JPH04234083A - 擬似ランダム信号の保護方法 - Google Patents

擬似ランダム信号の保護方法

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JPH04234083A
JPH04234083A JP3197187A JP19718791A JPH04234083A JP H04234083 A JPH04234083 A JP H04234083A JP 3197187 A JP3197187 A JP 3197187A JP 19718791 A JP19718791 A JP 19718791A JP H04234083 A JPH04234083 A JP H04234083A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、暗号方法
およびシステムに関する。その場合、本発明はリニアフ
ィードバック・シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）を擬似ラン
ダム信号発生器として使用することに向けられている。 しかしながら、特に、本発明はＬＦＳＲの出力信号が非
線形とされかつそれにより暗号攻撃から保護されるよう
にする暗号方法および装置に関連する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＦＳＲは技術上良く知られている。典
型的には、これらの装置は擬似ノイズ／擬似ランダム（
ＰＮ）信号の発生が必要とされる場合の動作に利用され
る。ＰＮ信号は２進信号であり、これはランダムなよう
に見える。実際には、ＰＮ信号は完全にランダムではな
く、それは周期性がＬＦＳＲ内の段数、フィードバック
タップ、およびＬＦＳＲの初期状態に依存する決定論的
な（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ）、周期的信号である
。ＬＦＳＲをＰＮ信号発生器として用いる典型的な動作
は、拡散スペクトラムシステム、ノイズ発生器、および
以後クリプトシステム（ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍｓ）
と称される暗号システムである。
【０００３】図１は、ＬＦＳＲ　　１００の単純化した
構成を示す。数学的には、ＬＦＳＲはフィードバック信
号を形成するために使用される各々の「タップ」（出力
ビット）に対し１つの係数を有するＮ次の多項式（ここ
でＮはＬＦＳＲの長さである）を規定する。従って、Ｌ
ＦＳＲ１００は、ステージ１３および１４の出力に対し
排他的ＯＲ操作を行いかつその操作をステージ１１の入
力にフィードバックする、フィードバック信号Ｔ１を有
する４つのステージ１１〜１４を備えた４次の多項式と
して定義される。
【０００４】当業者には、ＬＦＳＲ　　１００はクリプ
トシステムのための特定の暗号化変換を指令する、たと
えば、暗号キーとして使用するための、ＰＮ信号発生器
の単純化したモデルであることが理解されるであろう。 この特定の例は主にＮ次のＬＦＳＲが結局は２ｎ−１ビ
ットで周期的であることを示すために選択された（表１
を参照）。
【０００５】好ましい実施例においては、ＬＦＳＲ　　
１００は６４段のシフトレジスタを具備し、６４次の多
項式を提供する。およそ３２個のタップが所望のＰＮ信
号を生成するために使用される。従って、６４ビットの
最大長のＬＦＳＲはおよそ１．８４×１０１９ビットの
デジタルシーケンスを生成するであろう。１２ＫＨｚで
は、このシーケンスを繰り返すためにはほとんど５千万
年（５０　　ｍｉｌｌｉｏｎ　　ｙｅａｒｓ）を要する
であろう。ＰＮ信号発生器が複雑化するに従って、典型
的な値は８０から１００段になりいずれかに４０から５
０のタップを有し、このような場合はシーケンスは４×
１０１６年ごとに繰り返すことが予期できる。
【０００６】いずれのクリプトシステムの主要な目標も
通信チャネルから情報をオーソライズされずに導入し（
ｓｐｏｏｆｉｎｇ）または抽出（盗み聞き）することを
防止することである。先に述べた暗号キーは頻繁に反復
しないから、これらのキーを用いたクリプトシステムは
無条件に安全であると思うかも知れない。不幸なことに
、暗号キーを発生するためにＬＦＳＲを使用するクリプ
トシステムは攻撃に対して極めて隙だらけである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】クリプトシステムの弱
さはＬＦＳＲのリニアリティによって生ずる。ＰＮ信号
はあるアルゴリズムによって発生されるから、そのアル
ゴリズムについての知識は全シーケンスを明らかにする
。あるＰＮシーケンスが繰り返すためには２ｎ−１ビッ
トを要するが、暗号解析者はフィードバックタップ、レ
ジスタの初期状態、および結局は全ＰＮ信号を決定する
ために２ｎビットの元の文（ｐｌａｉｎｔｅｘｔ）およ
びその対応する暗号文（ｃｉｐｈｅｒｔｅｘｔ）を必要
とするのみである。この攻撃され易さは現代のクリプト
システムにおけるＬＦＳＲの絶えざる使用に対する主な
欠陥となっている。
【０００８】従って、ＬＦＳＲのＰＮ信号が非線形にさ
れ、それによりクリプトシステムを事実上解読できない
ものにする暗号方法および装置を提供することが極めて
有利であろう。従って本発明の一般的な目的は、暗号方
法および装置を提供することにある。
【０００９】本発明の他の目的は、ＰＮ信号を発生する
ためにＬＦＳＲを利用する暗号化方法および装置を提供
することにある。しかしながら、本発明の最終的な目的
は、ＰＮ信号が非線形（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ）とされ
、それによりクリプトシステムが事実上解読不能になる
ようにする、暗号方法および装置を提供することにある
。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】これらおよび
他の目的は暗号アタックから擬似ランダム（ＰＮ）信号
発生器の出力信号を保護するための方法として概略的に
述べられる本発明により達成される。この発明は、２ｎ
ビットの暗号文およびその元の文の等価物を捕捉した後
は、知られた技術を用いる、暗号解読者が全ＰＮシーケ
ンスを発生するアルゴリズムを容易に解読できるとの認
識に基づくものである。従って、本発明はリニアフィー
ドバック・シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）によって発生さ
れる擬似ランダム（ＰＮ）信号を暗号アタックから保護
するための方法および装置を開示する。これはＰＮ信号
に非線形性を導入することにより達成される。
【００１１】１つの実施例においては、非線形性は決定
論的なビットパターンを生成するためにＰＮ信号の少な
くとも１ビットの状態を変えることにより導入される。 このビットパターンは次にＬＦＳＲのＰＮ信号の代わり
にクリプトシステムのＰＮ信号として使用される。別の
実施例においては、ＰＮ信号の少なくとも１ビットのロ
ケーションが入れ替えられさもなければリニアなＰＮ出
力信号に再び非線形性を導入する。このようにして、暗
号解読者の仕事はますます困難となり、それによりクリ
プトシステムが事実上アタックに耐えるようにされる。
【００１２】
【実施例】本発明の主要な用途は暗号装置の分野で使用
されているようなＰＮ信号発生器に対するものである。 図２は、暗号チャネル２００のモデルを示す。動作にお
いては、メッセージ、またはプレインテキストＭが変換
、ＥＫ、を介して暗号化され暗号文、Ｃ＝ＥＫ（Ｍ）を
生成する。この暗号文は次に安全でない（ｉｎｓｅｃｕ
ｒｅ）または公共のチャネルによって送信される。オー
ソライズされた聴取者が暗号文Ｃを受信すると彼女は逆
変換、ＤＫ＝ＥＫ−１によってそれを解読し、元のプレ
インテキストメッセージを次のように得る。 　　　　　　　　　　　　　　　　ＤＫ（Ｃ）＝ＥＫ−
１［ＥＫ（Ｍ）］＝Ｍ　　　　　　　　…（１）
【００１３】パラメータＫはキーと呼ばれる一組の文字
またはシンボルを表し、これは暗号変換ＥＫおよびＤＫ
を指令する。図２のクリプトシステムにおいては、キー
ＫはＰＮ信号発生器２１０および２２０によって操作さ
れキーの流れ（ｋｅｙ　　ｓｔｒｅａｍ）を生成する。 このキーの流れは結局は暗号化のためにプレインテキス
トＭと排他的ＯＲされかつ暗号解読のために暗号文Ｃと
排他的ＯＲされる。従って、キーにアクセスするものは
誰でもプレインテキストメッセージを暗号化しかつ解読
することができる。従って、該キーは安全なチャネル（
ｓｅｃｕｒｅ　　ｃｈａｎｎｅｌｓ）のみによってオー
ソライズされたユーザの間で送信される。暗号化アタッ
クにおいては、暗号解読者の目標はキーの利益なく、公
共のチャネルから得た暗号文を解析することにより、プ
レインテキストメッセージ、Ｍ、の見積もりを作成する
ことである。
【００１４】先に述べたように、ＰＮ信号発生器２１０
および２２０がＬＦＳＲを用いる場合、クリプトシステ
ムは極めて攻撃され易くなる。プレインテキスト・アタ
ックとして知られている、このアタックはプレインテキ
ストの知識およびその対応部分の暗号文の知識を含む。 この情報で武装すると競争相手の暗号解読者は首尾よく
公共チャネルから途中で奪ったメッセージを解読できる
。プレインテキストの知識は常には暗号解読者に容易に
得られるものでないが、プレインテキスト・アタックは
この脅威を打ち負かすよう設計されていない限りいずれ
のクリプトシステムも安全であると考えられないほどか
なり頻繁に発生する。
【００１５】システムをそのような暗号アタックに対し
守るために、本発明は非線形性をＰＮ信号シーケンス３
０３に導入することを示唆する。この説明を助けるため
、図３を参照する。図３は、本発明に関わるクリプトシ
ステムの一部を示す。動作においては、フリップフロッ
プ、ラッチ、シフトレジスタ、ワーキング・レジスタ、
メモリ装置のアドレスによって、またはソフトウエア変
数として実施できる、ＬＦＳＲ　　３００は先に述べた
ＬＦＳＲ　　１００と同じである。
【００１６】本発明によれば、ＬＦＳＲ　　３００の内
容は排他的ＯＲゲート３１０によって複数の選択的にア
ドレスされたレジスタ３２０〜３２７の１つの内容にモ
ジュロ２で加算される。この加算はＬＦＳＲおよびレジ
スタ内容の何らかの関数となり得るアドレス信号を発生
する。このアドレスは次にアドレスバス３１５に沿って
伝達され予めプログラムされたＲＡＭルックアップテー
ブル３５０をアドレスする。その後、該アドレス信号に
対応するＲＡＭルックアップテーブルのエントリ３１７
は比較器回路３３０に送られる。該比較器３３０はＲＡ
Ｍルックアップテーブルのエントリ３１７を、この場合
、ＬＦＳＲの内容に選択的に加算されたレジスタの内容
である、基準ビットパターン３１９と比較する。他の基
準ビットパターン、たとえば、ＬＦＳＲの内容、フリッ
プフロップの内容、ラッチの内容、シフトレジスタの内
容、ワーキングレジスタの内容、メモリ装置のアドレス
の内容、またはソフトウエア変数の内容を利用すること
も可能であることが理解されるであろう。
【００１７】ルックアップテーブルのエントリ３１７お
よび基準ビットパターンの値３１９が比較にならないも
のと仮定すると、ＬＦＳＲ　　３００の出力信号３０３
は変更されないであろう。しかしながら、比較に応じて
、比較器３３０は、制御ライン３３２を介し、スイッチ
Ｓ２を開くよう指令する。この実施例によれば、各比較
は少なくとも１ビットをＬＦＳＲ　　３００によって発
生されるＰＮシーケンス３０３からドロップさせる。Ｐ
Ｎシーケンス３０３の少なくとも１ビットを無視するこ
のプロセスはシーケンス３０３に決定論的に非線形性を
導入し、それによって決定論的ビットパターン３０５を
生成する１つの方法にすぎない。
【００１８】他の代わりの方法は単にＰＮシーケンスの
少なくとも１ビットをマスキングする。そのような実施
例では、スイッチＳ２は信号インバータに置き換えられ
るであろう。従って、比較器３３０による各比較に応じ
て、ＰＮシーケンスの少なくとも１ビットの状態が反転
される。再び、ＰＮシーケンスの少なくとも１ビットを
マスキングするこのプロセスは決定論的ビットパターン
３０５を生成するためにシーケンス３０３に決定論的に
非線形性を導入する効果的な手段であり、それにより元
のＰＮシーンス３０３を事実上アタックに耐えるものと
する。
【００１９】さらに他の実施例はある特定のトリガ状態
の発生に応じて元のＰＮシーケンス３０３の少なくとも
１ビットの相対的な位置を変更することにより非線形性
をＬＦＳＲ出力のＰＮシーケンスに決定論的に導入する
ことを示唆する。従って、本発明に独特なことはＬＦＳ
Ｒ出力を暗号アタックから保護するためにＬＦＳＲの出
力信号のシーケンス３０３に非線形性を決定論的に導入
することである。この方式により、暗号解読者の仕事は
よりますます困難となり、それによりクリプトシステム
を事実上解読不能にする。本発明の特定の実施例がここ
で述べられたが、この開示の精神から離れることなくさ
らに別の変更を行うことが可能なことは明らかである。
【００２０】
【発明の効果】以上要するに、本発明は暗号アタックか
らリニアフィートバック・シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）
により発生される擬似ランダム（ＰＮ）信号を保護する
方法を開示する。これは最初にＬＦＳＲ　　３００によ
って発生されるＰＮ出力信号３０３を受信することによ
り、またはＬＦＳＲをＰＮ出力信号を生成するよう刻時
することにより達成される。その後、ＰＮ信号の少なく
とも１ビットの状態をマスキングまたは無視し、あるい
はＰＮ信号の少なくとも１ビットのロケーションを入れ
替えることにより非線形性が決定論的に（ｄｅｔｅｒｍ
ｉｎｉｓｔｉｃａｌｌｙ）ＰＮ信号に導入され決定論的
なビットパターン３０５が生成される。次に、この決定
論的なビットパターン３０５はＬＦＳＲのＰＮ信号３０
３と置き換えられ、それによりＰＮ信号３０３を暗号ア
タックから保護する。
【図面の簡単な説明】
【図１】簡単なＬＦＳＲの構成を示すブロック図（ａ）
および該ＬＦＳＲの信号状態を示す状態図（ｂ）である
。
【図２】暗号チャネルのモデルを示す説明的ブロック図
である。
【図３】本発明に関わる暗号システムの一部を示すブロ
ック図である。
【符号の説明】
１００，３００　　リニアフィードバック・シフトレジ
スタ（ＬＦＳＲ） １１，１２，１３，１４　　フリップフロップ１５　　
排他的ＯＲゲート ２００　　暗号チャネル ２１０，２２０　　ＰＮ信号発生器 ３１０　　排他的ＯＲゲート ３２０，３２１，…，３２７　　レジスタ３３０　　比
較器 ３５０　　ランダムアクセスメモリ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　擬似ランダム（ＰＮ）信号発生器（３
    ００）により発生されるＰＮ信号（３０３）を暗号アタ
    ックから保護する方法であって、決定論的なビットパタ
    ーン（３０５）を生成するために前記ＰＮ信号（３０３
    ）に非線形性を決定論的に導入する段階、そして前記Ｐ
    Ｎ信号（３０３）を前記決定論的ビットパターン（３０
    ５）により置き換える段階、を具備し、それにより前記
    ＰＮ信号（３０３）が暗号アタックから保護されること
    を特徴とするＰＮ信号発生器（３００）により発生され
    るＰＮ信号（３０３）を暗号アタックから保護する方法
    。
  2. 【請求項２】　　前記ＰＮ信号（３０３）に決定論的に
    非線形性を導入する段階はさらに、前記ＰＮ信号（３０
    ３）の少なくとも１ビットを変更する段階を含むことを
    特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】　　前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも
    １ビットを変更する段階はさらに、前記ＰＮ信号発生器
    （３００）の内容の少なくとも一部をレジスタ（３２０
    −３２７）の内容の少なくとも一部に加算してアドレス
    を得る段階、前記アドレスに対応するロケーションにお
    いて、ルックアップテーブル（３５０）からルックアッ
    プテーブルのエントリ（３１７）を取り出す段階、そし
    て前記ルックアップテーブルのエントリ（３１７）をあ
    る基準（３１９）と比較して整合を判定する段階、を含
    むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】　　前記加算段階はモジュロ２の加算であ
    ることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】　　前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも
    １ビットを変更する段階は、比較に応じて、前記ＰＮ信
    号（３０３）の少なくとも１ビットの状態をマスキング
    すること、 前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも１ビットの状態を
    無視すること、および 前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも１ビットのロケー
    ションを再配置するこ と、からなる変更方法のグループから選択された変更方
    法であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】　　前記基準（３１９）は、ＬＳＦＲの内
    容、 フリップフロップの内容 ラッチの内容 シフトレジスタの内容、 ワーキングレジスタの内容 メモリ装置のアドレスの内容、および ソフトウエア変数の内容、 からなるビットパターンのグループから選択された１つ
    のビットパターンであることを特徴とする請求項３に記
    載の方法。
  7. 【請求項７】　　リニアフィードバック・シフトレジス
    タ（３００）により発生される擬似ランダム（ＰＮ）信
    号（３０３）を暗号アタックから保護する方法であって
    、ＰＮ信号（３０３）を生成するためにＬＦＳＲ（３０
    ０）を刻時する段階、決定論的ビットパターン（３０５
    ）を生成するために前記ＰＮ信号（３０３）の少なくと
    も１ビットを変更する段階、そして前記ＰＮ信号（３０
    ３）を前記決定論的ビットパターン（３０５）で置き換
    える段階、を具備し、それにより前記ＰＮ信号（３０３
    ）を暗号アタックから保護するために該ＰＮ信号（３０
    ３）に非線形性が決定論的に導入されることを特徴とす
    るＰＮ信号（３０３）の保護方法。
  8. 【請求項８】　　前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも
    １ビットを変更する段階は、さらに、前記ＬＦＳＲ（３
    ００）の内容をレジスタ（３００−３２７）の内容に加
    算してアドレスを得る段階、前記アドレスに対応するロ
    ケーションにおいてルックアップテーブル（３５０）か
    らルックアップテーブルのエントリ（３１７）を取り出
    す段階、そして前記ルックアップテーブルのエントリ（
    ３１７）を基準（３１９）と比較して整合を判定する段
    階、を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】　　前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも
    １ビットを変更する段階は、比較に応じて、前記ＰＮ信
    号（３０３）の少なくとも１ビットの状態をマスキング
    すること、前記ＰＮ信号（３０３）の少なくとも１ビッ
    トの状態を無視すること、および前記ＰＮ信号（３０３
    ）の少なくとも１ビットのロケーションを再配置するこ
    と、からなる変更方法のグループから選択された１つの
    変更方法であることを特徴とする請求項８に記載の方法
    。
  10. 【請求項１０】　　リニアフィードバック・シフトレジ
    スタ（３００）により発生される擬似ランダム（ＰＮ）
    シーケンス（３０３）を暗号アタックから保護する方法
    であって、ＬＦＳＲ（３００）を刻時してＰＮシーケン
    ス（３０３）を生成する段階、前記ＬＦＳＲ（３００）
    の内容の少なくとも一部をレジスタ（３２０−３２７）
    の内容に加算してアドレスを得る段階、前記アドレスに
    対応するロケーションにおいてルックアップテーブル（
    ３５０）からルックアップテーブルのエントリ（３１７
    ）を取り出す段階、前記ルックアップテーブルのエント
    リ（３１７）を基準（３１９）と比較して整合を判定す
    る段階、比較に応じて前記ＰＮシーケンス（３０３）の
    少なくとも１ビットを変更し、決定論的ビットパターン
    （３０５）を生成する段階、そして前記ＰＮシーケンス
    （３０３）を前記決定論的ビットパターン（３０５）で
    置き換える段階、を具備し、それにより前記ＰＮ信号（
    ３０３）を暗号アタックから保護するために該ＰＮ信号
    （３０３）に決定論的に非線形性が導入されることを特
    徴とするＰＮシーケンス（３０３）の保護方法。
  11. 【請求項１１】　　リニアフィードバック・シフトレジ
    スタ（３００）により発生される擬似ランダム（ＰＮ）
    信号（３０３）を暗号アタックから保護するための装置
    であって、ＰＮ信号（３０３）に決定論的に非線形性を
    導入して決定論的ビットパターン（３０５）を生成する
    ための手段（３５０，３１７，３３０，３１９，３３２
    および３２０−３２７）、そして前記決定論的に非線形
    性を導入する手段に結合され、前記ＰＮ信号（３０３）
    を前記決定論的ビットパターン（３０５）で置き換える
    ための置き換え手段（Ｓ２）、を具備し、それにより前
    記ＰＮ信号（３０３）が暗号アタックから保護されるこ
    とを特徴とするＰＮ信号（３０３）を保護するための装
    置。
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