операция одномаршрутного дескремблированного дешифрования 1217G на , которая используется для возврата скремблированного зашифрованного пакета в исходное дескремблированное и незашифрованное состояние. Функция включает ряд комбинаций операции дешифрования дескремблирования 1226D, за которой следует операция одномаршрутного смешивания 1061, используемая для «мусорных» вставок и удалений и разбор пакета.
Фигуре 83M,
● Выполняя последовательно предварительные функции одномаршрутного дешифрования, дескремблирования, скремблирования и шифрования, ʺОдномаршрутное репакетированиеʺ, показано схематически и символически как операция одномаршрутного репакетирования 1216E на  применяется для динамического восстановления скремблирования и шифрования пакета в единый маршрут.
Figure 83N
● ʺЯчеистый вход шлюза SDNPʺ, именуемый ʺшлюзом SDNP с единым входом и множественными выходамиʺ, схематически и символический показан в качестве операции с единым входом и множественными выходами 1216F на . Тут единый ввод разделяется или направляется на несколько выводов для многомаршрутной или ячеистой передачи данных, независимо от того, был ли пакет предварительно скремблирован или зашифрован. Эта функция применяется для инициирования ячеистой маршрутизации дескремблирования дешифрования в шлюзе SDNP, включая «мусорные» и разборные функции 1053 и 1052 как неотъемлемое свойство операции разделения пакета.
Фигуре 83O
● Обратной для предварительной функции ячеистого входа в шлюз является ʺЯчеистый выход пакетного шлюзаʺ, также известный как ʺшлюз SDNP с множественными входами и единым выходомʺ, показан схематически и символически в качестве операции с множественными входами и единым выходом 1216G на . Тут единый ввод разделяется и направляется на несколько выводов для многомаршрутной или ячеистой передачи данных, независимо от того, был ли пакет скремблирован или зашифрован. Функция используется для повторной сборки компонентов пакетов сообщения в шлюзе SDNP для связи последней мили или для межоблачного транзитного перехода, то есть для завершения ячеистой маршрутизации SDNP. Необязательно включает в себя «мусорные» и разборные функции 1053 и 1052 в качестве неотъемлемой функции операции смешивания пакета.
Фигуре 83P
● ʺСкремблированный вход в шлюз SDNPʺ показан символически в качестве операции скремблирования с единым входом и множественными выходами 1217H на , где единый вход разделяется, отдельно скремблируется для каждого выхода, и направляется на множественные выходы для многомаршрутной или ячеисто передачи данных, независимо от того, был ли пакет предварительно зашифрован. Эта функция применяется для инициирования скремблированной ячеистой маршрутизации в шлюзе SDNP, включая необязательные случайную и разборную функции (не показанные) в качестве неотъемлемой функции операции смешивания.
Фигуре 83P.
● Обратной для предварительной функции скремблирования входа в шлюз является ʺДескремблированный выход шлюза SDNP ʺ, также известный как ʺдескремблированный с множественныи входами, с единым выходом шлюз SDNPʺ, показан символически в качестве операции дескремблирования с множественными входами и единым выходом 1217J на  Тут множественные ячеистые входы сначала независимо дескремблируются и затем смешиваются и направляются на единый выход или пользователю, независимо от того, был ли пакет зашифрован. Функция используется для сборки и дескремблирования компонентных пакетов сообщения в шлюзе SDNP для связи последней мили или для межоблачного транзитного перехода, то есть для завершения ячеистой маршрутизации SDNP. Необязательно включает в себя «мусорные» и разборные функции (не показано) в качестве неотъемлемой функции операции разделения пакета.
Фигуре 83Q
● ʺЗашифрованный вход в шлюз SDNPʺ показан символически в качестве операции шифрования с единым входом и множественными выходами 1217K на . Тут единый вход разделяется, зашифровывается независимо для каждого выхода; затем направляется на множественные выходы для многомаршрутной или ячеистой передачи данных, независимо от того, скремблировался ли пакет. Эта функция применяется для инициирования ячеистой маршрутизации шифрования в шлюзе SDNP, включая необязательные «мусорные» и разборные функции (не показано) в качестве неотъемлемой функции операции разделения.
Фигуре 83Q.
● Обратной для предварительной функции шифрования входа в шлюз является ʺДешифрованный выход шлюза SDNPʺ, показанный символически в качестве операции дешифрования с множественными входами и единым выходом 1217L на  Тут множественные ячеистые входы сначала независимо дешифруются для каждого входа и затем смешиваются и направляются на единый выход или пользователю, независимо от того, скремблировался ли пакет. Функция используется для сборки и дешифрования компонентных пакетов сообщения в шлюзе SDNP для связи последней мили или для межоблачного транзитного перехода, то есть для завершения ячеистой маршрутизации SDNP. Необязательно включает в себя «мусорные» и разборные функции (не показано) в качестве неотъемлемой функции операции смешивания пакета.
Фигуре 83R
● ʺСкремблированный зашифрованный вход в шлюз SDNPʺ символически показан в качестве операции скремблирования-шифрования с единым входом и множественными выходами 1217M на . Тут единый вход разделяется, затем скремблируется и впоследствии зашифровывается независимо для каждого выхода, и, наконец, направляется на множественные выходыдля многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Эта функция применяется для инициирования зашифрованной ячеисто маршрутизации в шлюзе SDNP. Необязательно включает случайную и разборную функции (не показано) в качестве неотъемлемой функции операции разделения.
Фигуре 83R
● Обратной для предварительной функции скремблирования-шифрования входа в шлюз является ʺДескремблированный дешифрованный выход шлюза SDNPʺ символически показан в качестве операции дескремблирования-дешифрования с множественными входами и единым выходом 1217N на . Тут множественные ячеистые входы сначала дешифруются, затем дескремблируются независимо для каждого входа, затем смешиваются и направляются на единый выход или пользователю. Эта функция применяется для сборки, дешифрования и дескремблирования компонентных пакетов сообщения в шлюзе SDNP для связи последней мили или для межоблачного транзитного перехода, то есть для завершения ячеистой маршрутизации SDNP. Необязательно включает случайную и разборную функции (не показано) в качестве неотъемлемой функции операции смешивания пакета.
Фигуре 83S.
● ʺЯчеистое рескремблированиеʺ символически показано в качестве операции дескремблирования-скремблирования с множественными входами и множественными выходами 1216A на Тут многомаршрутные или ячеистые входы сначала дескремблируются для каждого входа, независимо от того, шифруется ли пакет, сливаются в длинный пакет данных или эквивалентный, если возможно удаляя «мусорные» пакеты. Длинный пакет данных затем разделяется на множественные новые пакеты данных, по возможности вставляя «мусорные» данные. Каждый пакет данных затем независимо скремблируется и, наконец, направляется на множественные выходы для многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Функция используется для восстановления скремблирования до нового состояния или временного состояния, то есть для упрощения ʺрескремблированияʺ пакета данных, так как пакеты данных препятствуют облаку SDNP.
Фигуре 83S
● ʺЯчеистое повторное шифрованиеʺ символически показано в качестве операции дешифрования-шифрования с множественными входами и множественными выходами 1216B на . Тут многомаршрутные или ячеистые входы сначала дешифруются для каждого входа, независимо от того, скремблировался ли пакет, сливаются в длинный пакет данных или эквивалентный, если возможно удаляя «мусорные» пакеты. Длинный пакет данных затем разделяется на множественные новые пакеты данных, по возможности вставляя «мусорные» данные. Каждый пакет данных затем независимо дешифруется и, наконец, направляется на множественные выходы для многомаршрутной или ячеистой передачи данных. Функция используется для восстановления шифрования до нового состояния или временного состояния, то есть для упрощения ʺповторного шифрованияʺ пакета данных, так как пакеты данных препятствуют облаку SDNP.
Фигуре 83A
Фигуре 83B.
● ʺЯчеистое репакетированиеʺ предварительно показанное в схеме на  и в символической форме на Тут многомаршрутные или ячеистые входы сначала дешифруются и впоследствии дескремблируются независимо для каждого входа, а затем сливаются в длинный пакет данных или эквивалентный, если возможно удаляя «мусорные» пакеты. В одном примере длинный пакет данных должен содержать незашифрованный обычный текст или формат данных, отправленный пользователем. Впоследствии длинный пакет данных разделяется на множественные новые пакеты данных, по возможности вставляя «мусорные» данные. Каждый пакет данных затем независимо скремблируется, шифруется и, наконец, направляется на множественные выходы для многомаршрутной или ячеисто передачи данных. Функция используется для восстановления как скремблирования, так и шифрования нового состояния или временных состояний, то есть для упрощения ʺперепакетированияʺ пакета данных, так как пакеты данных препятствуют облаку SDNP.
Фигуре 84A
a,b
a,j
a,h
a,b
a,j
a,j
a,b
Вышеперечисленные преимущества не предполагают ограничение возможных перестановок или комбинаций, при которых используется описанный медиаузел SDNP. Например, количество входящих и выходящих каналов, то есть количество медиаузлов SDNP, присоединенных к определенному медиаузлу SDNP может варьироваться в пределах от одного до дюжины соединений на одно устройство. Четыре входа и выхода показаны для удобства. На  схематическая диаграмма, представляющая поток сигналов, иллюстрирует связь между любыми узлами, такими как медиаузлы M,Mand M, включающие компьютерные серверы 1220B, 1220J и 1220H соответственно, все используют программное обеспечение связи SDNP. Данный фигура показывает два соединения между двумя любыми медиаузлами - один, присоединенный от выхода из медиаузла, например, M,ко входу в другой медиузел, например, M и второе соединение от выхода из последнего медиаузла M ко входу первого медиаузла M. Эта фигура представляет уровень сетевого соединения 3, но не PHY или уровень передачи данных, который фактически может включать один кабель, линию связи по коаксиальному кабелю, витую пару, Ethernet, или спутниковый канал между медиаузлами связи. Из-за сетевого уровня предоставления, нет риска обратного питания, условий ʺгонки фронтовʺ, или неустойчивости, которая возникает по причине того, что выход устройства присоединен ко входу другого устройства и что выход устройства присоединен ко входу первого устройства, то есть схематически сеть не описывает электрическую обратную связь.
Фигуре 84B
a,b
a,d
a,f,
a,h,
a,j,
a,s,
a,q
Для того чтобы представить сеть связи или облако SDNP 1114 согласно изобретению, как показано на, массив компьютерных серверов, включающих серверы 1220B, 1220D, 1220F, 1220H, 1220J, 1220S и 1220Q, каждый сервер, которые использует программное обеспечение для введения в работу медиаузла SDNP 1215, создает защищенную сеть с соответствующими медиаузлами M,M,MMMMand M, представляющими часть узлов большого безопасного облака.
Компьютерные серверы необязательно должны использовать одну операционную систему (OS), при условии, что программного обеспечение, используемое на медиаузле SDNP 1215 должно включать выполняемую программу, соответствующую программному аппарату OS. Выполняемой программой является компьютерное программное обеспечение, используемое на указанной аппаратной платформе, которое выполняет специфические прикладные функции. Выполняемая программа создается с помощью составления ʺисходной программыʺ. По мере того, как исходная программа опознается как логически организованная последовательность операций, алгоритмов и команд, то исходная программа преобразуется в выполняемую программу, фактическую функциональность программы трудно или невозможно определить. Процесс является односторонним - исходная программа может генерировать выполняемую программу, но выполняемая программа не может использоваться для определения возникновения исходной программы. Это важно для предотвращения хищения операционной системы, поэтому хакеры могут только реверсировать фактическую программу.
Исходная программа является невыполнимой, потому что они используют язык и синтаксис программистов, но не машинные программы, которые используют специфическую операционную систему. Во время компилирующей операции для генерируемой выполняемой программы характерна одна операционная система iOS, Android, Windows 9, Windows 10, MacOS и т.д.. Выполняемая программа одной операционной системы не сможет использовать другую. Исходная программа, однако, может использоваться для генерирования выполняемой программы. Поэтому исходная программа сети SDNP доступна только для разработчиков исходной программы, а не операторам сети, использующим выполняемую программу SDNP.
Связность узлов в сети, в основном характерная для стандартных протоколов Ethernet, WiFi, 4G и DOCSIS, описанных в разделе предисловия данного применения, предусматривает общую структуру для соединения устройств способом, который не зависит от производителей или OS. В рабочем состоянии соединение сети доставляет и передает пакеты данных операционной системы сервера компьютера туда и обратно, которая направляет их туда и обратно от программного обеспечения SDNP, которое накладывается поверх компьютерной OS. Таким образом, основанная на медиаузле SDNP функция связи программного коммутатора может быть реализована на любом устройстве, независимо от производителя и может соответствовать любой крупной поддерживаемой операционной системе, включая UNIX, LINUX, MacOS 10, Windows 7, Windows 8 и т.д.
Фигура 84B
b,b
b,e
b,f,
b,g,
b,j,
b,s,
b,t
Другим принципом является то, что облако SDNP не имеет ни центрального управляющего устройства, ни единого устройства, решающего маршрутизацию пакетов, а также узловой точки, имеющую полное представление о посылаемых пакетов данных: какие они, куда направляются и как они смешиваются, разделяются, скремблируются и шифруются. Даже оператор сети не имеет полную картину траффика данных в сети. Как описано,  представляет сеть компьютеров в одном облаке. Значение нахождения в одном облаке является субъективным и произвольным термином и не должно ограничивать универсальность описанного изобретения. Второе облако, включающее медиаузлы M,M,MMMMи M (не показано) может включать различную географию или иметь разных сервисных провайдеров. Например, Amazon может использовать ʺОблако A,ʺ тогда как Microsoft ʺОблако B,ʺ а частная компания или ISP может использовать ʺОблако C.ʺ В целом, внутриузловая возможность соединения является лучшей и интенсивной внутри облака, чем для межоблачных соединений, которые меньше по числу и требуют использование истинных Internet-совместимых IP адресов для связи, вместо применения временной пакетной маршрутизации, определенной транслятором сетевых адресов (NAT).
В отношении представления функций, выполняемых любым SDNP, один принцип включения или обхождения функции виртуальными переключателями - или выполняя функцию, или оставляя данными неизменными, можно в равной степени применять к дискуссии выше или на альтернативном устройстве, где функции скремблирования и шифрования замещаются для того, чтобы осуществлять дескремблирование до дешифрования и осуществлять шифрование до скремблирования. С целью краткости, эти альтернативные потоки данных не иллюстрируются отдельно от понимания того, что последовательность может быть изменена до тех пор, пока не будет осуществлена обратная функция в противоположной операционной последовательности. Так как обработка пакета данных осуществляется в программном обеспечении, эта последовательность может быть изменена путем изменения последовательности алгоритма на основе данного случая или периодически. Например, ежемесячно, ежедневно, ежечасно или в порядке поступления запросов на соединения, времени или состояния.
Как описано выше, любая последовательность скремблирования, шифрования и смешивания может применяться так долго, насколько исходные данные восстанавливаются в таком же обратном порядке и таком же массиве данных. Изменения содержимого между операциями без изменений до дескремблирования, дешифрования, могут привести к безвозвратной потере данных и необратимому повреждению данных. С другой стороны, пакет может даже скремблироваться больше, чем один раз или шифроваться больше, чем раз в сгруппированном порядке до тех пор, пока соблюдается правило обратной последовательности для восстановления исходных данных. Например, приложение клиента может зашифровать сообщение при помощи собственного способа для создания зашифрованного текста при входе в шлюз SDNP. Шлюз медиаузла может зашифровать пакет во второй раз для передачи данных сети. Данный способ работает до тех пор, пока последний шлюз не дешифрует шифрование сети на основании ʺпакет-пакетʺ до того, как произойдет дешифрование приложения клиента.
Кроме случая шифрования, базируемого на основе клиента, для предотвращения риска повреждения данных и потери пакета, на одном устройстве согласно данному изобретению, существуют следующие положения для осуществления связи на основе SDNP:
● SDNP скремблирование пакета должно осуществляться в приложении клиента SDNP или при вводе облака SDNP в шлюз медиаузла SDNP,
● В идеале, шифрование SDNP должно происходить на каждом сетевом сегменте между двумя медиаузлами SDNP,то есть пакет данных расшифровывается до маршрутизации и дешифруется сразу при входе в следующий медиаузел SDNP.
● По меньшей мере, рескремблирование должно происходить каждый раз, как пакет данных входить или покидает облако SDNP для связи последней мили либо для межоблачных транзитных переходов. Если пакет данных зашифрован в SDNP,он должен быть дешифрован до того, как будет дескремблирован, а затем скремблируется снова до того, как он будет зашифрован снова.
● Перед смешиванием желательно дешифровать и дескремблировать входящие пакеты данных. Дешифрование и дескремблирование смешанных длинных пакетов может привести к повреждению данных. Также предпочтительнее скремблировать и дешифровать данные после разделения. Дешифрование и скремблирование смешанных длинных пакетов может привести к повреждению данных.
● «Мусорные» пакеты должны быть удалены из входящих пакетов данных после дешифрования и дескремблирования, но перед смешиванием. «Мусорные» удаления на смешанных длинных пакетах могут привести к повреждению данных. Также предпочтительнее вставлять «мусорные» данных после разделения, но до скремблирования и шифрования. «Мусорные» вставки на смешанных длинных пакетах могут привести к повреждению данных.
● Отдельно от шифрования положения пользователя, рескремблирование (то есть дескремблирование, а затем скремблирование) предпочтительнее не должно проводиться на зашифрованных данных.
● Случайные вставки данных должны выполняться согласованно для удобства вставки и удаления.
● Входящие пакеты данных должны быть дешифрованы и дескреблированы в соответствии со временем, состоянием и алгоритмами при которых происходит их шифрование и скремблирование. Выходящие пакеты данных должны быть зашифрованы и скремблированы в соответствии с текущем временем, ассоциированным состоянием и соответствующим алгоритмом.
● Незашифрованные пакеты предпочтительнее восстанавливать только внутри медиаузлов. Все пакеты скремблируются, зашифровываются, смешиваются, разделяются и/или содержат «мусорные» сегменты данных, пока они находятся в пути между медиаузлами.
Хотя вышеупомянутые способы представляют возможные способы в соответствии с изобретением, они не предназначены для ограничения возможно комбинации или последовательности функций SDNP. Например, зашифрованные пакеты могут затем скремблироваться, так что один и тот же пакет данных дескремблируется до дешифрования.
Фигуре 84C
a,h
a,f
a,j
При внедрении скремблирование только осуществляется внутри приложения клиента SDNP, а не с помощью медиаузлов в облаке SDNP. В таких случаях безопасная внутриузловая связь представляет собой последовательность шифрований и дешифрований, как показано на. Тут функциональные компоненты SDNP в медиаузле M, включающие операцию разделения 1106, операцию шифрования 1225A, операцию смешивания 1089 и операцию дешифрования 1225B, показаны эксплицитно, тогда как медиаузлы SDNP Mи Mизображены так, что выполняют функцию ячеистого повторного шифрования 1216B медиаузла SDNP только символически.
a,j
a,h
a,f
a,f
a,j
В работе данные, поступающие на медиаузел M из другого медиаузла (не показано) сначала направляются на операцию дешифрования 1225B на один из выходов из медиаузла M и на операцию смешивания 1089. Тут, если они поступают в одно и тоже время, пакеты объединяются с пакетами данных, поступающими из медиаузла M независимо, так что они обрабатываются другой операцией дешифрования 1225B. После смешивания пакеты данных разделяются на новые и различные комбинации с различными адресами, основанными на алгоритме разделения, который выполняется операцией разделения 1106. Индивидуальные выходы затем независимо зашифровываются отдельными операциями шифрования 1225A, а затем направляются на медиаузлы Mи M и на другие медиаузлы в сети.
a,f
a,j
a,h
a,j
a,h
a,f
В течение этой маршрутизации длинный пакет, существующий между операцией смешивания 1089 и операцией разделения 1106, в результате может содержать пакеты данных из одного и того же сеанса связи. Один пакет данных, перемещающийся от медиаузла Mмедиаузел M через медиаузел M. Другой пакет данных, перемещающийся с медиаузла M через медиаузел M на медиаузел M в одно и то же время, но в другом направлении. Из-за точного управления маршрутизацией в сети SDNP в соответствии с изобретением, описанным более детально далее в этом приложении, длинный пакет данных может в любое время содержать любую комбинацию зависимого и независимого контента; даже данные или звуковые фрагменты из того же дуплексного сеанса связи, идущего в противоположных направлениях. Если данные не поступают в одно и то же время, тогда пакеты данных проходят последовательно через медиаузел в противоположных направлениях без использования одного и того же длинного пакета. В любом случае, нет никакого взаимодействия или ухудшения производительности в медиаузле SDNP, несущем множественные сеансы связи в дуплексном режиме.
Фигуре 84D,
a,j
a,j
a,h
a,h
a,f
a,f
a,h
a,j
Несмотря на то, что вначале данная уникальная форма сетевой связи может показаться запутанной, представляя передачу данных способом, показанным на  быстро показывает простоту связи данных в медиаузле SDNP, даже если медиаузел поддерживает два направления дуплексной связи одновременно. Например, пакеты данных, показанные в виде заштрихованных линий, поступающих на медиаузел M,сначала проходят через операцию дешифрования 1032, затем операцию смешивания 1089, операцию разделения 1106 и операцию шифрования 1026 и, наконец, выходят из медиаузла M и поступают на медиаузел M в заново зашифрованном состоянии; и затем повторяя одну и ту же последовательность, но в новом времени и состоянии. Наконец, пакеты данных из медиаузла M поступают в медиаузел M, где они дешифруются, смешиваются, разделяются и повторно зашифровываются, а затем отправляются на другой медиаузел в облаке. Одновременно, проходящие в другом направлении данные,показанные как незаштрихованные линии, поступают в медиаузел M, где они дешифруются, смешиваются, разделяются и повторно зашифровуются, затем отправляются на медиаузел M и наконец поступают через медиаузел M на другие медиаузлы в облаке SDNP.
Связь последней мили.
Фигуре 85A
a,b
a,d
a,f,
a,h,
a,j,
a,s,
a,q
a,h
Канал связи между клиентом и облаком SDNP описан здесь как связь последней мили. Термин ʺпоследняя миляʺ включает в себя ʺпервую милюʺ, соединение между источником вызова и облаком, так как вся связь является неизменно двусторонней и включает отправленное сообщение и ответ, или возможно дуплексную связь. Как таковой, термин ʺпоследняя миля,ʺ как тут употребляется, означает любое соединение между клиентом и облаком SDNP независимо от того, инициировал ли клиент звонок или был вызван человек, то есть реципиент. Пример связи последней мили показан на . Тут облако SDNP 1114 включает сеть компьютерных серверов 1118, использующих программное обеспечение для управления медиаузлами SDNP M,M,MMMMи M, вместе представляющих, по меньшей мере, часть узлов защищенного облака. В частности, в показанном примере, компьютерный сервер 1220H, содействующий медиаузлу SDNP M, работает как медиаузел шлюза SDNP, соединенный прямо или непрямо с базовой станцией LTE 17 и соединен через ячеистую башню 18 и радиолинию 13 к сотовому телефону 32 как клиент. Как использован тут, термин ʺузел шлюзаʺ или ʺмедиаузел шлюзаʺ относится к медиаузлу, который соединяется с узлом вне сети SDNP, обычно это устройство клиента, такое как сотовый телефон или компьютер, и в этом случае, соединение между узлом шлюза и устройством клиента является соединением ʺпоследней милиʺ.
Фигуре 85B
a,h
Пример, где безопасный узел шлюза SDNP соединяется с небезопасной последней милей, показан на , например, узел шлюза SDNP соединяется с телефоном, который не имеет установленное на нем приложение SDNP. Как показано на фигуре, сотовый телефон 32 присоединен путем радиосвязи 28 к ячеистой башне 18, который отправляет и получает пакеты данных от сотового телефона 32 и преобразует их в кабельную связь, такую как Ethernet, волоконно-оптический кабель, коаксиальный кабель, медный кабель и т.д., использующий базовую станцию LTE 17. Несмотря на то, что пакеты данных осуществляются двунаправленно на едином сетевом PHY уровне 1 связи, проводной, кабельной, радио или спутниковой линии связи, поток данных представлен отдельно для пакетов, отправленных из сотового телефона 32 на медиаузел SDNP M и наоборот. Как показано на фигуре, последняя миля является небезопасной до тех пор, пока используемое приложение в сотовом телефоне имеет встроенное шифрование и вызываемое лицо использует то же приложение с тем же шифрованием.
a,h
a,f,
a,f
В процессе работы пакеты данных посылаются из сотового телефона на медиаузел шлюза SDNP M, не дешифруются и не скремблируются, потому что эти функции отключены, то есть замкнуты и, как таковые, не показаны. Вместо этого входящие пакеты данных поступают прямо на операцию смешивания 1089, смешивая их с другими пакетами, а затем разделяя их на множественные выходы для ячеистой передачи данных с помощью операции разделения 1106. Затем каждый из этих выходов защищается с помощью операции скремблирования 926 и операции шифрования 1026 до передачи данных. Один выход, показанный в качестве примера, направляется на медиаузел M в сервере 1220F. В свою очередь, сообщение может быть обработано медиаузлом M для межоблачной связи, как описано выше, и направляется дальше на другой медиаузел. Например, медиаузел Ma,j компьютерного сервера 1220J.
a,f,
Потоки данных с облака на сотовый телефон из медиаузла M в сервере 1220F и из других медиаузлов обрабатываются в обратной последовательности, начиная с операций дешифрования 1032 и дескремблирования с помощью операции дескремблирования 928, а затем смешиваясь с другими входящими пакетами во временный длинный пакет путем операции смешивания 1089. Затем длинный пакет разделяется на части путем операции разделения 1106, направляя некоторые пакеты в сети и разделяя пакеты, которые должны быть отправлены на сотовый телефон 32. Эти пакеты можно отправлять вместе или разбирать и отправлять последовательно в отдельные пакеты обратно на базовую станцию LTE 17 и далее на сотовый телефон 32.
Пакеты данных, проходящие по сети, могут быть повторно зашифрованы и рескремблированы, как описано выше. В противном случае, в одном варианте пакеты данных остаются скремблированными без рескремблирования по всеу облаку, но их можно повторно зашифровать на каждом медиаузле. При такой системе однократного скремблирования и однократного дескремблирования, скремблирование происходит в узле шлюза, где пакеты входят в облако; и дескремблирование происходит в узле шлюза, где пакеты покидают облако, то есть в медиаузле шлюза первой и последней миль. Хотя, как отмечалось выше, медиаузел, соединенный с первой или последней милей, можно назвать узлом шлюза. На самом деле он содержит одно и то же программное обеспечение медиаузла SDNP и функциональность, как и любой другой медиаузел в облаке, но функционирует по-разному при контакте с клиентом.
Фигуре 85C,
a,f
a,h
a,h
a,h
Другой опцией для осуществления однократной скремблированной и однократной дескремблированной связи SDNP является осуществление скремблирования в устройстве клиента с помощью программного обеспечения. Как показано на в соединении между сотовый телефоном 32 и медиаузлом SDNP M на компьютерном сервере 1220F, медиаузел SDNP M выступает как медиаузел шлюза между клиентом и облаком SDNP, где медиаузел шлюза SDNP M включает операцию смешивания 1089, операцию разделения 1106, операцию шифрования 1225A, операцию скремблирования 1226B, операцию дешифрования 1225B и операцию дескремблирования 1226A. Как было указано выше, любой медиаузел, узел связи, обозначенный как узел M, способен выполнять любую комбинацию всех операций безопасности, то есть смешивания и разделения, шифрования и дешифрования, скремблирования и дескремблирования и т.д. В процессе работы пакеты данных скремблируются в сотовом телефоне 32 с помощью программного обеспечения SDNP, перемещаются по радиосвязи 28 в башню LTE 18, где базовая станция LTE 17 преобразует сигналы в Ethernet, оптический кабель или в другую проводную линию связи на узел шлюза SDNP. В зависимости от локального носителя части этой связи могут содержать трафик через частный NAT или включать данные, перемещающиеся через Internet. Затем пакеты данных направляются из базовой станции LTE 17 на медиаузел SDNP M, который выступает в качестве узла шлюза SDNP.
a,f
a,f
Затем входящий пакет данных направляется для прохождения операции 1216H, и впоследствии смешивается с другими входящими пакетами данных с помощью операции смешивания 1089, а затем разделяется операцией разделения 1106 с пакетами данных из сотового телефона 32, направленными на медиаузел M через операцию шифрования 1225A. Таким образом, данные, проходящие через облако, зашифровываются с помощью шлюза, но скремблируются с помощью приложения клиента SDNP. И, наоборот, зашифрованный и скремблированный трафик данных из облака SDNP направляется через медиаузел M, проходит через операцию дешифрования 1225B, смешивается операцией смешивания 1089 и разделяется на новые пакеты операцией разделения 1106, извлекая пакеты данных из сотового телефона 32, как их пункта назначения, и направляя пакеты данных на сотовый телефон 32, немодифицированный переходной операцией 1216H. Таким образом, целая связь скремблируется от начала до конца, но только зашифровывается внутри облака SDNP.
Фигуре 85D
a,f
a,h
a,h
a,h
Модификация вышеупомянутого способа все еще обеспечивает скремблирование как в последней миле, так и в облаке, но скремблирование последней мили отличается от скремблирования в облаке. Как показано на , в соединении между сотовый телефоном 32 и медиаузлом SDNP M на компьютерном сервере 1220F, медиаузел SDNP M выступает в качестве узла шлюза между клиентом и облаком SDNP, где медиаузел SDNP M включает операция смешивания 1089, операцию разделения 1106, операцию скремблирования и шифрования 1226C, операцию дешифрования и дескремблирования 1226D, операцию скремблирования 1226B и операцию дескремблирования 1226A. В процессе работы пакеты данных скремблируются в сотовом телефоне 32 с помощью программного обеспечения SDNP, перемещаются по радиосвязи 28 в башню LTE 18, и базовая станция LTE 17 преобразует сигналы в Ethernet, оптический кабель или в другую проводную линию связи на узел шлюза SDNP. В зависимости от локального носителя, части этой связи из сотового телефона на базовую станцию 7 могут содержать трафик через частный NAT или включать данные, перемещающиеся через Internet. Затем пакеты данных направляются из базовой станции LTE 17 на медиаузел SDNP M, который выступает в качестве узла шлюза SDNP.
a,f
a,f
Затем входящий пакет данных направляется на операцию дескремблирования 1226A и впоследствии смешивается с другими входящими пакетами данных с помощью операции смешивания 1089, а затем разделяется операцией разделения 1106 с пакетами данных из сотового телефона 32, направленных на медиаузел M через операцию скремблирования и шифрования 1226C. Таким образом, данные, проходящие через облако, зашифровываются и скремблируются с помощью узла шлюза, но другим способом, чем скремблирование, используемым приложением клиента SDNP для безопасности последней мили. И, наоборот, зашифрованный и скремблированный трафик данных из облака SDNP направляется через медиаузел Mчерез операцию дешифрования и дескремблирования 1226 D. Затем смешивается операцией смешивания 1089 и разделяется на новые пакеты операцией разделения 1106, извлекая пакеты данных из сотового телефона 32, как их пункта назначения, и направляя пакеты данных на сотовый телефон 32 с помощью операции скремблирования 1226B. Пакеты данных, входящие в сотовый телефон 32 дескремблируются приложением с поддержкой SDNP. Таким образом, связь в облаке как зашифровывается, так и скремблируется в медиаузлах, тогда как последняя миля скремблируется в узле шлюза и в приложении телефона в отличие от скремблирования облака. Одним важным аспектом скремблирования и дескремблирования пакетов данных в телефоне является способ, используемый для передачи информации о состоянии, числовых ключах или разделенных секретах между облаком и клиентом. Данный предмет рассматривается далее в этом документе.
Фрагментированная передача данных.
Фигуре 86
a,b
a,d
a,f,
a,h,
a,j,
a,s,
a,q
Согласно данному изобретению, сеть компьютерных серверов, использующих программное обеспечение для выполнения функций медиаузла SDNP, облегчает глобальную безопасную связь с широким спектром устройств на основе фрагментации данных в связи с коммутацией пакетов. Как показано на, облако SDNP 1114, включающее сеть компьютерных серверов, которые использует программное обеспечение для оперирования медиаузлами SDNP M,M,MMMMand M и другими, не показанными, может быть присоединено к большому количеству устройств и клиентов, включая: (a) базовую станцию LTE 17 с радиоузлами 28 к сотовому телефону 32 и планшету 33. Базовая станция 17 также может быть связана по радио с любым устройством с поддержкой may LTE; (б) общественной системой WiFi 100 с WiFi антенной 26, обеспечивающей радиосвязь WiFi 29 с ноутбуком 35 или планшетами, сотовыми телефонами, электронными книгами и другими устройствами, подключенными к WiFi, включая интернет-устройства; (в) кабель CMTS 101, присоединенный оптическим кабелем или коаксиальным кабелем к кабельному модему 103 и затем к рабочему столу компьютера 36 или домашней станции WiFi, Ethernet-присоединенным устройствам и т.д..; (г) кабель CMTS 101, присоединенный оптическим кабелем или коаксиальным кабелем к установленной верхней коробке TV STB 102 и затем к HDTV 39; (д) проводное соединение с интернет-роутерами 66A, 66B, 66C; (е) профессиональные радиосети 14, такие как TETRA и EDAC, присоединенные путем радиобашни 15 к портативной радиостанции дуплексной связи 16B, базовым станциям 16A и профессиональным транспортным средствам 40; (ж) корпоративная широковещательная служба PBX 8 и настольные телефоны 9; и (з) PSTN мост 3 к обычным телефонным сетям POTS. Как показано на фигуре, любой медиаузел SDNP может функционировать как узел шлюза.
Фигуре 87
Простая иллюстрация передачи пакетов данных показана на , на котором изображены примеры связи, основанной на облаке SDNP между планшетом 33 и автомобилем 1255, включающем пакеты данных 1056, последовательно 2A, 2B, 2C, 2D, 2E и 2F, и между ноутбуком 35 и сотовым телефоном 32, включающем пакеты данных 1055, последовательно 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, и 1F. Другой пакет данных 1250, последовательно как 3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F; пакет данных 1252, последовательно как 4A, 4B, 4C, 4D, 4E и 4F; и пакет данных 1251, последовательно как 5A, 5B, 5C, 5D, 5E и 5F, также передаются через сеть одновременно с пакетами данных 1255 и 1256. Краткие пакеты представляют составные части в различное время в течение передачи для иллюстрации динамического характера сетевой передачи данных.
В показанном примере данные каждого пакета скремблируются таким образом, что последовательность сегментов данных может быть в случайном порядке или случайно оказаться в порядке возрастания. Сегменты данных одного коммюнике или сеанса связи могут также чередоваться с несвязанными сегментами данных. В результате, очень маловероятно, чтобы пакет данных, однократно входящий в облако SDNP, не смешивался с другими несвязанными сегментами данных. Фактически в любом конкретном пакете данных, проходящим через два медиаузла SDNP, смешивание несвязанных сегментов данных и скремблирование порядка этих пакетов является нормальным условием. Благодаря большому количеству или сеансу связи и пакетам данных, проходящих через облако одновременно, есть вероятность того, что все данные, оставшиеся в одном пакете данных, будут статистически удалены. В отсутствие достаточных данных, операция смешивания в медиаузлах предоставляет «мусорные» данные. Включение различных сегментов данных несвязанных данных, как показано на фигуре, иллюстрирует принцип смешивания коммюнике и сеансов связи в пакетах данных в течение передачи данных SDNP, но не точно отражает истинное количество и частоту несвязанных данных или «мусорных» сегментов данных и заполнителя, присутствующего в пакетах данных.
Фигура 88A
Фигуре 88B
0
a,q
a,h
a,b
a,s
1
a,b
a,j
a,h
показывает начало сеанса связи во времени t и соответствующем состоянии 990 из ноутбука 35 на сотовый телефон 32, начиная с пакета данных 1055 и несвязанных пакетов данных 1056 и 1250 через 1252, входящий в сеть через различные узлы шлюзов, включая M, M, M, и M. Как показано на , во времени t и соответствующем состоянии 991, пакет данных 1055 разделяется на несколько частей пакетов данных. Один такой пакет данных 1261A, включающий сегменты данных 1A и 1B в порядке возрастания, но смешивается с несвязанными сегментами данных, направляется на медиаузел M. Пакет данных 1261B, включающий сегменты данных 1D, 1C и 1F в скремблированном порядке и также смешиваемый с несвязанными сегментами данных, направляется на медиаузел M, и пакет 1261C, включающий сегмент данных 1E, направляется на медиаузел M.
Фигуре 88C
2
a,s.
a,d
a,d
a,f
a,f
Как показано на , во времени t и соответствующем состоянии 992, данные разделяются на несколько комбинаций частей пакетов данных. В частности, пакет данных 1261A разделяется на новые пакеты данных 1262A и 1262B, где пакет данных 1262A, включающий сегмент данных 1A и другие сегменты данных направляется на медиаузел M, тем временем как пакет данных 1262B, включающий сегмент данных 1B, направляется на медиаузел M. Пакет данных 1261B также разделяется на компоненты пакетов данных 1262C и 1262D, где пакет данных 1262C, включающий сегменты данных 1C и 1F в порядке возрастания, но смешиваемый с несвязанными сегментами данных, направляется на медиаузел M, в то время, как компонент пакетов данных 1262D, включающий сегмент данных 1D, направляется на медиаузел M. При этом, пакет данных 1262E, включающий сегмент данных 1E, продолжает переход один или смешивается с несвязанными пакетами данных (не показаны) на медиаузел M.
Фигуре 88D
Фигуре 88E
Фигуре 88F
3
a,d
a,d
4
a,d
Как показано на , во времени t и соответствующем состоянии 993,пакет данных 1263A, включающий сегмент данных 1A, и пакет данных 1263C, включающий сегменты данных 1D и 1E, доставляются на медиаузел M, тогда как пакет данных 1263B, включающий сегменты данных 1B, 1C и 1F, ожидает их прибытия на тот же медиаузел M. Как показано на , во времени t и соответствующем состоянии 994, медиаузел Mсмешивает пакеты данных 1263A, 1263B и 1263C, восстанавливая исходный пакет данных 1055, и направляет пакет данных 1055 на сотовый телефон 32, либо вместе, либо по частям. Краткое описание передачи пакетов данных между ноутбуком 35 и сотовым телефоном 32, показано на.
Фигуре 89A
Фигуре 89B
0
1
a,q
a,j
Как показано на , независимо от и одновременно со связью между ноутбуком 35 и сотовым телефоном 32, планшет 33 связывается с автомобилем 1255, начиная со времени t и соответствующем состоянии 990, когда пакет данных 1056 входит в безопасное облако 1114. Как показано на , во время t и в соответствующем состоянии 991, входящий пакет данных 1056 разделяется на компоненты пакетов данных 1261D и 1261E, где пакет 1261D, включающий сегменты данных 2B и 2C в скремблированном, но в случайном порядке возрастания, направляется на медиузел M, и пакет 1261E, включающий сегменты данных 2E, 2F, 2A и 2D в скремблированном порядке, направляется на медиаузел M.
Фигуре 89C
2
i,j,
a,f
a,d
2
a,s
Как показано на , во времени t и в соответствующем состоянии 992, пакет данных 1261D модифицируется, скремблируя порядок данных и вставляя сегменты данных с других источников для создания пакета данных 1262F. Аналогично, пакет данных 1261E разделяется медиаузлом Mна несколько пакетов данных 1262G, 1262H и 1262J. Пакет данных 1262J, включающий сегмент данных 2A, направляется на медиаузел M. Скремблированный пакет данных 1262H, включающий сегменты данных 2D и 2E, смешиваемый с числом несвязанных сегментов данных, направляется на медиаузел M. Также, во времени tпакет данных 1262G, включающий сегмент данных 2F, направляется на медиаузел M.
Фигуре 89D
Фигуре 89E
Фигуре 89F
Фигуре 89G
3,
a,s
a,d
4
a,s
f
Как показано на , во времени tи в соответствующем состоянии 993, пакет данных 1263D, включающий сегменты данных 2B и 2C в порядке возрастания, направляется на узел M, где пакет данных 1263E, включающий сегмент данных 2F, ожидает прибытия других пакетов. Одновременно, пакет данных 1263G направляется на медиаузел M, где пакет данных 1263F, включающий сегменты данных 2D и 2E в порядке убывания, ожидает. Это показывает, что в сети SDNP, пакеты данных могут быть отправлены немедленно или по желанию могут временно удерживаться. Как показано на , во времени tи в соответствующем состоянии 994, пакет данных 1264B, включающий сегменты данных 2D, 2A и 2E в порядке скремблирования, направляется на медиаузел M, где пакет данных 1264A, включающий сегменты данных 2B, 2C и 2F, ожидает. Как показано на , во время t последний пакет данных 1056 собирается и направляется на автомобиль 1255, или, наоборот, все компоненты сегментов данных последнего пакета данных 1056 направляются в несмешанной форме на автомобиль 1255 и снова собираются там. Краткое изложение маршрутизации пакетов данных 1056 из планшета 33 на автомобиль 1255, показано на.
Фигуре 87
Как показано на фигуре, пакеты данных, проходящие через облако SDNP, переносят одновременно несколько сеансов связи на различные расстояния, динамически изменяя контент с одного медиаузла SDNP на следующий. Нет никакого неблагоприятного воздействия, потери данных или утечки от одного сеанса связи, с другим через смешивание или разделение несвязанных сегментов данных. Например, как показано на, пакет данных 1257 содержит сегменты данных 1C и 1F, направленные на сотовый телефон 32, сегменты данных 2D и 2E, направленные на автомобиль 1255, и другие несвязанные сегменты данных и «мусорные» данные, все из которых доставляются в разные места назначения, не подверженные временному обмену пакетами данных с другими несвязанными сегментами данных.
Фигуре 90
1
a,j
Более того, поскольку ни один пакет данных не содержит полного слова, звука или сеанса связи, фрагментация данных и ячеистая маршрутизация, используемые медиаузлами SDNP согласно данному изобретению, делают содержимое пакета данных непонятным и неуязвимым для людей при средних атаках. Как показано на, во время t, злоумышленник-нарушитель 630, анализирующий трафик пакетов данных при переходе в и из медиузла M, видит только зашифрованные пакеты 1270A, 1271A, 1272A и 1273A. Маловероятно, когда зашифрованные файлы нарушаются, базовое содержимое открытых текстов из пакетов 1270B, 1271B, 1272B и 1273B включает скремблирование смешение сегментов данных. Это условие данных сохраняется только на долю секунды, прежде чем новые пакеты данных пройдут через один и тот же медиаузел. Даже без скремблирования и смешивания, ограниченное время, доступное для дешифрования пакета данных перед его повторным шифрованием, рескремблированием, повторным разделением или репакетированием, делает невозможными даже суперкомпьютерные атаки.
Фигура 91A
Фигуре 87
2
3
4
иллюстрирует динамическое состояние медиапередачи данных SDNP, используя время как основу передачи данных. Данные, показанные тут, такие же, как наложение данных, показанное на диаграмме сети на . В представлении, основанном на времени, пакет данных 1056 с планшета 33 разделяется на пакеты данных 1261A, 1261B и 1261C. Во время t, пакет 1261A разделяется на новые пакеты данных 1262A и 1262B и пакет данных 1261B разделяется на новые пакеты данных 1262C и 1262D; и пакет данных 1261C обновляется до пакета данных 1262E без изменения контента. Во время t, пакет данных 1262A обновляется до пакета данных 1263A без изменения его контента; и пакеты данных 1262B и 1262C смешиваются в пакет данных 1263B, тогда как пакеты данных 1262D и 1262E смешиваются в пакет данных 1263. Во время t, пакеты данных 1263A, 1263B и 1263C смешиваются для восстановления пакета данных 1055.
Фигуре 91B
3
Передача данных SDNP может быть также представлена в форме таблицы. Например, таблица 1279, показанная на , показывает обработку пакетов данных во времени t, показывая исходные медиаузлы, входящие пакеты, время, когда входящие пакеты были зашифрованы, время, когда входящие пакеты были скремблированы, последнее время, когда пакеты данных смешались и разделились, то есть слились, и полученные выходящие пакеты. Медиаузел использует данную информацию, чтобы знать, что делать с входящими пакетами данных, как репакетировать данные и как повторно зашифровать или рескремблировать данные, если это необходимо.
Фигуре 91C
Фигуре 87
1
2
2
3
3
Как показано на, еще одним аспектом динамического характера медиапередачи данных SDNP является способность временно удерживать пакеты в медиаузле, ожидая прибытия других пакетов. Используя одни и те же данные, как показано выше на , данный механизм иллюстрирует пакет 1056 на основе времени. Во времени t, входящий пакет данных 1056 скремблируется, а затем разделяется на пакет данных 1261D, включающий сегменты данных 2B и 2C, и пакет данных 1261E, включающий пакеты 2A, 2D, 2E и 2F. Во время t, коммюнике распадается на четыре части, пакеты данных 1262F, 1262G, 1262H и 1262J, последние три являются результатом разделение пакета данных 1261E на пакет данных 1262G, включающий сегменты данных 2F; пакет данных 1262H, включающий сегменты данных 2D и 2E; и пакет данных 1262J, включающий сегмент данных 2A. Пакет данных 1261D, включающий сегменты данных 2B и 2C, перемещается по сети с неизменным содержимым, то есть как пакет данных 1262F во времени t, и как пакет данных 1263D во времени t. Аналогично, в момент времени t, пакет данных 1262J, включающий сегмент данных 2A, остается с неизменным содержимым как пакет данных 1263G.
Фигура 91C
3
4
a,s
a,s
a,s
a,s
4
a,s
Чтобы представить пакет данных, который временно хранится в медиаузле,  иллюстрирует пакет данных, перемещающийся из заданного медиаузла на один и тот же медиаузел с соответствующими коэффициентами нарастания времени. Например, между временем t и временем t, пакет данных 1263E, включающий сегмент данных 2F, так же как и его предшествующий пакет данных 1262G, перемещается из медиаузла M на медиаузел M, то есть пакет не перемещается. Несмотря на стационарное состояние пакета данных, шифрование и скремблирование может измениться, чтобы отразить обновленное время, схематическое изображение содержимого пакета данных 1263E, перемещающегося из исходного медиузла Mна медиаузел с идентичным местом назначения M в момент времени t означает, что он хранится в памяти медиаузлом M.
3
4
a,d
a,d
4
a,s
3,
a,s
4
a,d
a,s
f
a,s
4
Аналогично, между временем t и временем t, пакет данных 1263F, включающий сегменты данных 2D и 2E, так же как и его предшествующий пакет данных 1262H, перемещается из медиаузла M на медиаузел M. Это означает снова, что пакет не перемещается и хранится временно в памяти. В момент времени t входящий пакет данных 1263D смешивается в медиаузле M с пакетом данных 1263E, который хранился в памяти с момента времени t что приводит к новому объединенному пакету 1264A, включающему сцепленные данные сегментов 2B, 2C и 2F. Этот новый пакет данных 1264A остается на хранение в медиаузле M, ожидая больше входящих данных. Тем временем, в момент времени t в медиаузле M, пакеты данных 1263F и 1263G смешиваются и направляются на медиаузел M, как пакет данных 1264B, включающий сегменты данных 2A, 2D и 2E. В момент времени t, входящий пакет данных 1264B смешивается со стационарным пакетом данных 1264A, ожидающим в медиаузле M с момента времени t, создавая исходный пакет данных 1056, отправляемый на автомобиль 1255.
Как описано, в способах, показанных в соответствии с изобретением, данные могут проходить через облако SDNP или оставаться неподвижными в определенном медиаузле, ожидая поступления входящих данных перед обработкой.
Транспортная команда и управление.
Для того, чтобы медиаузлу знать, как обрабатывать входящие пакеты данных, он должен как-то получить информацию относительно алгоритмов, начальных чисел и ключей, которые будут использоваться в скремблировании, дескремблировании, шифровании, дешифровании, смешивании, разделении, вставке и удалении «мусорных» и разборных пакетов данных. Эта важная информация может передаваться различными способами или их комбинацией, включая
● Направляя разделенные секреты на медиаузел как часть установки программного обеспечения SDNP или новых версий,
● Направляя контрольные данные через медиаузлы перед отправкой контента,
● Направляя контрольные данные через медиаузлы Passing control data как часть пакета данных,
● Направляя контрольные данные через канал данных, отдельный от медиаузлов, которые обмениваются информацией. Например, через сеть ʺсервера сигналовʺ, работающую параллельно медиаузлам,
● Сохраняя информацию об идентичности устройств, присоединенных к сети SDNP, и их соответствующие IP или SDNP адреса на серверах SDNP, отдельные от сигнальных серверов или серверов, работающих в качестве медиаузлов, несущих контент.
Фигуре 92A
Фигуре 91B
3,
a,d
.
a,d
2
1
2
a,d
1
2
1
2
a,d
a,d
Например, как показано на , в момент времени t которое соответствует состоянию 993 пакет данных 1262B, включающий сегмент данных 1B, пакет данных 1262C, включающий сегменты данных 1C и 1F, и пакет данных 1262H, включающий несвязанные сегменты данных, входят в медиаузел M. После вхождения в медиаузел входящие пакеты данных 1262B, 1262C и 1262H, которые для ясности показаны в дешифрованной форме, сначала обрабатываются операциями дешифрования и дескремблирования. Затем пакеты данных 1262B, 1262C и 1262H смешиваются, включая сбор частей, удаляя «мусорные» биты, чтобы создать выходящий пакет данных 1263B, включающий сегменты данных 1B, 1C и 1F Чтобы выполнить данную задачу, компьютерный сервер 1220D, который является хостом для медиаузла M, должен вначале получить определенную информацию, относительно времени и соответствующих состояний, используемых для создания входящих пакетов данных. Данная информация может содержаться в пакете данных как заголовок или отправлен заранее на медиаузел из сигнального узла или другого медиаузла. Как описано в таблице на , эти входящие пакеты данных были в последний раз зашифрованы в момент времени were t. Пакеты были скремблированы в последний раз в момент времени t, что соответствует состоянию 1301A, или, возможно, в момент времени t, что соответствует состоянию 1301B. Данная информация должна быть предоставлена на узел Mдля правильной обработки входящих данных в соответствии с условиями, используемыми для создания пакетов данных. Информация о состоянии в моменты времени t и t, используется для создания соответствующих ключей D 1306A и 1306, необходимых для пакетного дешифрования входящих пакетов с помощью генератора ключей D 1305A и генератора ключей D 1305B. Генераторы ключей дешифрования выполняются с помощью программного обеспечения, расположенного на сервере DMZ, присоединенного к узлу связи M. Общие указания по эксплуатации и генерированию шифрования и дешифрования ключей были описаны в предисловии к этому документу. В противоположность статическому шифрованию, шифрование в сети SDNP является динамическим. Это означает, что единственный путь для создания правильного ключа дешифрования - это информация о файле, который был зашифрован. Эта информация передается как время и состояние, доставленные вместе с входящим пакетом данных, или, наоборот, до поступления пакета; и используется для выбора нужного алгоритма шифрования для генерирования ассоциированного генератора ключей. Алгоритмы шифрования и их ассоциированные генераторы ключей дешифрования хранятся как разделенные секреты на безопасном сервере DMZ, присоединенным к узлу связи M.
1
2
a,d
Несмотря на то, что пакеты данных могут быть зашифрованы, с целью иллюстрации, пакеты данных показаны в их незашифрованном виде. Такая же информация о состоянии также применяется к множественным начальным числам генератора 1303 для создания соответствующих множественных начальных чисел 1304A и 1304B для определения алгоритмов, используемых в моменты времени t и t для создания пакетов данных. Начальные числа могут генерироваться двумя способами. В первом случае начальные числа генерируются, используя программное обеспечение, расположенное на сервере DMZ, присоединенном к медиаузлу, где происходит скремблирование, смешивание и шифрование передаваемых пакетов данных. В таких случаях, начальные числа должны быть доставлены на узел связи M до поступления пакета данных.
a,d
a,d.
a,d
a,d
Во втором случае, время создания входящего пакета, который поступает на узел связи M, как часть заголовка входящего пакета данных или в отдельном пакете, доставленном заранее данных. Затем время поддается в числовой генератор 1303, расположенный на сервере DMZ, прикрепленном к узлу связи M Независимо от того, где они генерируются локально или на источнике и затем подаются, генерируемые начальные числа подаются в селектор 1307, содержащий таблицы скремблированных алгоритмов 1308A, алгоритмов смешивания 1308B, и алгоритмы шифрования 1308C. Помимо начальных чисел или информации о состоянии, связанной с пакетами данных, то есть содержащейся в пределах заголовка пакета или доставленной заранее пакета данных, алгоритмы используются для создания входящих пакетов данных, не переносятся или содержатся внутри пакета, но присутствуют локально или внутри медиаузла M или на безопасном сервере, к которому у медиаузла есть доступ. Данные алгоритмы, хранящиеся локально как разделенные секреты для специальной области 1302A, в данном случае зона Z1, объединяются с каждым медиаузлом одной и той же зоны. Зная время и состояние, когда пакет данных был создан, медиаузел M способен определить, как каждые из пакетов 1262B, 1262C и 1262H были созданы и как отменить процесс восстановления данных открытого текста каждого из пакетов 1262B, 1262C и 1262H. Например. Как дешифровать зашифрованный пакет, дескремблировать скремблированный пакет и т.д. Использование разделенных секретов, а также как они распределяются, описано далее в приложении.
Фигуре 92A
a,d
Ключи дешифрования 1306A и 1306B функционируют вместе с выбранным алгоритмом шифрования 1309C для дешифровки зашифрованного текста в открытый текст. В частности, алгоритм шифрования 1309C представляет последовательность математических этапов, которые могут использоваться для преобразования пакета данных из зашифрованного текста в открытый текст. Ключи дешифрования 1306A и 1306B затем выбирают специальную комбинацию тех этапов, которые используются в дешифровании пакета, каждый из которых соответствует состоянию и времени, когда были в последний раз зашифрованы входящие пакеты данных. Если оба входящих пакета были зашифрованы одновременно, необходим только один ключ дешифрования. Хотя приведенная выше ссылка относится к алгоритму ʺшифрованияʺ 1309C, будет понятно, что алгоритм шифрования определяет его обратное - алгоритм дешифрования. За исключением определенных типов шифрования, использующих ʺасимметрическиеʺ ключи, большинство алгоритмов являются симметрическими, означая, что обратный алгоритм, используемый для зашифровки и скремблирования пакета данных, может быть использован для дешифрования или дескремблирования пакета данных и восстановления исходного контента. На специфическом примере, показанном на, для каждого момента времени и состояния, соответствующим входящим пакетам данных 1262B, 1262C и 1262H, выходам селекторного канала 1307, необходим выбранный алгоритм шифрования 1309C для дешифрования входящего пакета, необходим выбранный алгоритм скремблирования 1309A для дескремблирования входящего пакета, и необходим выбранный алгоритм 1309B для объединения пакетов в определенном порядке и удаления «мусорных» данных. Таким образом, алгоритмы шифрования, скремблирования и смешивания, выбранные селекторным каналом 1307, используются для осуществления операций дешифрования, дескремблирования и смешивания, соответственно, на пакетах данных 1262B, 1262H и 1262C сервером компьютера 1220D на медиаузле M. Поэтому обработка данных на медиаузле зависит от времени и состояния входящих пакетов данных и от выбранных алгоритмов. Например, выбранный алгоритм смешивания 1309B может упорядочить входящие пакеты, которые будут объединены в один длинный пакет в последовательности убывания времени на основании того, когда был создан пакет. Например, с самым старым пакетом, размещенным впереди длинного пакета и новые данные пакеты, размещенные в конце. Или, наоборот, данные могут быть приведены в хронологическом порядке сегментов данных, как показано в пакете данных 263B, то есть сегмент данных 1B перед 1C, сегмент данных 1C перед 1F, и т.д. Обработка входящих пакетов данных поэтому требует информацию о времени и состоянии, связанных с созданием входящих пакетов, а не текущем времени и текущем состоянии. Без предварительного перехвата информации о состоянии и времени входящих пакетов, даже хакер, у которого есть доступ к таблицам алгоритма и текущим состояниям, не сможет декодировать, дешифровать, прочитать или интерпретировать входящие данные на медиаузле. Как было указано выше, выбор алгоритмов селекторным каналом 1307 и генерации ключа с помощью генераторов ключей 1305A и 1305B зависит от географического положения или ʺподсетиʺ, где пакеты данных были созданы, показанные в примере как зона информации 1302A как ʺзона Z1ʺ. Использование зон будет описано далее в этом документе.
Фигуре 92B,
3
В противоположность предыдущей иллюстрации, показывающей управление входящими пакетами данных, управление выходящими пакета данных, показанное на  зависит не от прошлых времен и состояний, а от текущего времени и его соответствующем состоянии. Как показано на фигуре, в момент времени t и его соответствующем состоянии 1301C, генератор начальных чисел 1303 производит начальные числа 1304C, использованные селекторным каналом 1307 для выбора соответствующих алгоритмов для разделения, скремблирования и шифрования из таблиц алгоритмов скремблирования 1308A, алгоритмов смешивания 1308B, и алгоритмов шифрования 1308C. Так как алгоритм смешивания 1308B обычно является симметричной функцией, обратный алгоритм, применяющийся для смешивания, используется для разделения. В этом случае, разделяя длинный пакет данных на множественные пакеты, готовые к передаче данных. В двуканальной или триканальной связи, пункты назначения для всех сгенерированных пакетов передаются узлу из сигнального сервера, управляющего маршрутизацией пакета. В одноканальной связи медиаузлы сами должны эмулировать функцию сигнального сервера, отображая собственный маршрут между вызывающими операторами.
3
3
Та же информации о состоянии 1301C подается в генератор ключа E 1305C для создания ключа E 1306C, необходимого для шифрования выходящих пакетов данных и в генератор начальных чисел 1303 для создания начальных чисел 1304C, используемых для выбора алгоритма шифрования 1309C из таблицы 1308C. Ключ E функционирует вместе с выбранным алгоритмом шифрования 1308C для шифрования обычного текста в зашифрованный текст. В частности, алгоритм шифрования представляет последовательность математических этапов, которые могут использоваться для преобразования пакета данных из обычного текста в один из миллионов, биллионов или триллионов возможных зашифрованных результатов. Затем ключ шифрования выбирает специфическую комбинацию тех этапов, которые применяются для шифрования пакета.
3
В симметрической ключевой криптографии, такой как Передовой стандарт шифрования или ПСШ, описанный в http://en.wikipedia.org/wiki/advanced_encryption_standard, ключ используется для шифрования файла, также используется для его дешифрования. В таком случае, следует генерировать ключ локально как разделенный секрет, имеющийся внутри каждого узла. Например, используя генератор ключа E 1305C. Если симметрический ключ должен быть подан на медиаузел сети, следует доставить ключ через разные каналы связи, чем медиа. Например, пакеты данных и контент. Многоканальная связь обсуждается далее в этом приложении.
3
Другим средством для улучшения безопасной доставки симметрических ключей является их доставка на медиаузлы в момент времени, независимого от коммюнике. Например, на одну неделю раньше расшифровать ключ с другим уровнем шифрования, или разделить ключи на две части, доставленные в разные моменты времени. Другой способ включает использование алгоритм разделения ключа в генераторе ключа E 1305C, где часть ключа остается локально на каждом медиаузле как разделенный секрет, то есть не представлена в сети, и другая часть находится в открытом доступе. Безопасность повышается, и кибер-пират не может определить, сколько битов имеет ключ, потому что они видят только часть ключа. Не знание длины ключа делает невозможным нахождение правильного ключа, потому что длина ключа и каждый элемент ключа должны угадываться.
3
3
В случае асимметрического или общественного алгоритма ключа, генератор ключа E 1305C одновременно генерирует пару ключей- одну для шифрования, другую для дешифрования, основанного на состоянии 1301C или на времени t. Ключ дешифрования хранится в медиаузле как разделенный секрет, тогда как ключ шифрования безопасно и открыто направляется на медиаузел, готовящийся отправить пакет данных на него. Одной сложностью использования симметрических ключей сети в режиме реального времени, является то, что ключ шифрования нужно сгенерировать и направить на все медиаузлы перед запуском пакета данных, содержащего контент на медиаканале, иначе пакет данных может поступить до поступления ключа для его дешифрования и данные стают устаревшими, то есть их поздно использовать. Описание использования и управления асимметрическими и общественными ключами доступна на множественных текстах и онлайн-публикациях, таких как http://en.wikipedia.org/wiki/public-key_cryptography. Тогда как общественный ключ шифрования известен технологиям, описанное приложение включает уникальную интеграции криптографии в сеть реального времени и систему связи.
3
a,,
3
4
Алгоритмы, числовые значения и ключи шифрования являются сгенерированными для текущей зоны подсети 1307A, в данном случае зона Z1. Ключ шифрования 1306C, основанный на данной зоне и текущем времени t, вместе с выбранным алгоритмом разделения 1309B, выбранным алгоритмом скремблирования 1309A и выбранным алгоритмом шифрования 1309C, отправляется на медиаузел M размещенный на компьютерном сервере 1220D для создания двух выходов. Выход пакета данных 1263C, включающий несвязанные сегменты данных, отправленные далее в момент времени t и выход пакета данных 1263B, содержащий сегменты данных 1B, 1C и 1F, хранящиеся до момента времени t до маршрутизации на следующем медиаузле. Инструкции о том, хранить ли пакет данных или сегмент данных временно или отправлять его на следующий медиаузел, могут быть доставлены сразу на медиаузел несколькими путями. В первом случае, входящий пакет данных может вставлять инструкции для его хранения и до какого времени или для какого предварительного состояния. Альтернативно, сервер сигнализации, то есть другой канал связи, может предоставлять медиаузлу инструкции, что делать. Использование сигнальных серверов в многоканальной безопасной связи описано далее в этом приложении.
Фигуре 93
x
Как показано на для того, чтобывыбрать алгоритм из таблицы алгоритмов, которые могут быть алгоритмами скремблирования/дескреблирования, шифрования/дешифрования или смешивания/разделения, селекторный канал 1307 должен искать по списку алгоритмов и адресам памяти 1308D, сравнивая их с адресом 1304D, сгенерированным генератором начальных чисел 1303 в момент времени t и в соответствующем состоянии 1301D. Когда генерируемый состоянием адрес 1304D соответствует элементу в таблице алгоритмов 1308D, выбранный алгоритм 1309D выводится из процедуры поиска для использования. Например, если генератор начальных чисел 1303 генерирует адрес 1304D, имеющим значение ʺ356ʺ, тогда селекторный канал 1307 обнаружит подходящий элемент из таблицы, а именно ʺсдвиг фаз 2ʺ и вывода его как выбранного алгоритма 1309D.
Фигуре 94
Чтобы предотвратить систематическое отслеживание, список алгоритмов и их соответствующие адреса памяти регулярно переставляются, например, ежедневно или ежечасно так, что один и тот же адрес не задействует один и тот же алгоритм, даже когда он случайно повторяется. Как показано на , таблица алгоритмов для дня 318 в зоне Z1 включает таблицу адресов алгоритма 1308D, используемого для скремблирования и дескремблирования в зоне Z1 на 318 день, то есть таблицу адресов алгоритма 1308E, используемого для разделения или смешивания пакетов данных в зоне Z1 на 318 день, и то есть таблицу адресов алгоритма 1308F, используемого дляшифрования или дешифрования в зоне Z1 на 318 день. Затем на заданную дату события 1311 и времени 1310, повторно назначают адресную операцию 1312 и перетасовывают, то есть смешивают список алгоритмов и адресов, создавая три новые таблицы, включающие таблицу адресов алгоритма 1308G для скремблирования и дескремблирования в зоне Z1 на 319 день, вторая таблица - таблица адресов алгоритма 1308H для смешивания и разделения в зоне Z1 на 319 день, и третья таблица для шифрования и дешифрования в зоне Z1 на 319 день, то есть таблица адресов алгоритма 1308J. Как показано на фигуре, например, на 318 день, ʺрежим перегруппировки 5ʺ имеет соответствующий адрес памяти 359, но через день адрес изменяется на 424. Таким образом, таблица преобразования между адресами и алгоритмами, перетасовывается, чтобы избежать взлома.
Зоны и мосты
Для глобальной коммуникации с предотвращением доступа хакеров и киберпиратов ко всему облаку защищенной динамической сети связи и протоколу (SDNP) и сети, другим способом реализации данного изобретения является коммуникационная сеть SDNP, поделенная на ʺзоныʺ. В этом случае зона представляет собой часть сети, т. е. ʺподсетьʺ, в которой каждая зона обладает собственными настройками команд, управления и безопасности, включая точные и отдельные алгоритмы, а также алгоритмические таблицы, определяющие смешивание и разбиение, шифрование и расшифровку, а также скремблирование и дескремблирование, используемые в зоне, и также определяющие отдельные ключи шифрования и начальные числовые значения. Обычно, коммуникационные сервера, управляемые программным обеспечением SDNP, в пределах одной зоны имеют одинаковые настройки и работают в независимом от зоны размещения режиме.
Каждая подсеть может состоять из различных серверных облаков, в которых может работать программное обеспечение SDNP, установленное различными Интернет-провайдерами или хостинговыми компаниями, к примеру, Microsoft, Amazon, Yahoo, либо оно может состоять из личных облаков или трансляторов сетевого адреса (NAT), например, арендуемых личных облаков, состоящих из темного оптоволокна с заданной полосой частот. Также выгодно взаимодействовать с операторами связи, которые предоставляют услуги по подключению соединений "последней мили", например, компания Comcast в Северной Калифорнии, местной коммутируемой телефонной сети общего пользования, а также местными предприятиями сотовой связи как с отдельными зонами. Основным преимуществом, обеспечивающимся при делении на зоны, является то, что при наихудшем сценарии, когда очень способный киберпират временно взламывает настройки безопасности SDNP, можно ограничить географически их атаку более малой подсетью, не давая доступа к сквозной передаче данных. Фактически, зоны характеризуются возможностью повреждения вследствие кибератаки.
фигуре 95А
a,w
a,s
a,j
a,b
a,q
a,f
b,d
b,h
c,j
c,n
c,v
c,u
c,z
b,d
b,h
a,_
c,_
b,d
b,h
Пример использования зон проиллюстрирован на , где облако 1114, состоящее из компьютеров-серверов, на которых установлено программное обеспечение SDNP, поделено на две подсети, а именно подсеть 1318А, состоящее из ʺзоны Z1ʺ и 1318С, состоящее из ʺзоны Z2ʺ. Как показано на фигуре, подсеть 1318А состоит из медиаузлов M, M, M, M, M, and M наряду с M и M, тогда как подсеть 1318С состоит из медиаузлов M, M, M, M, and M, к ней отнесены также медиаузлы M и M. В то время как медиаузлы с главным нижним индексом ʺаʺ, т. е. M, уникальны для зоны Z1, медиаузлы с главным нижним индексом ʺсʺ, т. е. M, уникальны для зоны Z2, медиаузлы M и M, находящиеся на компьютерах-серверах 1220D и 1220H, уникальны тем, что они относятся к обеим подсетям 1318A и 1318C. Программное обеспечение SDNP, работающее на компьютерах-серверах 1220D и 1220H, должно понимать, как обмениваться информацией с другими медиаузлами как в зоне Z1, так и в зоне Z2. Такие устройства функционируют как ʺмостыʺ между двумя подсетями и при необходимости должны передавать данные из защищенных файлов в зоне Z1, к данным, сформатированным в соответствии с защищенными файлами в зоне Z2, и наоборот.
b,d
b,d
b,d
b,d
b,d
b,d
b,d
фигуре 95В
фигуре 95С
Функция передачи, осуществляемая в мостовом медиаузле M, проиллюстрирована на , на котором изображен поток данных из зоны Z1 в зону Z2, где операция дифференциальной унитарной модуляции (DUM) 1210, выполняемая на мостовом компьютере-сервере 1220D, на котором расположен медиаузел M, обеспечивает расшифровку дескремблирование и смешивание для подсети 1318А, зона Z1, используя алгоритмические таблицы 1308K, для создания длинного пакета, который она преобразует в операцию SSE 1213, то же происходит в медиаузле M, выполняющем разбивку, шифрование и скремблирование для подсети 1318С, зона Z2, с использованием алгоритмических таблиц 1308L. Полнодуплексная версия мостового медиаузла M показана на , где проиллюстрировано, что мостовой медиаузел M выполняет двустороннюю передачу данных и их передачу из зоны Z1 в зону Z2 и наоборот. Для передачи данных из зоны Z1 в зону Z2 мостовой компьютер-сервер 1220D с программным обеспечением SDNP, на котором находится медиаузел M, выполняет DUM-операцию 1210 с пакетами данных при их выходе из зоны Z1 (подсеть 1318А) с последующей SSE-операцией 1210 с пакетами данных, входящими в зону Z2 (подсеть 1318С). Наоборот, для передачи данных из зоны Z2 в зону Z1 мостовой компьютер-сервер 1220D с программным обеспечением SDNP выполняет DUM-операцию 1210 с пакетами данных при их выходе из зоны Z2 (подсеть 1318С) с последующей SSE-операцией 1213 с пакетами данных, входящими в зону Z1 (подсеть 1213А). Все четыре операции с данными, выполняемые на мостовом медиаузле M, выполняются в программном обеспечении, установленном на том же серверном хосте, в данном случае это компьютер-сервер 1220D.
b,d
b,h
b,u
b,h
b,u
b,h
фигуре 95С
фигуре Figure 95D
фигуре 95C
фигуре 95Е
Полностью интегрированный медиаузел M моста с SDNP, показанный на , выполняет как DUM-, так и SSE-операции в двух различных зонах, т. е. зонах Z1 и Z2, все это выполняется на компьютере-сервере 1202D. Такое полностью интегрированное решение может быть реализовано только в том случае, когда обе соединенные подсети находятся у одного и того же Интернет-провайдера или в одном облаке. В то же время, если подсети находятся в различных облаках или хранятся у различных провайдеров услуг, как показано в виде подсетей 1318А и 1318С на , то необходимо предусмотреть коммуникационный мост между двумя компьютерами-серверами, которые не находятся в одном и том же облаке. Как показано на фигуре, мостовая коммуникационная связь 1316В соединяет мостовой медиаузел M с SDNP, работающий в зоне Z1, с мостовым медиаузлом M, работающим в зоне Z2, однако зона Z1 функционирует в облаке 1114, тогда как зона Z2 функционирует в облаке 1315. Использование того же способа, показанным ранее на , становится проблематичным при наличии нескольких облаков, поскольку мостовая коммуникационная связь 1316В, перемещающаяся между облаками, становится незащищенной и чувствительной к прочтению и кибератакам. На  показан случай, когда DUM-операция, выполняемая мостовым медиаузлом M, находящимся на компьютере-сервере 1220Н в подсети 1318А и зоне Z1 направляет пакеты данных через мостовую коммуникационную связь 1316B в мостовой медиаузел M, находящийся на компьютере-сервере 1220U, в подсеть 1318C и зону Z2 для передачи, однако из-за того, что передаваемая информация представляет собой расшифрованный и дескремблированный длинный пакет из DUM-операции мостового медиаузла M, перемещение из одного облака в другое остается незащищенным и подверженным кибератакам.
фигуре 95F
b,d
b,d
b,u
b,u
Решением этой проблемы является задействование двух полностью дублированных мостовых интерфейсных медиаузлов, по одному в каждом облаке, как показано на , с защищенной передачей данных между интерфейсами. При передаче данных из зоны Z1 в зону Z2 пакеты данных, исходящие из зоны Z1, находящейся в подсети 1318А, преобразуются в одноканальные данные зоны Z2, при этом предусмотрено их скремблирование и шифрование. Эта функция требует наличие доступа медиаузла Mкак к зоне Z1, так и к зоне Z2, начальных значений, ключей шифрования, алгоритмических таблиц и других средств безопасности. Вся обработка производится на компьютере-сервере 1220D, установленном в подсети 1318А, а не в зоне Z2 облака назначения. После этого защищенные данные передаются из мостового интерфейсного медиаузла M в подсети 1318А на мостовой интерфейсный медиаузел M в подсети 1318С с использованием безопасной мостовой коммуникационной связи 1316A. После поступления на мостовой интерфейсный медиаузел M пакеты данных обрабатываются в соответствии с информацией, хранящейся в зоне Z2, и направляются оттуда в подсеть 1318С.
b,u
b,d
b,u
b,d
b,d
Наоборот, при передаче данных из зоны Z2 в зону Z1 пакеты данных, поступающие из зоны Z2 и подсети 1318С на медиаузел M, преобразуются в одноканальные данные зоны Z1, при этом предусмотрено их скремблирование и шифрование. Эта функция требует наличие доступа медиаузла Mкак к зоне Z1, так и к зоне Z2, начальных значений, ключей шифрования, алгоритмических таблиц и других средств безопасности. Вся обработка производится на компьютере-сервере 1220U, установленном в подсети 1318С, а не в зоне Z1 облака назначения. После этого защищенные данные передаются из мостового интерфейсного медиаузла M в подсети 1318С на мостовой интерфейсный медиаузел M в подсети 1318А с использованием безопасной мостовой коммуникационной связи 1316С. После поступления на мостовой интерфейсный медиаузел M пакеты данных обрабатываются в соответствии с информацией, хранящейся в зоне Z1, и направляются оттуда в подсеть 1318А. Хотя безопасные мостовые коммуникационные связи 1316А и 1316С изображены в виде отдельных линий, линии представляют собой отдельные каналы передачи связи на 3-м уровне сети, они не предназначены для сохранения соответствия отдельным проводам, кабелям или каналам передачи данных на программно-аппаратном комплексе или описания 1-го физического слоя. Вместо этого принимающий мостовой узел может передавать данные из зоны отправки Z1 в зону назначения Z2, если на принимающем мостовом узле хранится совместные для зон Z1 и Z2 разделяемые секреты.
Функционирование шлюза SDNP
фигуре 96А
b,f
b,f
В предыдущем разделе представлено описание ʺмостаʺ в виде медиаузла или пары медиаузлов, обеспечивающих обмен информацией между отдельными подсетями, сетями или облаками. Аналогично, ʺшлюзовой медиаузелʺ SDNP, описанный в настоящем разделе, обеспечивает коммуникационную связь между облаком SDNP и устройством клиента, к примеру, сотовым телефоном, автомобилем, планшетом, ноутбуком или Интернет-устройством. Функционирование шлюзового медиаузла показано на , где компьютер-сервер 1220F в облаке 1114 с SDNP, где находится медиаузел M с SDNP, функционирует в качестве шлюзового медиаузла с SDNP между подсетью 1318А и соединением компьютера пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1318D с планшетом 33. В отличие от подсети 1318А, соединением устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1318D может осуществляться через Интернет, личное облако, кабельное телевизионное соединение либо путем сотовой связи. В соединении пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера точно управлять маршрутизацией, как это было в подсети 1318А, нельзя. К примеру, шлюзовой медиаузел M соединен с сервером 65А соединительным устройством 1317, однако за пределами этой точки маршрутизация в базовой станции WiFi общего пользования 100 управляется местными IP-машрутизаторами. Радиосвязь WiFi 29 от антенны WiFi 26 до планшета 33 также управляется местным устройством, часто расположенным в аэропорту, гостинице, кафе, здании органа власти, амфитеатре или другом общественном месте.
b,f
Вместо этого соединение устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера может представлять собой проводное соединение с базовой станцией сети передачи данных (LTE) 17 с радиосвязью 28 между антенной 18 и планшетом 33. Из-за его нечеткой маршрутизации и наличия доступа желательно не делиться параметрами безопасности и секретами, используемыми в облаке SDNP, с устройствами, используемыми для маршрутизации соединения Интернет-провайдера с устройства конечного пользователя. Соединение устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1318D как таковое не имеет доступа к информации в зоне Z1, вместо этого для управления настройками безопасности оно использует отдельную зону U2. Для соединения между облаком 1114 и связью устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера шлюзовой медиаузел Mдолжен быть обеспечен доступом к установкам безопасности как зоны Z1, так и зоны U2, облегчая обмен информацией между облачным интерфейсом 1320 и клиентским интерфейсом 1321. Для обеспечения безопасного соединения устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера клиент в примере, показанном в виде планшета 33, также должно быть работающее клиентское программное обеспечение SDNP 1322.
b,f
фигуре 96В
фигуре 96С
Шлюзовой узел с SDNP M состоит из облачного интерфейса 1320, облегчающего обмен информацией между медиаузлами внутри облака 1114, и клиентского интерфейса 1321, облегчающего обмен данными в соединении между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера. Как показано на , облачный интерфейс 1320 состоит из двух линий передачи данных, т. е. SSE 1213 DUM 1210. Клиентский интерфейс 1321, показанный на , также состоит из двух линий передачи данных, одна из которых предназначена для передачи данных, поступающих из шлюза клиенту, а другая - для передачи данных в обратном направлении от клиента к шлюзу. В частности, передача данных от шлюза к клиенту последовательно включает в себя операцию по разбиению 1106, выполняемую по одному маршруту, используемую для ввода «мусорных» данных в поток информации с последующим скремблированием пакета 926 и оканчивающуюся шифрованием 1026. В обратном направлении поток данных от клиента к шлюзу включает в себя последовательно дешифрование 1302, дескремблирование пакета 928, а также операцию смешивания 1089, выполняемую по одному маршруту, выполняемую с целью удаления «мусорных» данных из информационного потока.
Роли операций смешивания и разделения при передаче информации по одному каналу, к примеру, по линии соединения устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, двойственны. Во-первых, что важно, поток информации в режиме реального времени делят на множество последовательных частей пакетов, каждый из которых обладает своими идентификационными метками и, возможно, переменной длиной с целью противодействия легкому обнаружению. Поэтому формируемый в результате последовательный информационный поток требует отдельного удержания некоторых частей пакетов данных при отправке первых пакетов. Поскольку частота передачи данных в облаке SDNP измеряется сотнями гигабит в секунду, формирование серий происходит практически мгновенно, для этого требуются наносекунды. В линии связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера скорость передачи данных ниже (хотя в современных системах она остается очень высокой), к примеру, около двух гигабит в секунду. Дополнительные задержки не возникают, поскольку WiFi, 4G/LTE, а также DOCSIS 3 всегда передают данные последовательно.
Вторая необходимость в обеспечении смешивания для передачи по одному каналу обусловлена тем, что операция смешивания по одному маршруту используется также для того чтобы ввести «мусорные» данные в части пакетов различными способами для анализа смешанной информации способом, описанным выше для фигуры 67J.
фигуре 96D
Как показано на , для безопасного обмена информацией по линии связи между устройства конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера клиент должен запустить клиентское программное обеспечение 1322. При наличии сотового телефона или планшета, это программное обеспечение должно работать на операционной системе устройства, к примеру, Android или iOS. В случае настольного компьютера или ноутбука клиентское программное обеспечение работает на операционной системе компьютера, к примеру, MacOS, Windows, Linux или Unix. В случае, если случается обмен информацией с устройством пользователя, к примеру, Интернетом вещей (IoT), на которое нельзя установить клиентское программное обеспечение SDNP, в качестве интерфейса можно использовать аппаратное устройство со встроенным клиентским программным обеспечением. Функции, связанные с обменом информацией, выполняемые клиентом 1322, состоят в обработке пакетов поступающих данных путем выполнения операции дешифрования 1032, дескремблирования пакета 928, а также удаления мусорной информации с использованием операции смешивания по одному маршруту 1089 для восстановления полезной нагрузки, содержащейся в пакетах. Далее содержимое используется в приложениях 1336, в том числе данные, используемые в аудиофайлах CODEC, файлах формата MPEG, изображениях, файлах, не являющихся медиафайлами, а также программном обеспечении.
Функции, связанные с обменом информацией, выполняемые клиентом 1322 с исходящими пакетами данных, заключаются в добавлении «мусорных» данных при выполнении операции разделения по одному маршруту 1026, скремблировании пакета 926, а также выполнении окончательной операции шифрования 1026 с целью подготовки пакета данных к передаче по линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера к шлюзу. В клиентском программном обеспечении 1322 смешивание 1089 по одному маршруту алгоритмически удаляет «мусорные» данные из поступающего потока информации, тогда как задача операции разделения 1026 по одному маршруту заключается в добавлении «мусорных» данных в пакеты данных.
b,f
a,h
b,f
фигуре 97А
Функционирование безопасного шлюзового узла M с SDNP более подробно показано на , где облачный интерфейс 1320 и клиентский интерфейс 1321 принимают поступающие от медиаузла M пакеты данных, выполняя дешифровку, дескремблирование и смешивание с использованием DUM-операции 1210 в соответствии с параметрами безопасности зоны Z1, в результате чего появляется пакет данных 1330, представляющий собой дескремблированный открытый текст. Далее пакет данных 1330 передается на клиентский интерфейс 1321, также работающий в шлюзовом медиаузле M, выполняющий ввод пакетов «мусорных» данных 1053 в ходе выполнения операции разделения по одному маршруту 1106, используемой для ввода «мусорных» данных 1053 в пакеты данных, но с использованием параметров безопасности зоны U2, а не параметров безопасности зоны Z1, используемых облаком. Далее пакет данных скремблируется при помощи операции скремблирования 926, при этом для создания пакета данных 1329 снова используются параметры безопасности зоны U2, используемые в линии связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера.
В показанном примере операция скремблирования 926 использует алгоритм, с использованием которого действительные сегменты данных скремблируются, однако каждый второй сегмент данных представляет собой сегмент «мусорных» данных. Далее операция шифрования выполняется также в клиентском интерфейсе 1321, при этом также используются параметры безопасности зоны U2 с целью создания отправляемого шифрованного текста 1328. Поля данных можно шифровать индивидуально и отдельно от «мусорных» данных (как показано), альтернативный путь реализации состоит в том, чтобы целостный пакет данных 1329 можно шифровать с целью получения одного длинного шифрованного текста. В конечном итоге пакет шифрованных данных пересылается, т. е. ʺэкспортируетсяʺ клиенту через единый канал передачи информации.
Параллельно данные, полученные через единый канал связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера, состоящие из шифрованного текста 1327, шифруются операцией дешифрования 1032 с использованием параметров безопасности U2, включая алгоритмы, ключи дешифровки и др., при этом получается пакет данных в виде скремблированного открытого текста 1326, состоящий из сегментов скремблированных данных, смешанных с сегментами «мусорных» данных. В одном из способов реализации этого изобретения, пакеты «мусорных» данных, содержащиеся в этом пакете поступающих данных 1326, не размещаются в тех же слотах, что и в исходящем пакете данных 1329 в виде открытого текста. В частности, в примере с исходящими данными каждый второй пакет состоит из «мусорных» данных, тогда как в пакете поступающих данных каждый 3-й и 4-й слот, а также вся их совокупность содержат «мусорные» данные.
b,h
Далее пакет данных 1326 в виде скремблированного открытого текста обрабатывается с использованием параметров безопасности зоны U2 путем проведения операции дескремблирования пакетов 928 с последующим осуществлением операции смешивания 1089 с целью восстановления исходного порядка данных и удаления пакетов «мусорных» данных, т. е. удаления из 1053 «мусорных» данных, что приводит к получению пакета дешифрованных и дескремблированных данных 1325. Далее этот пакет данных передается с клиентского интерфейса 1321 в облачный интерфейс 1320 для проведения операций разделения, скремблирования и шифрования, характерных для облака, с использованием SSE-операции 1213 перед передачей данных, полученных делением на фрагменты, в различных пакетах данных для решетчатой маршрутизации к медиаузлу M и в другие точки.
фигуре 97В
b,f
Как показано ниже на , шлюзовой медиаузел M с SDNP использует программное обеспечение для облегчения дуплексного обмена информацией как в облачном интерфейсе 1320 в соответствии с параметрами безопасности зоны Z1, так и в клиентском интерфейсе 1321 в соответствии с параметрами безопасности зоны U2. Соединение между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1355 от клиентского интерфейса 1321 до планшета 33 через базовую станцию передачи данных (LTE) 27, радиовышку LTE 18, а также радиосвязь 28 безопасно, поскольку передаваемая информация скремблирована и зашифрована, а «мусорные» данные введены в пакеты данных. Для интерпретации поступающих пакетов данных и обеспечения возможности безопасного реагирования на устройстве клиента (в данном случае это планшет 1322) должно работать прикладное программное обеспечение SDNP 1322.
фигуре 98
2,1
b,d
Обработка пакетов данных в клиентском интерфейсе с SDNP показана более подробно на , где клиентский узел Cосуществляет безопасный обмен информацией с шлюзовым узлом M с SDNP путем дуплексного обмена данными между клиентским интерфейсом 1321 и клиентом с SDNP 1322, при котором оба находятся в безопасной зоне U2. В ходе операции пакеты данных, поступающие с клиентского интерфейса 1321, повергаются расшифровке при проведении операции расшифровки 1032, дескремблированию в ходе операции дескремблирования 928, а также производится удаление «мусорных» данных с использованием операции разделения 1089; все это осуществляется перед обработкой приложениями 1336. Наоборот, отправка приложений 1336 обрабатывается операцией смешивания 1026 с целью вложения мусорной информации, далее производится скремблирование путем проведения операции скремблирования 926, шифровка проведением операции шифрования 1106; затем данные поступают на клиентский интерфейс 1321.
фигуре 99А
b,f
b,d
b,d
1,1
b,f
2,1
С использованием способов, описанных в этом разделе, безопасный обмен информацией между двумя и большим количеством клиентов, статически или динамически маршрутизируемый через решетчатую сеть, может предусматривать любую комбинацию алгоритмов смешивания, разделения, шифрования и скремблирования, управление работой которых в различных зонах осуществляется при помощи отдельных ключей, начальных числовых значениях, а также разделяемых секретов, обеспечивающих безопасность сети. Как показано на , решетчатая сеть, в состав которой входят компьютеры-серверы 1118, на которых работают медиаузлы с SDNP на основе программного обеспечения, включает компьютеры-серверы 1220F и 1220D, на которых находятся шлюзовые медиаузлы M и M. Безопасность в подсети 1318А определяется параметрами безопасности для зоны Z1. Шлюзовой медиаузел M подключается к клиентскому узлу C, находящимся на внешнем устройстве (в данном случае это сотовый телефон 32), доступ к которому осуществляется по линии связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318Е. Безопасность в соединениях "последней мили" определяется параметрами безопасности для зоны U1. Аналогично, шлюзовой медиаузел M подключается к клиентскому узлу C, находящемуся на планшете 33, кроме того, подключение осуществляется по линии связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318D. Безопасность в соединениях "последней мили" определяется параметрами безопасности для зоны U2.
фигуре 99А
Как показано на фигуре, обмен информацией с использованием операции шифрования 1339, показанной в виде замка, обеспечивает безопасность во всей сети и и в соединениях "последней мили". Для обеспечения безопасности линии связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера шифрование обязательно проводится на устройствах пользователя. Вместо этого пакеты можно шифровать повторно или шифровать дважды с использованием шлюзовых медиаузлов; другой вариант реализации предполагает дешифровку и повторное шифрование на каждом медиаузле в решетчатой сети передачи. Один из вариантов реализации, описанных в данном разделе, направлен на способствование многоуровневой безопасности. К примеру, на  в линиях связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318D и 1318E предусмотрено только шифрование, т. е. одноуровневая или одномерная безопасность. В сети 1318А обмен информацией осуществляется с обеспечением двумерной или двухуровневой безопасности, что предусматривает комбинирование шифрования с работой решетчатой системы, которая предусматривает статическое разделение, передачу несколькими маршрутами и смешивание. В случае если параметры безопасности со временем изменяются, к примеру, ʺв динамическом режимеʺ при прохождении пакетов данных по сети, реализуют дополнительный уровень безопасности, т. е. двумерную или двухуровневую безопасность в соединениях "последней мили" и трехмерную безопасность в облаке с SDNP.
фигуре 99В
2,1
1,1
b,f
b,d
1,1
2,1
1,1
b,d
Как показано на , дополнительное проведение скремблирования в сети 1318А повышает уровень безопасности до более высокого уровня многоуровневой безопасности, предусматривающего комбинацию передачи информации по решетчатой сети с шифрованием и скремблированием. В частности, при таком подходе обмен информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C включает дополнительное проведение операции скремблирования 926 на шлюзовом медиаузле M и операции дескремблирования 928 на шлюзовом медиаузле M. При обмене информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C вначале происходит дешифрование пакетов шифрованных данных, поступающих с клиентского узла C, после чего происходит их разбивка для передачи по различным маршрутам со скремблированием путем проведения операции скремблирования 926 и шифрования в шлюзовом медиаузле M. После передачи через сеть 1318А пакеты данных расшифровывают, дескремблируют путем проведения операции дескремблирования 928, а затем смешивают. Хотя этот подход обеспечивает многомерную безопаасность в сети 1318А, он не обеспечивает многоуровневую безопасность в линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, в котором ввиду передачи данных по одному каналу без скремблирования их безопасность обеспечивается только шифрованием.
фигуре 99С
2,1
2,1
1,1
2,1
b,d
1,1
2,1
b,d
2,1
1,1
b,d,
2,1
1,1,
Другой способ реализации этого изобретения, показанный на , распространяет технологию обеспечения многоуровневой безопасности путем комбинирования шифрования и кодирования как для сети 1318А, так и для линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1318D до клиентского узла C. Как таковой обмен информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C предусматривает проведение операции скремблирования 926 в клиентском узле C и операции дескремблирования 928 в шлюзовом медиаузле M. Обмен информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C осуществляется с проведением операции скремблирования в шлюзовом медиаузле M и операции дескремблирования 928, осуществляемой в клиентском узле C. Однако в линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1318E между клиентским узлом C и шлюзовым медиаузлом M предусмотрено только шифрование. Подобный случай может иметь место, если в клиентском узле C работает прикладная программа SDNP, работа которой разрешена средствами безопасности, а в клиентском узле C предусмотрено только серийное шифрование.
фигуре 99D
2,1
1,1
2,1
1,1
1,1
2,1
1,1
2,1
1,1
2,1
Другой способ реализации этого изобретения, показанный на , предусматривает реализацию скремблирования для многомерной безопасности при обмене информацией между клиентами, т. е. между конечными точками. Как таковой обмен информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C предусматривает выполнение дополнительной операции скремблирования 926 в клиентском узле C и операции дескремблирования 928 в клиентском узле C. Обмен информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C предусматривает проведение дополнительной операции скремблирования 926 в клиентском узле Cи операции дескремблирования 928 в клиентском узле C. В ходе выполнения клиентский узел C осуществляет скремблирование и шифрование исходящих пакетов данных, а также производит дешифровку и дескремблирование поступающих данных при помощи программного обеспечения, работающего на сотовом телефоне 32, возможность работы которого обеспечена SDNP. Аналогично, клиентский узел C производит скремблирование и шифрование отсылаемых пакетов данных, а также производит расшифровку и дескремблирование поступающих данных при помощи программного обеспечения, работающего на планшете 33, возможность работы которого обеспечена SDNP. Вместе они облегчают безопасный обмен информацией между конечными точками с обеспечением двуслойной или двумерной безопасности, т. е. производя шифрование и скремблирование в соединениях "последней мили" 1318D и 1318E, а также трехмерную или трехуровневую безопасность в пределах решетчатой сетки 1318А путем передачи через решетчатая сеть сеть многочисленными маршрутами. В случае если параметры безопасности со временем изменяются, к примеру, ʺв динамическом режимеʺ при прохождении пакетов данных по сети, реализуют дополнительный уровень безопасности, т. е. трехмерную или трехуровневую безопасность в соединениях "последней мили" и четырехмерную безопасность в облаке с SDNP.
фигуре 99Е
2,1
b,f
Возможным слабым местом такого варианта исполнения является то, что способы скремблирования и начальные числовые значения, используемые клиентом, используются также для обеспечения безопасности облака SDNP. Как следствие, параметрами безопасности для зон U2, Z1 и U1 приходится делиться, что связано с риском для всей сети и маршрутизации от кибератак на соединения "последней мили". Одним из известных способов противодействия незащищенности параметров безопасности облака показан на , где линия связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318D предусматривает скремблирование с использованием параметров безопасности зоны U2, тогда как в облаке для скремблирования информации используются параметры безопасности зоны Z1. В данном примере клиентский узел C, работающий в виде приложения на планшете 33, облегчает скремблирование 926 в соответствии с параметрами безопасности зоны U2. Шлюзовой медиаузел M, находящийся на компьютере-сервере 1220F, производит дескремблирование поступающего пакета данных с использованием параметров безопасности зоны U2, после чего выполняет повторное скремблирование пакетов данных, используя параметры безопасности зоны Z1 для передачи информации по решетчатой сетке 1318A. При такой организации устанвоки безопасности зоны Z1 облака в соединение "последней мили" 1318D никогда не раскрываются.
фигуре 99F
2,1
b,f
b,f
b,d
b,d
1,1
Способ дальнейшего повышения многоуровневой безопасности показан на , где скремблирование и шифрование производят с использованием различных параметров безопасности в трех различных зонах - линия связи между устройствами конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318D, соединяющая клиентский узел C со шлюзовым узлом M, на котором используются параметры безопасности зоны U2, решетчатой сетки 1318A, в состав которой входят шлюзовые медиаузлы M и M и в которой используются параметры безопасности зоны Z1, а также линия связи между устройствами конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318E, соединяющая шлюзовой медиаузел M с клиентским узлом C, на котором используются параметры безопасности зоны U2. Этот подход обеспечивает безопасность соединения между конечными точками и сквозное шифрование, сквозное скремблирование, а также решетчатую маршрутизацию в облаке, представляющую собой двухуровневую или двумерную безопасность в соединение "последней мили" и трехслойную или трехмерную безопасность в облаке. В случае если параметры безопасности со временем изменяются, к примеру, ʺв динамическом режимеʺ при прохождении пакетов данных по сети, реализуют дополнительный уровень безопасности, т. е. трехмерную или двухуровневую безопасность в соединениях "последней мили" и четырехмерную безопасность в облаке с SDNP.
2,1
1,1
2,1
b,f
b,f
b,d
b,d
1,1
При обмене информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C, т. е. между планшетом 33 и сотовым телефоном 32, приложение SDNP, работающее на клиентском узле C, скремблирует исходящий пакет данных, выполняя операцию скремблирования 926 при параметрах безопасности зоны U2 с последующим шифрованием. Пакет данных, передаваемый по одному каналу и пересекающий линию связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318D, вначале расшифровывают, а затем проводят его дескремблирование путем проведения операции дескремблирования 928, производимой шлюзовым медиаузлом M с использованием параметров безопасности зоны U2. Затем, используя параметры безопасности для зоны Z1, шлюзовой медиаузел M производит разделение, скремблирование и шифрование данных для передачи по сетке в сети 1318A с использованием параметров безопасности зоны Z1. В шлюзовом медиаузле M происходит дешифрование пакета данных, а также их дескремблирование проведением операции дескремблирования 928 с дальнейшим смешиванием с образованием пакета данных для обмена информацией по одному каналу с использованием параметров безопасности зоны Z1. Далее шлюзовой медиаузел Mпроизводит повторное скремблирование и шифрование пакета данных, передаваемых по одному каналу, используя параметры безопасности зоны U1 и в дальнейшем направляет эти данные клиенту C. Приложение SDNP, работающее на сотовом телефоне 32, производит дешифровку и дальнейшее дескремблирование, проводя операцию дескремблирования 928, а окончательный пакет передается в место назначения с использованием параметров безопасности зоны U1.
1,1
2,1
1,1
b,d
b,d
b,f
b,f
2,1
Аналогичные явления имеют место при передаче в обратном направлении, т. е. при обмене информацией между клиентским узлом C и клиентским узлом C, а именно между сотовым телефоном 32 и планшетом 33; приложение SDNP, работающее на клиентском узле C, производит скремблирование отправляемого пакета данных, реализуя операцию скремблирования 926 с параметрами безопасности зоны U1 и последующим шифрованием. Пакет данных, передаваемый по одному каналу и пересекающий линию связи между устройством конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера 1318Е, вначале расшифровывают, а затем проводят его дескремблирование путем проведения операции дескремблирования 928, производимой шлюзовым медиаузлом M с использованием параметров безопасности зоны U1. Затем, используя параметры безопасности для зоны Z1, шлюзовой медиаузел M производит разделение, скремблирование и шифрование данных для передачи по сетке в сети 1318A с использованием параметров безопасности зоны Z1. В шлюзовом медиаузле M происходит дешифрование пакета данных, а также их дескремблирование проведением операции дескремблирования 928 с дальнейшим смешиванием с образованием пакета данных для обмена информацией по одному каналу с использованием параметров безопасности зоны Z1. Далее шлюзовой медиаузел Mпроизводит скремблирование и шифрование пакета данных, передаваемых по одному каналу, используя параметры безопасности зоны U2 и в дальнейшем направляет эти данные на клиентский узел C. Приложение SDNP, работающее на планшете 33, производит дешифровку и дальнейшее дескремблирование, проводя операцию дескремблирования 928 с использованием параметров безопасности зоны U2. Затем пакет данных передается клиенту, в данном случае это планшет 33.
Как указывалось выше, все показанные коммуникационные связи обеспечивают передачу зашифрованных данных независимо от скремблирования и смешивания, что иллюстрируется изображением замка 1339. Подробное описание стадий шифрования и дешифрования для обеспечения наглядности не приведено. В одном из вариантов реализации производятся расшифровка и шифровка пакетов данных (т. е. их повторное шифрование) каждый раз, когда данные пересекают новый медиаузел. По меньшей мере во всех медиаузлах, производящих повторное скремблирование, поступающие пакеты данных перед дескремблированием расшифровываются, после чего производится их скремблирование и шифрование. Сводная информация о возможной многоуровневой безопасности, достижимой при транспортировке по сетке, шифровании и скремблировании, когда во всех случаях используются параметры безопасности для той или иной зоны, приведена в нижеследующей таблице.
Способ обеспечения безопасности
Безопасность в облаке
Безопасность в соединениях "последней мили"
Решетчатая маршрутизация в облаке, шифрование не проводится, скремблирование не проводится
1-D
Отсутствует
Решетчатая маршрутизация, сквозное шифрование, скремблирование не проводится
2-D
1-D
Решетчатая маршрутизация, сквозное скремблирование+шифрование
3-D
2-D
Динамическая решетчатая маршрутизация, сквозное скремблирование+шифрование
4-D
3-D
Динамическая решетчатая маршрутизация, сквозное скремблирование+шифрование+добавление «мусорных» данных
4-D
3.5-D
Как показано в приведенной выше таблице, введение динамических изменений в шифрование и скремблирование при передаче данных со временем обеспечивает дополнительный уровень безопасности за счет ограничения времени, в течение которого кибермошенник должен поймать пакет и ʺвзломать кодʺ для прочтения данных в пакете. Динамические изменения могут происходить ежедневно, ежечасно или в соответствии с иным расписанием либо от пакета к пакету, в последнем случае изменения происходят примерно каждые 100 мс. Из приведенной выше таблицы также понятно, что линия связи между устройствами конечного пользователя и узлом доступа Интернет-провайдера менее безопасна, нежели путь передачи данных через облако.
Одним из средств повышения безопасности соединения "последней мили" является динамическое добавление фрагментов «мусорных» данных в поток данных и даже отсылка пакетов, состоящих исключительно из «мусорных» данных в качестве приманки, что заставляет кибермошенников тратить компьютерные ресурсы на расшифровку бесполезной информации. Это улучшение представлено в виде перехода от 3-D к 3.5-D, что означает, что добавление «мусорных» данных не является способом повышения безопасности, надежным в той же мере, которая достигается при шифровании, скремблировании, а также передаче данных по нескольким маршрутам; в то же время, этот способ все-таки обеспечивает улучшение, особенно если вводимые «мусорные» данные изменяются со временем и различны в поступающих и отправляемых пакетах. Другим важным аспектом повышения безопасности SDNP в соответствии с настоящим изобретением является указание ʺнеправильного направленияʺ, т. е. маскировки настоящего источника и назначения при маршрутизации пакета; эта тема обсуждается далее по тексту настоящего описания.
Передача секретов, ключей и начальных данных
фигуре 92В
Безопасный обмен информацией на основании SDNP основан на передаче между обменивающимися лицами информации, о которой посторонние лица не осведомлены либо значение или цель которой они не могут понять. Помимо действительного содержания передаваемых данных, эта информация может содержать разделяемые секреты, алгоритмы, ключи шифрования и дешифровки, а также числовые начальные данные. ʺРазделяемый секретʺ в значении, используемом в настоящем документе, представляет собой информацию, которую знают или которой делятся только определенные лица, это может быть, к примеру, список алгоритмов смешивания, скремблирования и/или шифрования, ключ шифрования и/или дешифровки и/или генератор начальных данных, генератор чисел или иной способ выбора определенных данных со временем. К примеру, селектор 1307, изображенный на , представляет собой разделяемый секрет.
Работая в сочетании с разделяемыми секретами, числовыми начальными данными, которые могут основываться на времени и/или состоянии и в дальнейшем использоваться для выбора определенных алгоритмов, осуществлять различные возможные действия либо выполнять программы. Само по себе определенное числовое начальное данное не имеет значения, однако в комбинации с разделяемым секретом, числовое начальное данное может использоваться для передачи динамического сообщения либо события по сети без раскрытия его значения либо функции при пересечении.
Аналогично, для реализации обмена зашифрованной информацией шифрование требует определенного алгоритма, согласованного между лицами, обменивающимися ею; это может быть, к примеру, разделяемый секрет, а также обмен одним или двумя ключами, используемыми для шифрования и дешифровки. В способах, предусматривающих использование симметричного ключа, ключи шифрования и дешифровки одинаковы. Обмен симметричными ключами чувствителен к атакам, если ключ имеет большую длину, к примеру, 34 бита или 36 бит; в то же время, имеющийся промежуток времени для взлома шифра короток, к примеру, одна секунда или менее. Для любого заданного алгоритма шифрования соотношение между количеством бит, используемых в симметричном ключе шифрования, и промежутком времени, в течение которого ключ действителен, представляет собой меру устойчивости шифровки. Симметричные ключи как таковые могут использоваться в динамической сети при условии, что они велики и что промежуток времени, в течение которого нужно взломать шифровку, короток. Другой вариант состоит в том, что алгоритмы шифрования можно применять в случаях, когда ключи шифрования и дешифровки различны либо ʺассиметричныʺ и один ключ используется для шифрования, а другой - для дешифровки. В открытых каналах обмена информацией ассиметричные ключи предпочтительны, поскольку осуществляется передача только ключа для шифрования и этот ключ не дает информации о ключе для дешифровки. Функционирование во взаимодействии комбинации симметричных и асимметричных ключей кодирования, числовых начальных данных и разделяемых секретов при их динамическом изменении во времени обеспечивает высочайшую многомерную безопасность обмена информацией с SDNP. Существует множество источников информации общего плана о шифровании информации, к примеру, ʺComputer Security and Cryptographyʺ by Alan G. Konheim (Wiley, 2007). В то же время, адаптация шифрования к обмену информацией в режиме реального времени не является непосредственной и информацию о ней едва ли можно найти в общедоступных литературных источниках. Во многих случаях добавление шифра при обмене информацией увеличивает время ожидания и задержку при передаче данных, снижая качество обслуживания, обеспечиваемое сетью.
фигуре 100А
a,b
a,f
Разделяемыми секретами можно обмениваться между клиентскими узлами и медиаузлами до начала реального официальной подачи объявлений, передачи, звонков и обмена данными. На  показано, как разделяемые секреты можно передавать в сочетании с установкой исполняемого кода SDNP. В зоне Z1 безопасный пакет программного обеспечения 1352A состоит из исполняемого кода 1351 и секретов 1350, которыми поделились, находящимися в зоне Z1; сюда может входить генератор начальных данных 921, генератор чисел 960, алгоритмы 1340, код шифрования 1022, код дешифрования 1030, а также их комбинации. Безопасный пакет программного обеспечения 1352A для зоны Z1, включая исполняемый код 1351 и разделяемые секреты 1350А, передается на медиасерверы 1118 в облаке 1114, а также на оба ʺDMZʺ-сервера, т. е. 1353А и 1353В. Установка исполняемого кода 1351 в медиаузлах M и M, а также других узлах на серверах 1118 выполняется одновременно с установкой разделяемых секретов для зоны Z1, т. е. секретов 1350A Z1 на отдельных компьютерах, которые в настоящем документе называют DMZ-серверами 1353A и 1353B.
Термин ʺDMZʺ, обычно представляющий собой сокращение, означающее ʺдемилитаризованная зонаʺ, в данном случае означает компьютер-сервер, к которому нет доступа непосредственно через Интернет.
DMZ-серверы могут управлять одним или несколькими серверами, подключенными к сети и функционирующими в качестве медиаузлов, но ни один медиасервер 1118 не имеет доступа к какому-либо из DMZ-серверов - DMZ-серверов 1353A, 1353B и других (не показаны). Распределение всего программного обеспечения и разделяемых секретов производится в ходе безопасного обмена информацией, они действительны только в течение короткого промежутка времени, обозначенного в виде замка с часами 1354. Если доставка программного обеспечения произведена слишком поздно, то администратор SDNP должен повторно предоставить полномочия на загрузку безопасного пакета программного обеспечения 1352А для зоны Z1 после персонального подтверждения идентичности владельца аккаунта и его полномочий.
Уточняем, что описание DMZ-сервера как ʺкомпьютера-сервера, не подключенного к сети Интернет непосредственноʺ означает, что не существует прямой электрической связи между Интернет и серверами. В том время как файл 1352A в Z1 фактически можно загрузить на сервер или серверное хозяйство через Интернет, установка файла на DMZ требует вмешательства администратора аккаунта сервера или серверного хозяйства совместно с владельцем аккаунта. Перед установкой файлов на DMZ администратор аккаунта подтверждает идентичность владельца аккаунта и правильность установки.
После подтверждения установки администратор загружает файл, содержащий секреты Z1, на DMZ-сервер, пользуясь локальной сетью (LAN), по которой компьютер администратора подключен непосредственно к DMZ-серверу. По этой причине LAN не подключена к сети Интернет непосредственно, а требует авторизованного перехода через компьютер администратора после процесса строгой аутентификации. Установка разделяемых секретов осуществляется в одном направлении, при этом файлы загружаются на DMZ-серверы с невозможностью их прочтения с доступом через Интернет. Аналогично, загрузка в Интернет файлов с DMZ-сервера запрещена, благодаря чему предотвращаются доступ в режиме онлайн и хакерство.
Процесс установки разделяемых секретов аналогичен банковскому счету, для которого возможность онлайн-банкинга не обеспечена, а служащий банка может осуществить электронный банковский перевод в ручном режиме с разрешения клиента. За счет отказа в доступе к Интернет перехват разделяемых секретов потребовал бы физического входа и местной атаки на серверное хозяйство, т. е. в месте, где провод LAN должен быть идентифицирован, подключен и вмешательство в который должно быть осуществлено точно в момент передачи данных. Даже в этом случае устанавливаемый файл зашифрован и доступен только в течение короткого промежутка времени.
фигуре 100В
b,f
b,n
b,f
b,n
b,f
Ту же концепцию можно распространить на многозонную установку программного обеспечения, показанную на , где сервер администрирования SDNP 1355 используется для отсылки безопасного пакета программного обеспечения 1352А для зоны Z1 на DMZ-сервер 1353А в виде секретов 1350А зоны Z1, а также на медиасерверы 1118 в облаке 1114 в виде исполняемого кода 1351. Сервер администрирования SDNP 1355 аналогичным образом используется для распределения безопасного пакета программного обеспечения 1352В для зоны Z2 на DMZ-сервер 1353В в виде распределяемых секретов 1350В зоны Z2, а также на медиасерверы в облаке 1315 в виде исполняемого кода 1351. сервер администрирования SDNP 1355 также направляет безопасный пакет программного обеспечения 1352C, включающий исполняемый код 1351, к мостовым медиаузлам M в облаке 1114 SDNP и Mв облаке 1115, а разделяемые секреты 1350C - в зоны Z1 и Z2, а также на DMZ-сервер 1353С. Мостовые медиаузлы M в облаке SDNP 1114 и Mв облаке SDNP 1115 получают исполняемый код 1351 непосредственно через сервер администрирования 1355, а разделяемые секреты зон Z1 и Z2 - с DMZ-сервера 1353С. Поскольку мостовой медиаузел M выполняет передачу между секретами Z1 и Z2, то только он (и ни один другой мостовой сервер не показан) требует доступа к разделяемым секретам как Z1, так и Z2. В другом случае узлы в зоне Z1 требуют доступа только к разделяемым секретам зоны Z1, а узлы в зоне Z2 требуют доступа только к разделяемым секретам зоны Z2.
Важно подчеркнуть, что в то время, как сервер администрирования SDNP 1355 направляет разделяемые секреты на DMZ-серверы 1353A, 1353B и 1353C, сервер администрирования SDNP 1355 не имеет информации о том, что бывает с разделяемыми секретами после доставки, он также не выполняет команд и не управляет разделяемыми секретами после их доставки. К примеру, если переделывают список алгоритмов, т. е. меняют порядок их расположения, при котором изменяется адрес определенного алгоритма, сервер администрирования SDNP 1355 не имеет информации о том, каким образом осуществляется перестановка. Аналогично, сервер администрирования SDNP 1355 не является получателем числовых начальных данных и обмена ключами между сторонами, обменивающимися информацией и по этой причине, не являются пунктом управления. Фактически, как оказывается, ни один сервер во всей сети SDNP не имеет полной информации о пакете, маршруте его передачи, его настройках безопасности, а также его содержимом. Таким образом, сеть SDNP однозначно является полностью распределенной системой для безопасного общего обмена информацией.
фигуре 101А
1
2
3
Доставка разделяемых секретов на DMZ-сервер, как показано на , осуществляется в виде четко определенного процесса, в результате чего сервер администрирования SDNP 1355 устанавливает связь с DMZ-сервером 1353А и выполняет процесс аутентификации для подтверждения того, что компьютер действительно представляет собой DMZ-сервер, авторизированный SDNP. Процесс можно предусмотреть автоматическим либо он может предусматривать вмешательства и проверки владельцев аккаунтов способом, аналогичным банковскому переводу. В любом случае электронный сертификат авторизации формируется только после того как аутентификация подтверждает аутентичность DMZ-сервера 1353A, что дает возможность серверу администрирования SDNP 1355 передавать свои секреты и код на DMZ-сервер 1353A. После загрузки эти настройки направляются на медиасерверы 1361, 1362 и 1363, выдавая инструкции медиаузлам nodes M, M и M, соответственно, о том, как обрабатывать входящие и исходящие пакеты данных.
3
2
Тот же DMZ-сервер 1353А может управлять более чем одним медиасервером, т. е. группа медиасерверов 1360 либо ряд DMZ-серверов могут содержать одни и те же настройки безопасности, и разделяемые секреты. Все медиаузлы могут функционировать с целью одновременного переноса медиафайлов, содержимого и данных с использованием разделения времени и уравновешивания нагрузки. Если нагрузка на группу медиасерверов 1360, связанная с обменом информацией, падает, то медиаузел M можно отключить от компьютера, что условно показано в виде разомкнутых ключей 1365А и 1365В, при этом оставляя медиаузел M функционирующим, что условно показано в виде замкнутых ключей 1364А и 1364В. Ключи не показывают, что вход и выход определенного сервера физически отключены, а только то, что на сервере больше не работает приложение медиаузла, в результате чего имеет место экономия энергии и отсутствует необходимость платы за пользование хостингом серверов, необходимости в которых нет. Как показано на фигуре, один DMZ-сервер 1353А может управлять работой более одного медиасервера за счет загрузки инструкций, команд и секретов с DMZ-сервера 1353А на любой сервер из группы серверов 1360, однако обратное действие невозможно. Любая попытка получить информацию, сделать запись, запрос либо проверить содержимое DMZ-сервера 1353А с медиасервера блокируется межсетевым экраном 1366, а это означает, что содержимое DMZ-сервера 1353А нельзя проверить либо раскрыть его из сети Интернет через посредство медиаузла.
фигуре 101В
S
R
S
S
Примером безопасного обмена информацией в соответствии с настоящим изобретением на основании разделяемых секретов показан на , где перед обменом информацией разделяемые секреты для зоны Z1 были направлены сервером администрирования (не показан) на все DMZ-серверы в зоне Z1, в том числе DMZ-серверы 1353А и 1353В. Такие разделяемые секреты могут включать без ограничений генератор начальных данных 921, генератор «мусорных» чисел 960, алгоритмы 1340, ключ шифрования 1022, а также ключ дешифровки 1030. При обмене информацией между передающим медиаузлом M и принимающим медиаузлом M, находящимися на медиасерверах 1118, DMZ-сервер 1353А передает разделяемые секреты на передающий медиаузел M для формирования пакета полезной нагрузки 1341 и состояния 920 с описанием времени создания пакета полезной нагрузки 1342. Перед передачей с медиаузла M пакет полезной нагрузки 1342 также шифруется путем проведения операции шифрования 1339, представленной символически в виде замка.
R
S
R
R
После получения безопасного пакета полезной нагрузки 1342 принимающий медиаузел M производит дешифровку пакета 1342, используя ключ дешифровки 1030, содержащийся в разделяемых секретах 1350, направляемых DMZ-сервером 1353В, после чего, используя информацию о состоянии 920 пакета данных 1342, восстанавливает данные 1341. При альтернативном способе реализации числовые начальные данные 929 можно направить заранее, т. е. перед передачей пакета полезной нагрузки 1342 с направляющего медиаузла M на принимающий медиаузел M в виде числовых начальных данных 929, существующих в течение определенного промежутка времени. Если ими не воспользовались в течение заданного промежутка времени либо если отправка пакета полезной нагрузки 1342 задержана, то время существования начальных данных заканчивается, и они самоуничтожаются, приводя медиаузел M в состояние, когда он не может открыть пакет полезной нагрузки 1342.
фигуре 101С
S
R
S
Другой пример безопасного обмена информацией в соответствии с настоящим изобретением, основанный на разделяемых секретах в комбинации с начальными данными и ключом, включенным в состав направляемого пакета, показан на . В этом примере перед обменом информацией разделяемые секреты 1350А для зоны Z1 передаются на все DMZ-серверы зоны Z1, в том числе серверы 1353А и 1353В. Такие разделяемые секреты могут без ограничений включать генератор начальных данных 921, генератор случайных чисел 960 и алгоритмы 1340, но они не содержат ключи, в частности, ключ шифрования 1022 и ключ дешифровки 1030. В ходе обмена информацией между направляющим медиаузлом M и принимающим медиаузлом M, находящимися на медиасерверах 1118, DMZ-сервер 1353А направляет секреты на направляющий медиаузел M для формирования пакета полезной нагрузки 1342, состоящего из данных 1341, состояния 920 (с указанием времени формирования пакета полезной нагрузки 1342) и ключа шифрования (который используют для шифрования пакетов полезной нагрузки в дальнейшем). Перед маршрутизацией пакет полезной нагрузки 1342 шифруется путем проведения операции шифрования 1339, представленной условно в виде замка.
R
s
R
R
После получения безопасного пакета полезной нагрузки 1342 принимающий медиаузел M производит дешифровку пакета 1342, используя ключ дешифровки 1030, существующий в течение определенного промежутка времени и направленный заранее, т. е. до передачи полезной нагрузки 1342 во время отдельной передачи информации между направляющим медиаузлом M и принимающим медиаузлом M. Этот пакет данных, направленный ранее, можно обезопасить с использованием разделяемых секретов, к примеру, еще одной дешифровки, динамического алгоритма, числовых начальных данных или их комбинации. Если кодом дешифровки 1030 не воспользовались в течение заданного промежутка времени либо если отправка пакета данных 1342 задержана, то срок действия кода дешифровки 1030 заканчивается и он самоуничтожается, приводя медиаузел M в состояние, когда он не может открыть пакет полезной нагрузки 1342. Хотя вместо этого код дешифровки 1030 может быть включен в пакет полезной нагрузки 1342, такой способ не является предпочтительным.
фигуре 102
1
1
2
3
Один из путей предотвращения необходимости передачи всей информации, касающейся безопасности, с содержимым, заключается в разбивке и выделении канала, используемого для подачи командных сигналов и сигналов управления из канала передачи медиафайлов, используемого для передачи содержимого. В соответствии с настоящим изобретением, такая ʺдвухканальнаяʺ система обмена информацией, показанная на , состоит из медиаканала, поддерживаемого медиасерверами, и канала передачи командных сигналов и сигналов управления, поддерживаемого второй сетью компьютеров, называемых в данном документе сигнальными серверами. В ходе обмена информацией сервер сигнализации 1365, на котором работает установленное программное обеспечение SDNP, функционирует в качестве сигнального узла S для передачи командных сигналов и сигналов управления, тогда как медиасерверы 1361, 1362 и 1363, на которых работает установленное программное обеспечение SDNP, функционируют как медиаузлы M, M и M, соответственно, при передаче содержимого и медиафайлов. При такой организации канал передачи медиафайлов не передает командные сигналы и сигналы управления и эти сигналы не обязательно передавать по медиаканалу в виде комбинации с полезной нагрузкой либо отдельно в виде передаваемого заранее пакета данных, который передают до передачи пакета данных, в котором находится содержимое сообщения.
1
1
2
3
3
2
1
2
При работе пакеты передаются на узел сигнализации S с описанием маршрутизации и параметров безопасности для пакетов медиафайлов, поступление которых на группу серверов 1360 ожидается. В настоящем документе такие пакеты специального назначения называются ʺпакетами команд и управленияʺ. При обмене информацией пакеты команд и управления направляются на медиасерверы 1361, 1362 и 1363, выдавая инструкции медиаузлам M, M и M, соответственно, о том, каким образом обрабатывать поступающие и отправляемые пакеты данных. Эти инструкции комбинируются с информацией, хранящейся на DMZ-сервере 1353А. Как описывалось выше, один и тот же DMZ-сервер может управлять работой более одного медиасервера, к примеру, группой медиасерверов 1360. Все медиаузлы могут функционировать с целью переноса медиафайлов, содержимого и данных с использованием разделения времени и уравновешивания нагрузки. Если нагрузка на группу медиасерверов 1360, связанная с обменом информацией, падает, то медиаузел M можно отключить от компьютера, что условно показано в виде разомкнутых ключей 1365А и 1365В, при этом оставляя медиаузел M функционирующим, что условно показано в виде замкнутых ключей 1365А и 1365В, при этом оставляя медиаузлы M и M функционирующим, что условно показано в виде замкнутых ключей 1364А и 1364В. Ключи не показывают, что вход и выход определенного сервера физически отключены, а только то, что на сервере больше не работает приложение медиаузла, в результате чего имеет место экономия энергии и отсутствует необходимость платы за пользование хостингом серверов, необходимости в которых нет.
Как показано на фигуре, один DMZ-сервер 1353А может управлять работой более одного медиасервера за счет загрузки инструкций, команд и секретов с DMZ-сервера 1353А на любой сервер из группы серверов 1360, однако обратное действие невозможно. Любая попытка получить информацию, сделать запись, запрос либо проверить содержимое DMZ-сервера 1353А с сигнального сервера 1365 или медиасерверов 1361, 1362 и 1363 блокируется межсетевым экраном 1366, а это означает, что содержимое DMZ-сервера 1353А нельзя проверить либо раскрыть его из сети Интернет через посредство медиаузла.
Таким образом, в системе двустороннего обмена информацией подача команд и управление системой обмена данных предусматривает использование другого канала передачи информации, т. е. уникальной маршрутизации, отдельной от передачи содержимого сообщений. Сеть сигнальных серверов переносит всю информацию, касающуюся подачи команд и управления сетью, тогда как медиасерверы содержат действительное содержимое сообщения. Пакеты командных сигналов и сигналов управления могут содержать начальные данные, ключи, инструкции по маршрутизации, установки приоритетности и др., тогда как медиафайлы содержат голосовую, текстовую информацию, видеозаписи, электронные письма и др.
Одно из преимуществ двухканального обмена информацией состоит в том, что пакеты данных не содержат информации об источниках своего происхождения и местах назначения. Сервер сигнализации информирует все медиасерверы о том, что нужно делать с каждым поступающим пакетом данных на основании ʺнеобходимости знатьʺ, т. е. как идентифицировать поступающий пакет по адресу узла, который направил его либо по ʺпочтовому индексуʺ SDNP, что с ним делать и куда его направить. За счет этого пакет никогда не содержит больше информации о маршрутизации, чем та, которая касается его последнем переходе и его следующем транзитном переходе в облаке. Аналогично, сигнальные серверы содержат информацию о командных сигналах и сигналах управления, но не имеют доступа к содержимому пакета данных и обмену информацией, передаваемой по каналу обмена медиафайлами. Такое разделение управления без содержимого, а также содержимого без маршрутизации обеспечивает более высокий уровень безопасности, чем в двухканальных сетях на основе SDNP.
фигуре 103А
s
d
S
R
Пример безопасного двухканального обмена информацией в соответствии с настоящим изобретением показан на , где пакеты данных о командных сигналах и сигналах управления, состоящие из начальных данных 929 и ключа дешифровки 1080 передаются сигнальными серверами 1365, в то время как медиафайлы и содержимое передаются между медиасерверами 1118. В этом примере секреты 1350А зоны Z1 перед передачей информации направляются на все DMZ-серверы зоны Z1, в том числе серверы 1353А и 1353В, где такие разделяемые секреты могут содержать без ограничений генератор начальных данных 921, генератор случайных чисел 960 и алгоритмы 1340, но не содержат ключей, в частности, ключа дешифровки 1030. Перед началом обмена информацией узел сигнализации S, находящийся на сигнальном сервере 1365, направляет пакет командных сигналов и сигналов управления, состоящий из числовых начальных данных 929 и ключа дешифровки 1030 либо другие параметры безопасности на узел сигнализации назначения S. Эта информация в комбинации с разделяемыми секретами и параметрами безопасности, хранящимися на DMZ-серверах 1353А и 1353В, в дальнейшем используется для подачи инструкций о том, каким образом направляющий медиаузел M должен передавать шифрованную полезную нагрузку 1342 на принимающий медиаузел M. Шифрование информации с полезной нагрузкой 1342 показано в виде замка 1339.
R
За счет этого помимо передаваемых данных 1341 единственными данными, связанными с безопасностью, содержащимися в пакете полезной нагрузки 1342, являются состояние 920, описывающее время формирования пакета 1342. После поступления пакета полезной нагрузки 1342 на принимающий медиаузел M происходит ее дешифрование с использованием ключа дешифровки 1030. После дешифровки начальные данные 929 в комбинации с информацией о состоянии 920 и разделяемыми секретами 1350А, поступающими с DMZ-сервера 1353В, используются для дескремблирования, смешивания и разделения пакета полезной нагрузки 1342 и других поступающих пакетов данных в соответствии с описанными выше способами. Хотя пакет данных может нести информацию о времени своего последнего изменения (информация о состоянии особенно полезна для локального генерирования ключей дешифровки), одновременное использование начальных данных, передаваемых по каналу передачи командных сигналов и сигналов управления обеспечивает возможность идентификации операций разделения и дескремблирования, которым ранее подвергали поступающий пакет данных только по времени, это не обязательно операции, проводившиеся на узле, непосредственно предшествующем данному.
фигуре 103В
В другом способе реализации, показанном на , числовые начальные данные 929 доставляются заранее, т. е. раньше, чем пакет с полезной нагрузкой 1342, по каналу передачи медиафайлов, но ключ дешифровки 1030 по-прежнему передается по каналу передачи сигналов. Как таковые комбинация или перестановки способов доставки возможны для обеспечения безопасного обмена информацией. Альтернативный вариант состоит в том, что начальные данные, ключи и другие динамические настройки безопасности со временем могут изменяться.
фигуре 104
1,1
Для облегчения описанного выше сквозного обеспечения безопасности у клиента необходимо устанавливать также выполняемый код, разделяемые секреты и ключи, как правило, их загружают в виде приложения. Для предотвращения раскрытия параметров безопасности, используемых в сети SDNP, эти загруженные файлы устанавливают в отдельной зоне, известной только клиенту и облачному шлюзовому узлу, при помощи которого они передаются. Как показано на , для обеспечения мобильному устройству, к примеру, сотовому телефону 32, возможности обмениваться информацией с использованием облака SDNP, он должен для начала стать авторизированным клиентом SDNP. Этот этап включает загрузку пакета программного обеспечения 1352D зоны U1 с сервера администрирования SDNP 1355 на клиентский узел C, т. е. сотовый телефон 32, с использованием безопасной линии загрузки 1354, существующей лишь в течение ограниченного промежутка времени. Если для завершения загрузки требуется слишком много времени либо она не соответствует определенным критериям аутентификации, подтверждающим, что пользователь представляет собой реально существующее устройство и не является компьютером хакера, делающим вид, что является клиентом, то файл ни при каких обстоятельствах не расшифровывается и не устанавливается на сотовый телефон 32. В пакете программного обеспечения 1352D в зоне U1 содержатся исполняемый код 1351, специфический для операционной системы сотового телефона 32 либо другого устройства, на которое устанавливается код, к примеру, iOS, Android, Windows, MacOS и др., а также секреты 1350D зоны U1, к которым могут относиться комбинация генератора начальных значений 921, генератор случайных чисел 960, алгоритмы 1340, код шифрования 1022 и код дешифровки 1030, все они специфичны для клиентской зоны U1.
1,1
a,d
a,d
a,d
1,1
Для любой зоны U1 внешний клиентский узел Cдля обмена информацией с зоной Z1 облака 1114 SDNP, шлюзовые узлы, такие как медиаузел M, должны получить информацию, касающуюся параметров безопасности как зоны Z1, так и зоны U1, содержащиеся в пакете загрузки 1352E зон U1 и Z1. С использованием ограниченных по времени и безопасных способов загрузки, обозначенных в виде замка 1354, секреты как зоны Z1, так и зоны U1 загружаются по линии связи 1350C на DMZ-сервер 1353С, а исполняемый код 1351 загружается по линии связи 1351 и устанавливается на медиаузел SDNP M, а равно и на остальные медиаузлы зоны Z1, необходимые для создания шлюзовых соединений между облаком 1114 и внешними клиентами, к примеру, соединений, поддерживающих возможность соединения устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера. После того как медиаузел M в зоне Z1 и клиентский узел Cв зоне U1 загружены содержимым пакетов загрузки 1352E и 1352D, соответственно, может быть обеспечен безопасный обмен информацией 1306, включающий операцию шифрования 1339.
1,1
d
R
1,1
фигуре 105А
Поскольку обмен информацией между безопасным облаком в зоне Z1, находящемся на медиасерверах 1118 и клиентским узлом C, находящемся на внешнем устройстве, к примеру, на мобильном телефоне 32 в зоне U1, может быть реализован по одному каналу передачи информации, необходимы некоторые средства для преобразования двухканального обмена информацией, реализованного в облаке 1114, в одноканальный обмен информацией, который нужен в линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера. Пример функции, выполняемой шлюзовым узлом SDNP при реализации преобразования двуканального обмена информацией в одноканальный показан на , где пакеты командных сигналов и сигналов управления зоны Z1, поступающие на узел сигнализации S на сигнальном сервере 1365, комбинируются с содержимым медиафайлов в шлюзовом медиаузле M, обеспечивая одноканальный обмен информацией с пакетом полезной нагрузки 1342, содержащим данные 1341 и параметры безопасности зоны U2, включая состояние 920, которое показывает время формирования пакета 1342, числовые начальные данные 929 и код шифрования 1022, которые предназначены для использования в шифровании следующего пакета, т. е. пакета, который должен формировать узел C.
фигуре 105В
Пакет полезной нагрузки 1342 шифруется проведением операции шифрования 1339. Для расшифровки пакета полезной нагрузки 1342 необходимо пользоваться ключом дешифровки 1030; этот ключ состоит из одного из нескольких разделяемых секретов 1350D зоны U1, загруженных ранее в безопасное приложение и хранилище данных 1359 вместе с другими секретами зоны U1, такими как генератор начальных данных 921, генератор случайных чисел 960 и алгоритмы 1340. Вместо этого, как показано на , можно сначала доставить предварительные начальные данные 929, которые используются для дескремблирования скремблированного ключа дешифровки 1030, который в свою очередь используют для дешифровки полезной нагрузки 1342. Далее можно воспользоваться состоянием 920 для дешифровки или дескремблирования данных 1341, создавая многочисленные препятствия для борьбы с нарушениями безопасности в линии связи устройства конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера.
фигуре 106
1,1
s
1,1
1,1
Для предотвращения распознавания шаблона алгоритмов, повторно используемых клиентом, адрес или код, используемые для выбора алгоритма из списка алгоритмов, установленных на устройстве-клиенте, в соответствии с настоящим изобретением, регулярно меняют, к примеру, еженедельно, ежедневно, ежечасно и т. д. Эта особенность, называемая ʺперестановкойʺ, проводится способом, аналогичным перетасовке колоды карт и похожа на перестановку, выполняемую в сети. Перестановка обеспечивает изменение местоположения чисел, используемых для идентификации любого заданного алгоритма в таблице алгоритмов, независимо от того, состоит эта таблица алгоритмов из способов скремблирования, смешивания или шифрования. Как показано на , для перестановки в любой таблице алгоритмов в клиентском узле C, к примеру, установленной на сотовый телефон 32, с одновременным обеспечением способности облака SDNP интерпретировать новые адреса алгоритмов, сервер сигнализации 1365, на котором находится узел сигнализации S, направляет числовые начальные данные 929 на клиентский узел C, который в свою очередь перенаправляет начальные данные в зону U1 генератора случайных чисел 960. Результирующее число используется для запуска алгоритма перестановки 1312, преобразуя алгоритмическую таблицу 1368A зоны U1 в новую алгоритмическую таблицу 1368F зоны U1 и сохраняя видоизмененную таблицу в безопасных приложениях и реестре данных 1359, находящемся на клиентском узле C. Сервер сигнализации (не показан) формирует числовые начальные данные 929 исходя из информации о состоянии, полученной из планируемого времени 1310 и даты события 1311, используемых при составления графика процесса перестановки. Ту же информацию о состоянии и дате используют для перестановок в таблице на DMZ-сервере 1353А, обеспечивая идентичность и синхронизацию алгоритмических таблиц облака с алгоритмическими таблицами клиента.
1,1
R
1,1
d
1,1
1,1
фигуре 107
Усовершенствованный способ передачи параметров безопасности из облака в клиентский узел C предполагает реализацию двухканального обмена информацией, как показано на , где медиаузел M, находящийся на медиасервере 1118, направляет числовые начальные данные 929 на клиентский узел C, а узел сигнализации S, находящийся на отдельном сигнальном сервере 1365, направляет ключ дешифровки 1030 на клиентский узел C. Преимущество этого способа заключается в том, что ключ дешифровки 1030 поступает от другого источника с адресом пакета SDNP, отличным от адресов числовых начальных данных 929 и пакета полезной нагрузки 1342. Возможным недостатком является то, что несмотря на наличие различных путей обмена информацией, во многих случаях вероятно то, что оба сетевых канала будут поддерживаться одним и тем же средством, например, единичным соединением WiFi или LTE с сотовым телефоном 32. Скремблирование или шифрование кода дешифровки 1030 перед его передачей с сигнального сервера 1365 на клиентский узел C может в значительной степени нивелировать этот недостаток, с тем чтобы его можно было перехватить или прочитать, осуществляя прослушивание пакета.
R
1,1
1,1
При работе числовые начальные данные 929, передаваемые по каналу передачи медиафайлов с медиаузла M на клиентский узел C, используются для выбора алгоритма дешифровки из алгоритмической таблицы 1340 и разблокировки безопасности на ключе дешифровки 1030, показанном в виде замка 1339С. После разблокировки ключ дешифровки используют для разблокировки шифрования, которому подвергнут пакет полезной нагрузки 1342 проведением операции шифрования 1339В. Затем числовые начальные данные 929 в совокупности с секретами 1350D зоны U1 используются для восстановления данных 1341 для использования клиентским узлом C.
фигуре 108
d
1,1
R
1,1
Если реализуют асимметричный обмен ключами, как показано на , то DMZ-сервер 1353А создает пару асимметричных ключей, в которую входят секретный ключ дешифровки 1030А и ключ шифрования для общего пользования1370А. Ключ дешифровки 1030А остается секретным на DMZ-сервере в виде секрета зоны Z1, а ключ шифрования для общего пользования 1370А передается через узел сигнализации S на сервер обмена ключами 1369. На сервере обмена ключами 1369 ключ шифрования 1370A хранится до тех пор, пока он нужен, после чего этот сервер передает его на клиентское устройство 1335. Когда клиентский узел Cформирует пакет данных с полезной нагрузкой 1342 для его отправки на медиаузел M, он вначале загружает ключ шифрования 1370A зоны Z1 с сервера обмена ключами 1369. В то время как сервер сигнализации может пропустить ключ шифрования на клиентский узел Cнепосредственно, использование сервера обмена ключами 1369 обеспечивает множественные преимущества. Первая выгода от использования общедоступного сервера обмена ключами состоит в том, что обеспечивается маскировка при прямом рассмотрении, т. е. ʺбезопасность в числахʺ. Поскольку общедоступный сервер обмена ключами может генерировать миллионы ключей шифрования, у человека, осуществляющего вмешательство, не остается способа узнать, какой именно ключ нужно запрашивать для получения незаконного доступа к неавторизированному обмену информацией. Даже если они каким-то чудом смогут выбрать нужный ключ, ключ шифрования дает им возможность лишь шифрования сообщений, а не их расшифровки. В-третьих, распределение общедоступных ключей освобождает сервер сигнализации от обязанности распределять ключи и подтверждать доставку. Наконец, при использовании общедоступного сервера обмена ключами у киберпирата не остается способа отследить, откуда поступил ключ шифрования, затрудняя обнаружение вызывающего устройства через их сервер сигнализации.
1,1
R
1,1
R
1,1
1,1
После получения ключа шифрования 1370А узел Cна клиентском устройстве 1335 шифрует пакет полезной нагрузки 1342, используя выбранный алгоритм шифрования и ключ шифрования 1371В. Поскольку медиаузел M имеет доступ к ключу дешифровки 1030 с DMZ-сервера 1353А, он может открыть пакет полезной нагрузки 1342 и прочитать файл. Секреты 1350D зоны U1, наоборот, содержат ключ дешифровки, соответствующий ключу шифрования (не показан), поступившему с клиентского узла C на сервер обмена ключами 1369. Когда медиаузел M формирует пакет данных для клиентского узла C, он загружает ключ шифрования 1370A зоны U1 и затем проводит шифрование пакета полезной нагрузки 1342 для его отправки на клиентский узел C. Ввиду того что сотовый телефон 32 имеет доступ к секретам зоны U1, в том числе к ключу дешифровки 1030 зоны U1, он может производить дешифровку и читать пакет полезной нагрузки 1342.
В соответствии с настоящим изобретением, пользуясь описанными выше способами и их комбинациями можно реализовать безопасный обмен информацией, включая доставку программного обеспечения, разделяемых секретов, алгоритмов, генераторов случайных чисел, числовых начальных данных, а также асимметричных либо симметричных ключей шифрования.
Передача пакета SDNP
Другим аспектом способа безопасного обмена информацией в соответствии с данным изобретением является невозможность лица, совершающего кибератаку, определить, откуда поступили пакет данных либо пакет командных сигналов и сигналов управления, а также их место назначения, т. е. истинный источник и место назначения скрыты, при этом открывается только источник и место назначения отдельного перехода. Более того, в пределах одного облака SDNP используемые SDNP-адреса не являются реальными IP-адресами, существующими в сети Интернет, это лишь локальные адреса, имеющие значения в отдельном облаке SDNP, это аналогично адресам в Национальной точке подключения (NAT). В противоположность передаче данных в сети NAT, при маршрутизации данных в сети SDNP адреса SDNP в под-пакете данных переписываются после каждого перехода из узла в узел. Более того, медиаузел не имеет никакой информации о маршрутизации пакета данных помимо того, с какого последнего медиаузла он пришел и на какой медиаузел он пойдет далее. Протоколы отличаются между собой так, как описано выше в примерах одноканального и двухканального обмена информацией, однако концепции маршрутизации одинаковы.
Одноканальная передача
фигуре 109
2,1
1,1
2,1
a,f
a,f
a,d
a,d
1,1
Один из примеров одноканального обмена информацией представлен на , где пакеты данных передаются через решетчатую сеть SDNP, к которой подключены планшет 33 и сотовый телефон 32, на каждом из которых работает приложение 1335, разрешение на запуск которого дано SDNP. При безопасном обмене данными между клиентским узлом C и клиентским узлом C данные перемещаются по одноканальной линию связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, маршрутизация которой произведена в зоне U2 от клиентского узла C до медиаузла M, после чего производится маршрутизация по решетчатой сети в зоне Z1 облака SDNP от шлюзового медиаузла M до шлюзового медиаузла M; все это завершается в одноканальной линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U1 от медиаузла M до клиентского узла C. Пакет данных 1374В показывает IP-адресацию, при которой пакет направляют с IP-адреса Addr TB на IP-адрес Addr MF, IP-адрес медиасервера 1220F.
Адреса линий связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера являются действительными IP-адресами. После входа в зону Z1 облака IP-адрес источника в пакете SDNP 1374F меняется на псевдо-IP-адрес SDNP Addr MF, т. е. адрес типа ʺNATʺ, не имеющий значения в сети Интернет. Если представить для простоты, что маршрутизация в сети представляет собой единственный переход, то адрес места назначения также является псевдо-IP-адресом, в данном случае это SDNP Addr MD. В линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U1 адрес, указанный в пакете 1374G SDNP, преобразуется в действительные IP-адреса, при этом адресом источника является IP Addr MD, а адресом места назначения - IP Addr CP. При передаче пакетов в режиме реального времени все пакеты медиафайлов используют протокол UDP, а не ТСР. Как отмечалось выше, полезная нагрузка в различных зонах неодинакова: в линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U2 полезная нагрузка пакета медиафайлов 1374B SDNP состоит из пакета U2 SDNP, в решетчатой сети и облаке SDNP зоны Z1 полезная нагрузка пакета медиафайлов 1374F SDNP представляет собой пакет Z1 SDNP, а в линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U1 пакета медиафайлов 1374G представляет собой пакет U1 SDNP. Поэтому, в отличие от обмена информацией в сети Интернет, пакет медиафайлов SDNP представляет собой меняющуюся полезную нагрузку, адрес, формат и содержание которой меняются и которая перемещается по сети обмена информацией.
фигурах 110A-110F
фигуры 110А
ad hoc
a,s
На  показан ряд блок-схем, иллюстрирующих, каким образом осуществляется одноканальный обмен информацией SDNP. При одноканальном обмене информацией через порт () лица, обменивающиеся информацией, осуществляют обмен ею по одному каналу, т. е. каналу передачи медиафайлов, с последовательностью, обеспечивающей выполнение сессии, а затем передачу данных или голосового сообщения. Как показано на этапе 1380A , клиент запускает приложение 1335, выполнение которого разрешено SDNP, и начинает диалог с любым медиасервером SDNP, установленным по умолчанию, из числа медиасерверов SDNP, перечисленных в таблице 1375. Любой из серверов SDNP, установленных по умолчанию, в данном случае это медиасервер 1120S, на котором находится медиаузел M, используется в качестве первого номера для контакта во всех случаях, когда авторизированный клиент желает осуществить вызов или создать сессию, пользуясь сетью SDNP. При одноканальном обмене информацией сервер 1220S выполняет две функции, функционируя в качестве сервера по умолчанию для первого контакта с новыми инициаторами вызова и одновременно выполняя функцию медиасервера для передачи уже совершенных вызовов. При альтернативном варианте реализации используется отдельный назначенный ʺсервер именʺ для функционирования в качестве устройства для первого контакта не в то время, когда инициируется вызов, а всегда при первом подключении устройств, т. е. при их регистрации в сети. Использование сервера имен в соответствии с настоящим изобретением описано далее в данной заявке.
Клиентское приложение 1335, работа которого разрешена SDNP, может быть безопасным приложением, работа которого разрешена SDNP, к примеру, персональной системой обмена личными сообщениями либо безопасной электронной почтой, функционирующей на сотовом телефоне, планшете или ноутбуке. Вместо этого клиент может представлять собой безопасные аппаратные устройства, на которых работает встроенное программное обеспечение SDNP. В состав устройств со встроенным SDNP может входить самоходный телемеханический терминал, кассовый терминал для операций с кредитными картами, специально предназначенный клиент Интернета вещей, разрешение на работу которого дано SDNP, либо маршрутизатор SDNP. Маршрутизатор SDNP, описанный в настоящем документе, является периферическим аппаратным устройством общего назначения, используемым для подключения любого устройства, на котором программное обеспечение SDNP не работает, к безопасному облаку SDNP, к примеру, к любому ноутбуку, планшету, электронному устройству считывания, сотовому телефону, игровой приставке, а также устройству с возможностью подключения к локальной сети, WiFi или Bluetooth.
a,f
a,f
После контакта клиентского приложения 1335 с одним из серверов SDNP, установленных по умолчанию, оно в дальнейшем перенаправляется к шлюзовому узлу SDNP. Шлюзовой узел можно выбирать исходя из его физической приближенности местоположения клиента к серверу, наименьшему Интернет-трафику либо по признаку принадлежности к линиям с наименьшей задержкой распространения и минимальной задержкой доставки данных. На стадии 1380В установленный по умолчанию сервер 1220S SDNP перенаправляет запрос на соединение от клиента на шлюзовой медиасервер 1220F, являющийся наилучшим вариантом выбора с SDNP, на котором находится шлюзовой медиаузел M с SDNP. Далее шлюзовой медиаузел M производит аутентификацию сертификата 1357, принадлежащего обоим лицам, подтверждает пользователя, устанавливает, является ли вызов бесплатным или содержит признаки необходимости внесения платы и, при необходимости, подтверждает состояние платежеспособности аккаунта, после чего запускает серию SDNP.
На этапе 1380C клиентское приложение 1335 направляет начальный пакет 1374A SDNP с запросом адреса и информации о маршрутизации вызова к месту назначения, т. е. лицу или устройству, которому был адресован вызов, с использованием запроса на маршрутизацию 1371, направляемого к шлюзовому медиасерверу 1220F. Ввиду того что пакет 1374A SDNP, содержащий запрос на маршрутизацию, представляет собой пакет командных сигналов и сигналов управления, а не обмен данными в режиме реального времени (т. е. пакет данных), его доставка осуществляется с использованием протокола ТСР, а не UDP. Запрос на маршрутизацию 1371 может устанавливать необходимость доставки информации клиентскому приложению 1335 в любом числе форматов, включая телефонный номер, адрес SDNP, IP-адрес, URL, а также специальный код SDNP, к примеру, ʺпочтовый адресʺ SDNP устройства назначения (в данном случае это сотовый телефон 32). Поэтому запрос на маршрутизацию представляет собой запрос на информацию о лице, которому адресован вызов, т. е. любую информацию, необходимую для определения места назначения вызова, включающую в себя, например, ʺпочтовый адресʺ SDNP, их IP-адрес либо адрес SDNP.
фигуры 110В
фигуре 51А
a,f
a,f
a,f
a,f
a,f
На этапе 1380D  шлюзовой медиаузел SDNP M производит поиск облака SDNP 1114 и получает адрес места назначения, а это значит, что медиаузел M идентифицирует лицо, которому адресован вызов, и получает необходимую информацию для адресации вызова, которая может представлять собой, к примеру, ʺпочтовый адресʺ, IP-адрес либо адрес SDNP лица, которому адресован вызов; далее на этапе 1380E шлюзовой медиаузел M передает информацию о маршрутизации, пути, по которому будет передан вызов, а также ключи шифрования, необходимые для перехода по определенной зоне к клиентскому приложению 1335. Когда клиент (планшет 33) получает адрес места назначения, на этапе 1380F (планшет 33) инициирует вызов с пакетом данных SDNP 1374B. Звуковые волны, возникающие вследствие голосовой передачи данных, 1383А, преобразуются в формат цифровой информации при помощи аудиокодека (не показано) и передаются в приложение 1335. Комбинирование аудиоинформации с маршрутизацией адреса и другой информацией, накапливающейся в под-пакете SDNP, приложение 1335 формирует пакет SDNP 1374B для маршрутизации по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера от ʺIP Addr TBʺ до ʺIP Addr MFʺ и начинает передачу пакета на медиаузел M. Под-пакет SDNP, встроенный в полезную нагрузку 1372 пакета данных 1374В, может содержать информацию о срочности, предпочтениях в части доставки, протоколах безопасности, а также спецификациях типа данных. Поскольку маршрутизация пакета данных SDNP 1374B по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера осуществляется с использованием IP-адреса, передача пакета производится аналогично обычному Интернет-трафику, за исключением того, что действительное содержимое данных скремблировано и зашифровано с использованием настроек безопасности SDNP зоны U2, а под-пакет SDNP, содержащийся в полезной нагрузке U2 SDNP 1372, содержащей данные, также имеет специфический формат, соответствующий безопасному динамическому протоколу сети для зоны U2. Безопасный динамический протокол сети для зоны U2 представляет собой совокупность разделяемых секретов, специфически применимых для обмена информацией с движением по данной конкретной зоне, к примеру, начальных данных зоны U2, рассчитанных с использованием специфического генератора начальных данных зоны U2, т. е. способа генерирования исходных данных с использованием алгоритма, описанного ранее в примере, представленном на , но с использованием параметров безопасности, таблиц и др., специфичных для зоны U2. Аналогично, алгоритмы шифрования и скремблирования зоны U2 основаны на параметрах безопасности, специфичных для зоны U2. Как таковые пакеты, пересылаемые планшетом 33, скремблируются и зашифровываются описанным выше способом исходя из состояния (времени) и того, что эти пакеты содержат ключи дешифровки и начальные данные, которые идентифицируют состояние (время), когда они были сформированы, обеспечивая возможность дескремблирования и дешифровки пакетов медиаузлом M с использованием настроек безопасности, заданных для зоны U2.
Таким образом, каждый узел идентифицирует каждый пакет, получаемый им, по его ярлыку. После идентификации пакета узлом он выполняет с пакетом необходимые операции дешифровки, дескремблирования, смешивания, скремблирования, шифрования и разделения в соответствии с инструкциями сервера сигнализации по работе с ним и в заданном порядке. Алгоритмы или иные способы, используемые в этих операциях, могут основываться на состоянии, к примеру, времени формирования пакета, либо начальных данных, генерируемых в соответствии с алгоритмом, определенным состоянием. При выполнении каждой операции узел может использовать состояние или начальные данные для выбора определенного алгоритма или способа из таблицы, хранящейся в его памяти. Опять-таки в соответствии с инструкциями, выданными сервером сигнализации, узел присваивает каждому пакету ярлык, после чего обеспечивает маршрутизацию пакета при его передаче на следующий узел в ходе его движения по сети SDNP. Разумеется, подразумевают, что если поступающие пакеты были смешаны и/или разделены, то пакеты, пересылаемые узлом, обычно не являются теми же самыми пакетами, которые он получает, поскольку некоторые сегменты данных могли быть перемещены в другие пакеты, а сегменты данных из других пакетов могли быть добавлены. Таким образом, после разделения пакета любой получаемый в результате пакет приобретает собственный ярлык и перемещается собственным маршрутом, не обладая никакой информацией о том, каким образом его ʺдочерние узлыʺ будут совершать те же процессы, двигаясь к тому же конечному месту назначения. Узел не имеет информации о том, каким образом движется каждый из пакетов, за исключением его ближайшего перехода.
В одноканальных системах SDNP шлюзовой и другие медиаузлы должны выполнять тройное назначение, имитируя задачи, выполняемые сервером имен и сервером сигнализации. Фактически одноканальные, двухканальные и трехканальные системы отличаются этими тремя функциями: передача пакета, передача сигнала и ʺимениʺ выполняются на тех же серверах в одноканальной системе, на двух типах серверов в двухканальной системе и трех типах серверов в трехканальной системе. Сами по себе функции в системах всех трех типов идентичны.
В распределенных системах серверы, выполняющие функцию сигнализации, обладают информацией о конечном месте назначения пакетов, однако ни один единичный сервер не обладает информацией обо всем маршруте движения пакетов. К примеру, исходный сервер сигнализации может обладать информацией о части маршрута, однако когда пакеты достигают определенного медиаузла, функция сигнализации передается другому серверу сигнализации, что принимает на себя выполнение задачи по определению маршрута от названной точки и далее.
Если провести грубую аналогию, то если пакет должен отсылаться с сотового телефона, находящегося в Нью-Йорке, на переносной компьютер, находящийся в Сан-Франциско, то первый сервер сигнализации (или первый сервер, выполняющий функцию сигнализации) может маршрутизировать пакет с сотового телефона на локальный сервер в Нью-Йорке (входной шлюзовой узел), а оттуда - на серверы в Филадельфии, Кливленде, Индианаполисе и Чикаго, второй сервер сигнализации может обеспечивать маршрутизацию пакета с сервера в Чикаго на серверы в Канзасе и Денвере, третий сервер сигнализации может обеспечивать маршрутизацию пакета с сервера в Денвере на серверы в Солт-Лейк Сити, Рено и Сан-Франциско (конечный шлюзовой узел) и наконец на переносной компьютер, при этом каждый сервер сигнализации определяет часть маршрута, за которую он отвечает, исходя из задержек отправки и других текущих условий трафика в сети SDNP. Первый сервер сигнализации может выдавать инструкции второму серверу сигнализации о предполагаемой переправке пакета на сервер в Чикаго, а второй сервер сигнализации может выдавать инструкции третьему серверу сигнализации о предполагаемой переправке пакета на сервер в Денвере, однако ни один из серверов сигнализации (или ни один из серверов, выполняющих функцию сигнализации) не может иметь полной информации о маршруте пакета.
Конечно, как отмечалось выше, пакет по маршруту следования может смешиваться и разделяться на части. К примеру, вместо обычной маршрутизации пакета с сервера в Филадельфии на сервер в Кливленде сервер сигнализации, сервер сигнализации может выдать инструкции серверу в Кливленде о разбиении пакета на три части и их маршрутизации на серверы в Цинциннати, Детройте и Кливленде, соответственно. Сервер сигнализации в дальнейшем также выдаст инструкции серверу в Филадельфии о присвоении каждому из этих трех пакетов определенного ярлыка и он может проинформировать серверы в Цинциннати, Детройте и Кливленде о ярлыках, с тем чтобы они могли распознать эти пакеты.
фигуре 11C
a,f
a,j
a,f
Этап 1380G на иллюстрирует маршрутизацию пакета данных 1374C SDNP от шлюзового медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220F, до медиаузла SDNP M, находящегося на медиасервере 1220J. При одноканальном обмене информацией маршрутизация данных определяется впервые в момент, когда шлюз впервые получил адрес вызываемого клиента на этапе 1380D. В отличие от маршрутизации пакета IP-данных 1374B по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, первый переход пакета SDNP 1374C внутри облака происходит с использованием адресов SDNP ʺSDNP Addr MFʺ и ʺSDNP Addr MJ,ʺ которые нельзя распознать в сети Интернет. При одноканальном обмене информацией маршрутизация данных, т. е. последовательность узлов, через каждый из которых пакет будет проходить по пути следования к месту назначения, определяется в момент, когда шлюзовой узел (в данном случае это узел M) впервые получает адрес вызываемого клиента (в данном случае на этапе 1380D).
Полезная нагрузка 1373A пакета данных SDNP 1374C подвергается скремблированию и шифрованию с использованием параметров безопасности SDNP зоны Z1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете данных 1374C, в котором содержатся данные из полезной нагрузки 1373A, также форматируется специфично в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны Z1. Защищенный динамический сетевой протокол для любой зоны представляет собой совокупность разделяемых секретов, специфически применимый для обмена информацией с передачей данных через определенную зону; в данном случае начальные данные зоны Z1 рассчитываются с использованием алгоритма начальных данных для зоны Z1, алгоритма шифрования для зоны Z1 и т. д. Для целей безопасности параметры безопасности зоны Z1 не передаются в зоны U2 и наоборот.
a,j
a,s
Этап 1380H иллюстрирует маршрутизацию пакета данных SDNP 1374D от медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220J, на медиаузел M, находящийся на медиасервере 1220S. Переход пакета SDNP 1374D также осуществляется с использованием адресов SDNP ʺSDNP Addr MJʺ и ʺSDNP Addr MSʺ, которые нельзя распознать в сети Интернет. Полезная нагрузка 1373B пакета SDNP 1374D скремблируется и зашифровывается с использованием параметров безопасности зоны Z1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете данных SDNP 1374D, в котором находятся данные внутри полезной нагрузки 1313В, также форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны Z1.
Этот процесс пересылки пакета между узлами в облаке SDNP может возникать один раз либо повторяться многократно, при этом каждый повтор предполагает повторное формирование пакета и реализацию операции изменения маршрута 1373.
фигуре 110D
a,s
a,d
Последний переход в облаке пакета SDNP 1374E, показанный в виде этапа 1380J на , происходит аналогичным образом с использованием адресов SDNP ʺSDNP Addr MJʺ и ʺSDNP Addr MSʺ, которые нельзя распознать в сети Интернет. Пакет данных SDNP 1374E маршрутизируется от медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220S, на шлюзовой медиаузел SDNP M, на находящийся на медиасервере 1220D. Полезная нагрузка 1373C внутри пакета данных SDNP 1374E скремблируется и зашифровывается с использованием параметров безопасности SDNP зоны Z1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете данных SDNP 1374E, в котором находятся данные внутри полезной нагрузки 1313С, также форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны Z1.
a,d
1,1
На этапе 1380K происходит маршрутизация пакета данных 1374G из безопасного облака по пути из шлюзового медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220D, к клиентскому узлу C, находящемуся в приложении 1335 на сотовом телефоне 32. Эта последняя маршрутизация IP-пакет 1374G по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера c использованием IP-адресов ʺIP Addr MDʺ и ʺIP Addr CPʺ, которые можно распознать в сети Интернет, за исключением того, что полезная нагрузка 1374 внутри IP-пакета 1374G скремблируется и зашифровывается с использованием параметров безопасности зоны SDNP U1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете данных SDNP 1374G, в котором находятся данные внутри полезной нагрузки 1374 также форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны U1. После доставки содержимого данных полезной нагрузки 1374 в приложение 1335 на сотовом телефоне 32, динамик 1388В преобразует цифровой код в звук 1384А при помощи аудиокодека (не показано).
фигуре 110Е
На этапе 1380L, показанном на , лицо, которому адресован вызов, отвечает голосовым сигналом, подаваемым в направлении, противоположном направлению начального обмена данными. Звуковые волны 1384B как таковые перехватываются микрофоном 1383В, который преобразует их в цифровой код при помощи аудиокодека (не показано), исполняемый приложением 1335 на сотовом телефоне 32. Голосовые данные комбинируются с под-пакетом зоны SDNP U1 с использованием параметров безопасности SDNP для зоны U1, образуя полезную нагрузку 1375, и направляются с ʺIP Addr CPʺ на ʺIP Addr MDʺ с использованием IP-пакета 1374Н. Эта маршрутизация IP-пакета 1374Н по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера происходит с использованием IP-адреса, который можно распознать в сети Интернет, за исключением того, что полезная нагрузка 1375, содержащаяся в пакете данных 1374H, скремблируется и зашифровывается с использованием параметров безопасности зоны SDNP U1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете SDNP 1374H, в котором есть данные внутри полезной нагрузки 1375, также форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны Z1.
a,d
a,j
Как показано на этапе 1380M, после получения IP-пакета 1374H шлюзовой медиаузел M, находящийся на сервере 1220D, преобразует адресацию на маршрутизацию SDNP и направляет пакет данных SDNP 1374J и его полезную нагрузку 1376A на медиаузел M, находящийся на компьютере-сервере 1220U, с использованием параметров безопасности зоны Z1. Сквозной обмен информацией SDNP может представлять собой единственный переход от узла у узлу либо предусматривать передачу через ряд медиаузлов, при этом каждый переход предусматривает повторное формирование пакета и операцию изменения маршрута 1373.
фигуре 110F
фигуре 109
a,j
a,f
a,f
2,1
На этапе 1380N, показанном на , пакет данных SDNP 1374K и его полезная нагрузка 1376B, специфичная для зоны Z1, направляются с медиаузла M, находящегося на компьютере-сервере 1220J, на шлюзовой медиаузел M, находящийся на компьютере-сервере 1220F. Адреса SDNP ʺSDNP Addr MJʺ и ʺSDNP Addr MFʺ, используемые в пакете SDNP 1374K, представляют собой адреса, специфичные для SDNP, аналогичные адресам в сети NAT, они не отвечают действительной маршрутизации по сети Интернет. На этапе 1380P шлюзовой медиаузел M преобразует содержимое поступающего пакета данных из полезной нагрузки 1376B, специфичной для зоны Z1, в полезную нагрузку 1377 зоны U2 и с использованием IP-адресов ʺIP Addr MFʺ и ʺIP Addr TBʺ направляет IP-пакет 1374L на клиентский узел C, находящийся на планшете 33, как показано на . Далее приложение 1335 извлекает данные из полезной нагрузки 1377 и после дешифровки и дескремблирования преобразует цифровой код с использованием аудиокодека (не показано) в звуковые волны 1384В, подаваемые динамиком 1388А.
фигуре 111А
a,f
Полная информация обо всей последовательности обмена информации через порт с целью инициирования вызова и маршрутизации голосового сигнала от клиента, подающего вызов, т. е. планшета 33, к вызываемому лицу, т. е. сотовому телефону 32, представлена на . Как показано на фигуре, IP-команда и пакет управляющих сигналов 1374A используются для получения контактной информации с целью определения маршрута, а IP-пакет данных 1374B используется для инициирования маршрутизации по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера с использованием IP-адресов для достижения шлюзового узла SDNP M на IP-адресе ʺIP Addr MFʺ. Весь обмен информацией по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера между планшетом 33 и облаком SDNP 1114 использует параметры безопасности зоны U2.
a,f
Далее шлюзовой медиаузел M преобразует маршрутизацию в адреса маршрутизации, специфические для SDNP, и использует пакеты SDNP1374C, 1374D и 1374E для последовательной передачи информации через облако SDNP 1114 от ʺSDNP Addr MFʺ на ʺSDNP Addr MJʺ, ʺSDNP Addr MSʺ и ʺSDNP Addr MDʺ; при каждом из этих переходов используются параметры безопасности зоны Z1. Эта последовательность функционально эквивалентна пакету данных SDNP 1374F, направляющему пакет информации, которой обмениваются, от ʺSDNP Addr MFʺ непосредственно на ʺSDNP Addr MDʺ. Ввиду отсутствия устройства наблюдения за маршрутизацией при передаче через порт, целью которого является контроль факта доставки пакета, подача команд и управлением маршрутизацией пакета в облаке SDNP 1114 можно реализовать одним из двух способов. При одном из способов реализации адреса источника и места назначения каждого из пакетов данных SDNP 1374C, 1374D и 1374E точно и однозначно определяют поэтапный маршрут движения пакета по сети SDNP, при этом путь при одноканальном обмене информацией выбирается шлюзовым медиаузлом заранее с таким расчетом, чтобы обеспечить наименьшую задержку в ходе перемещения. При альтернативном способе реализации один пакет, ʺпроходящий от шлюза к шлюзуʺ, к примеру, пакет данных SDNP 1374F, используется для определения узловых шлюзов SDNP при входе в облако и выходе из него, а не для задавания точного маршрута передачи. При таком варианте реализации каждый раз при прибытии пакета на медиаузел SDNP этот медиаузел устанавливает следующий его переход во многом таким же образом, каким происходит маршрутизация через Интернет, за исключением того, что медиаузел SDNP автоматически выбирает путь, характеризующийся наименьшей задержкой отправки, в то время как при передаче через Интернет это не так.
a,d
a,d
Наконец, когда пакет 1374E достигает шлюзового видеоузла M на ʺSDNP Addr MDʺ, шлюзовой медиаузел M создает IP-пакет данных 1374G, преобразуя поступающий пакет данных в IP-адреса ʺIP Addr MDʺ и ʺIP Addr CPʺ, и изменяет параметры безопасности с таким расчетом, чтобы они соответствовали установкам для зоны U1.
фигуре 111В
Другой вариант сводной информации об этом маршруте показан на , он состоит из трех переходов внутри облака 1441C, 1441D и 1441E, а также двух маршрутов по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера 1441B и 1441F. Адреса пакета, показанные под картой облака, являются комбинацией двух форм адресов пакета при передаче: маршрутизация с использованием IP-адреса и маршрутизация с использованием адреса SDNP, аналогично использованию адресов NAT. В частности, адреса пакета 1442A и 1442F представляют собой IP-адреса в сети Интернет, тогда как адреса пакета 1442C и 1442D представляют собой IP-адреса SDNP. Адреса пакета, используемые шлюзовыми медиаузлами, содержат как IP-адреса, так и адреса SDNP, а это означает, что шлюзовые узлы SDNP отвечают за передачу адреса, а также за преобразование параметров безопасности зоны U2 в параметры безопасности зоны Z1 и преобразование параметров безопасности зоны Z1 в параметры безопасности зоны U1.
фигуре 112А
фигуре 112В
a,d
a,f
Аналогичным образом на  показана сводная информация о данных, направляемых в ответ при обмене информацией, она предусматривает передачу пакета данных 1374J зоны U1 в линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера с использованием IP-адресов ʺIP Addr CPʺ и ʺSDNP Addr MDʺ, маршрутизацию в облаке SDNP с использованием адресов SDNP ʺSDNP Addr MDʺ, ʺSDNP Addr MJʺ и ʺSDNP Addr MFʺ для передачи пакетов данных 1374K и 1374L, специфичных для зоны Z1, а также передачу пакета данных 1374J в зоне U2 по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера с использованием IP-адресов ʺIP Addr CPʺ и ʺSDNP Addr MDʺ. Соответствующая карта маршрутизации в облаке показана на , где переход 1441Н по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера и переход 1441L по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера предполагают использование лишь IP-адресов 1442G и 1442L; переходы в облаке 1441J и 1441K используют только адреса SDNP, а шлюзовые медиаузлы Mи M осуществляют передачу между IP-адресами и адресами SDNP 1442H и 1442K.
фигуре 113А
На  показана схема, иллюстрирующая, каким образом формируется пакет SDNP. При обмене информацией в режиме голосовой или видеоконференции голосовой сигнал или видеосигнал 1384А преобразуется в аналоговые электрические сигналы микрофоном 1383А, после чего оцифровываются аудиовидеоустройством CODEC 1385. Полученная в результате этого полоса цифровых данных 1387, представляющая собой последовательность сегментов данных, расположенных в алфавитном порядке (9А, 9В и т. д.), в дальнейшем подвергается операции синтаксического анализа 1386 с целью формирования более мелкого пакета данных 1388, в который входят аудио- или видеоматериалы, после чего мусорная информация 1389 вводится путем выполнения одноканальной операции разделения 1106. Одноканальная операция разделения 1106 предполагает синтаксический анализ 1386 длинного пакета 1387 с его преобразованием в пакет 1388 меньших размеров и ввод «мусорных» данных 1389, что приводит к формированию увеличенного пакета 1390, состоящего из двух секций, одна из которых содержит под-пакет Hdr 9, а другая - мусорный под-пакет J. В полосе сегментов данных, содержащихся в Hdr 9 и Hdr J, присутствуют аудио- и видеоматериалы в пакете 1388 с некоторой нагрузкой в виде сегментов «мусорных» данных. Сегменты данных после Hdr J не содержат полезной нагрузки. В дальнейшем операция SSE1213 производит скремблирование данных из предшествующего пакета 1388 с целью формирования полосы данных 1391, добавляет преамбулу SDNP 1399A для формирования пакета SDNP 1392 и в дальнейшем производит шифрование всего пакета, за исключением преамбулы SDNP, формируя скремблированную и шифрованную полезную нагрузку 1393A, которая в свою очередь загружается в пакет SDNP 1374B с адресом источника ʺIP Addr TBʺ и адресом места назначения ʺIP Addr MFʺ, готовый к маршрутизации. Под-пакеты Hdr 9 и Hdr J обеспечивают возможность идентификации каждой из частей компонента в пределах полезной нагрузки. Задачи и формат под-пакетов и преамбулы SDNP описаны далее по тексту настоящего описания.
Аналогичным образом сегмент данных 9G и последующие сегменты полосы данных 1387 формируются в дополнительные пакеты SDNP.
фигуре 113В
На  показан ряд других способов, которыми можно пользоваться для формирования полезной нагрузки из начальных последовательных данных. К примеру, полосу данных 1387 из CODEC 1385 можно подвергнуть синтаксическому анализу и разделить иным способом. Как показано на фигуре, сегменты данных 9A, 9B, 9D и 9F собирают в секцию Hdr 91, заменяя отсутствующие сегменты данных мусорной информацией, тогда как сегменты данных 9C и 9E собирают в секцию Hdr 92, в итоге формируя пакет данных 1394. Далее сегменты данных в каждом разделе под-пакета скремблируют, с тем чтобы индивидуальные сегменты данных в поле данных 1399C после Hdr 91 не смешивались с сегментами данных в поле данных 1399E после Hdr 92. Сформированный в результате пакет 1395 состоит из преамбулы SDNP 1399A, первого под-пакета данных 1399B, оснащенного ярлыком Hdr 91, первого поля данных 1399C, второго под-пакета данных 1399D (Hdr 92) и второго поля данных 1399E. Допускается пользоваться другими способами для передачи сегментов 9A - 9F полосы данных 1387 через различные поля данных. Представленная схема подана только в целях иллюстрирования.
шифровании всего пакета
шифровании сообщения
шифрование только данных
Пакет 1395, содержащий несколько полей данных, разделенных множественными под-пакетами, в дальнейшем можно зашифровать одним из нескольких способов. При  имеет место шифрование всех данных, содержащихся в пакете SDNP 1395, за исключением данных, содержащихся в преамбуле SDNP 1399A, т. е. все содержимое всего первого под-пакета 1399B, первого поля данных 1399C, второго под-пакета данных 1399D и второго поля данных 1399E зашифровывается с формированием пакета SDNP 1396, состоящего из незашифрованной преамбулы SDNP 1399A и шифрованного текста 1393A. Вместо этого, при  пакет SDNP 1397 состоит из двух отдельно шифруемых полос шифрованного текста, а именно полосы зашифрованного текста 1393B, состоящего из шифрованных данных под-пакета данных 1399B и поля данных 1399C, а также полосы шифрованного текста 1393C, состоящего из шифрованных данных под-пакета данных 1399D и поля данных 1399E. При другом способе реализации настоящего изобретения, который называется , производится шифрование только полей данных 1399C и 1399E с формированием полос шифрованного текста 1393D и 1393E, однако под-пакеты данных 1399B и 1399D не затрагивают. Сформированный в результате пакет SDNP 1398 состоит из читаемого текста для преамбулы SDNP 1399A, первого под-пакета данных 1399B, а также второго под-пакета данных 1399D и полос шифрованного текста 1393D и 1393E, которые представляют собой отдельно зашифрованные версии полей данных 1399C и 1399E, соответственно.
фигуре 114
При одноканальном обмене информацией для ретрансляции требуемой информации о маршрутизации и приоритетности на следующий медиаузел полезная нагрузка SDNP 1400, показанная на , должна содержать требуемую информацию. Эти данные содержатся либо в преамбуле SDNP 1401, либо в под-пакете поля данных 1402. Преамбула SDNP 1401 содержит информацию, относящуюся ко всему пакету, включая описание ряда полей данных ʺFld #ʺ, при этом количество полей может достигать восьми, а длина каждого поля данных равна ʺL Fld Xʺ, где при данном варианте реализации Х может соответствовать наличию от 1 до 8 полей, зоны SDNP, в которой был сформирован пакет SDNP, к примеру, зона Z1, двух наборов начальных данных и двух ключей, генерирование которых произведено с использованием двух разделяемых секретов.
Под-пакет поля данных 1402 создается в неизменном формате для каждого из Х полей данных. Под-пакет поля данных 1402 содержит адрес, типовой для места назначения, а также адрес назначения определенного поля данных, т. е. место назначения именно этого перехода в облаке. Адрес места назначения каждого из полей данных в данном пакете всегда одинаков, поскольку пакет остается незатронутым до момента его поступления на следующий медиаузел. Однако если пакет разделяется на несколько пакетов, то адрес места назначения поля для каждого из пакетов отличается от адреса места назначения поля в каждом из других пакетов, на которые произведена разбивка, если пакеты направляются на разные медиаузлы.
При пересылке по нескольким маршрутам и по решетчатой сети адреса места назначения поля используются при разделении и смешивании различных полей, используемых в динамической маршрутизации.
Тип адреса следующего перехода по мере движения пакета по сети может изменяться. К примеру, он может состоять из IP-адреса между клиентом и шлюзом, а также адреса SDNP или ʺпочтового индексаʺ SDNP после его входа в облако SDNP. Адрес места назначения может состоять из специфического для SDNP кода маршрутизации, т. е. адреса SDNP, ʺпочтового индексаʺ SDNP либо адреса IPv4 или IPv6, адреса NAT, номера телефона обычной телефонной сети и т. п.
Поле пакета, которому присвоен ярлык ʺField Zoneʺ (ʺЗона поляʺ), содержит описание зоны, в которой было сформировано соответствующее поле, т. е. показывает, было ли выполненное ранее шифрование или скремблирование выполнено с использованием параметров зоны U1, Z1, U2 и др. В некоторых случаях дескремблирование или дешифрование пакета данных требует дополнительной информации, к примеру, ключа, начальных данных, времени или состояния; в таком случае поле пакета, оснащенное меткой ʺField Otherʺ ʺДругое полеʺ) может использоваться для переноса информации, специфичной для поля. Поле пакета с ярлыком ʺData Typeʺ (ʺТип данныхʺ) при его использовании облегчает маршрутизацию, специфическую для контекста, распознавая данные, ранее сделанную видеозапись, текст и компьютерные файлы, не требующие обмена в режиме реального времени данными из пакетов данных, содержащими информацию, изменяющуюся со временем, к примеру, голосовую запись и видеозапись в режиме реального времени, т. е. отличая маршрутизацию в режиме реального времени от данных, не полученных в этом режиме. К типам данных относятся голосовые, текстовые записи, видеозаписи в режиме реального времени, данные, программное обеспечение и др.
Поля пакетов, оснащенные ярлыками ʺUrgencyʺ (ʺСрочностьʺ) и ʺDeliveryʺ (ʺДоставкаʺ), используются одновременно для определения лучшего пути маршрутизации данных в конкретном поле данных. Срочность предполагает такие категории как ʺотсутствие обязательности быстрого выполненияʺ, ʺобычная скорость выполненияʺ, ʺприоритетность выполненияʺ и ʺнеобходимость немедленного выполненияʺ. Доставка включает в себя различные метки качества обслуживания для категорий ʺобычнаяʺ, ʺс запасомʺ, ʺспециальнаяʺ и ʺVIPʺ. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения двойной размер различных полей данных, показанный в таблице 1403, выбран в целях минимизации ширины полосы частот, необходимой для обмена информацией. К примеру, показанные пакеты данных могут иметь размер от 0 до 200 байт, тогда как наличие восьми пакетов размером 200 байт в одном поле данных означает, что один пакет SDNP может переносить 1600 байт данных.
Двухканальный обмен информацией
фигуре 115
2,1
a,f
a,d
1,1
При варианте реализации двухканальной передачи данных SDNP, показанном на , содержимое движется по каналам передачи медиафайлов от клиентского узла C, находящегося на планшете 33, к шлюзовому медиаузлу M с маршрутизацией по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U2 с последующей маршрутизацией по решетчатой сети зоны Z1, находящейся на компьютерах-серверах 1118, с дальнейшим передвижением от шлюзового медиаузла M по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера в зоне U1 к клиенту C, находящемуся на сотовом телефоне 32. Управление маршрутизацией выполняется IP-пакетом 1374B линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, пакетом SDNP 1374F по решетчатой сети SDNP, а также IP-пакетом 1374G линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера.
2,1
s
1,1
d
2,1
1,1
a,f
2,1
1,1
a,d
2,1
a,f
фигуре 115
Параллельно с переносом медиафайлов и содержимого, клиент C, обменивающийся информацией с сигнальным узлом S, находящимся на сервере сигнализации 1365, пересылает начальные данные 929 и код дешифровки 1030 клиенту C через сервер сигнализации S, при этом начальные данные 929 и код дешифровки 1030 основываются на времени или состоянии, когда клиент Cотправил их. При обмене параметрами безопасности, такими как ключи и начальные данные (которые известны также как права безопасности), непосредственно между клиентами по маршруту передачи сигналов 1405, а не через зону Z1, дополнительно реализуется сквозная безопасность с устранением риска в зоне Z1 для оператора сети, получающего доступ к установкам безопасности и снижая уровень безопасности в зоне U1 или зоне U2. Этот вариант реализации предусматривает лишь иную степень безопасности при обмене информацией в сети SDNP. К примеру, начальными данными 929 можно пользоваться для скремблирования и дескремблирования пакетов данных в клиентских приложениях. Аналогично, как показано на фигуре, ключ дешифровки 1030 дает возможность открыть шифрованное сообщение только клиенту C. Поскольку ключ 1030 и числовые начальные данные 929 ни в каких случаях не передаются через зону Z1, то оператор сети не может снизить уровень безопасности в сети. Когда пакеты данных поступают в шлюзовой узел M от клиента C, поступающие пакеты данных уже зашифрованы и скремблированы. Пакеты, полученные клиентом C с шлюзового узла M, находятся в таком же скремблированном и/или шифрованном виде, как и те, которые отправляет клиент C и местом назначения которых является шлюзовой узел M. Динамическое скремблирование и шифрование в сети происходит в каждом из узлов (хотя это четко не показано на ), что является вторым уровнем безопасности, облегченным благодаря наличию облака SDNP. Другими словами, этот наружный и сквозной уровень безопасности, представляющий собой обмен правами безопасности непосредственно между клиентами, существует в дополнение к динамическому скремблированию и шифрованию, осуществляемыми непосредственно в облаке SDNP.
фигуре 115
фигуре 115
s
d
a,f
a.d
s
d
2,1
1,1
a,f
a,d
s
d
Как показано на , сигнальные узлы S и S выдают инструкции медиаузлам M и M на предмет маршрутизации данных с ʺIP Addr TBʺ на ʺIP Addr MFʺ в зоне U2 с использованием IP-пакета 1374B, с ʺSDNP Addr MFʺ на ʺSDNP Addr MDʺ в зоне Z1 с использованием пакета 1374F, а также с ʺIP Addr MDʺ на ʺIP Addr CPʺ в зоне U1 с использованием IP-пакета 1374G. При таком варианте реализации, поскольку сигнальные узлы S и S обмениваются информацией только непосредственно через клиентские узлы C и C, а также опосредованно через пакеты данных по каналу передачи медиафайлов с узлами M и M, единственной инструкцией по маршрутизации для решетчатой сети является передача от одного шлюза к другому с использованием пакета SDNP 1374F. Серверы сигнализации S и S не могут обмениваться информацией с промежуточным медиаузлами в пределах решетчатой сети. Поэтому в варианте реализации, показанном на , медиаузлы управляют динамической безопасностью в облаке, в виде одноканальной системы обмена информацией, в то время как сигнальные узлы используются для способствования обеспечению сквозной безопасности за пределами облака SDNP, т. е. вне зоны Z1.
фигуре 116
Трехканальный обмен информацией
s
d
s
d
2,1
1,1
s
d
s
d
s
d
В другом варианте реализации пересылки данных SDNP по двум каналам, показанному на , сигнальные узлы S и S, находящиеся на серверах 1365, способствуют обеспечению сквозной безопасности клиентов и одновременно управляют динамической маршрутизацией и безопасностью в облаке SDNP. Сигнальные узлы S и S как таковые не только обеспечивают пересылку числовых начальных данных 929 и ключа дешифровки 1030 между клиентскими узлами C и C на все маршруте с использованием маршрута передачи сигналов 1045, но и пропускают через себя начальные данные 929, специфичные для зоны, и ключ дешифровки 1030, а также инструкции по маршрутизации с указанием последовательного перемещения между узлами, используя динамический пакет SDNP 1374Z, передаваемый по каналу передачи сигналов 1406 к каждому отдельному медиаузлу решетчатой сети, через которые проходят пакеты информации, обмен которой производится, и содержимое. За счет этого сигнальные узлы S и S, управляющие маршрутизацией и безопасностью, а также медиаузлы, находящиеся в сети, переносят содержимое и выполняют инструкции, выданные сигнальными узлами S и S. При таком исполнении либо медиаузлы, либо сигнальные узлы S и S ответственны за отслеживание того, какие медиасерверы работают в режиме онлайн, а какие нет, а также каковы их динамические IP-адреса в данный момент.
фигуре 117
2,1
Более высокой безопасности и улучшенных параметров сети можно достичь, разделяя ответственность за отслеживание узлов в сети и реальную передачу данных. При таком подходе сеть серверов, называемых ʺсерверами именʺ, с резервированием непрерывно следит за сетью и ее медиаузлами, обеспечивая серверам сигнализации возможность выполнять свои задачи по маршрутизации и обмену данными по безопасности, а также давая медиасерверам возможность сконцентрироваться на выполнении инструкций по маршрутизации, поступающих от узлов сигнализации. Таким образом обеспечивается решение, называемое в настоящем документе ʺтрехканальнойʺ системой, которая показана на , где сервер имен 1408, на котором находится узел NS сервера имен, ведет список активных узлов SDNP в сети, представляющий собой список сетевых узлов 1410. После получения запроса с сигнального узла S, находящегося на сервере сигнализации 1365, узел NS сервера имен, находящийся на сервере имен 1408, пропускает через себя описание сети, в то время как узел сигнализации S отслеживает и регистрирует состояние и задержку отправки между всеми медиаузлами в облаке SDNP 1114, как показано в таблице состояния сети 1409, в том числе в зонах U2, Z1, U1 и других. В процессе подачи вызова узел сигнализации S передает инструкции по маршрутизации на каждый узел, участвующий в запланированном перемещении пакета данных по сети, включая инструкции для линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера зоны U2 на клиентский узел C, находящийся на планшете 33, а также инструкции по маршрутизации для зоны Z1 для всех промежуточных медиаузлов в безопасном облаке SDNP 1114, используемом для передачи содержимого медиафайлов в пакетах данных SDNP.
фигуре 118
a,f
a,d
Для поддержания обновленного описания сети каждый раз, когда устройство входит в сеть, данные о его состоянии и его IP-адресе, а также адресе SDNP, а в некоторых случаях об обоих адресах передаются на сервер имен 1408, как показано на . Данные о состоянии сети и/или адресе в дальнейшем хранятся в таблице сетевых адресов 1415, которая хранится в приложении 1335, работающем на планшете 33 или сотовом телефоне 32, приложении 1411, работающем на ноутбуке 35, либо на рабочем столе (не показан); встроенные приложения 1412 и 1413, работающие в автомобиле 1255, либо на устройстве Интернета вещей 34, которое графически показано в виде холодильника. Таблица сетевых адресов 1415 также проводит отслеживание состояния всех медиасерверов в облаке, включая, к примеру, медиаузел M, находящийся на компьютере 1220F, и медиаузел M, находящийся на компьютере 1220D. Таблица сетевых адресов 1415 обеспечивает регистрацию адресов маршрутизации всех устройств, подключенных к сети. Практически во всех случаях IP-адрес или адрес SDNP сетевого устройства регистрируется и отслеживается в таблице сетевых адресов 1415. В других случаях, к примеру, для медиасерверов и дополнительно для персональных мобильных устройств, на которых работают приложения SDNP, в таблице сетевых адресов могут регистрироваться как IP-адреса, так и адреса SDNP, необходимые для передачи адресов в шлюзовых медиаузлах.
фигуре 119
фигуре 120
В то время как узел NS сервера имен ведет исчерпывающее описание сети, узел сигнализации S, находящийся на сервере сигнализации 1365, показанном на , ведет таблицу задержек отправки 1416 между всеми комбинациями медиаузлов, указанными в таблице. Таблица задержек отправки 1416 обновляется расчетами задержек, полученными для обычного движения пакетов данных через медиаузлы сети, что условно показано в виде секундомеров 1415A, 1415B и 1415C, отслеживающих задержки отправки между медиасерверами 1220D и 1220F, 1220F и 1220H, а также 1220D и 1220H, соответственно. В случае, если продолжающийся траффик мал или редок, сеть SDNP использует также тестовые пакеты для проверки состояния соединения. Один из способов, предусматривающих использование тестовых пакетов показан на , где задачи медиасерверу ставит сервер сигнализации, они состоят в том, чтобы отправить серию групп пакетов; при этом размер отправленных пакетов данных увеличивается либо увеличивается частота их отправки, при этом производится отслеживание задержки. Полученный в результате график загрузки, отображенный в виде кривой 1417, показывает, что максимальная нагрузка на определенный маршрут обмена информацией или линию связи должна ограничиваться по размеру либо ее интенсивность не должна превышать максимальную нагрузку, показанную в виде линии 1418.
фигуре 121
2,1
В условиях, когда указанная выше информация касательно сети, адресов ее узлов, а также задержек отправки в ней легкодоступна на серверах имен и серверах сигнализации, высокое качество обслуживания при обмене информацией лучше всего достигнуть при использовании трехканального обмена информацией в соответствии со схемой, показанной на . Как показано на фигуре, узел сигнализации S, находящийся на сервере сигнализации 1365, полностью управляет маршрутизацией данных, перемещающихся через медиасерверы 1118 и к клиентам 1335 путем распределения пакетов SDNP 1420, состоящих из данных о маршрутизации "узелузел" 1374Z, характерных для этой зоны начальных числовых значениях 929 и ключей дешифрования 1030. При установке вызова клиентский узел C (в данном случае это приложение SDNP 1335 на планшете 33) контактирует с узлом NS сервера имен, находящимся на сервере имен 1406, для собственной регистрации в сети и поиска в ней ближайшего сервера сигнализации; при этом для инициирования вызова он контактирует с сигнальным узлом S на сервере сигнализации 1365. Затем узел сигнализации S управляет маршрутизацией, а медиасерверы осуществляют соответствующую маршрутизацию данных, изменяя параметры безопасности для каждой из зон U2, Z1 и U1.
фигуре 122
фигуре 123
Ввиду важности имени сервера в поддержании обновленного списка сетевых узлов 1410, показанного на , узел NS сервера имен, расположенный на сервере имен 1408, работает вместе с одним или несколькими избыточными (резервными) серверами, что иллюстрируется в виде резервного узла сервера имен NS2, функционирующего на резервном сервере имен 1421. Тот же способ резервирования реализован для серверов сигнализации с целью гарантирования постоянной возможности адресации вызова либо маршрутизации пакета. Как показано на , узел сигнализации S, расположенный на сервере сигнализации 1365, оснащен резервным сигнальным узлом S2, находящимся на резервном сервере сигнализации 1422, который автоматически переключается в случае неисправности сервера сигнализации 1365 или атаки на него.
фигуре 124А
Обмен информацией с использованием трехканальной маршрутизации пакета SDNP в соответствии с настоящим изобретением показан на , где на этапе 1430А устройство или вызывающее устройство входит в сеть. Для реализации этого клиентское приложение 1335 на планшете 33 в автоматическом режиме контактирует и регистрируется под именем узла NS сервера имен, находящегося на сервере имен 1408. Это событие связано с входом клиента в сеть, а не обязательно с адресацией вызова. В процессе регистрации узел NS сервера имен передает список серверов имен, т. е. список 1431 серверов имен SDNP, и дополнительно список серверов сигнализации клиентскому приложению 1335. При наличии такой информации устройство находится в состоянии готовности и может производить адресацию вызова SDNP.
На первом этапе 1430B в ходе действительной адресации вызова планшет 33 направляет IP-пакет 1450А на узел NS сервера имен, запрашивая информацию о маршрутизации и контактную информацию с целью определения места назначения или лица, которому необходимо адресовать вызов. Запрос о контактной информации, т. е. запрос о маршруте 1431, может поступить в виде IP-адреса, адреса SDNP, номера телефона, URL или иного идентификатора для обмена информацией. На этапе 1480C узел NS сервера имен, находящийся на сервере имен 1408, направляет клиентскому приложению SDNP 1335 адрес назначения получателя. Ответ доставляется IP-пакетом 1450В с использованием протокола ТСР в качестве транспортного уровня. При другом варианте реализации клиент подает запрос на получение информации о маршрутизации от сервера сигнализации, а сервер сигнализации подает запрос на получение информации серверу имен.
фигуре 124В
На этапе 1430D, который показан на , клиент в конце концов получает возможность инициировать запрос с использованием IP-пакета 1450C с ʺIP Addr TBʺ на ʺIP Addr Sʺ, т. е. IP-адрес сервера сигнализации 1365, на котором находится узел сигнализации S. Поскольку IP-пакет 1450C несет информацию об адресе получателя, а не данные, полученные в режиме реального времени, то желательно, чтобы IP-пакет 1450C использовал протокол ТСР в качестве транспортного уровня. Пользуясь информацией о задержках в отправке данных между узлами сети, показанной в таблице 1416, узел сигнализации S разрабатывает сетевой план маршрутизации для сети SDNP 1114, а также линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера для шлюзовых серверов SDNP, а на этапе 1430E эта информация о маршрутизации передается в облако SDNP 1114. Сервер сигнализации направляет пакет данных с командными сигналами и сигналами управления на каждый медиасервер с целью выдачи им инструкций о том, как им работать с поступающими пакетами данных. Пакет данных с командными сигналами и сигналами управления похож на обычный пакет данных, за исключением того, что вместо переноса аудиоинформации его полезная нагрузка состоит из серии инструкций, информирующих медиаузел о том, каким образом осуществлять маршрутизацию пакета со специальным идентификационным ярлыком, адресом SDNP либо ʺпочтовым адресомʺ SDNP к новому месту назначения. Вместо этого в соответствии с представленным выше описанием, при реализации с созданием распределительных сетей ни один из серверов сигнализации не разрабатывает полный план маршрутизации, вместо этого серия серверов сигнализации разрабатывает последовательные части плана маршрутизации по мере перемещения пакета по сети SDNP.
Далее на этапе 1430F узел сигнализации S направляет приложению 1335 на планшете 33 адрес шлюзового медиаузла, ключи дешифрования 1030 зоны U2, начальные значения 929 и другие параметры безопасности, необходимые для безопасной отправки первого пакета по каналам связи "первой мили".
фигуре 124C
a,f
После получения планшетом 33 параметров безопасности зоны U2 на этапе 1430F, он инициирует вызов с пакетом SDNP 1450D, как показано на . Звук, представляющий собой голосовые волны 1384А, улавливаемые микрофоном 1383А, преобразуется в цифровую информацию аудиоустройством CODEC (не показано) и передается в приложение 1335 на планшете 33. Комбинируя аудиоданные с маршрутизацией адреса и другой собранной информацией при формировании под-пакета SDNP, приложение 1335 формирует пакет SDNP 1450D для маршрутизации по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера от ʺIP Addr TBʺ на ʺIP Add MFʺ и начинает передачу пакета на шлюзовой медиаузел M. Под-пакет SDNP, встроенный в полезную нагрузку пакета данных 1432, может содержать информацию о срочности, предпочтительности доставки, протоколах безопасности, а также спецификациях типов данных. Под-пакет SDNP также содержит преамбулу и МАС-адрес, IP-адреса источника и места назначения, а также поле протокола, в основном информацию 2-го, 3-го и 4-го уровня с полезной нагрузкой, которая включает под-пакет SDNP, а также все пакеты данных с их собственными под-пакетами. Поскольку передача пакета SDNP 1450D по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера происходит с использованием IP-адресов, передача пакетов похожа на обычный Интернет-трафик, за исключением того что действительное содержимое данных скремблировано и зашифровано с использованием настроек безопасности для зоны U2, а под-пакет SDNP, содержащийся в полезной нагрузке SDNP 1432, который также содержит данные, форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны U2.
фигуре 124С
a,f
a,j
Этап 1430Н, показанный на , иллюстрирует маршрутизацию пакета данных SDNP 1450E от шлюзового медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220F.ю к медиаузлу M, находящемуся на медиасервере 1220J в облаке SDNP. В отличие от маршрутизации IP-пакета данных 1450D по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера, этот первый переход пакета SDNP 1450D внутри облака происходит с использованием адресов SDNP ʺSDNP Addr MFʺ и ʺSDNP Addr MJʺ, которые нельзя распознать в сети Интернет. Более того, полезная нагрузка 1433 скремблируется и зашифровывается с использованием параметров безопасности SDNP зоны Z1, а под-пакет SDNP, содержащийся в пакете SDNP Z1, в состав которого входят данные, также форматируется специфически в соответствии с разделяемыми секретами для зоны Z1. Для целей безопасности параметры безопасности зоны Z1 не передаются в зону U2 и наоборот.
фигуре 124D
a,d
1,1
На этапе 1430J, показанном на , пакет данных 1450F маршрутизируется из безопасного облака SDNP от шлюзового медиаузла M, находящегося на медиасервере 1220D, к клиентскому узлу C, находящемуся в приложении 1335 на сотовом телефоне 32. Такая маршрутизация по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера IP-пакета 1450F происходит с использованием IP-адресов ʺIP Addr MDʺ и ʺIP Addr CPʺ, распознаваемых в сети Интернет, однако полезная нагрузка 1434 скремблируется и зашифровывается с использованием разделяемых секретов SDNP зоны U1, а под-пакет SDNP, содержащийся в полезной нагрузке 1434, также форматируется специфически в соответствии с разделяемыми секретами. После доставки содержимого данных 1434 в приложение 1335 на сотовом телефоне 32, громкоговоритель 1388В преобразует цифровой код в звуковые волны 1384А с использованием аудиокодека (не показано).
a,d
Когда поступающий пакет SDNP 1450F получает приложение 1335 на сотовом телефоне 32, оно может видеть лишь адрес последнего медиаузла M, с которого был отправлен пакет при выходе из облака SDNP. За исключением случаев, когда полезная нагрузка SDNP несет информацию относительно лица, осуществившего вызов, а также случаев, когда узел сигнализации S обеспечивает доставку этой информации, у лица, подавшего вызов или получающего данные, нет возможности отследить ее происхождение или ее источник. Эта особенность, т. е. ʺанонимныйʺ обмен информацией и невозможность отслеживания доставки данных, представляет собой уникальный аспект обмена информацией SDNP и присущую ей особенность одноэтапной динамической маршрутизации в соответствии с настоящим изобретением. Сеть SDNP обеспечивает доставку информации об абоненте и источнике только в том случае, если абонент, осуществляющий вызов, сам хочет поделиться этой информацией, в противном случае информация не поступает: анонимность является условием по умолчанию при доставке пакета SDNP. Фактически клиентское приложение SDNP, осуществляющее отправку, должно преднамеренно отправить сообщение, информирующее лицо, которому адресован вызов или которому передается сообщение, о том, что информация поступила от конкретного лица, осуществляющего вызов. Поскольку сервер сигнализации имеет информацию о лице, осуществляющем вызов, и маршрутизации пакета, он может определить маршрут движения пакета данных, отправляемого в ответ, без какой-либо проверки идентичности лица, осуществляющего вызов.
Вместо этого сервер сигнализации может проверять идентичность псевдонима или аватара либо ограничить доступ на установление личности лица, осуществляющего вызов, кругом лишь нескольких близких друзей или авторизированных контактов. Анонимность имеет особенно большое значение в таких приложениях как игры, когда игрок не хочет раскрывать свою личность, особенно с незнакомым соперником. Другим условием, требующим анонимного обмена информацией, является межмашинное взаимодействие (М2М), IoT (Интернет вещей), взаимодействие между транспортными средствами (V2V), а также межмашинно-транспортном (V2X) взаимодействии, когда клиент не хочет, чтобы машины, устройства или изделия выдавали контактную или персональную информацию устройствам или агентам, которые могут быть враждебными, а также устройствам, которыми могут пользоваться кибермошенники. Для пользователей, предъявляющих особые требования к приватности, голосовой сигнал можно также скрыть при помощи электронных средств с тем, чтобы даже голосовая связь происходила анонимно.
фигуре 124D
Как показано на этапе 1430K, изображенном на , в ответ на поступивший пакет приложение 1335, установленное на сотовом телефоне 32, направляет IP-пакет 1450G на узел сигнализации S,находящийся на сервере сигнализации 1365. Отсылаемый пакет требует ответа на запрос с информацией о маршрутизации. В одном из вариантов реализации узел сигнализации S после этого может направить лицу, которому адресован вызов, информацию о действительной идентичности лица, совершающего вызов, тогда как прикладная программа SDNP лица, которому адресован вызов, может выдавать ответ в виде повторения в обратном порядке всего процесса подключения, использовавшегося для подключения к ним, т. е. контакта с сервером имен, поиска их адреса SDNP или IP-адреса, контакта с сервером сигнализации, маршрутизации ответа и т. д. В другом варианте внедрения сервер сигнализации имеет информацию о том, откуда пришел пакет, и составляет маршрут движения пакета, направляемого в ответ, который должен быть направлен без раскрытия контактной информации лица, совершающего вызов.
фигуре 124E
Вне зависимости от применяемого способа выдачи ответа, на этапе 1430L, который изображен на , направляемый в ответ IP-пакет содержит в своем составе аудиоданные, состоящие из голосовых волн 1384В, уловленных микрофоном 1383В и преобразованных в аналоговые сигналы, в дальнейшем преобразуемые в цифровой формат аудиоустройством CODEC (не показано). Звуковое содержимое после обработки, скремблирования, шифрования и упаковки становится безопасной полезной нагрузкой 1345 IP-пакета 1450H, который маршрутизируется от ʺIP Addr CPʺ на шлюзовой медиаузел SDNP ʺIP Addr MFʺ. Эти IP-адреса распознаваемы в сети Интернет, за исключением того, что полезная нагрузка 1345 представляет собой содержимое, скремблированное и зашифрованное с использованием параметров безопасности SDNP зоны U1, а под-пакет SDNP, содержащийся в полезной нагрузке 1435, форматируется специфически в соответствии с разделяемыми секретами для зоны U1.
a,f
2,1
На этапе 1430M пакет, отправляемый в ответ, выходит из безопасного облака SDNP без совершения каких-либо переходов между узлами в облаке SDNP. В этом случае шлюзовой медиаузел M, расположенный на медиасервере 1220F, преобразует содержимое пакета 1450H из формы полезной нагрузки 1435, специфичной для зоны Z1, в полезную нагрузку 1436 зоны U2, и с использованием IP-адресов ʺIP Addr MFʺ и ʺIP Addr TBʺ направляет IP-пакет 1450J на клиентский узел C, находящийся на планшете 33. Такая маршрутизация IP-пакета по линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера происходит с использованием IP-адресов ʺIP Addr MDʺ и ʺIP Addr CPʺ, распознаваемых в сети Интернет, однако полезная нагрузка 1436 скремблируется и зашифровывается с использованием разделяемых секретов SDNP зоны U2, а под-пакет SDNP, содержащийся в полезной нагрузке 1436, также форматируется специфически в соответствии с безопасным динамическим сетевым протоколом для зоны U2. После доставки на сотовый телефон 32 приложение SDNP 1335, извлекает данные полезной нагрузки и после дешифровки и дескремблирования преобразует цифровой код с использованием аудиокодека (не показано) в звуковые волны 1384В, подаваемые микрофоном 1388А. В ходе выполнения последовательности действий, показанной в виде этапов 1430K - 1430M, в обмене информацией участвует только один шлюзовой медиаузел, в результате чего после ʺпервой милиʺ сразу же следует ʺпоследняя миляʺ (линии связи между устройством конечного пользователя с узлом доступа Интернет-провайдера).
фигуре 125А
фигуре 125В
фигуре 125В
a,f
a,d
Сводная информация о последовательности вызовов с трехканальным обменом информацией в соответствии с настоящим изобретением показана на , где приложение 1335, работающее на планшете 33, с использованием IP-пакетов 1450A и 1450B, основанных на протоколе передачи ТСР, и узел NS сервера имен устанавливают диалог, тогда как при получении контактной информации или IP-адреса лица, с которым осуществляется контакт, планшет 33 выдает инструкции сигнальному узлу S по адресации вызова и устанавливает сессию с получателем с использованием IP-пакета 1450С, основанного на протоколе транспортировки ТСР. Далее звуковые волны 1384А улавливаются, упаковываются и маршрутизируются медиаузлами в места своего назначения с использованием комбинации IP-пакетов 1450D и 1450F для ʺпервой милиʺ и ʺпоследней милиʺ, соответственно, а также пакета SDNP 1450E для передачи через облако SDNP. Полученная в результате маршрутизация с планшета 33 на шлюзового медиаузла M и далее на шлюзовой медиаузел M и с него на сотовый телефон 32 показана на . В ходе всего перемещения, за исключением перехода между узлами 1453B, используются IP-адреса, а не адреса SDNP. Эта последовательность показана на блок-схеме в нижней части .
фигуре 126А
фигуре 126А
a,f
Последовательность ответа показана на , в ходе нее приложение 1335 на сотовом телефоне 32, используя IP-пакет данных 1452G, подает вопрос на узел сигнализации S с целью отправки пакета с ответом на планшет 32, а шлюзовой медиаузел маршрутизирует голосовой ответ с использованием IP-пакетов 1452H и 1452J. Передача полученного в результате пакета, показанная на , состоящая из переходов 1453D и 1453E, практически слишком небезопасна, поскольку эта передача происходит целиком по сети Интернет, за исключением маршрутизации через шлюзовой медиаузел M, что повышает уровень безопасности только за счет переписывания IP-адресов источника и места назначения и преобразования параметров безопасности пакета данных из тех, которые действуют для зоны U1, в параметры для зоны U2. В этом примере происходит переход с одного узла в другой в облаке SDNP, недостатком чего является облегчение отслеживания и корреляции пакетов данных, поступающих в отдельный узел и выходящих из него, в этом случае таковым является медиасервер 1220F.
фигуре 126С
В подобном случае в маршрут передачи данных полезно добавить фиктивный узел с целью облегчения указания неправильного курса, как показано на . В таком случае маршрут изменяют с таким расчетом, чтобы он содержал адрес второго сервера ʺIP Addr MF2ʺ, находящийся либо на том же сервере, либо в группе серверов, для которых установлен адрес ʺIP Addr MFʺ, и с тем чтобы преобразовать поступающий IP-пакет 1452H, следующий из ʺIP Addr CPʺ на ʺIP Addr MFʺ в исходящий IP-пакет 1462L, следующий из ʺIP Addr MF2ʺ на ʺIP Addr TBʺ, вставкой промежуточного IP-пакета 1452K, который ʺпередаетʺ пакет 1452K с ʺIP Addr MFʺ на ʺIP Addr MF2ʺ либо с ʺSDNP Addr MFʺ на ʺSDNP Addr MF2ʺ. В процессе передачи изменяется также присваивание порта. В таком случае не имеет значения, является ли этот адрес IP-адресом в сети Интернет, адресом NAT или адресом SDNP, поскольку пакет данных 1452K никогда не покидает сервер или группу серверов, т. е. он представляет собой внутренние передачу и переход.
Полезная нагрузка ʺПоляʺ
фигуре 127
Обработка полезной нагрузки пакета данных, поступающего к клиенту SDNP через шлюзовой медиаузел, показана на , где поступающий IP-пакет 1374B вначале распаковывается с целью извлечения зашифрованной полезной нагрузки, которая представляет собой зашифрованный текст 1393, затем происходит его дешифрование с использованием соответствующего ключа из зоны, в которой выполнялось шифрование, с использованием при необходимости информации о времени и состоянии. Полученная в результате этого полезная нагрузка состоит из читаемого текста 1392, который в случае скремблирования должен быть также дескремблирован, опять-таки с использованием параметров безопасности соответствующей зоны и состояния. Далее происходит отделение преамбулы SDNP, в результате которого отображается содержимое пакета данных 1391, который состоит из различных полей; в данном случае он состоит из поля 9 с соответствующим под-пакетом Hdr 9 и мусорного поля с соответствующим под-пакетом Hdr J.
фигуре 127
При альтернативном варианте реализации, который показан на , поступающий пакет 1460 дешифруется и дескремблируется, преамбула удаляется и проводится его синтаксический анализ с образованием двух действительных полей данных - поля 6 с соответствующим под-пакетом Hdr 6 и поля 8 с соответствующим под-пакетом Hdr 8. Далее эти пакеты могут сливаться с другими полями, формируя новые IP-пакеты и пакеты SDNP, соответственно.
фигуре 128
Использование структуры данных вложенных полей и упаковка нескольких полей данных с их собственными под-пакетами с формированием одной полезной нагрузки пакета во многом похожа на установку нескольких ящиков внутрь ящика большего размера. Процесс переупаковки SDNP данных из упаковки, т. е. открытие ящика с извлечением более мелких ящиков и их установкой в новые большие ящики включает в себя много вариантов выбора при маршрутизации сегмента данных. Чтобы избежать потери пакета, желательно, чтобы пакеты данных одинакового происхождения не входили в состав одних и тех же полей, куда попадают сегменты данных из других данных, обменов информацией и коммюнике, а оставались исключительно отделенными в соответствии с идентификацией, предусмотренной под-пакетом, и расположением, установленным устройством, осуществившим отправку. К примеру, на  поступающая полезная нагрузка 1461 и 1393 из пакетов данных SDNP или IP-пакетов данных (не показаны) дешифруется с использованием операции дешифровки 1032, по возможности с использованием различных ключей дешифровки из различных состояний и зон, с образованием двух полезных нагрузок в виде читаемых текстов 1392 и 1462. Операция смешивания предусматривает комбинирование полезных нагрузок 1392 и 1462 и, после синтаксического анализа, создает содержимое для трех полей - поля 6, состоящего из пакета 1464, поля 8, состоящего из пакета 1463, и поля 9, состоящего из пакета1459, которые в совокупности образуют содержимое данных 1470. Три пакета (1459, 1463 и 1464) можно хранить отдельно либо вводить в состав длинного пакета. Благодаря под-пакетам SDNP каждое поле данных легко идентифицировать, хотя они были удалены из пакета SDNP или IP-пакета, использовавшегося для их доставки. В совокупности содержимое данных 1470 представляет собой данные, находящиеся на медиаузле в определенный момент. Процесс проходит в динамическом режиме, при этом содержимое непрерывно изменяется по мере движения пакетов по сети SDNP. По окончании заданного промежутка времени, когда не остается причин для того чтобы ожидать поступления каких-либо данных, содержимое данных 1470 разбивается на новые комбинации операцией разделения 1057, тогда как полезная нагрузка 1742 содержит некоторые сегменты данных из каждого из трех полей, т. е. сегменты данных 9C и 9D из поля 9, сегмент данных 8В из поля 8, а также сегменты 6C и 6D из поля 6. Номера этих полей перемещаются в полезную нагрузку 1472. Читаемый текст при желании скремблируют, после чего его шифруют, проводя операцию шифрования 1026 в текущем состоянии для текущей зоны с формированием полезной нагрузки 1474, готовой к сборке в пакет SDNP или IP-пакет с маршрутизацией по заданному пути.
В результате операции разделения 1057 также формируется вторая полезная нагрузка 1471, содержащая сегменты данных для трех полей, т. е. поле 9 содержит сегменты данных 9B, 9A, 9F и 9E, поле 8 содержит только сегмент данных 8F, а поле 6 содержит сегмент данных 6F.
Как показано на фигуре, все поля в полезных нагрузках 1471 и 1472 также содержат один или более сегментов «мусорных» данных. За исключением случаев, когда проведено дескремблирование, скремблированная полезная нагрузка 1471 в дальнейшем зашифровывается проведением операции шифрования 1026 в текущем состоянии и для текущей зоны с формированием полезной нагрузки 1473, готовой к сборке с формированием пакета SDNP или IP-пакета. Аналогично, полезная нагрузка 1472 зашифровывается проведением операции шифрования 1026 в текущем состоянии и для текущей зоны с формированием полезной нагрузки 1474, готовой к сборке с формированием пакета SDNP или IP-пакета. Полезная нагрузка 1473 маршрутизируется на иной медиаузел, нежели полезная нагрузка 1474. На этой фигуре IP-адрес или адрес SDNP, а также оставшаяся часть пакета данных удалены для ясности.
фигуре 129А
4
5
Динамическая природа повторного формирования пакетов проиллюстрирована на , где в момент времени t и при соответствующем состоянии 994 полезные нагрузки 1483А и 1483В, представляющие собой сегменты данных из полей Fld 91 и Fld 92, соответственно, смешиваются с использованием операции смешивания 1061 с формированием гибридной полезной нагрузки 1484А. В момент времени t и при соответствующем состоянии 995 операция смешивания 1061 комбинирует гибридную полезную нагрузку 1484А с полезной нагрузкой 1484В, содержащей данные для Fld 93, с формированием гибридной длинной полезной нагрузки 1485, состоящей из сегментов данных 9B, 9A, 9F и 9E, расположенных в скремблированном порядке в поле 91 с под-пакетом Hdr 91, сегмента данных 9С в поле92 с Hdr 92 и сегмента данных 9D в поле 93 с под-пакетом Hdr 93. В момент времени tf и при состоянии 999 приложение 1335, установленное на сотовый телефон 32, обрабатывает гибридную полезную нагрузку 1486А, сформированную из множества полей, и повторно формирует исходную последовательность данных 1489А, состоящей из сегментов 9A - 9F, расположенных последовательно.
фигуре 129
4
5
6
f
В некоторых случаях, описанных выше в настоящем описании, может возникнуть необходимость временного хранения некоторых сегментов данных или полей в ходе ожидания прибытия следующих. Эта операция хранения может производиться внутри любого заданного узла в сети SDNP, в том числе во внутренних медиаузлах и шлюзовых медиаузлах. Вместо этого хранение может осуществляться в клиентском приложении, установленном на сотовый телефон, планшет, ноутбук и др. Такой пример показан на , где в момент времени t полезные нагрузки 1483А и 1483В, представляющие собой сегменты данных из полей 91 и 92, смешиваются проведением операции смешивания 1061 с образованием гибридной полезной нагрузки 1484А. Эта новая полезная нагрузка хранится в неактивном состоянии в сетевом кэше 1550 либо в виде его компонентов, представляющих собой поля 1485В и 1485С, либо в виде длинной гибридной полезной нагрузки 1484А. Наконец, в момент t, когда поступает полезная нагрузка 1485D, содержимое сетевого кэша 1550 освобождается с его подачей на операцию смешивания 1061, формируя в момент времени t и при соответствующем состоянии 996 гибридную полезную нагрузку 1486A, состоящую из сегментов данных 9A - 9F, распределенных между полями Fld 91, Fld 92 и Fld 93. В момент времени t и при состоянии 999 приложение 1335, установленное на сотовый телефон 32, обрабатывает гибридную полезную нагрузку 1486, сформированную из ряда полей, сходную с исходной последовательностью данных 1489А, состоящей из сегментов 9A - 9F, расположенных последовательно.
фигуре 129С
4
4
5
f
При другом варианте реализации настоящего изобретения окончательная повторная сборка и кеширование полей производятся внутри приложения 1335 на сотовом телефоне 32, т. е. внутри клиентского приложения, а не в облаке SDNP. Как показано на , в момент времени t полезные нагрузки 1483А и 1483В, состоящие из сегментов данных из полей 91 и 92, смешиваются проведением операции смешивания 1061 с образованием гибридной полезной нагрузки 1484А, которая немедленно направляется приложению 1335 на сотовом телефоне 32 и хранится в безопасном кэше клиентского приложения 1551 в виде полезных нагрузок 1484C и 1484D. Когда полезная нагрузка 1485Е прибывает в момент времени t и далее направляется в приложение 1335 на сотовом телефоне 32 в момент времени t и в соответствующем состоянии 995, приложение 1335 в момент t приобретает способность восстановить исходную последовательность данных 1489А, состоящую из сегментов 9A - 9F, расположенных последовательно.
фигуре 129D
Сводная блок-схема, в которой приведена полная информация о реконструкции клиентом пакета SDNP, представлена на , где одноканальный пакет данных 1490, состоящий из одного или нескольких блоков шифрованного текста, расшифровывается проведением операции дешифровки 1032 с образованием читаемого текста из множества полей 1491, который дескремблируется проведением операции 928 с образованием строк незашифрованого текста из множества полей 1492A, 1492B и 1492C, которые в дальнейшем внедряются проведением операции смешивания 1061, включающей в себя операцию синтаксического анализа 1037 и удаление «мусорных» данных (не показаны) с образованием исходного пакета данных 1493. В конце пакет данных 1493 преобразуется аудиоустройством CODEC 1385 в звуковые или голосовые волны 1384А.
Командные сигналы и сигналы управления
фигуре 130
2,1
В качестве последнего элемента SDNP коммуникации, в соответствии с настоящим изобретением, контроль и управление над медиаузлами, которые осуществляют узлы сигнализации, - является ключевым компонентом в обеспечении высокого качества обслуживания и малой задержки в отправке пакетов в режиме реального времени без снижения уровня безопасности и соответствия аудиоматериалов. Одним из примеров базового дерева решений, используемого для определения маршрута и приоритетности работы с клиентами, обмена информацией, а также пакетов данных показан на . Как показано на фигуре, когда клиентский узел C, которым является планшет 33, выдает требование на адресацию вызова, подаваемого на узел сигнализации S, на сервер сигнализации 1365, он указывает в пакете командных сигналов и управляющих команд 1495А не только того, с кем хочет связаться лицо, подающее вызов, к примеру, голосовой вызов, видеовызов и т. п., но и его срочность, предпочтительный способ доставки, т. е. обычный оптимальный вариант, гарантированную доставку, доставку VIP-лицам и др. узел сигнализации S интерпретирует запрос на доставку 1499А, пользуясь ʺвыбором способа доставкиʺ (этап 1500) исходя из запроса, бизнес-состояния клиента, истории платежей или любого количества бизнес-соображений. Возможно получение нескольких результатов. Если клиент является VIP-лицом либо предпочтительным клиентом исходя из объема или возможности поступления материалов, то сессия обмена информацией оснащается ярлыком VIP. VIP-доставка может предусматривать также специальную технологию улучшения рабочих параметров, известную как ʺпересылка несколькими маршрутамиʺ и описанную ниже в настоящем описании.
фигуре 130
Если наиболее важным фактором, характеризующим файл, является его гарантированная доставка, то можно применять гарантированную доставку пакета, т. е. отправку многочисленных резервных копий пакетов и минимизацию количества переходов между узлами в целях минимизации риска утраты пакета даже в том случае, если это приведет к ухудшению параметров, характеризующих работу в режиме реального времени. Специальная доставка может предусматривать процедуры аутентификации, специфичные для клиента. В противном случае реализуют обычную маршрутизацию SDNP. На  результат принятого решения о выбранном способе доставки (этап 1500) вместе с адресом и номером телефона 1499В лица, которому должен быть адресован вызов, используется для управления маршрутизацией с воздействием на операцию ʺопределение и ранжирование вариантов маршрутизацииʺ (этап 1501). После ранжирования маршрутов принимают решение о подаче запроса о срочности 1499С и особых финансовых соображений, к примеру, платы за быстроту, реализую процедуру принятия решения ʺвыбор срочности доставки пакетаʺ (этап 1502); при этом результатом выбора может быть обычная быстрота, приоритетность доставки, высокая срочность доставки, а также выбор в пользу более дешевой ʺтихоходнойʺ операции для отправки данных без снижения качества аудиозаписи.
2,1
i,j
1,1
Комбинирование вариантов маршрутизации (этап 1501) и выбора срочности (этап 1502) дает возможность наиболее правильного выбора сигнальным узлом S маршрута передачи каждого пакета, кадра или сегмента данных (этап 1503). Если выбранный маршрут пролегает через большое количество зон, то он будет предусматривать различные настройки безопасности (этап 1504) для каждой зоны. Эти данные, состоящие из начальных данных, ключей дешифровки 1030 и другой связанной с безопасностью информации далее комбинируются с маршрутизацией между всеми узлами, разделением и смешиванием для пересылки по решетчатой сети, используются для генерирования преамбул для каждого пакета данных, в том числе IP-пакетов для ʺпервой милиʺ и ʺпоследней милиʺ, состоящих из преамбулы 1505А SDNP зоны U2, преамбулы 1505C SDNP зоны U1, а также многочисленных преамбул SDNP зоны Z1 для пересылки по решетчатой сети в SDNP, которые в совокупности представлены преамбулой 1505B. Преамбулы 1505A, 1505B, 1505C и другие в дальнейшем комбинируются с IP-адресами и адресами SDNP с образованием различных IP- (Интернет-протокол) пакетов и пакетов SDNP. К этим инструкциям по маршрутизации принадлежит IP-пакет 1506A, направленный на планшет 33, в котором изложена информация о маршрутизации вызова или коммюнике с клиентского узла C до шлюзового медиаузла SDNP, множественных пакетов SDNP 1506B, направленных на медиасерверы 1118 и используемых для маршрутизации вызова или коммюнике между медиаузлами M в облаке SDNP, а также IP-пакета 1506C, направленного на сотовый телефон 32, содержащего информацию о маршрутизации запроса или коммюнике с шлюзового узла SDNP на клиентский узел C, представляющий собой сотовый телефон 32. За счет такого решения медиаузлы должны лишь направлять поступающие полезные нагрузки в соответствии с инструкциями, которые они получают с серверов сигнализации, т. е. механизм полностью противоположен механизму маршрутизации, используемому при обмене информацией ОТТ с использованием сети Интернет.
К примеру, как уже говорилось, Интернет-маршрутизаторами владеют различные Интернет-провайдеры и телефонные компании, которые не всегда сильно заинтересованы в клиентах, которые хотят обеспечить маршрутизацию своих пакетов с наименьшей задержкой отправки и пересылки. Фактически, в отличие от обмена информацией SDNP в соответствии с настоящим изобретением, Интернет-маршрутизаторы не могут даже отличить пакеты данных, содержащие аудио- или видеоматериалы в режиме реального времени от ʺмусорнойʺ почты. При обмене информацией в режиме реального времени задержка является критичным фактором. Задержки длительностью несколько сотен миллисекунд заметно влияют на качество обслуживания, а задержки величиной свыше 500 миллисекунд становятся неприемлемыми для поддержания синхронного голосового обмена информацией. По этой и многим другим причинам параметры сети SDNP, характеризующие ее функционирование в режиме реального времени и описанные в настоящем документе, непрерывно отслеживают задержки отправки и выбирают лучший маршрут для каждого пакета данных в режиме реального времени в момент его отправки.
фигуре 131
фигуре 132А
фигуре 132В
2,1
a,f
2,1
a,f
a,d
1,1
a,h
Как показано на , запрашиваемая пересылка с ʺIP Addr TBʺ, т. е. планшета 33, на ʺIP Addr CPʺ, т. е. сотовый телефон 32 может быть осуществлена различными возможными маршрутами. Каждая задержка при переходе от одного узла к другому, отслеженная и внесенная в таблицу 1416, существенно отличается от других. Более того, результатом маршрутизации вызова через меньшее число медиасерверов не обязательно является наименьшее время задержки при обмене информацией. К примеру, пересылка (маршрутизация) вызова с клиентского узла C на медиаузел M и далее на клиентский узел C характеризуется суммарным временем задержки 55+60=115 мс, тогда как пересылка вызова с медиаузла M через медиаузел M вместо прямой пересылки на клиентский узел C, показанная в виде затененного пути и показанная на , характеризуется задержкой 55+15+15=85 мс, что на 20% быстрее несмотря на то, что она осуществляется через дополнительный узел. При динамической маршрутизации SDNP сервер сигнализации S всегда предусматривает наилучшую комбинацию путей, что означает не только обеспечение минимальной задержки передачи, но и разбиение данных на части и отсылку содержимого с пересылкой по решетчатой сетке с целью повышения безопасности. Как показано на фигуре, другой путь, характеризующийся короткой задержкой, показанный в виде выделенного пути, пролегающей через медиаузел M, приведенный на , характеризуется суммарной задержкой пересылки 25+20+15+15+15=105 с, которая также более благоприятна несмотря на большое число совершаемых с этой целью переходов.
фигуре 132С
a,q
a,q
a,q
Другая важная функция командных сигналов и сигналов управления заключается в управлении преобразованием пакета. Эта функция играет ключевую роль в смешивании, разделении и изменении маршрутизации пакетов SDNP в облаке. На  проиллюстрирован один из способов того, каким образом узел сигнализации S может обмениваться информацией с медиасервером (в данном случае это хостинговый медиаузел M) для управления входом и выходом пакетов из конкретного узла. Имея полную информацию обо всех соответствующих параметрах безопасности 1504 для поступающего пакета SDNP и кадрах его полезной нагрузки, пользуясь пакетом командных сигналов и сигналов управления 1496C, узел сигнализации S выдает инструкции медиаузлу M о том, каким образом обрабатывать поступающий пакет SDNP 1497A для формирования исходящего пакета данных 1497B. Как показано на фигуре, после извлечения полезной нагрузки 1511A, состоящей из множественных кадров, медиаузел M, выполняя DUM-операцию 1210, производит дешифровку и дескремблирование всех кадров из полезной нагрузки 1511А, а также всех кадров из полезных нагрузок других поступающих пакетов (не показано) исходя из информации о состоянии 920, начальных данных 929 и ключей дешифрования 1030, используемых при формировании каждого их них, с дальнейшим смешиванием всех поступающих полей и формированием длинного пакета, которые в данном случае представлены всеми независимыми кадрами в совокупности в виде кадров 1512 и по отдельности в виде кадров 1, 6, 9, 12, 23 и 31, соответственно.
a,j
a,q
a,j.
Далее эти данные передаются в сортировщик ʺпочтовых индексовʺ SDNP в целях сортировки кадров в группы, каждая из которых характеризуется общим местом назначения на следующем переходе в облаке SDNP; все это происходит в соответствии с информацией о маршрутизации, содержащейся в пакете SDNP 1506B, пересланном ранее сигнальным узлом S для каждого кадра пакета SDNP в ответ на информацию, содержащуюся в вызове, определенную пакетом командных сигналов и сигналов управления 1495А. Далее операция SSE 1213 производит разбиение кадров на группы, характеризующиеся одинаковыми местами назначения, с использованием текущей информации о состоянии 920, обновленных начальных данных 929, а также новых ключей дешифровки 1030. Местом назначения одной из таких полезных нагрузок, а именно нагрузки 1511В, содержащей кадры данных 1, 9 и 23, является медиаузел M, тогда как предыдущая полезная нагрузка 1511A состоит из данных для кадров 1, 6 и 9. Поэтому, в соответствии с инструкциями, выданными сигнальным узлом S, медиаузел M удалил данные кадра 6 и заменил их данными кадра 23 с целью формирования полезной нагрузки 1511В, которая собирается в отправляемый пакет SDNP 1487B и отсылается на медиаузел M.
фигуре 133А
Пользуясь семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем (OSI), соединение SDNP, показанное на , представляет собой безопасный туннель между шлюзами 1522, поддерживающий безопасный сквозной обмен информацией 1529 между соответствующими приложениями SDNP 1335, установленными только на двух клиентах (в данном случае это планшет 33 и сотовый телефон 32). В различных вариантах реализации настоящего изобретения физические уровни и уровни передачи данных 1525, как правило, не предусматривают специальных решений для реализации операции SDNP. Вместе с тем, сетевой уровень 3 функционирует совершенно по-другому, нежели сеть Интернет, поскольку SDNP управляет маршрутизацией каждого из переходов в облаке SDNP на предмет безопасности, минимизации задержки пересылки, а также для поиска способа обслуживания наилучшим образом. Уровень пересылки 4, используя протокол ТСР для управления и улучшенную версию протокола UDP для пересылки данных в режиме реального времени обеспечивает контекстуальную пересылку, меняя свои способы и приоритеты исходя из определенной информации о том, что представляют собой пакет SDNP, полезная нагрузка или кадр и какова его приоритетность. Сессионный уровень 5 также является уникальным при проведении операции SDNP, при этом информация о командах управлении, передаваемых либо через пакеты командных сигналов и сигналов управления, передаваемых по каналу пересылки медиафайлов или по каналу пересылки сигналов, определяет порядок управления каждой сессией, включая маршрутизацию, качество, условия доставки и приоритетность.
При обмене информацией SDNP Представительский уровень 6 выполняет шифрование и скремблирование на каждом этапе пересылки по сети вне зависимости от шифрования, которое производит сам клиент.
На Уровне приложения 7 обмен информацией SDNP также уникален, поскольку любое SDNP приложение должно быть способно к смешиванию и восстановлению фрагментированных данных, а также знать, что делать, если часть разбитой на фрагменты полезной нагрузки не прибывает в место назначения, т. е. повторно выполнять контекстуальную пересылку.
фигуре 133В
Все описанные выше безопасность и рабочие параметры открытой сети SDNP достигаются без использования шифрования клиентом и персонального управления ключами. Если клиентское приложение также зашифровано, к примеру, собственной службой безопасности компании, то туннелирование по типу VPN комбинируется с разбиением данных на фрагменты с формированием нового типа безопасного обмена информацией - фрагментированных данных, подвергаемых туннелированию, что представляет собой гибрид Представительского уровня 6 и Уровня приложений 7, показанный на .
фигуре 134
Одним из уникальных аспектов обмена информацией SDNP в соответствии с настоящим изобретением является пример ʺпересылки несколькими маршрутамиʺ, представленный на . Поскольку сеть SDNP построена по принципу решетчатого транспортирования фрагментированных данных, при двукратной или трехкратной пересылке фрагментированных полей данных по решетчатой сети перегрузка не возникает. Концептуально, для достижения наименьшей возможной задержки при пересылке без ущерба безопасности, полезная нагрузка делится на под-пакеты и преобразовывается в два дополнительных кадра. Вместо отсылки одного кадра по одному маршруту и второго кадра по другому маршруту, при пересылке несколькими маршрутами многочисленные копии каждого кадра пересылаются различными маршрутами, причем первой используется та, которая поступила раньше. Копии, поступившие позднее, просто отбрасываются. К примеру, как показано на фигуре, кадр 91 отсылается по двум маршрутам, а именно маршрутам 1540 и 1541, тогда как кадр 92 также пересылается по нескольким маршрутам, а именно маршрутам 1541 и 1543. Используется та комбинация путей, которые обеспечивают доставку полезной нагрузки одного из кадра 91 и одного из кадра 92 первыми.
Формула изобретения
фигуре 135
Приведенное выше описание иллюстрирует многочисленные преимущества, связанные с рабочими параметрами, задержками при пересылке, качеством, безопасностью и конфиденциальностью, которые достигаются при обмене данными в соответствии с настоящим изобретением. В таблице, приведенной на , представлено сравнение описанной динамической сети и протокола (SDNP) с ОТТ-носителями, виртуальными частными сетями (VPN), а также сетями с соединением равноправных узлов (РТР). Как показывает таблица, все конкурирующие и ранее разработанные способы обмена информацией базируются на одновременной передаче по одному маршруту, при этом при защите содержимого информации, которой обмениваются, полагаются лишь на шифрование. При шифровании в посторонних сетях VPN все существующие способы обмена информацией делают открытой информацию об адресах источника и назначения сторон, обменивающихся информацией, создавая возможность для выуживания конфиденциальной информации (фишинга), перехвата, а также профилирования, т. е. подверженности киберпреступлениям. При всех этих способах безопасность постоянна, оставаясь неизменной по мере перемещения пакета по сети. Поскольку ни один из ранее разработанных способов не обеспечивает управление маршрутизацией при обмене информацией, они не дают возможности определить, имело ли место вмешательство в обмен информацией; кроме того, они не могут управлять задержкой передачи и параметрами работы сети в режиме реального времени. Кроме того, сети ОТТ и РТР не гарантируют, что широкополосный маршрутизатор будет иметь хотя бы возможность поддержать вызов, что приводит к постоянному изменению качества голосового сигнала и непрекращающимся срывам вызовом. Наконец, во всех случаях, кроме описанного способа обмена информацией SDNP и решетчатой сети хакер, взломав код шифрования, может пользоваться известной ему информацией для нанесения существенного вреда до момента обнаружения нарушения безопасности и по этой причине сможет прочитать или услышать все содержимое личного или персонального обмена информацией.
В описанной сети SDNP даже в том случае, если кибервзломщик взломает код шифрования, данные в любом из пакетов являются искаженными, неполными, смешанными с другими сообщениями и неупорядоченно скремблированными, т. е. содержимое любого пакета SDNP не представляет собой никакой пользы для кого бы то ни было, кроме лица, которому оно адресовано. Более того, даже если шифрование сети взломают, задача, на решение которой уходят годы даже при проведении квантовых вычислений, возникает на одну десятую долю секунды позже, чем изменяется динамическое шифрование каждого пакета, проходящего все облако SDNP. Это означает, что потенциальный хакер должен начинать все сначала каждые 100 мс. При использовании таких динамических способов на расшифровку пятиминутной беседы, даже если вся она содержится в одной полосе данных, ушли бы столетия. Помимо этого, при дополнительной разбивке данных на фрагменты, динамическом скремблировании, а также динамических смешивании и изменении маршрутизации все преимущества, обеспечиваемые в результате взлома кода шифрования, были бы совершенно иллюзорными.
Комбинация многочисленных уровней безопасности, реализуемая безопасной динамической сетью и протоколом, описанным в настоящем документе, включая динамическое скремблирование, переправку фрагментированных данных, анонимность пакетов данных, а также динамическое шифрование, существенно превосходит уровень безопасности, обеспечиваемый одним лишь статическим шифрованием. При обмене информацией SDNP, описанном в настоящем документе, пакеты данных при единичной беседе, диалоге, а также других формах обмена информацией не перемещаются по одному маршруту, а разбиваются на непостижимые отрывки данных, не имеющих смысла, которые беспорядочно скремблируются и пересылаются по многочисленным маршрутам, эти данные непрерывно изменяются по содержимому и смешиваются в соответствии с лежащими в основе правами безопасности. Полученный в результате способ обмена информацией представляет собой первую ʺгипер-безопаснуюʺ систему обмена информацией.