DE1175019B

DE1175019B - Chiffriersystem

Info

Publication number: DE1175019B
Application number: DET23735A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst Ohnsorge
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1963-03-29
Filing date: 1963-03-29
Publication date: 1964-07-30

Description

Chiffriersystem Die Erfindung betrifft ein Chiffriersystem zur geheimen Übertragung von in einem System zu K Elementen codierten Nachrichten. Es sind Chiffriersysteme bekannt, bei denen einem Klartextalphabet beliebige Alphabete gleicher Zeichenzahl, die im einfachsten Falle durch einfache Vertauschung der Buchstaben des Klartextalphabets gebildet sind, zugeordnet werden. Derartige Chiffrierungen sind mittels statistischer Methoden relativ leicht zu entziffern. Andere bekannte Chiffriersysteme arbeiten nach dem Prinzip der Addition eines Schlüsselzeichens zu jedem Klartextzeichen, wobei die Schlüsselzeichen aus einer möglichst unregelmäßigen Folge entnommen werden. Hierbei werden die Klartextzeichen zunächst als Zahlen aufgefaßt, zu denen die ebenfalls als Zahlen dargestellten Schlüsselzeichen addiert werden. An der Empfangsstelle werden zur Dechiffrierung die gleichen Schlüsselzeichen von dem übertragenen Geheimtext subtrahiert, um den Klartext zurückzuerhalten. Bei derartigen Anlagen muß der Schlüsseltext an der Sendestelle und an der Empfangsstelle vollständig vorhanden sein, z. B. in Form zweier identischer Lochstreifen.
Das Chiffriersystem nach der Erfindung erfordert nur wenige Verabredungen zwischen der Sendestelle und der Empfangsstelle, um eine Entschlüsselung zu ermöglichen, und ist trotzdem nicht durch statistische Methoden, z. B. auf Grund der Buchstabenhäufigkeit von unbefugter Seite, zu entschlüsseln. Gemäß der Erfindung sind sendeseitig folgende Teile vorgesehen: 1. ein erster Zuordner, in dem jedem Klartextzeichen ki eine erste Zahl zi zugeordnet wird, wobei i die laufende Nummer in der Reihenfolge des Eintreffens der Zeichen bedeutet, 2. eine Vorrichtung zur Bildung einer zweiten Zahl si aus der Zahl zi durch Addition oder Subtraktion modulo M (M > K, wenn K die Anzahl der Elemente des zu verschlüsselnden Alphabets ist) Si = Si-, + zi, 3. ein zweiter Zuordner zur eindeutigen Zuordnung der Zahl si zu einer M verschiedener Werte fähigen dritten Zahl gi, die als Geheimzeichen übertragen wird.
Empfangsseitig sind folgende Teile vorgesehen: 4. ein dem zweiten Zuordner entsprechender dritter Zuordner, in welchem dem eintreffenden Geheimzeichen gi wieder die Zahl si zugeordnet wird, 5. eine Vorrichtung zur Rückbildung der Zahl zi aus si und si-1, --i = _ (si - si-,), 6. ein dem ersten Zuordner entsprechender vierter Zuordner, in dem aus zi wieder das Klartextzeichen ki gebildet wird.
Bei einem solchen Verfahren müssen zwischen der Sendestelle und der Empfangsstelle nur die Zuordnungsprinzipien des ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Zuordners und eine Anfangszahl so verabredet werden, um eine Entschlüsselung des geheimübertragenen Textes zu ermöglichen.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Als einfachster Fall werden den Buchstaben, Ziffern und Zeichen Ja-Nein-Wertkombinationen nach Art des Fernschreibalphabets zugeordnet, die als die Zahlen 0, 1 ... 31 gedeutet werden können. Dabei wird das Zeichen 0 aus technischen Gründen nicht mit verwendet, so daß einunddreißig verschiedene Zeichen k den einunddreißig Zahlen z in beliebiger Weise zugeordnet werden. F i g. 1 zeigt die Sendeseite eines solchen Systems mit der Tastatur 1 und dem K-Z-Zuordner 2. Dieser Zuordner erzeugt z. B. bei jedem in 1 eingetasteten Klartextzeichen eine Impulsreihe, die so viele Impulse enthält, wie die zugeordnete Zahl z angibt. Diese Impulsreihe bewegt ein Schrittschaltwerk 3 um eine entsprechende Anzahl von Schritten vorwärts. Von dem Schrittschaltwerk wird ein Zeichenrad 4 angetrieben, auf dessen Umfang eine Anzahl M verschiedener Zeichen aufgetragen sind, von denen jeweils eines von einem Zeichenleser 5 abgelesen wird.
Die Zahl M, die gleich der Anzahl von Schritten ist, welche das Schrittschaltwerk für eine volle Umdrehung braucht, kann gleich der Anzahl K der Zeichen des Klartextalphabets sein, also z. B. einunddreißig, oder sie kann auch größer sein. Es sei angenommen, daß auf dem Zeichenrad in irgendeiner geeigneten Codierung die Zahlen 1 bis 49 aufgetragen sind, so daß das Zeichenrad also neunundvierzig verschiedene Stellungen einnehmen kann. Dabei kann die Zuordnung der Zahlen 1 bis 49 zu den neunundvierzig verschiedenen Positionen des Zeichenrades in beliebiger Weise gewählt werden. Dies entspricht dem eingangs erwähnten zweiten Zuordner gemäß der Erfindung. Eines der neunundvierzig Zeichen steht dem Zeichenleser 5 gegenüber und wird über die Leitung G als Geheimzeichen ausgesandt.
Vor Eintastung des ersten Klartextzeichens wird das Zeichenrad 4 in eine verabredete Position so gebracht. Durch Eintasten des ersten Klartextzeichens k, bei 1 wird das Schrittschaltwerk um z, Schritte weitergeschaltet, so daß das Zeichenrad nunmehr die Stellung so _- z, = s, besitzt und das entsprechend zugeordnete Geheimzeichen g, dem Zeichenleser 5 gegenübersteht und zur Aussendung kommt. Beim nächsten eingetasteten Klartextzeichen k2 wird das Schrittschaltwerk 3 um z2 Schritte weitergeschaltet. Das Zeichenrad enthält nunmehr also die Position s, + z, = s2, so daß das entsprechend zugeordnete Geheimzeichen g2 als nächstes zur Aussendung kommt.
Eine Empfangsstelle für die gemäß F i g. 1 ausgesendeten Geheimzeichen zeigt F i g. 2. Hier ist ein gleichartiges Zeichenrad 4 wie bei der Sendestelle vorgesehen, auf welchem die Geheimzeichen g in derselben Anordnung den neunundvierzig verschiedenen Positionen des Zeichenrades zugeordnet sind wie beim Sender. Auch hier befindet sich ein Zeichenleser 5 gegenüber dem Zeichenrad, welcher jeweils eines der Zeichen abliest. Für die Entschlüsselung wird zu Anfang das Zeichenrad in die gleiche Position gebracht wie beim Sender. Der Zeichenleser liest also zunächst auch das Zeichen g, entsprechend der Position so des Zeichenrades ab. Bei Eintreffen des ersten Geheimzeichens g, über die Leitung G am Zeichenempfänger 6 wird von diesem über die Leitung 7 das Schrittschaltwerk 3 gestartet und schaltet das Zeichenrad 4 Schritt für Schritt weiter. Eine Vergleichsanordnung 8 vergleicht laufend die vom Zeichenleser 5 abgelesenen Zeichen mit dem im Zeichenempfänger 6 gespeicherten Empfangszeichen g,. Sobald die beiden Zeichen in 5 und 6 übereinstimmen, wird über die Leitung 9 das Schrittschaltwerk gestoppt, so daß das Zeichenrad 4 wieder zum Stillstand kommt. Da die Anordnung der Geheimzeichen auf den Zeichenrädern 4 des Senders und des Empfängers die gleiche ist, muß das Schrittschaltwerk 3 im Empfänger ebenso viel Schritte machen, wie das Schrittschaltwerk 3 im Sender bei der Verschlüsselung gemacht hatte. An das Schrittschaltwerk des Empfängers ist ein Zähler 10 angeschlossen, der die Anzahl z, der Schritte zählt, bis das Zeichenrad 4 wieder zum Stillstand gekommen ist. Diese Zahl wird über die Leitung Z dem Z-K-Zuordner 11 zugeführt, der zu jeder Zahl z das entsprechende Klartextzeichen k auswählt und z. B. einen Drucker 12 in Tätigkeit setzt. Nach jedem Stillstand des Zeichenrades wird der Zähler 10 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung wieder auf Null gesetzt und zählt beim Eintreffen des zweiten Zeichens die Anzahl z2 von Schritten bis zum nächsten Stillstand des Zeichenrades, usw.
Ein rein elektronisches Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Dabei sind in der Sendeapparatur der F i g. 3 im wesentlichen die gleichen Teile verwendet wie in der Empfangsapparatur der F i g. 4, so daß durch reine Umschaltung die gleiche Apparatur zum Senden und zum Empfangen verwendet werden kann. Die Umschaltvorrichtungen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Bei den Apparaturen sind gemeinsam: der K-Z-Zuordner 21, der Z-Zähler 22, der S-Zähler 23, der S-G-Zuordner 24 und ein Zähltaktgenerator 25. Dabei ist angenommen, daß die Zuordner in beiden Richtungen verwendet werden können. Das ist z. B. der Fall, wenn sie als Widerstandsmatrizen in bekannter Weise aufgebaut sind. Der Zuordner 21 wird also an der Sendestelle (F i g. 3) als K-Z-Zuordner, an der Empfangsstelle (F i g. 4) als Z-K-Zuordner benutzt und ebenso der Zuordner 24 an der Sendestelle als S-G-Zuordner an der Empfangsstelle als G-S-Zuordner. Das Eintasten eines Klartextzeichens an der Tastatur 1 löst über den K-Z-Zuordner 21 an der Sendestelle den Taktgenerator 25 aus, und dieser überträgt seine Zähltakte gleichzeitig auf den Z-Zähler 22 und den S-Zähler 23. Der Z-Zähler ist vorher auf Null gestellt worden, während der S-Zähler vor dem ersten Klartextzeichen auf eine verabredete Stellung so gesetzt wurde. Sobald der Z-Zähler 22 die dem eingetasteten Klartextzeichen k entsprechende Zahl z erreicht hat, spricht die Vergleichsanordnung 26 im Sender an und setzt über die Leitung 27 den Taktgenerator 25 wieder still. Der S-Zähler hat nunmehr die Stellung s, = s, + z, erreicht. Dieser Zählerstand wird über die Torschaltung 28, die gleichfalls von der Leitung 27 geöffnet wird, auf den S-G-Zuordner 24 übertragen und das Geheimzeichen g, über die Leitung G ausgesandt. Gleichzeitig ist der Z-Zähler über ein Verzögerungsglied 29 wieder auf Null gesetzt worden. Dem nächsten eingetasteten Klartextzeichen k2 entspricht eineZahlz, Der Zählimpulsgenerator 25 wird wieder gestartet und gibt z2 Impulse ab, bis er wieder gestoppt wird. Der S-Zähler zählt um z2 Einheiten weiter, erreicht also die Stellung s2 = s, + z2, die im S-G-Zuordner 24 in das Geheimzeichen g2 umgewandelt wird. Es sei angenommen, daß der S-Zähler 23 eine maximale Zählkapazität von M hat. Sobald diese Stellung überschritten wird, fängt der Zähler wieder von 1 an zu zählen. In dem S-Zähler wird also im allgemeinen Fall bei jedem Chiffrierschritt eine Addition s=_1 + zt modulo M durchgeführt.
An Hand der F i g. 4 soll noch der entsprechende Entschlüsselungsvorgang kurz beschrieben werden. Über die Leitung G trifft zunächst der erste Geheimbuchstabe g, ein und wird im Zuordner 24 in die Zahl s, umgewandelt. Der S-Zähler 23 steht auf der verabredeten Zahl so. Durch das eintreffende Geheimzeichen g, ist der Zählimpulsgenerator 25 über die Leitung 31 gestartet worden und gibt so lange Impulse ab, bis die Stellung des S-Zählers s, erreicht hat. Dann spricht ein Vergleichsschalter 32 an, welcher über die Leitung 33 den Zählimpulsgenerator 25 stoppt und die Torschaltung 34 öffnet. Dadurch wird die Stellung des Z-Zählers 22, die im vorliegenden Falle gleich z, ist, auf den Z-K-Zuordner 21 übertragen, welcher den Drucker 35 in Tätigkeit setzt. Über das Verzögerungsglied 29 ist gleichzeitig der Z-Zähler wieder auf Null gesetzt worden. Das nächste eintreffende Geheimzeichen g2 startet den Zählimpulsgenerator 25 wieder. Dieser erzeugt z2 Impulse, bis der S-Zähler von s, auf s2 weitergezählt hat. Die nunmehr im Z-Zähler stehende Zahl z2 wird wieder über den Z-K-Zuordner, entsprechend umcodiert, dem Drucker 35 als zweites Klartextzeichen k2 übermittelt, usf.
F i g. 5 und 6 zeigen Erweiterungen des Chiffriersystems in einer den F i g. 1 und 2 entsprechenden Ausführungsform. Hier sind für die unverändert gebliebenen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 und 2 verwendet worden. Während beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2 in dem K-Z-Zuordner jedem Klartextzeichen stets die gleiche Zahl z zugeordnet wird, d. h. daß stets das gleiche Tauschalphabet verwendet wird, sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 und 6 zusätzliche Mittel vorgesehen, durch welche man bei jedem neuen Klartextzeichen oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Klartextzeichen das Tauschalphabet wechseln kann. Zu diesem Zwecke ist an der Sendestelle (F i g. 5) ebenso wie an der Empfangsstelle (F i g. 6) ein zusätzliches Schrittschaltwerk 42 vorgesehen, welches eine im K-Z-Zuordner 2 zusätzlich vorgesehene Zeichenwalze 43 weiterschaltet, auf der die verschiedenen Tauschalphabete aufgezeichnet sind. Das Schrittschaltwerk 42 wird jeweils beim Eintasten eines Klartextzeichens in die Tastatur 1 weitergeschaltet oder, wie in der Zeichnung angedeutet, durch einen Zähler 41, der das Schrittschaltwerk nur jeweils nach einer bestimmten Anzahl von eingetasteten Klartextbuchstaben weiterschaltet und damit im K-Z-Zuordner ein neues Tauschalphabet auswählt.
Entsprechend wird das an der Empfangsstelle (F i g. 6) vorgesehene zusätzliche Schrittschaltwerk 42 von dem Zeichenempfänger 6 entweder direkt oder über den Zähler 41 synchron mit der Sendestelle betätigt, um eine entsprechende Tauschalphabetwalze 43 im Z-K-Zuordner 11 umzuschalten. Durch diese Maßnahmen wird die unbefugte Entschlüsselung der Geheimtextzeichen noch weiter erschwert, wenn z. B. durch die Entschlüsselung irgendeines geheimübertragenen Spruches das Tauschalphabet gemäß F i g. 1 und 2 bekanntgeworden sein sollte.
Ein weiteres Mittel zur Erschwerung der unbefugten Entschlüsselung ist ebenfalls in den F i g. 5 und 6 eingezeichnet und kann entweder gleichzeitig mit den beschriebenen zusätzlichen Mitteln oder unabhängig davon angewandt werden. Diese Maßnahme besteht darin, beim Eintasten jedes Klartextbuchstaben in die Tastatur 1 das Zeichenrad 4 zusätzlich zu der Anzahlzi um eine weitere Zahl ei von Schritten weiterzuschalten, so daß sich die Zahl si ergibt zu si = si_i ± zi ± ei. Zu diesem Zweck ist in F i g. 5 eine Vorrichtung 45 vorgesehen, welche von der Tastatur 1 über eine Leitung 46 beim Eintasten jedes Klartextbuchstabens ki angestoßen wird und über die Leitung 47 das Schrittschaltwerk 3 um ei Schritte weiterschaltet, bevor die Weiterschaltung um zi Schritte durch den K-Z-Zuordner 2 veranlaßt wird. Dabei kann die Zahl ei ihren Wert nach einem bestimmten verabredeten Schlüssel von Klartextbuchstabe zu Klartextbuchstabe verändern.
An der Empfangsstelle ist eine entsprechende Vorrichtung 45 vorgesehen, welche vom Zeichenempfänger 6 über die Leitung 7 angestoßen wird und den bereits an Hand der F i g. 2 erläuterten Zähler 10 jeweils von Null um ei Schritte zurückzählt, bevor das Schrittschaltwerk 3 angeworfen wird. Das Schrittschaltwerk 3 wird beim i-ten eintreffenden Geheimtextzeichen über die Leitung 9 nach zi -;-- ei Schritten gestoppt. Der Zähler 10 hat dann also um zi + et Schritte weitergezählt, war jedoch vorher um ei Schritte zurückgestellt worden, so daß dem Z-K-Zuordner 11 wieder die Zahl zi zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, können die beiden zusätzlichen Maßnahmen, die an Hand der F i g. 5 und 6 erläutert wurden, zusammen oder einzeln zur weiteren Erschwerung der unbefugten Entschlüsselung angewandt werden. Weiterhin ist es möglich, entsprechende Maßnahmen auch bei rein elektronischen Verschlüsselungssystemen, wie sie an Hand der F i g. 3 und 4 beschrieben wurden, mit Hilfe von rein elektronischen Mitteln, wie Zählern, Zuordnern u. dgl., vorzusehen.

Claims

Patentansprüche: 1. Chiffriersystem zur geheimen Übertragung von in einem System von K Elementen codierten Nachrichten, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig folgende Teile vorgesehen sind: 1. ein erster Zuordner (2), in dem jedem Klartextzeichen ki (i = laufende Nummer in der Reihenfolge des Eintreffens der Zeichen) eine erste Zahl z$ zugeordnet wird, 2. eine Vorrichtung (3) zur Bildung einer zweiten Zahl s$ = si-, ± zi modulo M (M > K), 3. ein zweiter Zuordner (4) zur eindeutigen Zuordnung der Zahl si zu einer M verschiedener Werte fähigen dritten Zahl gi, die als Geheimzeichen übertragen wird (F i g. 1), und daß empfangsseitig folgende Teile eorgesehen sind: 4. ein dem zweiten Zuordner (4, 5, 6, 8) entsprechender dritter Zuordner, in dem dem eintreffenden Geheimzeichen gi wieder die Zahl si zugeordnet wird, 5. eine Vorrichtung (3, 10) zur Rückbildung der Zahl zi aus st und si-1 und 6. ein dem ersten Zuordner entsprechender vierter Zuordner (11), in dem aus zi wieder das Klartextzeichen ki gebildet wird (F i g. 2).
2. Chiffriersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter und/oder dritter Zuordner ein Zeichenrad (4) vorgesehen ist, welches gegenüber einer zur Ablesung der Geheimtextzeichen gi vorgesehenen Ablesevorrichtung (5) M verschiedene Stellungen einnehmen kann und durch ein Schrittschaltwerk (3) von der bei der Chiffrierung des vorhergehenden Zeichens erreichten Stellung (si-1) um zi Schritte weiterschaltbar ist (F i g. 1).
3. Chiffriersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig eine Vergleichsanordnung (8) vorgesehen ist, welche bei jeder Dechiffrierung eines Geheimzeichens das gerade eingetroffene Geheimzeichen gi mit dem in der Ablesevorrichtung (5) nach jedem Schritt des Schrittschaltwerks (3) abgelesenen Zeichen des Zeichenrades (4) vergleicht und bei Übereinstimmung der beiden Zeichen über die Leitung (9) ein Stoppsignal abgibt, welches das Schrittschaltwerk (3) stillsetzt, und daß ein Zähler (10) vorgesehen ist, welcher bei jeder Dechiffrierung eines Geheimzeichens die Zahl der Schritte des Schrittschaltwerks zählt und das Zählergebnis zi an den vierten Zuordner (11) weitergibt, in welchem das Klartextzeichen abzulesen bzw. abzudrucken ist (F i g. 2).
4. Chiffriersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sende- und/oder empfangsseitig ein Z-Zähler (22) und ein S-Zähler (23) vorgesehen sind sowie ein Impulserzeuger (25), der bei Eintreffen eines Klar- bzw. Geheimtextzeichens angelassen wird und dessen Ausgangsimpulse sowohl dem Z-Zähler als auch dem S-Zähler als Zählimpulse zuführbar sind, und daß eine Vergleichsschaltung (26 bzw. 32) vorgesehen ist, die bei Übereinstimmung des Z-Zählerinhalts mit dem Ausgang Z des ersten Zuordners (21) bzw. des S-Zählerinhalts mit dem Ausgang S des dritten Zuordners (21) ein Signal (27) abgibt, durch welches der Impulserzeuger (25) gestoppt und der Z-Zähler (22) wieder auf Null zu setzen ist (F i g. 3 und 4).
5. Chiffriersystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig in der Vorrichtung zur Bildung der zweiten Zahl si aus der Zahl =i durch Addition oder Subtraktion modulo M Mittel zur zusätzlichen Addition einer weiteren, willkürlich gewählten Zahl ei vorgesehen sind, so daß die Summe si = st_, ± z$ ± ei zu bilden ist, und daß empfangsseitig entsprechende Mittel zur Rückbildung von zi aus si, st-, und ei vorgesehen sind (F i g. 5 und 6).
6. Chiffriersystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Zuordner mehrere Tauschalphabete bereitgehalten sind, die je eine eindeutige Zuordnung zum Klartextalphabet besitzen, und daß Mittel (41, 42, 43) vorgesehen sind, um von Schritt zu Schritt oder jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl von Schritten das dem Klartextalphabet zugeordnete Tauschalphabet zu wechseln (F i g. 5 und 6).