NL8602847A

NL8602847A - Werkwijze voor het vercijferen/ontcijferen en inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.

Info

Publication number: NL8602847A
Application number: NL8602847A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1988-06-01
Also published as: JP2628660B2; EP0267647A2; JPS63135035A; AU8095087A; US4890324A; EP0267647A3; AU611653B2; CA1291801C

Description

«F *· * PHN 11.925 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Werkwijze voor het vercijferen/ontcijferen en inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vercijferen van informatie-bevattende digitale datasignalen met behulp van vercijfersleutels en voor het ontcijferen van een aldus vercijferde boodschap onder gebruikmaking van dezelfde sleutel.

5 Een dergelijke werkwijze is bijvoorbeeld bekend uit de

Europese Octrooiaanvrage 0011615. De sleutel bestaat gewoonlijk uit een lange reeks van binaire getallen (enen en nullen). Door bij de te versleutelen, klare tekst de sleutel op te tellen (meestal exclusieve-OF per bit) wordt crypto-tekst verkregen. Deze crypto-tekst wordt 10 overgebracht of overgedragen naar een ontvanger alwaar de oorspronkelijke, klare tekst wordt verkregen door van de ontvangen crypto-tekst dezelfde sleutel als in de zender werd benut, af te trekken. Voor toepassingen waar zeer hoge eisen worden gesteld aan de kwaliteit van de vercijfering schiet deze methode tekort.

15 De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen waarmee klare tekst zeer betrouwbaar vercijferd kan worden en foutenvoortplanting ten gevolge van willekeurige transmissiefouten vermeden wordt. Overeenkomstig de uitvinding, bezit de werkwijze voor het vercijferen van het in de aanhef vermelde type daarvoor het kenmerk 20 dat de te vercijferen datasignalen worden bewerkt met een vercijfersleutel die wordt afgeleid uit een sleuteltekst en dat de aard van de bewerking die wordt uitgevoerd op de te vercijferen datasignalen wordt bepaald door een instructiecommando dat eveneens wordt afgeleid uit de sleuteltekst.

25 Een voordeel van deze werkwijze is dat het aantal bewerkingen dat kan worden uitgevoerd op de klare tekst/sleutel combinatie (zeer) groot is. In tegenstelling daarmee zijn in het conventionele systeem slechts twee bewerkingen mogelijk namelijk optellen (met modulo-2) en optellen gevolgd door inverteren. Een verder 30 voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat er geen fouten voortplanting optreedt: één fout ontvangen crypto-tekst karakter veroorzaakt niet meer dan één fout karakter in de klare tekst.

.8602847 PHN 11.925 2 *

De uitvinding berust op het inzicht dat een 'spoofer' de gebruikte bewerkingsfunctie moet kennen om met succes te kunnen 'spoofen'. Doordat voor elk te vercijferen karakter een - in statistische zin - unieke functie wordt gekozen, is de kans op succes 5 voor de 'spoofer' omgekeerd evenredig met het aantal mogelijke functies tot de macht van het aantal te spoofen karakters en kan dus willekeurig klein gemaakt worden.

Het is gunstig dat tot de bewerkingen die worden uitgevoerd, behoort het cyclisch verwisselen van de bits van het te 10 vercijferen karakter over 0 tot (n-1) bits, waarbij het te vercijferen karakter n bits bevat.

Het is voordelig dat tot de bewerkingen die worden uitgevoerd, behoort het modulo-2ra optellen van het sleutelkarakter of groepen bits daarvan bij het te vercijferen karakter of groepen van bits 15 daarvan, waarbij m elke waarden tussen 1 en n kan aannemen.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze. Deze inrichting heeft overeenkomstig de uitvinding daartoe het kenmerk dat de inrichting een besturingsinrichting bevat waarvan een ingang is verbonden met de 20 sleuteltekstgenerator en waarvan een eerste ingang is verbonden met de vercijfereenheid voor het toevoeren van een sleutelkarakter en waarvan een tweede ingang eveneens is verbonden met de vercijfereenheid voor het toevoeren van het instructiecommando en dat de vercijferinrichting middelen bevat voor het onder bestuur van het instructiecommando en het 25 sleutelkarakter vercijferen van een karakter van de digitale datasignalen.

Verdere met voordeel toe te passen bijzonderheden zullen naar voren treden uit het hierna aan de hand van de tekening beschreven uitvoeringsvoorbeeld. Daarbij toont: 30 Figuur 1: een schema van een vercijferinrichting overeenkomstig de uitvinding; en

Figuur 2: een voorbeeld van de bitpatronen zoals die optreden in de vercijferinrichting volgens figuur 1.

Figuur 1 toont een inrichting voor het op karakter basis 35 vercijferen op basis van het zogenoemde 'streamcipher'-principe.

Karakters zijn meerder bits bevattende samenstellingen van bits, welke karakters gezamelijk een alfabet vormen zoals bijvoorbeeld het ASCII of .8602847 * PHN 11.925 3 het BAUDOT alfabet. De te vercijferen klare tekst wordt via een bus 10, die bijvoorbeeld net zoveel signaaldraden bevat als een karakter bits heeft, toegevoerd aan een vercijfereenheid 11. Via bewerking van de klare tekst verschijnt aan de uitgang 12 van vercijfereenheid 11 de 5 cryptotekst. De uitgang 12 wordt bijvoorbeeld eveneens gevormd door een bus die net zoveel signaaldraden bezit als een cryptokarakter bits heeft. De bewerking van de klare tekst vindt plaats door een op de vercijfereenheid 11 aangesloten besturingsinrichting 13. De besturingsinrichting bezit een eerste uitgang 14 via welke uitgang een 10 zogenoemde sleutel K aan de vercijfereenheid 11 wordt aangeboden. De sleutel K bezit een reeks binaire getallen ('enen' en 'nullen') in een pseudo random volgorde welke op een nog verder te beschrijven wijze worden opgewekt. De sleutel bevat geen stationair patroon van binaire getallen maar benut een steeds wisselend beeld.

15 De besturingsinrichting 13 bevat verder een tweede uitgang 15 via welke een instructiecommando aan de vercijferingsinrichting kan worden overgedragen. Het instruktiecommando specificeert de aard van de bewerkingsfunctie die door vercijferinrichting 11 op de klare tekst en sleutel moet worden 20 uitgevoerd. Zij de klare tekst P ('plain tekst') en de sleutel k ('key') en de vercijferde tekst C ('crypto text') dan specificeert het instructiecommando de functie waarmee de crypto-tekst C wordt verkregen door de klare tekst P te onderwerpen aan de bewerking F met sleutel k. In formule: 25 C = Fk(P) (1)

In de ontvanger vindt de inverse bewerking plaats en wordt de ontvangen crypto-tekst ontcijferd volgens: P - Fk1(C) (2)

Hieruit blijkt dat de bewerkingsfunctie F bij voorkeur 30 van een type dient te zijn dat 'gemakkelijk' inverteerbaar is als k bekend is.

De sleutel en het instructiecommando wordt afgeleid van een pseudo random sleuteltekst generator 17. Deze generator bevat een data-standaard-vercijfereenheid 19 (DES) in de OFB-mode (Output 35 feedback mode) welke zoals de figuur laat zien een autonome streamcipher is. DES data-standaard-vercijfereenheden zijn op zichzelf bekend. Zie bijvoorbeeld het artikel van W. Diffie en M.E. Heilman .8602847 PHN 11.925 4 getiteld 'Privacy and authentication : an introduction to cryptography', dat is verschenen in Proc. IEEE Vol. 67, No.3, maart 1979, biz. 397-427 en in het bijzonder figuur 13 en de daarbij behorende tekst.

Aan een eerste ingang 20 van de data-standaard-5 vercijfereenheid 19 wordt een sleutel K toegevoerd. Op basis daarvan genereert de data-standaard vercijfereenheid 19 aan een uitgang 18 een pseudo-random sleutel tekst van bijvoorbeeld 64 bits. Deze tekst wordt zowel toegevoerd aan de besturingsinrichting 13 als - via bus 22 - aan een ingang van register 21. Bij de volgende opwekking van een volgende 10 pseudo random sleuteltekst wordt uitgegaan van (een deel van) de vorige tekst en de sleutel K. Daartoe is een uitgang van het register 21 aangesloten op een tweede ingang 23 van de data-standaard-vercijfereenheid 19.

Hoewel dus voor de in figuur 1 getoonde pseudo-random-15 sleuteltekst generator 17 gebruik wordt gemaakt van een DES OFB streamcipher is die realisatievorm geenszins wezenlijk voor de uitvinding: elke andere realisatie van sleuteltekstgenerator 17 is evenzeer bruikbaar mits op uitgang 18 een signaal van het gewenste type beschikbaar is.

20 De werking van de vercijferinrichting 13 is als volgt.

Uit de via bus 18 aangeboden sleuteltekst wordt een sleutelkarakter afgeleid. Indien de te vercijferen klare tekst uit woorden van acht bits bestaat, wordt bijvoorbeeld een sleutelkarakter van eveneens acht bits geselecteerd. Dat kunnen zijn bijvoorbeeld de eerste acht (of de laatste 25 of de middelste etc.) bits van de sleuteltekst die via bus 18 wordt aangeboden. Tevens wordt uit de aangeboden tekst een instructiecommando afgeleid. Het instructiecommando is niets meer dan een getal (bijvoorbeeld een binair getal van 7 bits) dat willekeurig waarden kan aannemen in een bepaald, nauwkeurig omschreven veld. Zo kan het getal 30 bijvoorbeeld alle gehele waarden tussen 0 en 127 aannemen. De waarde van het getal bepaalt - zoals hierboven reeds beschreven - de aard van de bewerking die door de vercijfereenheid 11 zal worden uitgevoerd.

Als bewerkingsfunctie F^ kunnen een aantal functies dienst doen. Een mogelijkheid zou kunnen bestaan uit het cyclisch 35 verwisselen van de bits van een karakter van de klare tekst over n posities waarabij n bepaald wordt door een aantal bits van het instructiecommando (dus maximaal 7 posities indien het karakter uit acht ,8602847 $ PHN 11.925 5 bits bestaat). Het karakter 11011001 over 4 posities 'geroteerd' wordt dan 10011101. Een tweede mogelijkheid zou kunnen bestaan uit het modulo-211 optellen van een klare tekst karakter en een sleuteltekst karakter afhankelijk van de waarde van een aantal bits van het 5 instruktiecomuando. Zo zouden de acht bits van een karakter van de klare tekst in vier groepjes van 2 bits modulo-4 kunnen worden opgeteld bij eveneens vier groepjes van telkens 2 bits van het sleuteltekst karakter. Op deze gedachte verder gaand zouden voor karakters van acht bits de volgende acht mogelijkheden bestaan namelijk: 10 a) 8 bits modulo-2 b) 4 maal 2 bits modulo-4 c) 2 maal 3 bit modulo-8 en 1 maal 2 bits modulo 4 d) 2 maal 4 bits modulo-16 e) 1 maal 5 bits modulo-32 en 1 maal 3 bits modulo-8 15 f) 1 maal 6 bits modulo-64 en 1 maal 2 bits modulo-4 g) 1 maal 7 bits modulo-128 en 1 maal bit modulo-2 h) 1 maal 8 bits modulo-256

Tezamen met andere combinaties zijn in het totaal meer dan 100 variaties mogelijk bij een karakter van 8 bits. Het aantal mogelijkheden neemt 20 overigens exponentieel toe met de lengte van het karakter.

Andere dan de hier beschreven categorieën van bewerkingsfuncties zijn ook mogelijk. De bewerkingsfuncties kunnen ook gekombineerd worden zoals aan de hand van het volgende voorbeeld (figuur 2) getoond wordt. Het te vercijferen karakter P (8 bits) is 01101011. Op 25 dit karakter wordt eerst de bewerking cyclisch verwisselen over 2 bits toegepast. Dit levert op het karakter r(P) namelijk 10101101. Deze rotatie kan worden aangeduid door drie bits (voor een rotatie over 0-7 bits te indiceren zijn 3 bits vereist) van het instructiecommando.

Het aldus geroteerde klare tekst karakter wordt daarna op 30 de volgende wijze bewerkt. Het klare tekst karakter r(P) wordt verdeeld in drie groepen, namelijk twee groepen van elk drie bits en één groep van 2 bits. Het sleuteltekstkarakter k (11010011) wordt op dezelfde wijze in drie groepen verdeeld. Daarna worden de overeenkomstige groepen modulo-8 c.q. modulo-4 opgeteld ( conform de 35 hierboven weergegeven mogelijkheid (c)). Ook deze optelling kan worden aangeduid door drie bits van het instructiecommando (c is één van de hierboven genoemde 8 mogelijkheden a tot en met h). Het resulterende .8602847 » PHN 11.925 6 crypto-tekst karakter C is dan 01111100. Dit karakter wordt overgedragen naar een ontvanger en daar ontcijferd.

Een voordeel van deze wijze van vercijferen is dat een fout bijvoorbeeld tengevolge van een storing in de ontvanger tot niet 5 meer dan één fout ontvangen klare tekst karakter aanleiding geeft. Er treedt dus geen foutenvoortplanting op zoals bij vele andere vercijferingsmethodieken.

De vercijfereenheid 11 en de besturingsinrichting 13 kunnen worden gerealiseerd in de vorm van zogenoemde bedrade logica 10 bouwstenen ('wired logic'). Aantrekkelijker is het evenwel de vercijfereenheid te realiseren door middel van de aritmetische en logische eenheid (ALü) van een microprocessor en de besturingsinrichting te implementeren als een programma voor die microprocessor.

.8602847

Claims

1. Werkwijze voor het vercijferen van informatie-bevattende digitale datasignalen net behulp van vercijfersleutels en voor het ontcijferen van een aldus vercijferde boodschap onder gebruikmaking van dezelfde sleutel met het kenmerk dat de te 5 vercijferen datasignalen worden bewerkt met een vercijfersleutel die wordt afgeleid uit een sleuteltekst en dat de aard van de bewerking die wordt uitgevoerd op de te vercijferen datasignalen wordt bepaald door een instructiecomaando dat eveneens wordt afgeleid uit de sleuteltekst.

2. Werkwijze voor het vercijferen/ontcijferen volgens 10 conclusie 1 met het kenmerk, dat tot de bewerkingen die worden uitgevoerd, behoort het cyclisch verwisselen van de bits van het te vercijferen karakter over 0 tot (n-1) bits, waarbij het te vercijferen karakter n bits bevat.

3. Werkwijze voor het vercijferen/ontcijferen volgens 15 conclusie 1 met het kenmerk, dat tot de bewerkingen die worden uitgevoerd, behoort het modulo-2m optellen van het sleutelkarakter of groepen bits daarvan bij het te vercijferen karakter of groepen van bits daarvan, waarbij 1 { m ^ n.

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens 20 één der voorgaande conclusies welke inrichting is voorzien van een vercijfereenheid (11) en een daarmee gekoppelde sleuteltekstgenerator, welke vercijfereenheid (11) een ingang (10) bevat voor het toevoeren van klare digitale datasignalen met het kenmerk, dat de inrichting een besturingsinrichting (13) bevat waarvan een ingang is verbonden met de 25 sleuteltekstgenerator (17) en waarvan een eerste uitgang is verbonden met de vercijfereenheid (11) voor het toevoeren (14) van een sleutelkarakter en waarvan een tweede ingang eveneens is verbonden met de vercijfereenheid (11) voor het toevoeren (15) van het instructiecommando en dat de vercijferinrichting middelen bevat voor het 30 onder bestuur van het instructiecommando en het sleutelkarakter vercijferen van een karakter van de digitale datasignalen. .8602847