DE2058796C3 - Verfahren und Einrichtung zur Synchronisation von Zufallszeichengeneratoren - Google Patents

Description

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt

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

Zur Erzeugung von Zufallszeichen in Zufallszeichengeneratoren 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 Zufallszeichens um eine festgelegte oder variable Anzahl von Taktirnpulsen 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 7 kann demnach zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur einen der Werte 1 bis 7 beinhalten, ist nun die Anzahl der Taktimpulsi A, die die Zähler oder Schieberegister von ihrer Anfangsstellung G ausgehend weitergeschaltet haben, bekannt, so ist es möglich, den Momentanwert M eines Zählers oder Schieberegisters zu errechnen. Die Division

An/ahl der Taktimpulse A Primzahl der Zählerperiode P

N + Resl X

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 Momentan* ert M durch Addition von Anfangswert G und Restwert -Veindeutig bestimmt werden kann:

M=G+X.

wobei der Additionsmodul der jeweiligen Primzahl P der Zähler- bzw. Schieberegisterperiode (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 t/npfangsseitiger gleichartiger Zufallszeichengenerator in Synchronismus gebracht werden kjnn. Bei der üblichen, notwendigerweise geheimen Vereinbarung des Grundschlüssels und damit der Wert G der Zähler oder Schieberegister ist durch alleinige Übertragung der Summanden X zur Empfangsseite eine Synchronisation auf jeden möglichen Zählerstand dvs sendeseitigen Zufallszeichengenerators ohne Verlust an kryptologischer Sicherheit möglich.

Zur Synchronisation eines oder mehrerer empfangsseitiger 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 erleichv.'rt wird, ist es zweckmäßig, deren Übertragung durch ein vereinbartes Codewort zu kennzeichnen.

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

ίο Nach gelungener Synchronisation ist ein Empfänger trotz wiederholter Synchronisiermöglichkeit im Gegensatz zu bekannten Verfahren nicht gezwungen, weitere Einstellungen der Zähler oder Schieberegister seines Zufallszeichengenerators vorzunehmen, wobei er unter

Umständen aufgrund von Übertragungsfehlern seinen Synchronismus verlieren könnte, da auch der sendeseitige Zufallszeichengenerator keine Neueinstellungen seiner Zähler oder Schieberegister im Verlauf einer Nachrichtenübertragung vornimmt

fm folgenden soll ein Ausffihrungsbeispie! näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbloc'schaltbüd einer Anlage zur chiffrierten Übertragung von binärcodierten Nachrichten, bei der die Erfindung angewendet werden kann. Der zu verschlüsselnde Klartext KT wird auf der Sendese'te über die Leitung 1 einem Schlüsselgerät (SG)2 zugeführt in welchem er durch Kombination mn einem Schlüsseltext STdurch irgendwelche Rechenoperationen zum Geheimtext GTverschlüsselt wird, der der

M) Übertragungsleitung 7 zugeführt wird Der Schlüsseltext ST wird in einem Zufallszeichengenerator (ZG) 4 erzeugt dessen Aufbau weiter unten anhand der F i g. 3 so weit näher erläutert wird, wie dies zum Verständnis der Erfindung notwendig ist Auf der Empfangsseite ist

j> 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 ^ntscbMisselt wird.

im einfachsten Falle geschieht die Verschlüsselung ein'ich durch mod-2-Addition der Klartextbits mit entsprechenden Schlüsseltextbits; die Entschlüsselung geschieht dann durch nochmalige mod-2-Addition des

4-> 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-Zufallszeichengeneratoren arbeiten.

Die Einblendung der Summanden X (SX) in die Übertragsleitung 7 ist durch den Schalter 5 über die Leitung 6 dargestellt Deren Ausblendung und Zuführung ?ut) empfangsseitigen Zufallszeichengenerator 13

5* erfolgt durch Schalter 8 über die Leitung 9.

Ebenso ist die Erf'ndung auch ohne die Schlüsselgeräte (SG) 2 und 10 auf Zufallszeichengeneratoren anwendbar, die anderen Zwecken, wie z. B. der Erzeugung von Frequenzsprungfolgen und Spreizcodes.

bo dienen. Ein entsp echendes Übersichtsblockschaltbild für diese FiIIe zeigt F i g. 2. Die momentanen Summanden X (SX) der Zähler oder Schieberegister des Zufallszeichengenerators 15 werden fortlaufend bzw. in festen oder variablen Zeitabständen über die Leitung 16

f,', zu dem Zufallszeichengenerator 17 übertragen. An den Ausgängen 14 bzw. J8 der Zufallszeichengeneratoren treten nach erfolgter Synchronisation die gleichen Zufallszeichen ZZ auf.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung. Mit ZG1 und ZG 2 sind die wesentlichen '('eile der gleichartigen sende- und empfangsseitigen Zufallsgeneratoren dargestellt, auf die die Erfindung angewendet werden kann. Es sind jeweils π Zähler ZI, Z2 ... Zn bzw. ZV ... Zn' mit teilerfremden Zählbascn 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 31 bzw. 47 jeweils um eins weitergestellt und geben jeder, z. B. bei Erreichen ihres Höchststandes, einen Ausgangsimpuls an einen Kompiier 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. ZV ... Zn' können, wie erwähnt, auch rückgekoppelte Schieberegister verwendet werden. Die Rückkopplungen in solchen Schieberegistern lassen sich derart einstellen, dali 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. Z Γ ... Z η' ist ein Register 22, 23, 24 bzw. 38, 39, 40 zugeordnet, welches einen Teil derGrundschlüsseleinsiell'ing G I... G π bzw. G V... G n'enthält.

Die ebenfalls jeweils einem Primzahlteiler ZI ...Zn bzw. ZV ... Zn'zugeordneten Zählregister 19, 20, 21 bzw. 35, 36, 37 enthalten die Summanden XX ... Xn bzw. XV ... Xn', die zusammen mit Gi ... Gn bzw. G Γ ... G n'als zweite Summanden durch Addition mit dem Modul der teilerfremden Zählbasis des jeweiligen Primzahlteiiers ZI ... Zn bzw. ZV ... Zn' die Momentanwerte MX ... Mn bzw. MV ... Mn dieser Zähler Z \ ... Zn bzw. Z Γ ... Z η' als Summe bilden.

Die Zählbasen der Zähler 19, 20, 21 bzw. 35, 36, 37 sind ebenfalls zueinander (eilerfremd und entsprechen denen der PrimzahiteilerZi ...Znbzvt.ZV...Zn', welchem sie zugeordnet sind. Die Summenbildung geschieht in den Additionsschaltungen 25,26,27 bzw. 41,42,43.

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 A^-=O sind. V/erden danach die Zählregister 28, 29, 30 bzw. 44, 45, 46 und 19, 20, 21 bzw. 35, 36, 37 synchron durch die Taktgeneratoren 31 bzw. 47 weitergeschaltet, so enthalten die Register i9, 20, 21 bzw. 35,36, 37 zu jedem Zeitpunkt die Summanden X 1 ... Xn bzw. XV ... Xn', die zusammen mit den Summanden Gl ... Gn bzw. GV ... Gn' die Momentanwerte MI ... Mη hrw MV ... Μ/ι'ιίϊΐ PrimzahiteiierZi... Z η bzw. Z r .. . Z/r ergeben. Fäiit nun aus irgendwelchen Gründen der Zufallszeichengenerpior ZG 2 der Empfangsseite außer Synchronismus, so können durch Übertragung der Registerinhalte 19, 20, 21 über die Leitung 49 zunächst die Inhalte der Register 35, 36, 37 in Synchronismus mit der Sendeseite gebracht werden. Die darauffolgenden Additionen

MV ... Mn' - (XV ...Xn' + GV ... Gn') modulo PV ...Pn'

in den Additionsschaltungen 41, 42, 43 und die Übergabe dos Ergebnisses in die Register 44, 45, 46 bewirken die gewünschte Synchronisation der Primzahlteiler ZV ... Zn'des empfangsseitigen Zufallszeichengenerators ZG 2.

Besonders vorteilhaft ist, daß man die Primzahlteiler der Zufallsgeneratoren ZG 1 und ZG 2 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Synchronisation von beispielsweise an der Sende- und Empfangsstelle 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 ι ο Primzahlteiler Zi ...Zπ des Zufallszeichengenerators die Werte N+X =A:P ermittelt werden, wobei A die Anzahl der Taktimpulse, um weiche die Primzahlteiler Z1... Zn von ihrer Anfangsstellung GX ... Gn ausgehend weitergeschaltet wurden, P ιΐ die Primzahl, die die jeweilige Periode des Primzahlteilers angibt, N die Anzahl der, ausgehend von der jeweiligen Anfangsstellung GX ... Gn, durchlaufenen vollständigen Perioden des einzelnen Primzahlteilers und X die Anzahl der Taktimpulse einer begonnenen Periode eines Primzahlteilers Angibt, daß die momentanen Werte XX ...Xnaller Primzahlteiler zu dem oder den zu synchronisierenden gleichartigen Zufallszeichengeneratoren übertragen werden, daß die durch die Addition 2>

MX...Mn = (GV...G-i'+ XX¹ ...Xn')

modulo PX... P π gewonnenen momentanen Werte, der Primzahlteiler ZX ...Zn der Sendeseite in die jo Primzahlteiler ZX' ... Zn'der zu synchronisierenden Zufall·.»tneratoren auf der Empfangsseite angegeben werden ohne Neueinstellung der Primzahlteiler ZX ... Zn des sendeseitigen Zufallszeichengenerators. Λ

2. Einrichtung zur Durchfällt ung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der Empfangsseite die momentanen Werte X X' ... Xn' aller Primzahlteiler ZX' ... Zn' ermittelt werden und daß durch Vergleich dieser momenta- w nen Werte mit den von der Sendeseiie übermittelten momentanen, im Falle des vorhandenen Synchronismus identischen Werten XX ... Xn eine Überprüfung des Synchronismus in an sich bekannter Weise durch Vergleich durchgeführt wird. 4 >

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß den Primzahlteilern ZX ... 2π der Sendeseite allein oder den Primzahlteilern ZΓ ... Zn' der Empfangsseite und den Primzahlteilern ZX ... Zn der Sendeseite gleichzeitig jeweils ein zusätzlicher, synchron mit den vorhandenen Primzahlteilern getakteter Primzahlteiler gleicher Periode zugeordnet ist. dessen Inhalt so eingestellt wird, daß er immer dann den Wert Null enthalt, wenn der v» zugeordnete ursprünglich vorhandene Primzahltei-Jer gerade den durch die Anfangsstellung GX ...Gn bzw. GY ... Gn'bestimmten Wert beinhaltet, so daß in diesen zusatzlichen Primzahlteilern zu jedem Zeitpunkt die momentanen Werte XX ... Xη bzw. mi X Y... X π'enthalten sind.

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 od. dgl., zu kombinieren, um zur Übertragung kommende Geheimtextzeichen zu erhalten. Von der Empfangsseite müssen die Geheimtextzeichen durch entsprechende Kombination mit den gleichen Schlüsselzeichen wieder in die Klartextzeichen zurückverwandelt werden. Wie auch immer das Bildungsgesetz der Geheimtextzeichen aus den Klartext- und Schlüsselzeichen 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 zweckmäßig, 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, um 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 »phaseng'eiche Sprüche« zu erzeugen, kann der Grundschlüssel, durch den die Ausgangsstellung festgelegt wird, durch einen mit jeder Betriebsaufnahme 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 Chiffrierverfahren unter Umständen möglich ist, mit Hilfe des Geheimtextes Rückschlüsse auf den Grundschlüssel zu ziehen und damit die 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 Saufenden Variation der Anfangsstellungen 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 Grundschlüesel /u verwenden und den offen über die Strecke übertragenen Zusatzschlüssel zu vermeiden. Außerdem sollte weiteren Empfängern eine nachtragliche Einphasungsmöglichkeit in bereits laufen de Nachrichtenübertragungen geboten werden können, ohne daß die sende' und empfangsseitigen Zufallszeichengeneratoren in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen in verabredete Ausgangsstellungen gebracht werden müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebene Verfahren. Weitere