JPH07104976A - 擬似乱数発生装置 - Google Patents

擬似乱数発生装置

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JPH07104976A
JPH07104976A JP5274935A JP27493593A JPH07104976A JP H07104976 A JPH07104976 A JP H07104976A JP 5274935 A JP5274935 A JP 5274935A JP 27493593 A JP27493593 A JP 27493593A JP H07104976 A JPH07104976 A JP H07104976A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は暗号通信装置などで擬似乱数を発生
するために用いられる擬似乱数発生装置に関し、コリレ
ーションアタックによって初期状態を推定することが困
難な擬似乱数発生装置を提供することを目的とする。 【構成】 複数の線形フィードバックシフトレジスタ1
1〜11nは互いに同一のクロックが入力されることに
より同期して動作する。非線形関数回路12は複数の線
形フィードバックシフトレジスタ111〜11nの出力ビ
ット列をそれぞれ非線形関数で結合する。シフトレジス
タ13は前記クロックの入力毎に記憶内容を1ビット右
へシフトすると共に、非線形関数回路12の出力1ビッ
トを左端のビットに記憶する。加算器14はシフトレジ
スタ13の記憶ビットのうち予め定められた一部又は全
部の記憶ビットと非線形関数回路12の出力ビット列と
を加算して擬似乱数を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は擬似乱数発生装置に係
り、特に暗号通信装置などで擬似乱数を発生するために
用いられる擬似乱数発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、電話、モデムあるいはテレビ
ジョン放送などの通信システムにおける伝送情報が第三
者によって盗聴されないようにするため、送信情報に擬
似乱数を排他的論理和加算することにより送信情報を暗
号化する暗号通信装置では、擬似乱数発生装置を用い
る。この擬似乱数発生装置としては、従来より線形フィ
ードバックシフトレジスタを用いたものなどが知られて
いる(特開平2−90320号公報など)。
【0003】図2は従来の擬似乱数発生装置の一例の構
成図を示す。この従来の擬似乱数発生装置は線形フィー
ドバックシフトレジスタで、1982年にエージアン・
パーク・プレスから発刊されたゴロム他著「シフトレジ
スタ・シーケンシーズ」(Solomon W.Gol
omb,Lloyd R.Weich,Richard
M.Goldstein,and Alfred
W.Hales,”Shift Register S
equences(Revised Editio
n)”,Aegean Park Press,198
2)や、1993年に共立出版株式会社より発刊された
岡本栄司著「暗号理論入門」などの文献に記載されてい
る。
【0004】図2において、擬似乱数発生装置20はL
ビットのシフトレジスタ21と、排他的論理和回路22
とよりなる。シフトレジスタ21は乱数入力端子23、
モード制御信号入力端子24及びクロック入力端子25
に接続され、また排他的論理和回路22の出力端子26
に接続されており、入力端子24より入力されるモード
制御信号が「1」のときに入力端子25よりクロックが
1個入力されると、入力端子23より供給されるLビッ
トの乱数を記憶する。
【0005】この擬似乱数発生装置(線形フィードバッ
クシフトレジスタ)20を使用する前は上記のようにし
て、まず入力端子23よりのLビットの乱数を初期値と
してシフトレジスタ21に記憶させておく。このシフト
レジスタ21のLビットの出力のうち一又は二以上の予
め定められた出力が排他的論理和回路22に供給され
る。排他的論理和回路22の出力信号はシフトレジスタ
21のシリアル入力端子に入力される。
【0006】次に、擬似乱数を発生する時には、入力端
子24より入力されるモード制御信号を「0」にし、入
力端子25にクロックを供給する。シフトレジスタ21
は入力端子24より入力されるモード制御信号が「0」
のときに、入力端子25よりクロックが1個供給される
と、記憶しているビット系列を右に1ビットシフトす
る。これにより、シフトレジスタ21に記憶されている
Lビットの情報のうち右端の1ビットが捨てられ、か
つ、排他的論理和回路22の1ビットの出力信号がシフ
トレジスタの左端の1ビットに格納される。
【0007】以下、上記と同様にしてモード制御信号が
「0」の状態のままクロックが入力される毎に、シフト
レジスタ21の記憶ビット系列が1ビットずつ右へシフ
トされ、かつ、排他的論理和回路22の出力信号がシフ
トレジスタ21の左端のビットにその都度格納されてい
く。排他的論理和回路22の出力ビット系列はまた、出
力端子26へ擬似乱数としてシリアルに出力される。
【0008】図3は従来の擬似乱数発生装置の他の例の
構成図を示す。この従来の擬似乱数発生装置30は、1
973年にエレクトロニクス誌1月号に掲載されたゲッ
フェの論文「ハウツー・プロテクト・データ・ウィズ・
サイファーズ・ザット・アー・リアリィ・ハード・ツー
・ブレイク」(Philip R.Geffe,”Ho
w to protect data with ci
phers thatare really hard
to break”,Electronics,Ja
nuary 4,1973,pp.99−101)や、
1993年に共立出版株式会社から発行された前記「暗
号理論入門」などの文献に記載されている擬似乱数発生
装置で、複数の線形フィードバックシフトレジスタ31
1 〜31n の出力信号を非線形関数回路32により結合
して擬似乱数を発生して出力端子36へ出力する構成で
ある。
【0009】複数の線形フィードバックシフトレジスタ
311 〜31n はシフトレジスタの長さは必ずしも等し
くはないが、それぞれは図2と同様の構成であり、ま
た、入力端子33から初期値となるL1 ビット、L2
ット、・・・、Ln ビットの乱数がそれぞれ入力され、
また入力端子34からモード制御信号が共通に入力され
ると共に入力端子35からクロックが共通に入力される
構成とされている。
【0010】非線形関数回路32は入力と出力の関係が
排他的論理和だけで表現できないような回路であり、論
理回路で構成されることもあるし、リード・オンリ・メ
モリ(ROM)で構成されることもある。3入力(n=
3)の場合の非線形関数回路32は例えば図4に示す如
き回路構成とされる。同図において、非線形関数回路3
2は2入力AND回路321及び323、インバータ3
22及び2入力OR回路324よりなる。
【0011】AND回路321は入力端子325及び3
26を介して入力される1番目と2番目の2つの線形フ
ィードバックシフトレジスタの出力ビット系列が入力さ
れてそれらの論理積をとる。AND回路323は入力端
子327を介して入力される3番目の線形フィードバッ
クシフトレジスタの出力ビット系列と、入力端子326
を介して入力される2番目の線形フィードバックシフト
レジスタの出力ビット系列をインバータ322で極性反
転したビット系列とが入力されてそれらの論理積をと
る。OR回路324はAND回路321及び323の出
力ビット系列の論理和をとり、その論理和信号を出力端
子328(図3の36)へ出力する。
【0012】図3に示す従来の擬似乱数発生装置では、
まず入力端子34より線形フィードバックシフトレジス
タ311 〜31n へ「1」のモード制御信号を入力する
と共に入力端子35より1個のクロックを入力して、そ
れぞれに入力端子33よりの初期値となるL1 ビット、
2 ビット、・・・、Ln ビットの乱数を格納する。次
に、モード制御信号を「0」とし、入力端子35を介し
てクロックを順次入力する。これにより図2と同様にし
て線形フィードバックシフトレジスタ311 〜31n
り乱数がシリアルに出力される。
【0013】非線形関数回路32はこれらの線形フィー
ドバックシフトレジスタ31 〜31よりの各出力
を非線形関数で結合して擬似乱数を生成し、その擬似乱
数を出力端子36へ出力する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、図2に示し
た従来の擬似乱数発生装置20は擬似乱数系列の一部分
がわかると、線形方程式をたてることで線形フィードバ
ックシフトレジスタの初期状態が簡単に推定することが
できるという問題がある。
【0015】これに対し、図3に示した従来の擬似乱数
発生装置30は非線形関数で結合した擬似乱数を出力す
るようにしているから、図2の従来装置20に比し初期
状態を推定することは困難であるが、これを送信データ
に擬似乱数を加算して暗号化する暗号通信装置に適用し
た場合は、もし非線形関数回路32の入力の一部分を条
件付けたときの出力分布に偏りがあると、コリレーショ
ンアタックあるいは系列相関と呼ばれる解読方法で解読
できることが知られている(例えば、米国の電気電子技
術者協会の1984年発刊の会誌に掲載されたシーゲン
ザラーの論文「コリレーション・イミュニティー・オブ
・ノンリニアー・コンバイニング・ファンクションズ・
フォア・クリプトグラフィック・アプリケーションズ」
(T.Siegenthaler,”Correlat
ion−Immunity ofNonlinear
Combining Functions for C
ryptographic Application
s”,IEEE Transactions on I
nformation Theory,vol.IT−
30,No.5,pp.776−780,Septem
ber 1984)や、前記共立出版株式会社の199
3年発刊の「暗号理論入門」参照)。
【0016】コリレーションアタックで解読されないよ
うにするには、非線形関数回路32の条件付き出力分布
を一様になるように設計すればよいのだが、非線形関数
回路32の入力が3ビットのようにビット数が少ない場
合は、出力分布を一様にすることができない。従って、
従来の擬似乱数発生装置30では、安全で装置規模の小
さな暗号通信装置が実現できないという問題がある。
【0017】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
コリレーションアタックによって初期状態を推定するこ
とが困難な擬似乱数発生装置を提供することを目的とす
る。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、互いに同一のクロックが入力されることに
より同期して動作する複数の線形フィードバックシフト
レジスタと、複数の線形フィードバックシフトレジスタ
の出力ビット列をそれぞれ非線形関数で結合する非線形
関数回路と、前記クロックの入力毎に記憶内容を1ビッ
ト右へシフトすると共に、非線形関数回路の出力1ビッ
トを左端のビットに記憶するシフトレジスタと、複数の
線形フィードバックシフトレジスタとシフトレジスタに
それぞれ初期値を設定する設定手段と、シフトレジスタ
の記憶ビットのうち予め定められた一部又は全部の記憶
ビットと非線形関数回路の出力ビット列とを加算する加
算器とを有する構成としたものである。
【0019】
【作用】長さLビットの乱数に存在する「1」の数が奇
数個である確率は、「1」の発生確率が0でない限り、
Lが大きくなるにつれて1/2に漸近する。従って、
「0」、「1」の発生確率に偏りのある乱数をシフトレ
ジスタに入力して記憶した後、そのシフトレジスタから
の乱数を加算することにより、「0」、「1」の発生確
率に偏りのない乱数を得ることができる。この方法は物
理的な手段によって発生された乱数の出力分布を一様に
するために使われる方法で、公知である(例えば、前記
「暗号理論入門」参照)。
【0020】本発明はこの方法を利用するもので、非線
形関数回路の出力ビット系列をシフトレジスタに入力
し、非線形関数回路の出力ビット系列とシフトレジスタ
の全部又は一部のビット出力とを前記加算器により加算
することにより、非線形関数回路の条件付き出力分布を
一様にする。ただし、ある時刻におけるシフトレジスタ
の記憶状態がわかっていると、加算器の出力から非線形
関数回路からシフトレジスタに新しく入力されるビット
の値がわかる場合がある。従って、このような方法で非
線形関数回路の条件付き出力分布を一様にして、上記の
加算器の出力乱数を送信情報に加算して暗号化しても、
シフトレジスタの初期状態(初期値)さえわかれば、依
然としてコリレーションアタックにより暗号が解読され
てしまう。
【0021】そこで、本発明では擬似乱数を発生する前
に、シフトレジスタに前記設定手段により乱数を初期値
として設定する。これにより、第三者は非線形関数回路
の出力がわからなくなる。ただし、シフトレジスタの長
さが短いと、試行錯誤によってシフトレジスタの初期値
を推定することは可能であるため、シフトレジスタの長
さは、計算機でしらみつぶしの試行錯誤によって初期値
が推定できない程度の長さに設定する必要がある。
【0022】このように、本発明では、非線形関数回路
の出力ビット系列をシフトレジスタと加算器により畳み
込むことにより、擬似乱数を加算器より出力するように
しているため、条件付き出力分布に偏りのある非線形関
数回路を用いても、擬似乱数の条件付き出力分布を一様
にすることができる。
【0023】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図1
は本発明の一実施例の構成図を示す。同図において、擬
似乱数発生装置10は、n個(ただし、nは2以上の整
数)の線形フィードバックシフトレジスタ111 〜11
n と、線形フィードバックシフトレジスタ111 〜11
n の各出力ビット列を予め定められた非線形関数で結合
する非線形関数回路12と、非線形関数回路12の出力
ビット列が入力されるシフトレジスタ13と、シフトレ
ジスタ13の予め定められた一部又は全部のビット出力
と非線形関数回路12の出力ビット列とがそれぞれ入力
されてこれらを加算する加算器14とより構成されてい
る。
【0024】入力端子15は初期値となる乱数をn個の
線形フィードバックシフトレジスタ111 〜11n とシ
フトレジスタ13とに入力する。入力端子16はモード
制御信号入力端子、入力端子17はクロック入力端子
で、それぞれ線形フィードバックシフトレジスタ111
〜11n とシフトレジスタ13とに共通に入力される。
n個の線形フィードバックシフトレジスタ111 〜11
n は、それぞれ図2に示した構成と同様に、シフトレジ
スタとその出力のうち予め定められたビット出力を排他
的論理和演算してシフトレジスタに入力すると共に出力
する加算器とよりなるが、そのシフトレジスタの長さは
それぞれL1 ビット、L2 ビット、...、Ln ビット
である。ここで、上記のL1 〜Ln は例えばn=5の場
合、16ビットから30ビットまでのどれかに設定さ
れ、通常は互いに異なるように設定されるが、一部は同
一の長さのものがあってもよい。
【0025】シフトレジスタ13はその長さがL0 ビッ
トで、計算機のしらみつぶしの試行錯誤によって初期値
が推定できないように最低でも30〜60ビットの長さ
に設定される。加算器14は非線形関数回路12の出力
ビット列と、シフトレジスタ13のL0 ビット並列出力
のうち予め定められた一部又は全部の出力とが入力され
てモジュロ2の加算を行う回路で、排他的論理和回路あ
るいは排他的否定論理和回路により構成されている。
【0026】次に本実施例の動作について説明する。ま
ず、線形フィードバックシフトレジスタ111 〜11n
とシフトレジスタ13にそれぞれ入力端子16より
「1」の値のモード制御信号が入力されると共に、入力
端子17よりクロックが1個入力される。これにより、
入力端子15に入力されるL0 +L1 +L2 +...+
n ビットの乱数のうち、L1 ビット、L2 ビッ
ト、...、Ln ビットの乱数部分がそれぞれ線形フィ
ードバックシフトレジスタ111 、112 、...、1
n 内のシフトレジスタに初期値として格納され、か
つ、シフトレジスタ13にL0 ビットの乱数部分が初期
値として格納される。
【0027】加算器14は非線形関数回路12の出力ビ
ットと、シフトレジスタ13のL0ビットの初期値のう
ち予め定められた出力ビットとが入力されてモジュロ2
の加算を行い、得られた加算結果を出力端子18へ出力
する。
【0028】次に、入力端子16より線形フィードバッ
クシフトレジスタ111 〜11n とシフトレジスタ13
にそれぞれ入力されるモード制御信号が「0」に切り換
えられる。この状態で、線形フィードバックシフトレジ
スタ111 〜11n とシフトレジスタ13にそれぞれ入
力端子17を介してクロックが1個入力されると、線形
フィードバックシフトレジスタ111 〜11n 内のシフ
トレジスタに記憶されている各初期値が1ビット右へシ
フトされて右端の1ビットが捨てられ、かつ、線形フィ
ードバックシフトレジスタ111 〜11n 内のシフトレ
ジスタの左端の1ビットに内部の加算器の出力1ビット
が格納されるとともに、外部の非線形関数回路12へ出
力される。
【0029】これにより、非線形関数回路12は線形フ
ィードバックシフトレジスタ111〜11n 内のシフト
レジスタに初期値が記憶されているときに出力されてい
る最初の線形フィードバックシフトレジスタ111 〜1
n の各出力を非線形関数で結合して得た最初の値に続
いて、上記の1ビットシフトに基づく2番目の各出力を
非線形関数で結合して得た2番目の値を出力する。
【0030】一方、シフトレジスタ13は上記の線形フ
ィードバックシフトレジスタ111〜11n 内のシフト
レジスタの動作と同様に、入力端子17を介してクロッ
クが1個入力されると、記憶しているL0 ビットの初期
値を1ビット右へシフトして右端の1ビットを捨て、か
つ、左端の1ビットに非線形関数回路12の出力1ビッ
ト(上記の1番目の値)を取り込む。
【0031】加算器14は非線形関数回路12から出力
される上記2番目の値と、1ビット右へシフト動作した
後のシフトレジスタ13のL0 ビット並列出力のうち予
め定められた出力ビットとが入力されてモジュロ2の加
算を行い、得られた加算結果を出力端子18へ出力す
る。
【0032】以下、上記と同様にして、モード制御信号
の値を「0」に保持したままで、例えば20MHzのク
ロックが入力される毎に出力端子18に擬似乱数が1ビ
ットずつ出力される。ここで、上記のクロックは入力端
子17を介して線形フィードバックシフトレジスタ11
1 〜11n とシフトレジスタ13にそれぞれ共通に入力
されるため、線形フィードバックシフトレジスタ111
〜11n とシフトレジスタ13は同期して動作する。
【0033】このようにして、本実施例によれば、非線
形関数回路12の出力ビット系列をシフトレジスタ13
と加算器14により畳み込むことにより、擬似乱数を加
算器14より出力するようにしているため、条件付き出
力分布に偏りのある非線形関数回路12を用いても、擬
似乱数の条件付き出力分布を一様にすることができ、従
ってコリレーションアタックを用いても解読することが
できない暗号用の擬似乱数を生成することができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
条件付き出力分布に偏りのある非線形関数回路を用いて
も、擬似乱数の条件付き出力分布を一様にすることがで
きるため、装置規模の小さな3入力の非線形関数回路を
用いても、コリレーションアタックによって解読できな
い暗号通信装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成図である。
【図2】従来の一例の構成図である。
【図3】従来の他の例の構成図である。
【図4】非線形関数回路の一例の回路図である。
【符号の説明】
10 擬似乱数発生装置 111 〜11n 線形フィードバックシフトレジスタ 12 非線形関数回路 13 シフトレジスタ 14 加算器 15 乱数入力端子 16 モード制御信号入力端子 17 クロック入力端子 18 擬似乱数出力端子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いに同一のクロックが入力されること
    により同期して動作する複数の線形フィードバックシフ
    トレジスタと、 該複数の線形フィードバックシフトレジスタの出力ビッ
    ト列をそれぞれ非線形関数で結合する非線形関数回路
    と、 前記クロックの入力毎に記憶内容を1ビット右へシフト
    すると共に、該非線形関数回路の出力1ビットを左端の
    ビットに記憶するシフトレジスタと、 該複数の線形フィードバックシフトレジスタと該シフト
    レジスタにそれぞれ初期値を設定する設定手段と、 該シフトレジスタの記憶ビットのうち予め定められた一
    部又は全部の記憶ビットと該非線形関数回路の出力ビッ
    ト列とを加算する加算器とを有し、前記クロックに同期
    して前記加算器より擬似乱数を出力することを特徴とす
    る擬似乱数発生装置。
  2. 【請求項2】 前記複数の線形フィードバックシフトレ
    ジスタは、互いに全部又は一部が異なる長さのシフトレ
    ジスタをそれぞれ有することを特徴とする請求項1記載
    の擬似乱数発生装置。
  3. 【請求項3】 前記シフトレジスタは計算機による試行
    錯誤で初期値が判別できない長さであり、前記加算器は
    排他的論理和回路又は排他的否定論理和回路で構成され
    ていることを特徴とする請求項1記載の擬似乱数発生装
    置。
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