ES2272130B1 - Unidad cifradora/descifradora de mensajes con informacion digital, sistema y metodo de cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real. - Google Patents
Unidad cifradora/descifradora de mensajes con informacion digital, sistema y metodo de cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real. Download PDFInfo
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Abstract
Unidad cifradora/descifradora de mensajes con información digital, sistema y método de cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real. La invención consiste en un sistema implementado en un microcontrolador o FPGA que cifra y descifra la información mediante un algoritmo de cifrado simétrico basado en una tabla de claves que es recorrida usando un generador de filtro no lineal, produciendo de esta forma una secuencia cifrante que es operada mediante una operación XOR bit a bit dando lugar de este modo palabras de mensaje cifrado o mensaje en claro, dependiendo de si la entrada es el mensaje en claro o el mensaje cifrado respectivamente y mediante la cual, un mismo mensaje puede ser cifrado de muy diferentes formas, dependiendo del momento en el que se cifra.
Description
Unidad cifradora/descifradora de mensajes con
información digital, sistema y método de cifrado/descifrado para
comunicaciones digitales en tiempo real.
El campo en el que se encuentra la presente
invención es el de la protección de la información en transmisiones
inalámbricas, por cable o mixtas por cable e inalámbricas.
La protección de la información durante la
transmisión de la misma ha sido una necesidad desde muy antiguo y
más aún en el mundo civilizado actual. Son de sobra conocidos
sistemas de cifrado y descifrado simétricos como DES (Data
Encryption Standard), IDEA (International Data Encryption
Algorithm) o más recientemente AES (Advanced Encryption
Standard) que tratan la información por palabras, con un nivel
de seguridad muy alto y una gran velocidad en las operaciones de
cifrado y descifrado. Todos ellos se denominan simétricos debido a
que se utiliza el mismo algoritmo para las operaciones de cifrado y
descifrado y su uso en sistemas de comunicación por cable está muy
extendido. Sin embargo, aunque todos ellos han demostrado su gran
efectividad, presentan la debilidad de que un mismo mensaje es
cifrado siempre por un mismo criptograma, lo que les hace
susceptibles a ataques diferenciales y ataques de repetición por
medio de mensajes grabados.
Otra importante clase de algoritmos de cifrado y
descifrado son los conocidos como algoritmos de cifrado en flujo.
Todos ellos cifran la información bit a bit, usualmente dígitos
binarios, y en tiempo real y se basan en circuitos
retro-alimentados linealmente, que proporcionan una
secuencia cifrante y son muy apropiados para su implementación en
hardware. La gran ventaja de los algoritmos de cifrado en flujo es
que la función de cifrado varía con el tiempo y así, un mismo
mensaje puede ser de varias formas distintas cifrado por varios
criptogramas distintos, dependiendo del momento en el que se ha
llevado a cabo la operación de cifrado. Sin embargo, su debilidad
puede ponerse de manifiesto en ataques con texto en claro - texto
cifrado, al obtenerse información sobre la secuencia cifrante.
Debido a las limitaciones que ofrece la
transmisión por radio en transmisiones inalámbricas o híbridas por
cable e inalámbricas, específicamente las derivadas del ancho de
banda, se hace necesario un sistema de cifrado que tenga en cuenta
todos estos aspectos.
Un ejemplo de un sistema de cifrado para
comunicaciones por radio es la patente española
ES-2134807 en la cual se describe un sistema en el
que tanto el emisor como el receptor contienen una pluralidad de
claves y un programa de selección de claves en el emisor y el
receptor (el mismo en ambos). En este sistema el emisor selecciona
un identificador de clave y cifra el mensaje a transmitir con la
clave correspondiente a dicho identificador. Entonces transmite el
mensaje cifrado junto con el identificador de clave sin cifrar. Una
vez enviada la información anterior genera la siguiente clave. Para
el proceso de descifrado, el receptor genera la primera clave a
partir del identificador de clave y descifra el mensaje. A partir de
este punto, genera la siguiente clave (idéntica a la del emisor).
Este proceso se va repitiendo mientras queden mensajes por enviar.
Las principales desventajas del sistema radican en:
- Pérdida de privacidad: Con el mismo
dispositivo, y el identificador de clave que se transmite en
abierto, se puede generar la misma secuencia de clave que el emisor
y por lo tanto también podemos descifrar los mensajes
transmitidos.
- Suplantación del Emisor: Si se tiene el mismo
dispositivo, ya que el identificador de clave se transmite sin
cifrar, se puede leer. Una vez hecho esto es posible generar con
nuestro dispositivo la clave Ki y mandar el mensaje Mi
cifrado con dicha clave en el instante i de la transmisión,
es decir, cuando el receptor tenga generada la clave Ki para
descifrar. Nótese que a partir del identificador de clave podemos
generar la misma secuencia de claves que el receptor (y el
emisor).
- Repetición de la transmisión: Podemos grabar
la transmisión completa y volverla a enviar una vez que el Emisor
ha terminado su transmisión. Con esto conseguimos que el receptor
repita las acciones requeridas por el Emisor con el peligro que
esto conlleva y mantenemos ocupado al receptor impidiendo una nueva
comunicación por parte del emisor.
La invención se refiere a unidad
cifradora/descifradora de mensajes con información digital de
acuerdo con las reivindicaciones 1 y a un sistema y método de
cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real de
acuerdo con las reivindicaciones 7 y 13, respectivamente.
Realizaciones preferidas de la unidad, del sistema y del método se
definen en las reivindicaciones dependientes.
Para solventar los problemas de seguridad
comentados en lo anterior, se propone en esta invención un cifrado
por palabras de la información y con las características del uso de
varios alfabetos para el cifrado y eficiencia de los cifrados en
flujo, es decir, a diferencia de los cifrados simétricos
anteriormente comentados (DES, IDEA, AES) un mensaje es cifrado de
muy distintas formas dependiendo del momento de la operación de
cifrado. Dicha operación de cifrado puede ser llevada a cabo en
tiempo real teniendo de esta forma las ventajas de un cifrado en
flujo. A diferencia de los cifrados en flujo susceptibles a ataques
texto claro-texto cifrado mediante los que se puede
obtener información sobre la secuencia cifrante, la invención
propuesta utiliza un método de selección de claves que varía en
función del tiempo dificultando en gran medida este tipo de
ataques. Este método de selección de claves se transmite de forma
cifrada dando una solución a los dos primeros problemas de seguridad
comentados que plantea la patente mencionada.
Así, la invención se refiere a una unidad
cifradora/descifradora de un mensaje original M que contiene
información digital que comprende:
- medios de almacenamiento para almacenar, al
menos, una tabla de m claves generadas de forma
aleatoria,
- medios de generación de un descriptor de
recorrido de dicha tabla de claves para determinar una clave
seleccionada, cuyo descriptor de recorrido varía con el tiempo,
- medios de generación de una semilla aleatoria
para definir un estado inicial del descriptor de recorrido,
- medios de ejecución de un algoritmo de
cifrado/descifrado sobre dicha semilla y sobre dicho mensaje,
incluyendo dicho algoritmo una operación XOR bit a bit con dicha
clave seleccionada, para generar un segundo mensaje cifrado/no
cifrado,
de forma que tanto la semilla aleatoria como el
mensaje que contiene información digital son cifrados/descifrados
por la unidad cifradora/descifradora de diferentes formas a lo
largo del tiempo.
Preferiblemente, dichos medios de almacenamiento
consisten en un dispositivo programable, como puede ser un dentro
de la memoria interna de un microcontrolador o FPGA (Field
Programable Gate Array), que permite la ejecución interna de
procesos y no permite la lectura de información contenida en dicho
dispositivo; más preferiblemente, en dichos medios de
almacenamiento se almacena también el descriptor de recorrido.
De esta forma, el mensaje original M o
información fuente se transforme mediante operaciones XOR palabra a
palabra con una lista o tabla de claves, cuyo contenido y descriptor
de recorrido (de la secuencia de recorrido) están ocultos (salvo
para el administrador del sistema, que realiza la programación
inicial de la unidad cifradora-descifradora).
De esta forma, la invención permite la
implementación de unidades cifradoras/ descifradores independientes
que, conectadas a un puerto de un computador, por ejemplo USB
(Universal Serial Bus) u otro tipo de puerto de comunicaciones, o
conectada a cualquier otra fuente de información que necesite ser
cifrada, ofrezca un elevado grado de seguridad en la información
transmitida por cualquier medio (red de computadoras, por ejemplo),
imposibilitando la recuperación de la información original si no se
dispone de una unidad cifradora/descifradora con las mismas claves y
determinador de la secuencia de recorrido que la instalada en la
fuente de información que las transmitió.
Otra posibilidad que ofrece la presente
invención es la implementación dentro de unidades de comunicaciones
inalámbricas como son los sistemas estándares de banda ancha,
Bluetooth, Zig-bee, IEEE
802.11a-b, radiomodem (unidad no estándar para
comunicaciones de datos vía radio usualmente de gran alcance y
baja-media velocidad). En este caso, tanto los
algoritmos como la lista o tabla de claves y el descriptor de
secuencia de recorrido de las mismas deben albergarse en la memoria
interna del microcontrolador u otro dispositivo de gobierno que
todos estos sistemas incorporan, por lo tanto el sistema de cifrado
coexistirá conjuntamente con los algoritmos de gobierno de las
comunicaciones, y el administrador del cifrado será el proveedor o
fabricante de dicha unidades de comunicaciones.
De acuerdo con un aspecto de la invención, dicho
descriptor de recorrido puede comprender un generador de filtro no
lineal compuesto por:
- un circuito retro-alimentado
linealmente LFSR de longitud K etapas, tal que 2^{K}
es mayor o igual que la longitud de la lista m, y
- una función booleana con propiedad de filtro
no lineal B para generar, a partir de las K etapas
del circuito retroalimentado, una secuencia pseudoaleatoria de
números entre uno y la longitud de la lista m, determinando
dicha secuencia una posición en dicha lista de claves.
En este caso, la semilla aleatoria tiene
K bits y constituye el estado inicial del circuito
retro-alimentado linealmente.
Dicha semilla aleatoria puede ser obtenida a
partir de un reloj de tiempo real RTC.
La salida del filtro no lineal puede
cifrarse/descifrarse con una o más palabras obtenidas de un reloj de
tiempo real RTC.
La invención también se refiere a un sistema de
cifrado/descifrado de información digital con objeto de una
transmisión segura de dicha información. Este sistema
comprende:
- un emisor,
- un receptor,
- medios de transmisión de información entre
dicho emisor y dicho receptor,
- una unidad cifradora/descifradora según
cualquiera de las reivindicaciones 1-6 en el emisor
y en receptor,
de forma que un mensaje original M que
contiene información digital es cifrado/descifrado por la unidad
cifradora/descifradora del emisor generándose un segundo mensaje
cifrado/descifrado que es transmitido al receptor, y dicho segundo
mensaje cifrado/descifrado es descifrado/cifrado por la unidad
cifradora/descifradora del emisor y se obteniendo dicho mensaje
original M.
Este sistema puede incluir medios de
sincronización entre el emisor y el receptor; preferiblemente
determinados por el acuerdo entre unidades cifradora/descifradora
del emisor y receptor de un estado inicial del circuito
retroalimentado. El emisor establece un estado inicial, el cual es
transmitido en forma cifrada usando la propia información del
mensaje cifrado.
El sistema preferiblemente asigna a cada mensaje
cifrado un tiempo de caducidad predeterminado; de esta forma se
soluciona el problema de repetición de la transmisión.
Es decir, una opción que aumenta el nivel de
seguridad, es el cifrado temporal. El uso de un reloj de tiempo
real RTC añade la posibilidad de cifrado temporal, es decir,
cifrado dependiente del tiempo; ello implica que si se dispone de
una sincronización entre los relojes de las unidades
cifradoras/descifradoras, se pueden obtener mensajes cifrados que
se han de descifrar en el instante que se reciben y no es posible
hacerlo con posterioridad porque en este caso se emplean códigos
temporales, que sólo están vigentes en un intervalo de tiempo
determinado.
Dichos-medios de transmisión de
la información pueden ser inalámbricos, cable o mixto.
La invención también se refiere a un método de
cifrado/descifrado de un mensaje M que contiene información
digital que comprende las etapas de:
- generar de forma aleatoria una tabla de m
claves y almacenar dicha tabla en medios de almacenamiento,
- generar una semilla aleatoria para definir un
estado inicial de un descriptor de recorrido,
- generar el descriptor de recorrido de dicha
tabla de claves para obtener una clave seleccionada para cada
momento, cuyo descriptor de recorrido varía con el tiempo,
- ejecutar un algoritmo de cifrado/descifrado
sobre dicha semilla y sobre dicho mensaje, incluyendo dicho
algoritmo una operación XOR bit a bit con dicha clave seleccionada
de la lista de claves por el descriptor de recorrido, generando un
segundo mensaje cifrado/no cifrado,
de forma que tanto la semilla aleatoria como el
mensaje que contiene información digital son cifrados/descifrados
por la unidad cifradora/descifradora de diferentes formas a lo
largo del tiempo.
El descriptor de recorrido genera una secuencia
pseudoaleatoria de números entre uno y la longitud de la lista
m, determinando dicha secuencia una posición en dicha lista
de claves correspondiente a la clave seleccionada en cada
momento.
La semilla aleatoria se puede obtener a partir
de un reloj de tiempo real RTC.
El mensaje M puede cifrarse/descifrarse
además con una o más palabras obtenidas de un reloj de tiempo real
RTC.
Dicha semilla puede cifrarse con una o más
palabras obtenidas de un reloj de tiempo real RTC.
Una de las bases de esta invención consiste, por
lo tanto, en el uso de unas claves y un descriptor de recorrido,
los cuales no es necesario cambiar con frecuencia, pero que sólo
conoce el proveedor del sistema y que nadie más puede leer, a
diferencia de otros sistemas que emplean claves mas cortas, de
acceso posible y que necesariamente se han de cambiar con
frecuencia.
Otra buena propiedad de este método es la
rapidez de los procesos de cifrado/descifrado, dado que no se
realizan operaciones computacionalmente costosas (raíces, funciones
transcendentes, etc.). Además, al no aumentar el tamaño de la
información al ser cifrada, la velocidad de ejecución de este
algoritmo de cifrado en un microcontrolador es alta, lo cual
permite la ejecución en tiempo real de este proceso de cifrado y
descifrado. Es decir, que el tiempo del proceso de
cifrado-descifrado es menor que el tiempo de
generación o transmisión de la información.
La figura 1 representa un diagrama de una unidad
cifradora/descifradora para funcionar aisladamente.
La figura 2 representa un sistema basado en
microcontrolador para el gobierno de un radiomodem de
comunicaciones inalámbricas en el cual se ha implementado el
sistema cifrador/descifrador de forma embebida.
La figura 3 representa un generador de filtro no
lineal compuesto por un circuito retroalimentado linealmente y un
circuito lógico.
La figura 4 representa la estructura de un
mensaje de información.
La figura 5 representa la estructura de un
paquete de información por cable.
La figura 6 representa un diagrama de flujos de
la etapa de sincronización.
La figura 7 representa un diagrama de flujo de
la operación de cifrado del mensaje en claro.
La figura 8 representa un diagrama de flujo de
la etapa de sincronización del receptor.
La figura 9 representa un diagrama de flujos de
la operación de descifrado del mensaje cifrado.
Tal y como se muestra en la figura 1, la
implementación física de esta invención se puede realizar de forma
aislada, es decir, mediante una unidad cifradora/descifradora 1 que
realice sólo las funciones de cifrador/descifrador, destinada a ser
insertada, por ejemplo, dentro de un sistema de comunicaciones PC-
Internet o PC-PC y permita una comunicación con un
elevado grado de seguridad, y con una certeza casi absoluta de que
el que no disponga de la unidad cifradora/descifradora y con las
claves propias no podrá acceder a la información transmitida. En
este caso, la unidad cifradora/descifradora incluye un par de
puertos de entrada/salida 10, 10' por los que entra/sale la
información tal y como se generó M (mensaje en claro) y la
información tras ser cifrada M' (mensaje cifrado),
respectivamente; así mismo incluye una unidad central de
procesamiento o CPU 11, un reloj de tiempo real RTC 12 y una
memoria 13, tipo ROM-Flash, para almacenamiento del
algoritmo de cifrado/descifrado así como de la tabla de claves.
Otra posibilidad de implementación es un sistema
embebido, es decir, almacenado en la memoria interna no volátil del
elemento de control de un determinado sistema de comunicaciones,
como se muestra en la figura 2, como por ejemplo, un módem para
radio o radiomodem 20. En este caso el algoritmo de
cifrado/descifrado, así como la tabla de claves y el polinomio que
determina el recorrido de la tabla deben coexistir junto a los otros
algoritmos del sistema de comunicaciones. Esta versión de la
invención permite la comunicación inalámbrica segura. En esta
realización también existen un reloj de tiempo real 12, una memoria
13 y una CPU que en este caso se encarga también de configurar el
módem, controlar y proporcionar una seguridad en las comunicaciones
vía radio. En este caso la información que contiene un mensaje
cifrado M' llega cifrada a través de una antena 21, y a
través del correspondiente trasnceptor de radio 22 llega al módem
20, ambos controlados por la CPU 11. La información descifrada
M (mensaje en claro) sale por el correspondiente puerto.
Esta realización se implementa embebida en el
microcontrolador de gobierno de un radiomodem para comunicaciones
de datos por radio.
De acuerdo con una realización preferida de la
invención, la lista o tabla de claves está integrada por m
números de n bits generados aleatoriamente. Como se muestra
en la figura 3, la secuencia de recorrido de claves se obtiene a
partir de un circuito retro-alimentado linealmente
(LFSR, Linear Feedback Shift Register) de k etapas
(cada etapa se corresponde con un biestable lógico de un bit), con
2^{k} mayor o igual que m y una función de filtro B
de orden j del mismo definida por una función booleana que
produce como salida números entre 1 y m, siendo j =
log_{2}(m). Dicho LFSR vendrá determinado
por un polinomio primitivo A de grado k, que asegura
el recorrido por todos y cada uno de los elementos de la lista o
tabla de claves en el proceso de
cifrado-descifrado, ya que 2^{j} = k. El conjunto
del polinomio primitivo
[A_{0}A_{k-1}] y función de
filtro [B_{0} - B_{j-1}] junto con
la tabla de claves determinan los elementos que preferiblemente
permanecen ocultos en el sistema de cifrado.
Cuando se quiere cifrar un mensaje procedente de
una fuente de información, es necesario una estructuración
jerárquica del mismo para conseguir las propiedades de seguridad de
este código, en particular, el tamaño o longitud del paquete deberá
ser sustancialmente menor que el tamaño de la tabla de claves; por
ejemplo, si la tabla de claves tiene un tamaño m = 1024
palabras, los paquetes no deberían tener un tamaño p mayor
que 512 palabras. En primer lugar el mensaje original M de
cualquier tamaño se fragmenta en un conjunto de p paquetes
(P_{0}, P_{1},....,P_{p-2},
P_{p-1}); cada uno de longitud I bytes,
que corresponden con las estructuras que se cifran y transmiten
independientemente; a su vez los paquetes se dividen en b
bloques (B_{0}, B_{1},..., B_{b-1}) de
q palabras de longitud y n bits por palabra (véase
figura 4).
Como se muestra en la figura 5, se genera un
bloque cabecera de cada paquete P_{i} que se cifra y transmite en
primer lugar, el cual contiene información de una semilla aleatoria
(SL-SH), firmas del sistema (FO-F4),
destino y tamaño del paquete (IG-IU;
LO-L4), denominado Bloque Control de
Transmisión (BCT). Al final del paquete P_{i}, tras
los bloques B_{0}, ... B_{b-1} que únicamente
contienen información (correspondiente al mensaje a ser
cifrado/descifrado), se incluye un bloque final BF que contiene
información así como bits de comprobación de errores en la
transmisión, tipo Checksum (suma de la cantidad de bits o
bytes en una transmisión o un archivo que permite conocer si hubo
alguna pérdida o modificación de información).
Una vez generado el BCT comienza la etapa de
sincronización del emisor, tal y como se muestra en la figura 6 (en
la que \overline{\mathit{SEMILLA}} representa la semilla cifrada y
\overline{\mathit{BCT}} representa el cifrado de las palabras de
control de la transmisión, BCT. Asimismo SEMILLA[i],
\overline{\mathit{SEMILLA}}[i], BCT[i],
\overline{\mathit{BCT}}[i] y, representan la palabra
i-ésimo de la semilla, la semilla cifrada, BCT y el
BCT cifrado respectivamente.
Se genera mediante un reloj de tiempo real
RTC (Real Time Clock), un número aleatorio de
k bits que sirven como semilla o estado inicial al
LFSR del generador de filtro no lineal. Los estados del
LFSR son usados para, mediante la función B de filtro
no lineal, producir una sucesión de números pseudoaleatorios entre
1 y m, que indican las posiciones de la tabla cuyos
contenidos mediante operación XOR con cada una de las palabras del
BCT, producen el cifrado de BCT, denotado por
\overline{\mathit{BCT}}, así como el resto de palabras del mensaje
de texto en claro. A continuación se divide la semilla en palabras
de longitud n, añadiendo si fuesen necesarios ceros a la
izquierda de una de las palabras y mediante k bits
predeterminados de \overline{\mathit{BCT}} para ser usados como
entrada de nuevo del LFSR el cual, mediante la función de
filtro B, vuelve a producir una sucesión de posiciones de la
tabla, cuyos elementos son sumados XOR con las palabras de la
semilla para producir el cifrado de la semilla. El número de
palabras en los que queda dividida la semilla es exactamente igual
a la parte entera de k/n. De este modo transmitimos un primer
mensaje cifrado que se corresponde con \overline{\mathit{BCT}},
donde los k primeros bits conforman el cifrado de la semilla
usada para el cifrado del mensaje.
En la figura 7 se muestra el proceso de cifrado
del mensaje original a enviar. El proceso es exactamente el mismo
que el del cifrado de BCT, es decir, se suma XOR las
palabras del mensaje bloque a bloque con los elementos de la tabla
cuyas posiciones vienen determinadas por el descriptor de
recorrido, usando como estado inicial del mismo la semilla
(sin cifrar) transmitida en BCT cifrado; una vez completado
el paquete, se transmite éste y se repite el proceso con el
siguiente paquete, es decir generando un nuevo BCT, semilla
etc., y así sucesivamente hasta completar todos los paquetes del
mensaje.
En el caso particular de sistemas de
comunicaciones inalámbricas, delante del bloque cabecera
(BCT) se transmiten palabras de sincronismo y de firma del
dispositivo hardware necesarias para poder realizar la
sincronización entre unidades inalámbricas. El resto del proceso es
el mismo que el anteriormente descrito. En comunicaciones
inalámbricas, al tener mayores probabilidades de errores que en caso
de cable, se suelen utilizar métodos de corrección directa de
errores FEC (Forward Error Correction) que introducen
redundancia de información para mejorar la tasa de fallos
BER (Bit Error Ratio); en este caso cada bloque ya
cifrado de q palabras incrementa su tamaño en r
palabras de redundancia, que las genera automáticamente el
algoritmo FEC y que se transmiten y reciben de forma
transparente a la información fuente.
Cuando el receptor recibe un mensaje cifrado,
comienza con su etapa de sincronización (cuyo diagrama de flujo se
muestra en la figura 8). Para ello toma los k bits
predeterminados de \overline{\mathit{BCT}} para usarlos como
entrada del LFSR, generando así una sucesión de posiciones
de la tabla, cuyos elementos, sumados XOR con las palabras
correspondientes a los k primeros bits de
\overline{\mathit{BCT}} nos proporcionarán la semilla del
LFSR usada para cifrar el resto del BCT. Una vez
obtenida dicha semilla se usa como entrada del LFSR, el
cual, mediante la función de filtro no lineal B, produce una
sucesión de posiciones de la tabla, cuyos elementos sumados XOR con
el resto de palabras del \overline{\mathit{BCT}} nos proporcionan
el BCT original.
Una vez obtenido BCT y hechas las
comprobaciones oportunas, comienza la etapa de descifrado del
mensaje (mostrado en la figura 9), que sucesivamente bloque a
bloque y paquete a paquete es totalmente simétrica a la etapa de
cifrado, produciendo como salida el mensaje original.
Para aumentar el nivel de seguridad, existe la
posibilidad de utilizar un cifrado/descifrado temporal. El
procedimiento para el cifrado temporal consiste en lectura del año,
mes, día, hora, minuto etc. en el RTC, y mediante una
operación lógica generar una clave temporal de tamaño T bits,
mediante la cual se modificará por operación XOR la semilla, la
salida de la función de filtro no lineal B o directamente la
información fuente al operarla XOR simultáneamente con la tabla de
claves y la clave temporal.
Con el sistema y método de cifrado de la
invención, si la longitud de la tabla de claves es suficiente y la
elección del descriptor (polinomio A y función de
filtro B que determinan el orden de recorrido de dicha tabla
de claves) es adecuado, se proporciona un elevado grado de
seguridad, ya que si la tabla y el descriptor son secretos,
aún conociendo el algoritmo de cifrado, el único ataque posible es
por "fuerza bruta", es decir, probando con todas las tablas de
claves, descriptores de recorrido y semillas posibles. Dicho ataque
no se puede realizar con los medios informáticos actuales debido a
su coste en el tiempo.
De acuerdo con un ejemplo concreto, la memoria
interna del microcontrolador contiene una lista o tabla de claves
formadas por 1024 números de 8 bits generados
aleatoriamente, así como un circuito
retro-alimentado linealmente (LFSR) de
16 etapas (como puede observarse 2^{16} es mayor que
1024), y una función de filtro del mismo definida por una
función que seleccione la salida de las diez primeras etapas del
LFSR, produciendo de este modo, números pseudoaleatorios
entre 0 y 1023 o equivalentemente entre 1 y
1024. De los 2048 posibles circuitos retroalimentados
linealmente con 16 etapas citados en la descripción, se toma el que
viene dado por el polinomio primitivo A = 1 + x +
x^{2} + x^{8} + x^{13} + x^{15}
+ x^{16}. Cuando una fuente de información, un PC por
ejemplo, proporciona un determinado mensaje para ser transmitido,
éste se envía al radiomodem a través del puerto RS232, USB,
etc.; el radiomodem lo recibe mediante un proceso en el
microcontrolador de gobierno y lo almacena en un buffer para
transmisión. En dicho buffer el mensaje se divide en palabras de
longitud fija 8, los cuales, uno a uno, son sometidos al
proceso de cifrado.
Para la sincronización del emisor se genera un
grupo de palabras de control de la transmisión (BCT) que
corresponde al bloque cabecera de cada paquete y que se cifra y
transmite en primer lugar, el cual contiene la semilla aleatoria,
firmas del sistema, destino y tamaño de del paquete (figura 5). Una
vez generado el BCT, se genera, mediante un reloj en tiempo
real RTC un número aleatorio no nulo de 16 bits que
sirve como semilla o estado inicial al LFSR del generador de
filtro no lineal. Los estados del LFSR son usados para,
mediante la función de filtro no lineal, producir una sucesión de
números pseudoaleatorios entre 1 y 1024, que nos dan
la posición de la tabla con la que sumamos XOR cada uno de las
palabras del BCT, produciendo así el cifrado de BCT,
denotado por \overline{\mathit{BCT}}, así como el resto de
palabras del mensaje de texto en claro. A continuación dividimos la
semilla en palabras de longitud 8, y usaremos 16 bits
predeterminados de \overline{\mathit{BCT}}, por ejemplo los
dieciséis últimos para usarlos como entrada de nuevo del
LFSR, el cual, mediante el filtro, vuelve a producir una
sucesión de posiciones de la tabla, cuyos elementos son sumados XOR
con las dos palabras de la semilla para producir el cifrado de la
semilla. De este modo se transmite un primer mensaje cifrado que se
corresponde con \overline{\mathit{BCT}}, donde los 16
primeros bits conforman el cifrado de la semilla usada para el
cifrado del mensaje.
A continuación comienza el cifrado del mensaje
original a enviar. El proceso es exactamente el mismo que el del
cifrado de BCT, es decir, sumamos XOR las palabras de
longitud 8 bits del mensaje con los elementos de la tabla cuyas
posiciones vienen determinadas por el generador de filtro no
lineal, usando como estado inicial del LFSR de dicho
generador de filtro la semilla (sin cifrar) transmitida en
BCT cifrado. Una vez obtenido el mensaje cifrado, se envía
palabra a palabra a la unidad módem y se escribe la tarea de
modulación junto con la orden a la radio de puesta en transmisión,
enviándose al medio.
Cuando el receptor recibe un mensaje cifrado, el
módem obtiene bloque a bloque la información, la cual es procesada
por el algoritmo FEC en el caso de que esté implementada esta
opción. El microcontrolador de gobierno escribe en un buffer de
descifrado los bloques de información obtenidos del módem y libres
de la redundancia del FEC. El primer bloque recibido es el
BCT cifrado, \overline{\mathit{BCT}}, se toman los
16 bits predeterminados de \overline{\mathit{BCT}}, en este
caso, los últimos 16, para usarse como entrada del
LFSR, generando así una sucesión de posiciones de la tabla,
cuyos elementos, sumados XOR con las palabras correspondientes a
los 16 primeros bits de \overline{\mathit{BCT}} nos proporcionarán
la semilla del LFSR usada para cifrar el resto del
BCT. Una vez obtenida dicha semilla, se usa como entrada del
LFSR, y usando las diez primeras etapas de dicho LFSR
obtiene una sucesión de posiciones de la tabla, cuyos elementos
sumados XOR con el resto de palabras del \overline{\mathit{BCT}}
nos proporcionan el BCT original.
Una vez obtenido BCT, se identifica que
la firma corresponde a la del sistema y que la identificación del
receptor es la correcta. También se obtiene del BCT la
información relativa al número de palabras del paquete que completan
la información necesaria para recibir el resto del paquete.
Comienza entonces la etapa de descifrado, que es totalmente
simétrica a la etapa de cifrado, produciendo como salida el mensaje
original, el cual es enviado por el microcontrolador de gobierno al
PC u otro elemento de lectura de la información.
De esta forma los mensajes que son enviados al
radiomodem son cifrados antes de ser transmitidos y los que se
reciben cifrados se descifran en el proceso de recepción.
Claims (21)
1. Una unidad cifradora/descifradora (1; 1') de
un mensaje original M que contiene información digital que
comprende:
- medios de almacenamiento (13) para almacenar,
al menos, una tabla de m claves generadas de forma aleatoria,
- medios de generación de secuencias de
recorrido, que varían con el tiempo, de dicha tabla de claves para
determinar una clave seleccionada, mediante un descriptor de
recorrido,
- medios de generación de una semilla aleatoria
para definir un estado inicial del descriptor de recorrido,
- medios de ejecución de un algoritmo de
cifrado/descifrado sobre dicha semilla y sobre dicho mensaje,
incluyendo dicho algoritmo una operación XOR bit a bit con dicha
clave seleccionada, para generar un segundo mensaje cifrado/no
cifrado,
de forma que tanto la semilla aleatoria como el
mensaje que contiene información digital son cifrados/descifrados
por la unidad cifradora/descifradora de diferentes formas a lo
largo del tiempo.
2. Unidad cifradora/descifradora según la
reivindicación 1, caracterizada porque dicho descriptor de
recorrido comprende un generador de filtro no lineal compuesto
por:
- un circuito retro-alimentado
linealmente (LFSR) de longitud K etapas, tal que 2^{K} es
mayor o igual que la longitud de la lista m, y
- una función booleana con propiedad de filtro
no lineal (B) para generar, a partir de las K etapas del
circuito retroalimentado, una secuencia pseudoaleatoria de números
entre uno y la longitud de la lista m.
3. Unidad cifradora/descifradora según
reivindicación 2, caracterizada porque dicha semilla
aleatoria tiene K bits y constituye el estado inicial del
circuito retro-alimentado linealmente.
4. Unidad cifradora/descifradora según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque dicha semilla aleatoria es obtenida a partir de un reloj de
tiempo real RTC(12).
5. Unidad cifradora/descifradora según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque dichos medios de almacenamiento (13) consisten en un
dispositivo programable que permite la ejecución interna de procesos
y no permite la lectura de información contenida en dicho
dispositivo.
6. Unidad cifradora/descifradora según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque en dichos medios de almacenamiento se almacena el descriptor
de recorrido.
7. Sistema de cifrado/descifrado para
comunicaciones digitales en tiempo real, que comprende
- un emisor,
- un receptor,
- medios de transmisión de información entre
dicho emisor y dicho receptor,
- una unidad cifradora/descifradora (1; 1')
según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6 en
emisor y en receptor,
de forma que un mensaje original M que
contiene información digital es cifrado/descifrado por la unidad
cifradora/descifradora del emisor generándose un segundo mensaje
cifrado/descifrado M' que es transmitido al receptor, y dicho
segundo mensaje cifrado/descifrado es descifrado/cifrado por la
unidad cifradora/descifradora del receptor y se obteniendo dicho
mensaje original M.
8. Sistema de cifrado/descifrado según la
reivindicación 7, caracterizado porque incluye medios de
sincronización entre el emisor y el receptor.
9. Sistema de cifrado/descifrado según la
reivindicación 8, caracterizado porque dichos medios de
sincronización están determinado por el acuerdo entre unidades
cifradora/descifradora del emisor y receptor de un estado inicial
del circuito retroalimentado.
10. Sistema de cifrado/descifrado según
cualquiera de las reivindicaciones 7-9,
caracterizado porque dicho segundo mensaje cifrado M'
tiene asignado un tiempo de caducidad predeterminado.
\newpage
11. Sistema de cifrado/descifrado según
cualquiera de las reivindicaciones 7-10,
caracterizado porque dichos medios de transmisión de la
información son inalámbricos, cable o mixto.
12. Sistema de cifrado/descifrado según
cualquiera de las reivindicaciones 7-11,
caracterizado porque la selección de las sucesivas claves
utilizadas para el cifrado-descifrado del mensaje
depende de los estados previos del sistema usado para generar
identificadores de claves.
13. Método de cifrado/descifrado de un mensaje
M que contiene información digital que comprende las etapas
de:
- generar de forma aleatoria una tabla de m
claves y almacenar dicha tabla en medios de almacenamiento
(13),
- generar una semilla aleatoria para definir un
estado inicial de un descriptor de recorrido,
- generar una secuencia de recorrido de dicha
tabla de claves para obtener una clave seleccionada para cada
momento, donde dicha secuencia de recorrido varia con el
tiempo,
- ejecutar un algoritmo de cifrado/descifrado
sobre dicha semilla y sobre dicho mensaje, incluyendo dicho
algoritmo una operación XOR bit a bit con dicha clave seleccionada
de la lista de claves por la secuencia de recorrido, generando un
segundo mensaje cifrado/no cifrado,
de forma que tanto la semilla aleatoria como el
mensaje que contiene información digital son cifrados/descifrados
por la unidad cifradora/descifradora de diferentes formas a lo
largo del tiempo.
14. Método según la reivindicación 13,
caracterizado porque generar dicha secuencia de recorrido
comprende generar una secuencia pseudoaleatoria de números entre
uno y la longitud de la lista m, determinando dicha secuencia
una posición en dicha lista de claves correspondiente a la clave
seleccionada en cada momento.
15. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-14, caracterizado porque
el proceso de cifrado/descifrado se realiza en tiempo real, es
decir, que el tiempo del proceso de
cifrado-descifrado es menor que el tiempo de
generación o transmisión de la información.
16. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-15, caracterizado porque
dicha semilla aleatoria se obtiene a partir de un reloj de tiempo
real RTC(12).
17. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-16, caracterizado porque
dicho mensaje M se cifra/descifra además con una o más
palabras obtenidas de un reloj de tiempo real RTC(12).
18. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-17, caracterizado porque
la salida del filtro no lineal se cifra con una o más palabras
obtenidas de un reloj de tiempo real RTC(12).
19. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-18, caracterizado porque
dicha semilla se cifra con una o más palabras obtenidas de un reloj
de tiempo real RTC(12).
20. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-18, caracterizado porque
únicamente un proveedor puede actuar como administrador del sistema
y conoce y puede grabar las claves en la unidades
cifradora/descifradora (1) de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-6.
21. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 13-18, caracterizado porque
el usuario tiene la posibilidad de grabar la tabla de claves.
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|---|---|---|---|
| ES200402603A ES2272130B1 (es) | 2004-10-28 | 2004-10-28 | Unidad cifradora/descifradora de mensajes con informacion digital, sistema y metodo de cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200402603A ES2272130B1 (es) | 2004-10-28 | 2004-10-28 | Unidad cifradora/descifradora de mensajes con informacion digital, sistema y metodo de cifrado/descifrado para comunicaciones digitales en tiempo real. |
Publications (2)
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|---|---|
| ES2272130A1 ES2272130A1 (es) | 2007-04-16 |
| ES2272130B1 true ES2272130B1 (es) | 2008-03-16 |
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ID=38324973
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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| US5365588A (en) * | 1993-03-12 | 1994-11-15 | Hughes Aircraft Company | High speed encryption system and method |
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-
2004
- 2004-10-28 ES ES200402603A patent/ES2272130B1/es active Active
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