DE1054491B

DE1054491B - Anordnung zur Erzeugung von n-stelligen, binaeren Schluesselzahlen zur Verschluesselung von binaeren Signalen

Info

Publication number: DE1054491B
Application number: DET13281A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Math Ernst Henze
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1957-02-26
Filing date: 1957-02-26
Publication date: 1959-04-09
Also published as: NL109840C; NL225293A; US3038028A; GB874890A; FR1198894A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Folge von «-stelligen, binären Schlüsselzahlen zur Verschlüsselung von in binärer Form vorliegenden Signalen, insbesondere zur Verschlüsselung von Fernschreibzeichen oder von quantisierten Sprachsignalen. An Verschlüsselungsanordnungen, die man auch als Chiffriergeräte bezeichnet, werden folgende Forderungen gestellt, insbesondere wenn es sich um Geräte zur Sprachverschlüsselung handelt:

1. Das Gerät soll aus technisch erprobten Bausteinen zusammengesetzt sein und gegen Störungen sowie Einwirkungen von außen, wie Temperatur und Erschütterungen, möglichst wenig anfällig sein.

2. Die normalen Übertragungseinrichtungen für das betreffende zu verschlüsselnde Signal sollen auch bei Anschluß des Chiffriergerätes verwendbar sein, d. h., daß die Bandbreite durch die Verschlüsselung nicht verändert werden soll.

3. Die Sicherheit gegen unbefugte Entschlüsselung muß so groß wie irgend möglich sein, wobei man von der Voraussetzung auszugehen hat, daß das Gerät selbst oder zum mindestens sein Aufbauprinzip in unbefugten Händen bzw. bekannt ist. Eine genügende Sicherheit ist dabei nur dann gewährleistet, wenn erstens der Schlüssel nicht fest ist, sondern sich möglichst dauernd ändert und zweitens die Schlüsselperiode, die immer vorhanden ist, so lang ist, daß man sie praktisch nicht mehr erkennen kann.

4. Es wird von Chiffriergeräten gefordert, daß eine möglichst große Anzahl von möglichen Schlüsseleinstellungen (in der Größenordnung von etwa 10¹⁰) vorhanden ist.

Die vorstehenden Forderungen lassen erkennen, daß alle diejenigen Verschlüsselungsverfahren, die lediglich auf Permutationen von Nachrichtenelementen beruhen, keine ausreichende Sicherheit gegen Entschlüsselung bieten. Bei der Erfindung wird daher von einem bekannten Verfahren ausgegangen, bei dem zu aussortierten Nachrichtenelementen fremde Nachrichtenelemente (sogenannte Schlüsselelemente) hinzuaddiert und bei der Entschlüsselung wieder subtrahiert werden. Die zu verschlüsselnden Nachrichten müssen dabei in Form eines Binärcodes an die Chiffriereinrichtung angeliefert werden.

Bei einem bekannten Verfahren zur Verschlüsselung binär codierter Sprachsignale werden einer zur Lieferung der verschlüsselten Signale vorgesehenen Mischeinrichtung mehrstellige Chiffrierimpulsgruppen aus einem Schlüsselspeicher zugeführt, wobei Mittel vorgesehen sind, um die gelieferte Chiffrierimpulsfolge in bestimmtem Rhythmus entsprechend einer vorgegebenen Anzahl von Signalschritten zu ändern. Dabei werden die Chiffrierimpulsgruppen vorzugsweise durch lichtelektrische Abtastung von Filmbändern gewonnen.

Die Erfindung beschreibt einen Schlüsselerzeuger für Anordnung zur Erzeugung von

n-stelligen, binären Schlüsselzahlen zur

Verschlüsselung von binären Signalen

Anmelder:

Telefunken G.m.b.H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Dipl.-Math. Ernst Henze, Ulm/Donau,
ist als Erfinder genannt worden

derartige Verfahren, der einen sich dauernd ändernden Schlüssel liefert, wobei die Wiederholungsperiode des Schlüssels so lang ist, daß man sie praktisch nicht mehr erkennen kann. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß m nach jedem «-ten Signalschritt gleichzeitig um je einen Schritt weitergeschaltete Ringzähler verschiedener teilerfremder Periodenlängen, ein «-stelliger Schlüsselspeicher mit η Eingängen und eine Umschalteinrichtung mit m Eingängen und « Ausgängen vorgesehen sind, derart, daß jeder der m Ringzählerausgänge über eine jeweils nach Weiterschaltung des Ringzählers geöffnete Torschaltung an jeden der « Eingänge des Speichers gelegt werden kann. Dabei kann der Schlüsselspeicher selbst als «-stufiger Ringzähler ausgebildet sein, derart, daß die Eingangsklemmen der « Stufen des Ringzählers die « Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen der η Stufen des Ringzählers die « Ausgangsklemmen des Schlüsselspeichers bilden.

Im folgenden soll zunächst als Ausführungsbeispiel eine Anordnung zur Sprachverschlüsselung unter Verwendung der Erfindung an Hand der Fig. 1 näher erläutert werden. Das binär vercodete Eingangssignal, insbesondere dualcodierte Sprache, wird den Eingangsklemmen EK zugeführt und wird in Stromschritte des Relais ER umgeformt. Von dem Relaiskontakt er werden die Stromschritte des Relais einerseits dem Oszillator O zur Synchronisierung zugeführt, wobei dieser Oszillator auf die Frequenz der eintreffenden Binärzeichen abgestimmt ist. Außerdem werden die Stromschritte des Relais über die Leitung EL einer Anzahl von Stromtoren Ti zugeführt, die den Signaleingang des Addierwerkes A W bilden. Die Schwingungen des Oszillators O steuern einen Verteiler V, der als fünfstufiger Ringzähler ausgebildet ist und z. B. aus

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fünf als Ring geschalteten Flip-Flop-Stufen bestehen kann. Die fünf Stufen des Verteilers V liefern nacheiander fünf Impulse, durch welche nacheinander die Stromtore a, b, c, d, β von Tl geöffnet werden, so daß die ersten fünf Binärschritte des Eingangssignals an die Addierstufen α, b, c, d bzw. e des Addierwerkes A W gelangen. Über Verzögerungsglieder τΐ gelangen die Torimpulse des Verteilers V außerdem mit einer gewissen Verzögerung an die Stromtore a, b, c, d, e einer zweiten Stromtorkombination TI, über welche jeweils kurz nach dem entsprechenden Signalimpuls ein Schlüsselimpuls aus dem Schlüsselspeicher SS der entsprechenden Stufe des Addierwerkes AW zugeführt wird. Zwischen den Ausgangsklemmen I, II, III, IV und V des Schlüsselspeichers SS einerseits und den Eingangsklemmen A, B, C, D und E der Stromtore Γ2 andererseits können durch Steckverbindungen — wie dargestellt — oder Schalter verschiedene Verbindungskombinationen hergestellt werden, insgesamt sind 5! = 120 verschiedene derartige Kombinationen möglich. Nach der Addition im Addierwerk A W wird das Addierwerk abgefragt und gelöscht. Dies geschieht durch eine Anzahl von Abfrageröhren AA, die ebenfalls vom Verteiler V über Verzögerungsglieder τ2 gesteuert werden. Dabei muß die Verzögerungszeit τ2 größer als die Verzögerungszeit xl sein, damit die Abfragung jeder Stufe a, b, c, d, e des Addierwerks^ W erst nach Durchführung der entsprechenden Addition des betreffenden Signalschritts und des betreffenden Schlüsselschritts vorgenommen wird. Durch den Abfrageimpuls wird in jeder Stufe des Addierwerkes der darin befindliche Summenwert 0 oder 1 auf die Ausgangsleitung AL übertragen und gleichzeitig im Addierwerk gelöscht. In der Ausgangsleitung erscheinen also jetzt nacheinander die fünf verschlüsselten Signalschritte und betätigen das Ausgangsrelais A R, dessen Relaiskontakt ar das Ausgangssignal den Ausgangsklemmen AK zuführt.

Die Fortschaltung des Schlüssels geschieht bei jedem fünften Schritt der Verteilers V, und zwar über die Leitung SL, die von der Einheit e des Verteilers zum Schlüsselerzeuger SE führt. Der Schlüsselerzeuger SE besteht aus einer Anzahl von (im vorliegenden Beispiel zehn) Ringzählern Zl, Z2 ... ZlO verschiedener Periodenlänge. Um Unterperioden im erzeugten Schlüssel zu vermeiden, muß man teilerfremde Zählperioden für die verschiedenen Ringzähler wählen. Am einfachsten wählt man also die ersten zehn Primzahlen beginnend mit 2, also 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 und 29. Diese Zahlen, die nur als Beispiel dienen, sind der Deutlichkeit halber hinter die entsprechenden Bezeichnungen der Ringzähler Zl usw. eingeschrieben. Durch jeden über die Leitung SL ankommenden Impuls wird jeder Ringzähler um eine Stelle fortgeschaltet. Der Zähler Zl liefert dabei nach jedem zweiten, der Zähler Z2 nach jedem dritten, der Zähler Z3 nach jedem fünften usw. und der Zähler ZlO nach jedem neunundzwanzigsten eintreffenden Impuls einen Ausgangsimpuls. Diese Ausgangsimpulse werden über zehn Stromtore TZ und zehn entsprechende fünfpolige Umschalter Sl, S2 ... SlO auf die fünf Flip-Flop-Schaltungen 1, 2, 3, 4, 5 des Schlüsselspeichers SS verteilt. Durch verschiedene Einstellungen der Schalter Sl, S2 ... SlO sind so 5¹⁰ = 9 765 625 verschiedene Möglichkeiten der Speisung des Schlüsselspeichers durchführbar. Es muß nun noch dafür gesorgt werden, daß die Stromtore 1 bis 10 von Γ3 nicht gleichzeitig, sondern eines nach dem anderen öffnen, und zwar so, daß jeweils in einer Periode von 5 bits sämtliche Ringzähler Zl, Z2 ... ZlO nacheinander mit den entsprechenden Flip-Flops des Schlüsselspeichers SS verbunden werden. Zu diesem Zweck ist ein Frequenzverdoppler FV vorgesehen, durch den die Frequenz des Oszillators verdoppelt wird. Diese verdoppelte Ausgangsfrequenz von FV wird über ein Verzögerungsglied τ3 dem Eingang der Schlüsselabtastschaltung SA zugeführt. Diese Schlüsselabtastschaltung erhält also während fünf Binärschritten zehn Fortschaltimpulse, welche die zehn Flip-Flop-Stufen 1, 2, 3, 4 ... 10 des Schlüsselabtasters nacheinander so anstoßen, daß sie jeweils die entsprechenden Stromtore 1 bis 10 von Γ3 nacheinander öffnen und den Inhalt der entsprechenden Ringzählereinheiten Zl ... ZlO auf den Schlüsselspeicher

ίο übertragen.

Die gleiche Einrichtung, wie sie vorstehend für die Verschlüsselung eines binären Nachrichtentextes beschrieben ist, kann auch unverändert zur Entschlüsselung verwendet werden. Da das Addierwerk in seinen einzelnen Stufen a, b ... β modulo 2 addiert, wird die Entschlüsselung des verschlüsselten Textes einfach durch nochmalige Addition des Schlüsseltextes bewirkt, da bekanntlich 1 + 1 = 0 (mod. 2) und 0+0=0 (mod. 2) ist.

Zu dem vorbeschriebenen Verfahren ist noch zu bemerken, daß eine Synchronisierung zwischen Nachrichtensender und Nachrichtenempfänger nur insofern erforderlich ist, als der Startpunkt der Ver- oder Entschlüsselung markiert werden muß, wobei selbstverständlich in beiden Fällen der Schlüsselerzeuger von der gleichen Anfangsstellung ausgehen muß. Anordnungen gemäß der Erfindung können daher auch im Wechselsprechverkehr benutzt werden, wenn die beiden Schlüsselerzeuger auf den beiden Endstellen gleichzeitig auf den gleichen Ausgangsstellungen gestartet sind und natürlich die Stellungen der Schalter Sl ... SlO und die Steckverbindungen zwischen I, II ... V und A, B ... E die gleichen sind. Für geringere Anforderungen an die Länge der Schlüsselperiode kann man auch mit einer geringeren Anzahl von Ringzählern im Schlüsselerzeuger auskommen. Auf jeden Fall ist es vorteilhaft, die Anzahl der Ringzähler gleich einem ganzen Vielfachen (inklusive dem Einfachen) der Anzahl der Additionsstufen im Addierwerk zu machen, da dann die Synchronisierung des Schlüsselerzeugers mit einem ganzzahligen Vielfachen der Oszillatorfrequenz durchgeführt werden kann.

Das beschriebene Gerät ermöglicht eine sehr große Anzahl von möglichen Verschlüsselungen N. Bezeichnet man mit Nl die Anzahl der möglichen Anfangsstellungen des Schlüsselerzeugers

Nl = 2 · 3 · 5 · 7 ... 29 **. 6,5 · 10⁹,

mit N 2 die Anzahl der möglichen Steckverbindungen zwischen den Buchsen I, II ... V und den Buchsen A, B ... E
50

N2 = 5 ! = 120,

mit N3 die Anzahl der Ausgangsstellungen des Schlüsselspeichers SS

N3 = 5 ! = 120

und mit iV4 die Anzahl der möglichen verschiedenen Schalterstellungen Sl, S2 ... SlO

iV4 = 5¹⁰ «0 9,8 · 10⁶,
so ergibt sich für N:

N = Nl ■ N2 · N3 · iV4 = ss 9,5 · 10²⁰.

Die Schlüsselperiode, d. h. die Anzahl von Schritten, nach der sich der Ablauf des Schlüsselerzeugers wiederholt, ist gleich der Zahl P = Nl <=* 6,5 · 10⁹ bits. Dem entspricht für den Fall eines auf 600 Hz komprimierten Sprachbandes, bei dem unter der Voraussetzung, daß die Signalamplitude 1200mal in der Sekunde abgetastet wird, der Amplitudenbereich in zweiunddreißig Stufen unter-

teilt ist und jede Amplitude als fünfstellige Binärzahl dargestellt wird, 6000 bits/sec auftreten, eine Zeit von T t& 300 Stunden, eine Zeit also, die genügend groß ist, um das Erkennen einer Schlüsselperiode unmöglich zu machen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Abwandlung der an Hand der Fig. 1 beschriebenen Chiffrieranordnung für die Verschlüsselung von Fernschreibzeichen. Bei Fernschreibzeichen besteht jeder Buchstabe aus einer Kombination von mehr als fünf aufeinanderfolgenden binären Stellen, wobei den eigentlichen, Buchstaben darstellenden Codezeichen ein Startimpuls vorangeht und diese durch einen Stopimpuls abgeschlossen werden. Die Anordnung gemäß der Erfindung braucht daher jeweils nur für die eigentlichen Codezeichen in Betrieb genommen zu werden, während die Start- und Stopzeichen nicht verschlüsselt werden, sondern dem Ausgang unverschlüsselt zugeführt werden müssen.

In Fig. 2 sind gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die gleichbleibenden Schaltverbindungen zwischen den einzelnen Teilen nur dort, wo sie zum Verständnis der Abwandlung für den Gebrauch bei Fernschreibverschlüsselungen erforderlich sind, eingezeichnet. Zu den bereits an Hand der Fig. 1 beschriebenen Teilen kommt am Eingang ein Schaltwerk SW hinzu, das jedesmal beim Eintreffen eines Startimpulses den Oszillator O einschaltet und ihn beim Eintreffen eines Stopimpulses wieder ausschaltet oder sperrt. Auf diese Weise wird der Verteiler V vom Oszillator O nur durch die eigentlichen, die verschiedenen Buchstaben darstellenden Codezeichen gesteuert, von denen jeweils fünf zwischen einem Start- und einem Stopimpuls liegen. Die Fortschaltung des Schlüsselerzeugers kann, wie in der Zeichnung dargestellt, direkt von dem Schaltwerk SFF, z. B. nach jedem Startimpuls, geschehen, so daß die Leitung SL nicht wie in Fig. 1 an den Verteiler V, sondern an das Schaltwerk SFF angeschlossen ist.

Da die Start- und Stopimpulse dem verschlüsselten Signal wieder zugesetzt werden müssen, ist der Abfrageteil AA durch zwei weitere Steuerröhren ergänzt, die in der Zeichnung mit '.'start« und "stop« bezeichnet sind und die über entsprechende Verzögerungsglieder τ4 und t5 mit dem Schaltwerk SFF verbunden sind. Die Verzögerungszeiten t4 und τ5 sind so bemessen, daß die Start- und Stopimpulse in den richtigen Augenblicken in den aus dem Addierwerk A W herauskommenden verschlüsselten Signal verlauf wieder eingefügt werden.

Der Oszillator O wird für die Verschlüsselung von Fernschreibzeichen auf eine entsprechend niedrigere Frequenz, z. B. 50 Hz, abgestimmt, so daß der ganze Verschlüsselungsprozeß mit der für Fernschreibübertragungen genormten Geschwindigkeit abläuft.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung einer Folge von «-stelligen, binären Schlüsselzahlen zur Verschlüsselung von in binärer Form vorliegenden Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß m nach jedem «-ten Signalschritt gleichzeitig um je einen Schritt weitergeschaltete Ringzähler (Z₁) verschiedener teilerfremder Periodenlängen, ein «-stelliger Schlüsselspeicher (SS) mit « Eingängen und eine Umschalteinrichtung (S^ mit m Eingängen und « Ausgängen vorgesehen sind, derart, daß jeder der m Ringzählerausgänge über eine jeweils nach Weiterschaltung des Ringzählers geöffnete Torschaltung (T₃) an jeden der η Eingänge des Speichers gelegt werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlüsselspeicher als «-stufiger Ringzähler ausgebildet ist, derart, daß die Eingangsklemmen der w Stufen des Ringzählers die « Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen der η Stufen des Ringzählers die « Ausgangsklemmen des Schlüsselspeichers bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die verschlüsselten Signale lieferndes Addierwerk (^4FF) für «-stellige Binärzahlen vorgesehen ist, dem einerseits die zu verschlüsselnden Signale in Gruppen von je η binären Schritten als «-stellige Binärzahlen und andererseits «-stellige binäre Schlüsselzahlen aus dem Schlüsselspeicher (SS) zugeführt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Addierwerk aus « binären Additionsstufen ohne Übertrag besteht, derart, daß in jeder Stufe mod. 2 addiert wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl m gleich einem Vielfachen der Zahl M gewählt ist und daß der Schlüsselerzeuger über einen entsprechenden Frequenzvervielfacher von einem das Addierwerk steuernden Oszillator synchronisiert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder folgenden zur Verschlüsselung von Fernschreibzeichen mit Start- und Stopimpuls, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltwerk vorgesehen ist, welches nur die eigentlichen Nachrichtenimpulse dem Addierwerk der Verschlüsselungsanordnung zuführt und die Start- und Stopimpulse unter Umgehung des Addierwerkes direkt dem Ausgangskreis zuführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 905 496;
deutsche Auslegeschrift Nr. S 31987 VIIIa^Ia¹ (bekanntgemacht am 6. 9. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen