SE508373C2

SE508373C2 - Kruptosystem för optiskt lagringsmedia

Info

Publication number: SE508373C2
Application number: SE9503838A
Authority: SE
Inventors: Rizgar Nabi Jiawook; Babak Heidari; Lennart Olsson
Original assignee: Obducat Ab
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1998-09-28
Also published as: CN1205827A; EP0858696A1; AU7511996A; SE9503838D0; CN1092908C; US6125183A; WO1997016896A1; SE9503838L

Description

508 375 10 15 20 25 30 2 risk algoritm. identiska nycklar används för såväl kodning som avkodning.

Symmetriska krypteringssystem är särskilt lämpliga när stora datauppsätt- ningar måste lagras eller överföras med hög hastighet.

Vid asymmetriska krypteringssystem, som RSA, används olika nycklar för kodning och avkodning. Denna typ av algoritmer är tidsödande i beroen- de av den nyckellängd som används.

Efter införandet av CD-ROM för några tiotals år sedan föreligger ett lagrings- och distrubueringsmedium, som gett ett nytt perspektiv till hantering av information. CD-ROM med ursprung i musik-CD har under de senaste åren tagit en betydande del vid utvecklingen av dator- och informationstekni- ken.

CD-ROM förväntas genom mängden etablerade system vara under många år. Det område inom vilket tekniken kan användas är mycket stort.

Tack vare mycket lågt pris och förmåga att motstå oförsiktig behandling är CD-ROM ett mycket kostnadseffektivt medium, både för lagring och fysisk överföring av information. Genom tillkomsten av inspelningsbara CD- kompatibla media och brännare kommer en snabbt växande marknad att upppstå, liksom ett snabbt ökande krav på effektiva krypteringssystem. ln- tegriteten hos lagrade eller överförda data kommer att bli allt viktigare.

Genom uppﬁnningen har det blivit möjligt att lagra information på CD med hittills inte förekommande integritetsnivå. Systemet enligt uppﬁnningen baseras på de standardalgoritmer som används för felkorrigerande koder på standard-CD. Utformningen av och komplexiteten hos felkorrigeringssyste- men gör det möjligt att använda mycket små förändringar av informationen, innan den skrivs in på skivan, för att de ska fungera också som mycket ef- fektiva krypteringssystem. Systemet medger att så stora mängder (nära obegränsat antal) individuella nycklar kan deﬁnieras att det är möjligt att till- handahålla individuella nycklar i stort antal till låg kostnad för varje.

INTRODUKTION 10 15 20 25 30 508 373 3 Det ﬁnns två välkända krypteringssystem som bygger på algebraiska koder, nämligen McEliece-krypteringssystemetl” med publik nyckel och Rao- Nam- krypteringssystemetm med privat nyckel. Båda systemen har från bör- jan utvecklats för användning i kommunikationsnät. McEliece-systemet base- ras på förekomsten av Guppa-koder, och Rao-Nam-systemet baseras på blockkoder. I de båda ovan nämnda systemen kan nyckeln vid valfri tidpunkt närhelst det behövs, men när det gäller optiska lagringsmedia, av ROM-typ och sådan som kan skrivas endast en gång kan den nyckel som används för krypteringen inte ändras och måste förbli säker så länge CD:n används, dvs under lagringsmediets livslängd.

Fördelen med det föreslagna krypteringssystemet i förhållande till de två ovan nämnda systemen är att ingen redundant data läggs till, och det är också snabbare, eftersom det inte utför någon paritetskontroll. Det är också så att nyckellängden inte påverkar systemets hastighet.

Det föreslagna systemet är ett symmetriskt privatnyckelkrypterings- system, som baseras på algebraiska koder. Den algebraiska kod som är lämplig vid optisk datalagring är Reed-Solomonkoden. Eftersom CD- kodnings- och avkodningssystemen använder CIRC (Cross lnterleaving Re- ed-Solomon Code) m' “l (5), har kraften hos CD-kodningssystemet använts för att åstadkomma ett kraftfullt krypteringssystem, som är särskilt anpassat för optisk lagring, (FIG 1).

Den föreslagna algoritmen är snabb, och krypterings-/dekrypterings- hastigheten är inte beroende av nyckellängden, det ﬁnns inte heller någon redundans i krypteringsalgoritmen, dvs inga parametrar läggs till ursprungli- ga data.

Nyckellängden kan vara upp till 2376 byte eller upp till 19 Kbit, och väljas som en teckensträng, bitar eller en scannad bild, dvs vilken kombina- tion som helst. Nyckeln är i huvudsak utformad kryptering av data för optisk lagring. Nycklarna kan väljas godtyckligt av designem, eller genereras ge- nom användning av algoritmer för alstring av pseudoslumptal. l det senare fallet krävs från användaren endast korta ursprungstal anges. För slump- 508 373 10 15 20 25 30 4 talsmatriserna kan de alstras automatiskt, eller genom designerns medver- kan.

Kort beskrivning av ritningarna FIG 1 Är ett blockschema, som visar kryptering och dekryptering vid op- tisk datalagring.

FIG 2 Visar schematiskt nyckelarrangemanget.

FIG 3 Visar schematiskt krypterings- och förvrängningssekvensen.

FIG 4 Visar schematiskt ett exempel på hur krypterade block ser ut.

Beskrivning av systemet Det är känt att ursprunglig data som ska lagras på en CD är ordnade som ramar (vektor), varvid varje vektor består av 24 byte (benämnda sym- boler). För att skapa krypteringsvektorn utför designern följande åtgärder: Välja slumpmässigt ett polynom p(x) över GF(2°), Välja slumpmässigt önskad nyckelvektor K, Välja en slumptalsmatris R med användning av en pseudoslump- talsgenerator. lntern manipulation kommer att utföras för att åstadkomma lämplig nyckel som ska användas på ursprungsdata för krypteringen (FIG 2). Denna beräknas endast en gång. Krypteringsvektorn bildas på följande sätt: C = K H R (H anger multiplikation över Galoisfält) R är en n x n slumptalsmatris, där n = ramstorleken K är en 1 x n vald nyckelvektor, där n = ramstorleken C är en 1 x n krypteringsvektor där n = ramstorleken Alla värden på matrisema R, K och C ligger över GF(2“) och hålls hemliga för att åstadkomma högre säkerhetsnivå. Data som ska krypteras 10 15 20 25 30 508 375 5 struktureras som vektorer på n byte vardera, och om D är en sådan vektor kommer den att krypteras på följande sätt: E = D + C (+ anger summering över Galoisfält) D utgör ursprungsvektorn (1 x n), där n = ramstorleken C utgör krypteringsvektorn (1 x n), där n = ramstorleken E utgör den krypterade vektorn (1 x n), där n = ramstorleken Efter detta steg väljer designern förvrängning av djupet s (s=1,2,3,4,5,...) och använder denna på E, varvid resultatet blir en krypterad vektor E' (FIG 3). Mappningen ser ut ungefär på följande sätt: euï""“"”_"' '''''' " eiﬂi-nsi' för i=1, ....,n; j=1, , ns; s = valt godtyckligt positivt heltal.

FIG 4 visar ett exempel på en krypterad vektor, för s=4, i=97, n=24, vilken innehåller data som kommer från blocken 94 och 95.

Dekrypteringsprocessen sker påföljande sätt: Först måste vektorn E' återställas efter förvrängningen med använd- ning av samma djup s för erhålla den krypterade vektorn E och sedan be- räkna: D = E + C, (+ anger summering över Galoisfält) detta ger ursprungsvektorn, eftersom E är den krypterade vektorn (1 x n) C är dekrypteringsnyckeln (1 x n) D är ursprungsvektom (1 x n) För en nyckel som är 24 byte (tecken) lång vald ur den 256 tecken sto- ra EBCDIC-teckentabellen uppgår som ett exempel det antal försök som er- fordras för att veriﬂera nyckeln till 2 x 1057. Antag att ett datorsystem med 10nx åtkomsttid för en byte används, vilket blir ungefär lika med 10"” år. Så 508 373 6 blir antalet år som erfordras för att veriﬁera nyckeln = 1042 och i genomsnitt erfordras 102' år. i Krypteringssystemet kan till exempel implementeras påföljande sätt: 1. Krypteringssystemet implementeras före CD-kodningen. 5 2. Krypteringssystemet implementeras inuti CD-kodningen, efter för- vrängningen under processen med mastern. 3. Krypteringssystemet implementeras inuti CD-kodningen, efter C2- kodningen under processen med mastern. 4. Punkterna (2,3) ovan innebär att en ny CD-läsare måste utvecklas 1 0 för att lösa dekryptering och avkodning. Denna typ av implemente- ring kan användas för högsäkerhetsändamål, tex militära tillämp- ningar och inom högteknologiindustrin.

Krypteringssystemet kan realiseras genom mjukvaru- och/eller hårdva- rulösningar. 15

Claims

10 15 20 25 30 508 375 7 PATENTKRAV

1. Sätt vid kryptering och dekryptering av digitala data, som t.ex. bilder, sär- skilt anpassade för optiska kompaktskivor; varvid sättet omfattar krypte- ring/dekryptering och feldetektering och felkorrigering genom användning av algebraiskt tillvägagångssätt, nämligen Reed-Solomonkod, k ä n n e t e c k n at av följande åtgärder: A. utväljande av ett polynom p(x) över Galois-fältet (GF) enligt CD- standarder; betrakta datastrukturen som utgör värden av olika polynom i nämnda GF D =(d1,d2,d3, dm) m är en multipel av n; . välj en nyckel K = (kj, kz, ka, km) . alstra en matris slumptalsvariabler R = (ru) i=1,2,3,... n;j=1,2,3,...,n; beräkna krypteringsvektorn C = K 11 R H anger multiplikation över GF =ci i=1,2,3, ....,n; kryptera nämnda data E = D + C + anger summering över GF = Ej i= 1,2,3,... n; j = 1,2,3,...,m; . förvräng med djupet s E -) E' ell' 9 eFu-usu' i= 1,2,3,....m; j = 1,2,3,...ms; s godtyckligt positivt heltal; . koda E' enligt CD-kodningsstandarder; utsignalen från H enligt ovan är krypterade data som utgör värden av po- lynomen över nämnda GF som ska sändas till EFM-modulation enligt CD- kodningsstandarder; varvid dekrypteringen omfattar följande åtgärder: - avkodning av data enligt CD-standarder för att åstadkomma kryptera- de data E'; 508 373 lO 15 20 25 30 8 - återställande av förvrängning av krypterade data: E' -) E; - beräkning av en dekrypteringsvektor: C = K r! R H anger multiplikation över GF; - påförande av dekrypteringsnyckeln för att återvinna ursprungsdata: D = E + C + anger summering över GF.

2. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid nycklarnas längd delas upp i segment i enlighet med datablockstorle- ken, med åtgärderna: - alstring av datablock av storleken n; - alstring av datavektorer av längden m; - alstring av nyckelsegment från nyckeln, så att antalet nyckelseg- ment utgör en divisor av datablockstorleken n.

3. Sätt vid kryptering gav data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för nyckeltypen gäller: - anordnande av nyckeln som tecken av storleken 8-bit byte av nyckellängden.

4. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för nyckeltypen gäller: - anordnande av nyckeln som binära bitar av nyckellängden.

5. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för nyckeltypen gäller: - anordnande av nyckeln som tecken och binära bitar av nyckelläng- den.

6. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för nyckeltypen gäller: 10 15 20 25 30 508 373 9 - anordnande av nyckeln som bild av nyckellängden.

7. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för fältet slumptal gäller: - anordnande av ett polynom p(x) över Galoisfältet (GF); - alstring av slumptalen över nämnda GF.

8. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för nyckeln gäller: - alstring av nyckeln över nämnda GF.

9. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt något av kraven 3-6, varvid för krypteringsnyckeln gäller: - multiplicera krypteringsnyckeln med slumptalen enligt regeln: C = K I! R över GF - kryptera nämnda data och/eller bildvektor enligt regeln: ' E = D + C över GF - förvräng nämnda krypterade data och/eller bildvektor E med avse- ende på djupet s, varvid s är ett godtyckligt icke negativt heltal; - utsignalen är en vektor E', vilken är den krypterade och förvrängda vektorn.

10. Sätt vid kryptering av data och/eller bilder på optiska skivor enligt krav 1, varvid för krypteringen gäller: - återställande av förvrängningen av nämnda data och/eller bildvek- tor E' med nämnda djup s för att åstadkomma vektorn E, - dekryptering av nämnda data och/eller bildvektor E enligt regeln: D = E + C över GF - D utgör återställda data och/eller den återställda bildvektorn. 508 373 10 15 'if REFERENSER (1). McE|iece, R. J., A Public-Key Cryptosystem Based On Algebraic Coding Theory, DSN progress report 42-44, Jet Proputsion Lab., CA., Jan. & Feb. 1978, PP 114-6. (2). Rao, T. R. N., Nam, K. H., Private-Key Algebraic-Coded Cryptosystem, Advances in cryptology - CRYPTO' 86, 1987. (3). Compact disc digital audio system, |EC/908 Standards, 1987. (4). Data Interchange on Read -only 120 mm Optical Data Disks (CD- ROM), ECMA/130 Standards, 1988. (5). ISO/IEC 10149 standards, Information Technology - Data lnterchange on Read- only 120 mm Optical Data Disks ( CD-ROM ), 1989.