DE1537062A1 - Schluesselgenerator - Google Patents

Description

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CSF-GOMPAGNIE GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL

47ι rue Dumont d'Urville Paria 16^e/Frankreich

Unser Zeiehern C Sciiliis selgenera t or

Die vorliegende Erfindung bezieht sieb, auf Schluss eigener a tor en für geheime Nachrichtenverbindungen, bei denen die Übertragung wie folgt vor sich geht.

Jedes Informationselement, ζ, B. ein Buchstabe, wird zuerst in eine Zahl I codiert» Für jedes dieser Infor— mationselemente liefert eine als Schlüsselgenerator bezeichnete Vorrichtung einen Schlüssel C, nämlich eine andere Zahl, welche einen Schlüssel für ein einzelnes Element darstellt, oder eine Folge von mehreren anderen

^ot/r 909838/1203 ^^

Zahlen, deren jede ein Element eines mehrzahligen Schlüssels darstellt. Eine Chiffriereinrichtung liefert die chiffrierte .Information I¹, die von I und G in der Weise abhängt, daß es möglich ist, I ausgehend von I¹ und G wieder aufzufinden. Zu diesem Zweck liefert beim Empfang ein Schlüsselgenerator, der von gleicher Art wie der des Senders und mit jenem synchronisiert ist, den Schlüssel G, wenn die chiffrierte Information I¹ empfangen wird.

Auf dieser Wirkungsweise beruht es, daß die beiden Schlüsselgeneratoren von einem gleichen Zustand ausgehend eine gleiche Folge von Schlüsseln liefern, die streng durch deren Aufbau vorbestimmt ist. Außerdem weist diese Folge von Schlüsseln zwangsläufig eine gegebene Periode auf, d.h. sie wiederholt sich identisch am Ende einer gewissen Anzahl von Schlüsseln.

Die Notwendigkeit der Geheimhaltung bedingt überdies, daß ein jeder Schlüssel so "unvorhergesehen" wie möglich erscheint, was man auch so ausdrücken kann, daß jeder Schlüssel einen Quaai-Zufalls-Charakter aufweisen muß. Das hat verschiedene wünschenswerte Bedingungen zur Folge, z. B, eine lange Periode, inner-

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halb welcher die verschiedenen Zahlen, die jeden Schlüssel bzw. jedes Schlüsselelement darstellen könn&n, mit gleichen Häufigkeiten auftreten ("Gleichwahrscheinlichkeit der Schlüssel").

3Bs sind daher sehr komplizierte Schlüsselgeneratoren vorgeschlagen worden, welche sich insbesondere der Bildung einer Zahl bedienen, die hier als "Primärzahl" bzw. teilerfremde Zahl bezeichnet ist, bereits einen Quasi-Zufalls-Charakter aufweist und er- ™ neut umgesetzt wird, so daß diese Eigenschaften gesteigert werden. Die umgesetzte Zahl, hier als "Sekundärzahl" bezeichnet, stellt entweder den endgültigen Schlüssel bzw. eines seiner Elemente dar oder sie wird abermals umgesetzt, um den endgültigen Schlüssel herauszubilden. Ebenso kann die Primärzahl selbst durch die Übertragung bzw. Umsetzung einer oder mehrerer anderer Quasi-Zufalls-Zahlen Zustandekommen. Der Primärschlüssel tritt selbst in periodi- g scher Form auf, wobei die Periode des mit seiner Hilfe herausgebildeten endgültigen Schlüssels im allgemeinen sehr viel langer ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Schlüsselgetieratoren der folgenden Art, mit einem

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ORIGINAL INSPECTED

Taktgeber, mit einer durch diesen gesteuerten Stufe aus mehreren Zählern, von denen wenigstens bestimmte Ausgänge mit den Eingängen einer logischen Schaltung verbunden sind, welche im allgemeinen keine Speicherelemente enthält j die Ausgänge der logischen Schaltung liefern jeweils die η Ziffern einer Quasi-Zufalls-Zahl, die eine Primärzahl ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, dieser logischen Schaltung eine weitere Schaltung mit Zählern nachzuordnen, an deren Ausgängen Ziffern auftreten, welche eine entsprechende "Sekundärzahl" darstellen.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, in verhältnismäßig einfädler Weise verbesserte Ergebnisse hinsichtlich des Quasi-Zufalls-Charakters einer in einem System mit der Basis b ausgedrückten Primärzahl zu erhalten, wobei b eine ganze positive Zahl größer als ist, und zwar durch Verwendung von Gegenkopplungs-Verschieberegistern, nämlich Einrichtungen mit einem Verschieberegister, bei dem jede Stufe b verschiedene Zustände annehmen kann, mit einer als Eingangs-Additionsstufe bezeichneten Additionsstufe modulo b, deren erster Eingang den Eingang der Einrichtung bildet und deren Ausgang an den Ausgang des Registers angeschlossen

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— j —

ist, und mit einem Netzwerk von Additionsstufen
modulo b und/oder anderen logischen Anordnungen,
die* mit den Stufen des Registers in Reihe bzw, zu ihnen parallel liegen, wobei der Ausgang des Netzwerks an den zweiten Eingang der Eingangsadditionsstufe angeschlossen ist. Der Ausgang der Vorrichtung kann an verschiedenen Stellen hiervon vorgesehen sein, insbesondere am Ausgang der Eingangsadditionsstufe« ™

Vorrichtungen der angegebenen Art sind im folgenden als "Verschieberegister-Wandler modulo b" be-. zeichnet.

Die Erfindung betrifft einen Schlüsselgenerator zur Erzeugung eine s Schlüssels für die Chiffriereinrichtung einer Nachrichtenverbindung, mit einem Taktgeber, mit einer durch diesen gesteuerten, aus einer Gruppe ä

von Zählern bestehenden Eingangsstufe, mit einer logischen Schaltung, deren Eingänge wenigstens an bestimmte Ausgänge der Zähler angeschlossen sind und von denen die η Ausgänge (n = eine ganze positive Zahl), welche als Primärausgänge bezeichnet sind, jeweils die η Ziffern einer Quasi-Zufalls-Zahl liefern, welche in einem System mit der Basis b ausgedrückt ist (b = eine

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ganze positive Zahl größer als 1), und mit einer Ausgangsschaltung, deren Ausgänge zur Ankopplung an die Chiffriereinrichtung bestimmt sind und die wenigstens eine Schaltung zur Umsetzung der Quasi-Zufalls-Zahl in eine andere Quasi-Zufalls-Zahl von ρ Ziffern (p a eine ganze positive Zahl) enthält, welche in dem System mit der Basis b ausgedrückt ist, wobei die "Umsetzungsschaltung ρ als Sekundärausgänge bezeichnete Ausgänge hat, an denen die ρ Ziffern der anderen Quasi-Zufalls-Zahl auftreten.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungsschaltung q Verschieberegister-Wandler modulo b (q = eine ganze positive Zahl kleiner oder gleich n) umfaßt, deren Eingänge jeweils an q der η Primärausgänge gekoppelt sind, wobei jeder dieser Wandler einen Ausgang hat, der den einen der Sekundärausgänge darstellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schlüsselgenerators und

Fig.

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Pig. 2, 3 und h schematisch Ausführungsformen von Verschieberegister-Wandlern in erfindungsgemäßen Schlüsselgeneratoren·

Die Erfindung wird beispielshalber für den Fall eines Schlüsselgenerators mit Simultan-Binärcode beschrieben.

In der Anordnung gemäß Figur 1 ist an eine Schaltung 1 ein Taktgeber 2 mit seinem Ausgang angeschlossen. Die Schaltung 1 enthält eine gewisse Anzahl von Zählern, deren, höchste Zählerstände untereinander verschieden sind und die durch die Signale gesteuert sind, welche bei jeder Fortschaltung des Taktgebers von diesem geliefert werden.

Die N Ausgänge der Schaltung 1 sind jeweils mit den N Eingängen einer komplexen logischen Schaltung 3 verbunden, welche ein Netzwerk von Elementen wie Decodierern, Permutatoren, Codierern und Toren aufweist und insgesamt η Ausgänge 7 hat. Bei jeder Fortschaltung files Taktgebers 2 treten an den N Ausgängen der Schaltung T jeweils N Binärziffern auf. Infolgedessen gelangen η Binärziffern an die η Ausgänge 7· Diese η Binärziffern, von denen jede Quasi-Zufalls-Charakter

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hat, bilden eine Quasi-Zufalls-Binärzahl, welche die hier betrachtete Primärzahl ist» Die η Ausgänge 7 ' sind daher die η Primärausgange.

Die Anordnung der Schaltungen 1 und 3 kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie das anhand von Fig. 1 der französischen Zusatz-Patentschrift 76 93h be- ^ schrieben ist, wobei die Ausgänge des Organs 10 die Primärausgänge darstellen; eine andere Ausbildung entspricht der Anordnung der Elemente 1 bis k und 10 bis 33 der Schaltung gemäß Fig. 1 der französischen Patentschrift 1 302 480, wobei die Primärausgänge durch die Ausgänge der Elemente 19 bis 21, 23 bis 25» 27 bis 29 und 31 bis 33 dieser Figur gebildet sind.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist jeder Primärausgang mit dem Signaleingang eines Verschiebe- W register-Wandlers modulo 2, k, verbunden, welcher

außerdem einen mit dem Taktgeber 2 verbundenen Eingang 6 und einen Ausgang 5 aufweist, der gleichzeitig einen Sekundärausgang und einen der Ausgänge des Schlüsselgenerators darstellt.

Die AusgangssignaIe der logischen Schaltung 3 werden den Eingängen der Wandler k zugeführt und bewirken an

deren

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deren Ausgängen das Auftreten anderer Signale, welche in Quasi-Zufalls-Form von den Ziffern abhängen, die tier Primärzahl entsprechen.

Figur 2 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Wandler dar. Der Wandler k umfaßt ein Verschieberegister, das aus einer bestimmten Anzahl von Stufen 10 besteht, von denen jede an den Ausgang der

vorhergehenden Stufe angeschlossen ist. Jede Stufe 10 ^g

hat zwei stabile Zustände.

Additionsstufen modulo 2, 11, gestatten es, die Summe S der durch eine vorbestimmte Gruppe der Registerstufen angezeigten Signale zu bilden. Hierzu empfängt die erste Additionsstufe 11 die Signale der beiden letzten Stufe der Gruppe. Jede der übrigen Additionsstufen 11 empfängt das Ausgangssignal der vorhergehenden Additionsstufe und das durch die vorhergehende Stufe der Gruppe angezeigte Signal. Der Ausgang der letzten Additionsstufe 11 ist an den zweiten Eingang 12 einer weiteren Additionsstufe modulo 2, Ik, angeschlossen, deren Ausgang mit dem Eingang der ersten Registerstufe verbunden ist. Der erste Eingang der Additionsstufe \h, welche den Eingang des Wandlers darstellt, ist mit dem entsprechenden Ausgang 7 der

Schaltungen

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Schaltungen 3 verbunden» Der Ausgang der Additionsstufe 14 ist ebenfalls an den Ausgang 5 angeschlossen, welcher den Ausgang des Wandlers bildet. In dieser Figur sind die herkömmlichen Verbindungen zwischen den einzelnen Registerstufen und dem Eingang 6 des Taktgebers nicht dargestellt (vgl. Fig. 1).

Die Wirkungsweise einer solchen Vorrichtung ist falgend e.

a) Angenommen, es sei nur die Vorrichtung mit den Stufen 10 vorhanden, so wird bekanntlich eine am Eingang des Verschieberegisters auftretende Information in der Eingangsstufe gespeichert, wobei die darin zuvor enthaltene Information gelöscht wird. Letztere wird an die folgende Stufe weitergegeben und so fort, so daß die Informationen auf diese Weise alle Stufen nacheinander von der ersten bis zur letzten unter dem Einfluß von Schrittsignalen durchlaufen, welche von dem Taktgeber 2 ausgehen.

b) Es sei angenommen, daß der Wandler unabhängig arbeitet, d. h. im Zusammenwirken mit den Additionsstufen 11 und 14, wobei aber die Klemme 7 ein Signal empfängt, das ständig gleich Null ist. Offensichtlich von einem für alle Registerstufen von "Null" verschiedenen

909838/1203 Anfangszustand

Anfangszustand ausgehend, kann dann die Register- . periode bekanntlich durch geeignete Wahl der Vorrichtung zur Bildung der Summe S den Höchstwert 2 -1 erreichen, wobei K die Anzahl der Registerstufen ist. Die Schaltung zur Bildung des Signals S ist bevorzugt in dieser Weise ausgebildet. Man kann in diesem Zusammenhang die Tabellen des Anhangs C des Buches von W. Wesley Peterson "Error-Correcting Codes", Verlag John Wiley and Sons, benutzen. *

c) In Wirklichkeit ist aber die Arbeitsweise des Registers noch sehr viel komplizierter, weil vor dem Auftreten jedes von dem Taktgeber 2 gelieferten Fortschaltimpulses dem Eingang 7 der Additionsstufe 1^ ein Quasi-Zufalls-Binärsignal zugeführt wird (Fig. 1),

Man sieht also, daß die endlich am Ausgang erhaltene Ziffer bzw. Chiffre in sehr komplizierter Weise von ^

der dem Eingang 7 des Wandlers k zugeführten Ziffer bzw. Chiffre und von den diesem Eingang früher zugeführten Ziffern bzw, Chiffren abhängt.

Bezüglich der Geheimhaltung ergibt sich ein bedeutender Vorteil der Verwendung solcher Wandler in dem erfindungsgemäßen Schlüsselgenerator durch Vergleich

zwischen

909838/1203 ~" ~"

zwischen den Ziffer-Umsetzern, die einerseits durch einen Wandler mit der Periode P = 2 ~ (bei unabhängigem Betrieb) und andererseits durch einen Zähler derselben Periode P betätigt wefden,

In diesen beiden Fällen wird in allgemeiner ¥eise die i-te Binärziffer, welche dem Eingang des Wand-

/ bezeichnet,

lers oder des Zählers zugeführt wird, mit e.< Das von dem einen oder dem anderen gelieferte, i-te Ausgangssignal ist mit s. bezeichnet. Bei dem Zähler ist s. eine Zahl mit m Binärziffern, so daß 2 »Ρ

Im Falle des Zählers wird, wie groß auch r sei, das i-te Ausgangssignal stets gemäß der folgenden Beziehung gebildet?

i = r

s =
r

= ) β-.. , modulo P. / ι i

Was jedoch den Verschieberegister-Wandler betrifft, so zeigt die Erfahrung, und theoretische Betrachtungen bestätigen, daß P aufeinanderfolgende AusgangsSignale:

s bis s _π „
r r + P - " 1

gemäß

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gemäß P verschiedenen Beziehungen gebildet sind, in Abhängigkeit von den entsprechenden EingangsSignalen und den früheren Eingangssignalen.

Hinsichtlich der Geheimhaltung stellt diese Tatsache offensichtlich einen unschätzbaren Vorteil dar. Dabei ist festzuhalten, daß ein Vorteil dieser Art augenscheinlich nicht auftreten würde, wenn man unmittelbar ein Verschieberegister mit Gegenkopplungs- m schaltung bei unabhängigem Betrieb verwenden würde (mit anderen Worten eine Vorrichtung wie diejenige von Fig. 2, wobei jedoch der Eingang 12 unmittelbar mit dem Registereingang verbunden wäre), um unmittelbar eine Quasi-Zufalls-Folge mit der Periode P zu liefern«

Es ist hervorzuheben, daß die Ausgangsziffer des Wandlers nicht nur am Eingang der ersten Primärstufe abgenommen werden kann, wie das in Figur 2 gezeigt ist, sondern auch am Eingang oder Ausgang irgendeiner dieser Stufen; sie kann ferner bei verschiedenen Wandlern an verschiedenen Stellen abgenommen werden,

Weil andererseits der Schlüsselgenerator mehrere Vorrichtungen h enthält, hängen die Beziehungen, nach

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-Irdie Ausgangssignale jedes Wandlers Zustandekommen, von der Länge des Registers und der Anschlußart der Additionsstufen ab. Man kann daher vorteilhaft für jeden Wandler h eine andere Anordnung benutzen, wodurch die Sekundärzahl zu einer sehr komplizierten Funktion der entsprechenden Zahl und der früheren Primärzahlen wird.

Figur 3 stellt eine andere Ausführungsform eines Wandlers h dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Additionsstufe 15 zu erkennen, welche zwischen zwei Stufen 10 vom Range j und j + 1 in Reihe geschaltet ist.

Figur K stellt noch eine andere Ausführungsform dar. Bei dieser Anordnung sind die Ausgänge jeder Stufe mit einer Vorrichtung 16 verbunden, welche an den Eingangssignalen eine stets gleiche logische Operation durchführt und welche davon ein Signal S ableitet, das in der Additionsstufe Ik dem Signal hinzugefügt wird, welches dem Eingang 7 zugeführt wird.

Es läßt sieh zeigen, daß iti diesem Fall ein Wandler

K mit einer beliebigen Periode bis ssu 2 erzielbar ist, Hierzu wird auf den Artikel "Counting with non-linear binary feedback shift registers", X«E.B« Transactions

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on Electronic Computers» E.C. 12. 8. 1963, Seite 357 f. verwiesen.

Die Erfindung ist nicht auf die*dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es ist anzumerken, daß sie sich insbesondere auf einen Schlüsselgenerator bezieht, bei dem die primären und sekundären Quasi-Zufalls-Zahlen in einem Sequenzcode, nicht aber gleichzeitig ausgedrückt werden. In diesem Fall ist nur ein m Wandler erforderlich.

Die Erfindung ist aber auch anwendbar, wenn die Basis b des Systems, in welchem die Primär- und die Sekundärzahlen ausgedrückt sind, größer als 2 ist. Die Wandler müssen dann Wandler modulo b sein, was erfordert, daß die Registerstufen b stabile Zustände haben und daß die Additionsstufen oder anderen logischen Schaltungen modulo b arbeiten. Im allgemeinen wird jedoch die Verwendung eines Binärcodes aus technischen Gründen bevorzugt.

Es ist zu bemerken, daß die hier zur Bezeichnung eines Eingang'es oder eines Ausganges, welche eine Ziffer bzw. Chiffre empfängt oder abgibt, verwendeten Ausdrücke

"Eingang"

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"Eingang" und "Ausgang" sich jeweils auf einen Eingang bzw. Ausgang beziehen, der einen einzigen An-Schluß oder die für die Angabe der Ziffer bzw. Chiffre notwendigen Anschlüsse aufweist. Bekanntlich kann beispielsweise ein zur Aufnahme einer Binärzahl vorgesehener Eingang entweder einen einzigen Draht oder zwei Drähte aufweisen, je nach dem benutzten Schaltcode.

Sämtliche Merkmale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritte können auch in beliebigen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Patentansprüche

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Claims (5)

Patentansprüche

1.)Schlüsselgenerator zur Erzeugung eines Schlüssels für die Chiffriereinrichtung einer Nachrichtenverbindung, mit einem Taktgeber, mit einer durch diesen gesteuerten, aus einer Gruppe von Zählern bestehenden Eingangsstufe, mit einer logischen Schaltung, deren Ausgänge wenigstens an bestimmte Ausgänge der Zähler angeschlossen sind und von denen die η Ausgänge (n = eine ganze positive Zahl), welche als Primärausgänge bezeichnet sind, jeweils die η Ziffern einer Quasi-Zufalls-Zahl liefern, welche in einem System mit der Basis b ausgedrückt ist (b = eine ganze positive Zahl größer als 1), und mit einer Ausgangsschaltung, deren Ausgänge zur Ankopplung an die Chiffriereinrichtung bestimmt sind und die wenigstens eine Schaltung zur Umsetzung der Quasi-Zufalls-Zahl in eine andere Quasi-Zufalls-Zahl von ρ Ziffern (p = eine ganze positive Zahl) enthält, welche in dem System mit der Basis *b ausgedrückt ist, wobei die Umsetzungsschaltung ρ als Sekundärausgänge bezeichnete Ausgänge hat, an denen die ρ Ziffern der anderen Quasi-Zufalls-Zahl auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungsschaltung q Verschieberegister-Wandler modulo b (q. = eine ganze positive Zahl

kleiner

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kleiner oder gleich, n) umfaßt, deren Eingänge jeweils an q der η Primärausgänge gekoppelt sind, wobei jeder dieser Wandler einen Ausgang hat, der den einen der Sekundärausgänge darstellt,

2, Schlüsselgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,'daß die Basis b gleich 2 ist.

3. Schlüsselgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahlen q, η und ρ einander gleich sind.

k, Schlüsselgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die q Wandler verschiedenen Aufbau besitzen.

5. Schlüsselgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode P eines jeden Wandlers gegeben ist durch P =s 2 ~ , wobei K die Anzahl seiner Stufen, ist»

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