DE2058796A1

DE2058796A1 - Verfahren und einrichtung zur synchronisation von zufallszeichengeneratoren

Info

Publication number: DE2058796A1
Application number: DE19702058796
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Ing Hofmann; Bernd Dipl Ing Ostermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1970-11-30
Filing date: 1970-11-30
Publication date: 1978-01-12
Also published as: FR2431802B1; FR2431802A1; DE2058796B2; DE2058796C3; GB1499974A

Description

Licentia-Patent-Verwaltungs-GmbH PT-BK/Sch/aa

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Verfahren und Einrichtung zur Synchronisation von Zufallszeichengeneratoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung von Zufallszeichengeneratoren, die mit Zählern oder rückgekoppelten Schieberegistern arbeiten und die beispielsweise an der Sende- und Empfangsseite einer Übertragungsstrecke angeordnet sind.

Zur Übertragung von verschlüsselten (chiffrierten) Nachrichten ist es bekannt die Klartextzeichen senderseitig mit aus einem Zufallsgenerator gewonnenen Schlüsselzeichen in irgendeiner Weise, z.B. durch mod-2-Addition oder dgl., zu kombinieren, um zur Übertragung kommende Geheimtextzeichen zu erhalten. Von der Empfangsseite müssen die Geheimtextzeichen durch entsprechende Kombination mit den gleichen Schlüssel-

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zeichen wieder in die Klartextzeichen zurückverwandelt werden. Wie auch immer das Bildungageaets der Geheimtextzeichen aus den Klartext- und Schlüsselseichen sein mag, so ist es doch in jedem Fall erforderlich, für einen synchronen Lauf der Zufallszeichengeneratoren auf der Sende- und Empfangsseite zu sorgen. Dazu ist es zwecknäesig, die Zähler oder Schieberegister, die in den Zufallszeichengeneratoren für die quasizufällige Verteilung der erzeugten Schlüsselzeichen sorgen, von Zeit zu Zeit in eine verabredete Ausgangsstellung zu bringen, üb den inzwischen unter Umständen verlorengegangenen Synchronismus wieder herzustellen.

Um jedoch nicht bei jeder neuen Betriebsaufnahme wieder die gleiche Zufallsfolge zu verwenden und damit unter Umständen sogenannte "phasengleiche Sprüche" zu erzeugen, kann der Grundschlüssel, durch den die Ausgangsstellung festgelegt wird, durch einen mit jeder Betriebeaufnähme variierbaren Zusatzschlüssel ergänzt werden. Dieser variable Zusatzschlüssel wird z.B. durch den Zufallsgenerator im sendenden Gerät erzeugt und als Zeichenblock unverschlüsselt zur Empfangsseite übertragen. Bei einem solchen Verfahren erhält daher der unbefugte Entzifferer Kenntnis über einen Teil der verwendeten Schlüsseleinstellung, wodurch es ihm bei einem einfachen Chiffri«verfahren unter Umständen möglich ist, mit Hilfe des Geheimtextee Rückschlüsse auf den Grundschlüssei zu ziehen und damit die

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Entschlüsselung übertragener Nachrichten vorzunehmen. Die Gefahr der Schlüsselerkennung wächst dabei mit der Anzahl der Rückstellungen der Zufallsgeneratoren auf ihren Anfangszustand. Diese Gefahr wächst noch weiter, wenn zwecks zusätzlicher Einschaltungsmöglichkeiten weiterer Empfänger in bereits laufende Nachrichtenübertragungen die Häufigkeit der definierten Anfangsstellungen der Zufallsgeneratoren gesteigert werden muss. Hierbei wird die kryptologische Sicherheit sehr stark herabgesetzt, zumal der zur laufenden Variation der Anfangssteilungen benutzte variable Zusatzschlüssel nur eine beschränkte Anzahl von Variationsmöglichkeiten zulässt, während wesentliche Teile der Schlüsseleinstellung, der sogenannte Grundschlüssel, unverändert bleiben.

Um eine höhere kryptologische Sicherheit zu erreichen, ist es in jedem Falle wünschenswert, bei neuen Anfangssynchronisationen in zufälliger Weise geänderte Grundschlüssel zu verwenden und den offen über die Strecke übertragenen Zusatzschlüssel zu vermeiden. Ausserdem sollte weiteren Empfängern eine nachträgliche Einphasungsmöglichkeit in bereits laufende Nachrichtenübertragungen geboten werden können, ohne dass die sende- und empfangeseitigen Zufallszeichengeneratoren in regelmässigen oder unregelmässigen Zeitabständen in verabredete Ausgangsstellungen gebracht werden müssen.

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Gelöst wird diese Aufgabe durch das ie Kennselchen de· Hauptanspruches angegebene Verfahren. Weitere Ausgestal tungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Im folgenden sollen die Erfindung und die alt ihr erzielbaren Vorteile näher erläutert werden.

Zur Erzeugung von Zufallszeichen in Zufallszeichengenera toren werden im allgemeinen durch Taktimpulse laufend weitergeschaltete Zähler verwendet, deren maximale Zählerstände Primzahlen bzw. teilerfremde Zahlen sind, um damit eine möglichst grosse Wiederholungsperiode in der Gesamtheit aller Zählerstände zu erreichen. Anstelle von welchen Zählern oder Primzahlteilern können auch rückgekoppelte Schieberegister verwendet werden. Die Zähler oder Schieberegister werden ausgehend von einer, beispielsweise durch den Grundschlüssel vorgegebenen, Anfangsstellung zur Erzeugung eines Zufallszeichen um eine festgelegte oder variable Anzahl von Taktimpulsen weitergeschaltet, wobei sie nach Durchlaufen der jeweiligen durch die Primzahlen bestimmten Periode, diese wieder vom Anfang an beginnend erneut durchlaufen. Ein Zähler beispielsweise mit der Periode kann demnach zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur einen der Werte 1... 7 beinhalten. Ist nun die Anzahl der Taktimpulse A₁ dxe die Zähler oder Schieberegister von ihrer Anfangsstellung G

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ausgehend weitergeschaltet haben, bekannt, so ist «β Möglich, den Momentanwert M eines Zählers oder Schieberegister« zu errechnen. Die Division

Anzahl d.Taktimpulse A

-— > N + Rest X

Primzahl d.Zählerperiode P

ergibt einen ganzzahligen Wert N, der die Zahl der durchlaufenen Perioden des Zählers darstellt, und einen Restwert X, der die Anzahl der Taktimpulse einer begonnenen Periode angibt, Diese Rechnung wird für jeden einzelnen Zähler des Zufallsgenerators durchgeführt. Zur Bestimmung des Momentanwertes M ist die Anzahl N der vom Anfangswert G ausgehend durchlaufenen vollständigen Perioden des jeweiligen Zählers oder Schieberegisters nicht notwendig, da der Momentanwert M durch Addition von Anfangswert G und Restwert X eindeutig bestimmt werden kann:

M = G + X,

wobei der Additionsmodul der jeweiligen Primzahl P der Zählerbzw. Schxeberegisterperiode (z.B. 7) entspricht.

Die Erfindung beruht nun auf der Tatsache, dass nur bei Kenntnis beider Summanden G und X eines jeden Zählers oder Schieberegisters des sendeseitigen Zufallszeichengenerators ein empfangeseitiger gleichartiger Zufallszeichengenerator in Synchronismus gebracht werden kann. Bei der üblichen, not-

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wendigerweise geheimen Vereinbarung des Grundschlüssele und damit der Wert G der Zähler oder Schieberegister ist durch alleinige Übertragung der Summanden X zur Empfangsseite eine Synchronisation auf jeden möglichen Zählerstand des sendeseitigen Zufallszeichengenerators ohne Verlust an kryptologischer Sicherheit möglich.

Zur Synchronisation eines oder mehrerer empfangeseitiger Zufallszeichengeneratoren, die zur Entschlüsselung von Nachrichten benutzt werden, können die momentanen Summanden X in festen oder variablen Zeitabständen in die verschlüsselte Nachrichtensendung eingeblendet werden. Damit einem nichtsynchronen Empfänger dieser Nachrichten das Erkennen der eingeblendeten Synchronisierinformation in Form der Summanden X erleichtert wird, ist es zweckmässig^, deren Übertragung durch ein vereinbartes Codewort zu kennzeichnen.

Das Weiterbestehen des einmal gewonnenen Synchronismus kann bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens fortlaufend anhand der von der Sendeseite übermittelten momentanen Summanden X und der auf der Empfangsseite abgeleiteten, im Falle des Synchronismus identischen, momentanen Summanden X' überprüft werden.

Nach gelungener Synchronisation ist ein Empfänger trotz wiederholter Synchronisiermöglichkeit im Gegensatz zu bekannten Verfahren nicht gezwungen, weitere Einstellungen der Zähler

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oder Schieberegister seines Zufallazeichengenerators vorzunehmen, wobei er u. U. aufgrund von Übertragungsfehlern seinen Synchronismus verlieren könnte, da auch der sendeseitige Zufallszeichengenerator keine Neueinstellungen seiner Zähler oder Schieberegister im Verlauf einer Nachrichtenübertragung vornimmt.

Im folgenden soll ein Ausführungebeispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild einer Anlage zur chiffrierten Übertragung von binär codierten Nachrichten, bei der die Erfindung angewendet werden kann. Der zu verschlüsselnde Klartext KT wird auf der Sendeseite über die Leitung 1 einem Schlüsselgerät (SG) 2 zugeführt, in welchem er durch Kombination mit einem Schlüsseltext ST durch irgendwelche Rechenoperationen zum Geheimtext GT verschlüsselt wird, der der Übertragungsleitung 7 zugeführt wird. Der Schlüsseltext ST wird in einem Zufallszeichengenerator (ZQ) 4 erzeugt, dessen Aufbau weiter unten anhand der Fig. 3 so weit näher erläutert wird, wie dies zum Verständnis der Erfindung notwendig ist. Auf der Empfangsseite ist ein weiteres Schlüsselgerät 10 vorgesehen, in welchem durch entsprechende Rechenoperationen der empfangene Geheimtext GT mit dem in einem gleichartigen Zufallszeichengenerator 12 erzeugten identischen Schlüsseltext ST wieder zum Klartext entschlüsselt wird.

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Im einfachsten Falle geschieht die Verschlüsselung einfach durch mod-2-Addition der Klartextbits mit entsprechenden Schlüsseltextbits, die Entschlüsselung geschieht dann durch nochmalige raod-2-Addition des Schlüsseltextes zum übertragenen Geheimtext. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung eines solchen einfachen Verschlüsselungssystems beschränkt, sondern kann auch bei allen anderen Chiffriersystemen Verwendung finden, die mit synchron laufenden Quasi-Zufallszeir chengeneratoren arbeiten.

Die Einblendung der Summanden X (SX) in die Übertragungsleitung 7 ist durch den Schalter 5 über die Leitung 6 dargestellt. Deren Ausblendung und Zuführung zum empfangsseitigen Zufallszeichengenerator 13 erfolgt durch Schalter 8 über die Leitung 9«

Ebenso ist die Erfindung auch ohne die Schlüsselgeräte (SG) 2 und 10 auf Zufallszeichengeneratoren anwendbar, die anderen Zwecken, wie z.B. der Erzeugung von Frequenzsprungfolgen und " Spreizcodes, dienen. Ein entsprechendes Übersichtsblockschaltbild für diese Fälle zeigt Fig. 2. Die momentanen Summanden X (SX) der Zähler oder Schieberegister des Zufallszeichengenerators 15 werden fortlaufend bzw. in festen oder variablen Zeitabständen über die Leitung l6 zu dem Zufallszeichengenerator übertragen. An den Ausgängen lk bzw. l8 der Zufallszeichengeneratoren treten nach erfolgter Synchronisation die gleichen Zufallszeichen ZZ auf.

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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der «rfindungsgeaassen Synchronisiereinrichtung. Mit ZGl und ZG2 sind die w«r«entlichen Teile der gleichartigen sende- und e«pfangsseitigen Zufallsgeneratoren dargestellt, auf die die Erfindung angewendet werden kann. Es sind jeweils η Zähler Zl, Z2 ...Zn bzw. Zl'...Zn¹ mit teilerfremden Zählbaeen vorgesehen, von denen jeweils nur drei, 28, 29 und 30 bzw. 44, 45 und 46, dargestellt sind. Diese Zähler werden durch Taktimpulse aus einer Taktimpulsquelle 3* bzw. 47 jeweils ue Eins weitergestellt und geben jeder, z.B. bei Erreichen ihres Höchststandes, einen Ausgangsimpuls an einen Kompiler 32 bzw. 48 weiter, in dem durch Verarbeitung der in unregelmässiger Folge eintreffenden Ausgangssignals der Zähler die Zufallszeichen ZZ erzeugt werden. Anstelle von Zählern Zl...Zn bzw. Zl¹...Zn* können, wie erwähnt, auch rückgekoppelte Schieberegister verwendet werden. Die Rückkopplungen in solchen Schieberegistern lassen sich derart einstellen, dass teilerfremde Wiederholungsperioden auftreten; die Register also ähnlich wie teilerfremde Zähler arbeiten. Wenn im folgenden von Zählern oder Primzahlteilern die Rede ist, so sollen immer auch derartige rückgekoppelte Schieberegister darunter verstanden werden können.

Jedem Primzahlteiler Zl...Zn bzw. Zl'...Zn¹ ist ein Register 22, 23, 24 bzw. 38, 39, 40 zugeordnet, welches einen Teil der Grundschlüsseleinstellung Gl...Gn bzw. Gl'...Gn' enthält.

Die ebenfalls jeweils einem Primzahlteiler Zl...Zn bzw. BK 70/135

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Zl'...Zn¹ zugeordneten Zählregister 19, 20, 21 bzw. 35, 36, ^η7 enthalten die Summanden Xl...Xn bzw. Xl'...Xn', die zusammen mit Gl...Gn bzw. Gl'...Gn' als zweite Summanden durch Addition mit dem Modul der teilerfremden Zählbasis des jeweiligen Primzahlteilers Zl...Zn bzw. Zl'...Zn' die Momentanwerte Ml...Mn bzw. Ml¹...Mn· dieser Zähler Zl...Zn bzw. Zl¹...Zn¹ als Summe bilden. Die Zählbasen der Zähler 19, 20, 21 bzw. 35» 36, 37 sind ebenfalls zueinander teilerfremd und entsprechen denen der Primzahlteiler Zl...Zn bzw. Zl'...Zn', welchem sie zugeordnet sind. Die Summenbildung geschieht in den Additionsschaltungen 25, 26, 27 bzw. ¹H₁ 42, 43.

Im einfachsten Fall der Synchronisation der beiden Zufallszeichengeneratoren werden die Zähler auf der Sende- und Empfangsseite gleichzeitig auf den durch den Grundschlüssel bestimmten Anfangswert eingestellt. Dies bedeutet, dass auf beiden Seiten die Summanden X=O sind. Werden danach die Zählregister 28, 29, 30 bzw. kk, 45, 46 und 19, 20, 21 bzw. 35, 36, 37 synchron durch die Taktgeneratoren 31 bzw. k7 weitergeschaltet, so enthalten die Register 19, 20, 21 bzw. 35, 36, 37 zu jedem Zeitpunkt die Summanden Xl...Xn bzw. Xl'...Xn', die zusammen mit den Summanden Gl...Gn bzw. Gl'...Gn' die Momentanwerte Ml·*«Mn bzw. Ml¹...Mn¹ der Primzahlteiler Zl...Zn bzw. Zl¹...Zn¹ ergeben. Fällt nun aus irgendwelchen Gründen der Zufallszeichengenerator ZG2 der Empfangsseite ausser Synchronismus, so können durch Übertragung der Registerinhalte 19i 20, 21 über die Lei-

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tung 49 zunächst die Inhalte der Register 35, 36, 37 in Synchronismus mit der Sendeseitejgebracht werden. Die darauf

folgenden Additionen

Ml·...Mn¹ = (Xl¹...Xn' + Gl¹...Gn¹) modulo PI«...Pn'

in den Additionsschaltungen 4l, 42, 43 und die Übergabe des Ergebnisses in die Register 44, 45, 46 bewirken die gewünschte Synchronisation der Primzahlteiler Zl'...Zn¹ des empfangsseitigen Zufallszeichengenerators ZG2.

Besonders vorteilhaft ist, dass man die Primzahlteiler der Zufallsgeneratoren ZGl und ZG2 einsparen kann, da der momentane Wert M der Summe G + X entspricht und dieser an den Ausgängen der Additionsschaltungen 25...27 bzw. 41...43 verfügbar ist.

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Claims

4L O j 8 7 3 δ

Patentansprüche

Iy Verfahren und Einrichtung zur Synchronisation von beispielsweise an der Sende- und EmpfangsstelIe einer Übertragungsstrecke angeordneten Zufallszeichengeneratoren, die mit als Primzahlteiler ausgebildeten Zählern oder Schieberegistern zur Erzeugung der Zufallszeichen arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sendeseite für jeden Primzahlteiler Zl...Zn des Zufallszeichengenerators die Werte N + X = A : P ermittelt werden, wobei A die Anzahl der Taktimpulse, um welche die Primzahlteiler Zl...Zn von ihrer Anfangsstellung Gl...Gn ausgehend weitergeschaltet wurden, P die Primzahl, die die jeweilige Periode des Primzahlteilers angibt, N die Anzahl der ausgehend von der jeweiligen Anfangsstellung Gl...Gn, durchlaufenen vollständigen Perioden des einzelnen Primzahlteilers und X die Anzahl der Taktimpulse einer begonnen Periode eines Primzahlteilers angibt, dass die momentanen Werte Xl...Xn aller Primzahlteiler zu dem oder den zu synchronisierenden gleichartigen Zufallszeichengeneratoren übertragen werden, dass die durch die Addition Ml...Mn = (Gl'...Gn' + Xl'...Xn') modulo Pl...Pn gewonnenen momentanen Werte, der Primzahlteiler Zl...Zn der Sendeseite in die Primzahlteiler Zl'...Zn* der zu synchronisierenden Zufallsgeneratoren auf der Empfangsseite angegeben werden ohne Neueinstellung der Primzahlteiler Zl...Zn des sendeseitigen Zufallszeichengenerators.

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2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass auch auf der Empfangsseite die momentanen Werte Xl'...Xn¹ aller Prirazahlteiler Zl'...Zn' ermittelt werden und dass durch Vergleich dieser momentanen Werte mit den von der Sendeseite übermittelten momentanen, im Falle des vorhandenen Synchronismus identischen Werten Xl...Xn eine Überprüfung des Synchronismus in an sich bekannter Weise durch Vergleich durchgeführt wird.
3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Primzahlteilern Zl...Zn der Sendeseite allein oder den Primzahlteilern Zl'...Zn' der Empfangsseite und den Primzahlteilern Zl...Zn der Sendeseite gleichzeitig jeweils ein zusätzlicher, synchron mit den vorhandenen Primzahlteilern getakteter Prirazahlteiler gleicher Periode zugeordnet ist, dessen Inhalt so eingestellt wird, dass er immer dann den Wert Null enthält, wenn der zugeordnete ur-

ψ sprünglich vorhandene Primzahlteiler gerade den durch die

Anfangsstellung Ql...Gn bzw. Gl'...Gn' bestimmten Wert beinhaltet, so dass in diesen zusätzlichen Primzahlteilern zu jedem Zeitpunkt die momentanen Werte Xl...Xn bzw. Xl'...Xn' enthalten sind.

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