DE1803062C1 - Einrichtung zur Synchronisation von Zufallszeichengeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Synchronisation von an der Sende- und an der Empfangsstelle einer Übertragungs­ strecke für binär codierte Nachrichten angeordneten Zufalls­ zeichengeneratoren, die mit Zählern oder rückgekoppelten Schieberegistern zur Erzeugung der Zufallszeichen arbeiten.

Zur Übertragung von verschlüsselten (chiffrierten) Nachrichten ist es bekannt, die Klartextzeichen senderseitig mit aus einem Zufallsgenerator gewonnenen Schlüsselzeichen in irgend­ einer Weise, z. B. durch mod-2-Addition oder dgl., zu kombi­ nieren, um zur Übertragung kommende Geheimtextzeichen zu erhalten. Von der Empfangsseite müssen die Geheimtextzeichen durch entsprechende Kombination mit den gleichen Schlüssel­ zeichen 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 Schiebe­ register, die in den Zufallszeichengeneratoren für die quasi zufällige 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 zur Verschlüsselung zu verwenden und damit unter Umständen sogenannte "phasengleiche Sprüche" zu erzeugen, kann der Grundschlüssel, durch den die Ausgangs­ stellung festgelegt wird, durch einen mit jeder Betriebs­ aufnahme variierbaren Zusatzschlüssel ergänzt werden. Dieser variable Zusatzschlüssel wird z. B. durch den Zufallsgenerator im sendenden Gerät erzeugt und als Zeichenblock unver­ schlüsselt zur Empfangsseite übertragen. Bei einem solchen Verfahren erhält daher der unbefugte Entzifferer Kenntnis über einen Teil der verwendeten Schlüsseleinstellung, wo­ durch 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 Anfangs­ zustand. Diese Gefahr wächst noch weiter, wenn zwecks zu­ sätzlicher 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 laufenden Variation der Anfangsstellungen benutzte variable Zusatz­ schlüssel nur eine beschränkte Anzahl von Variationsmöglich­ keiten zulässt, während wesentliche Teile der Schlüsselein­ stellung, der sogenannte Grundschlüssel, unverändert bleiben.

Zur Erzeugung von Zufallszeichen in Schlüsselgeräten werden im allgemeinen durch Taktimpulse laufend weitergestellte Zähler verwendet, deren maximale Zählerstände Primzahlen bzw. teiler­ fremde Zahlen sind, um damit eine möglichst grosse Wieder­ holungsperiode zu erreichen. Dabei wird die Voreinstellung dieser Zähler durch den Grundschlüssel festgelegt. Anstelle von solchen Zählern oder Primzahlteilern können auch rückge­ koppelte Schieberegister verwendet werden, die z. B. auch zur Erzeugung von redundanten Codes zur Fehlererkennung und -korrektur bei der Datenübertragung bekannt sind.

Durch die DT-AS 1 216 921 ist bereits ein Verfahren zur Syn­ chronisierung der Verschlüsselung von impulsförmigen binär codierten Nachrichten bekannt, bei welchem sendeseitig die Nachrichtenklarimpulse mit Schlüsselimpulsen gemischt und unter Verwendung einer geeigneten Modulationsart übermittelt werden. Empfangsseitig werden sie durch Mischung mit identi­ schen Schlüsselimpulsen zurückgewonnen. Sende- und empfangs­ seitig werden identische Regeln benutzt für die Rückkopplung mittels je eines Schlüsselimpulsgenerators, wobei die Schlüssel­ impulsfolgen durch die Anfangszustände der Schlüsselimpuls­ generatoren festgelegt sind. Diese Anfangszustände sind unter Benutzung eines geheimen Grundschlüssels und eines Zusatz­ schlüssels erzeugt, wobei die Ver- und Entschlüsselung der impulsförmigen Nachrichten sowie der Ablauf der Schlüssel­ impulsgeneratoren sende- und empfangsseitig durch je einen Taktgeber gesteuert werden. Das Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass zur Synchronisierung zwischen sende- und empfangsseitigen Schlüsselimpulsgeneratoren sowie den Takt­ gebern auf der Impulsseite zwischen einem Teil der ausge­ sendeten Schlüsselimpulsfolge und einem als Korrelations­ intervall wirksamen Teil der vom Empfänger kommenden Schlüsselimpulsfolge ein Korrelationsfaktor gebildet wird. Mit diesem Faktor wird die Schrittsynchronisierung und/oder Schrittphasensynchronisierung zwischen dem sende- und empfangsseitigen Schlüsselimpulsgenerator sowie die An­ passung des empfangsseitigen an den sendeseitigen Taktgeber auf der Empfangsseite gesteuert.

Bei diesem Verfahren geht man also davon aus, dass die ein­ mal synchronisierten Schlüsselgeneratoren auf der Empfangs- und Sendeseite, die den gleichen Signalinhalt haben, im Laufe der Zeit einen Phasenunterschied aufweisen. Wenn man von der Sendeseite einen wählbaren Signalabschnitt aussucht und mit dem empfangenen Signal vergleicht, muss man direkt oder nach entsprechender Phasenverschiebung Identität feststellen können.

Wenn dies nicht der Fall ist, liegt eine Störung vor. Dieses Verfahren ermöglicht somit aufgrund seines Korrelationsprin­ zips eine Freund-Feind-Erkennung, da bei gezielt eingestreuten Störsignalen keine Identität feststellbar ist, trotz variabler Phasenlage.

Dem gegenüber hat sich vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine höhere kryptologische Sicherheit bei der eingangs beschriebenen Einrichtung zu erreichen. Hierfür ist es nämlich wünschenswert, in jedem Fall den Grund­ schlüssel des Systems laufend zu verändern, und ausser­ dem den offen über die Strecke übertragenen variablen Zu­ satzschlüssel völlig zu vermeiden.

Erfindungsgemäss sind deshalb zur laufenden Veränderung des Grundschlüssels bei einer Einrichtung der eingangs er­ wähnten Art im sende- und empfangsseitigen Zufallszeichen­ generator einander gleiche Anordnungen vorgesehen, die für jeden zu synchronisierenden Zähler bzw. jedes Schiebere­ gister eine Erkennungsschaltung für einen bestimmten In­ halt einer dem betreffenden Zähler zugeordneten Kombination von Binärelementen der zur Aus­ sendung bzw. zum Empfang kommenden Signalfolge enthalten, die bei Auftreten des eingestellten Inhalts ein Ausgangs­ signal abgibt, welches die Neueinstellung des betreffenden Zählers bzw. Schieberegisters auf einen vereinbarten An­ fangsinhalt bewirkt.

Für jeden Zähler kann eine gesonderte Erkennungsschaltung vorgesehen sein, oder aber es kann für alle Zähler eine gemeinsame Vergleichsschaltung vorgesehen sein, die zyklisch nacheinander mit Registern verbunden wird, die die ent­ sprechenden zu erkennenden Bitmuster gespeichert halten.

Ein wesentliches Merkmal eines durch die Erfindung ermög­ lichten Synchronisierverfahrens ist es daher, daß die Zähler oder Schieberegister nicht alle gleichzeitig, sondern in unregelmäßiger, vom übertragenen Geheimtext abhängiger Reihenfolge und in unregelmäßigen Zeitabständen, d. h. jeweils nach Durchführung einer unterschiedlichen Anzahl von Zähl­ schritten auf die durch den Grundschlüssel bestimmten Vor­ einstellungen gebracht werden. Bei einem solchen Chiffrier­ verfahren wird man jedem Zähler durch den einstellbaren Grundschlüssel ein Vergleichszeichen, d. h. ein bestimmtes Bitmuster, zuordnen, welches laufend mit den gerade ausge­ sandten bzw. empfangenen Geheimzeichen verglichen wird. Die Identität zwischen dem ausgewählten Bitmuster und entsprechenden Binärelementen des Geheimzeichens bewirkt die Einstellung des zugeordneten Zählers oder Schieberegisters auf eine durch weitere Elemente des Grundschlüssels bestimmte Anfangsstellung. Bei Beginn einer Sendung bzw. beim Einschalten eines Empfängers in eine laufende Sendung wird die Synchroni­ sation abgeschlossen sein, wenn auf diese Weise jeder Zähler mindestens einmal geheimtextabhängig auf seine Anfangsstellung gestellt worden ist.

Der Vorgang läuft in gleicher Weise auf der Sendeseite wie auf der Empfangsseite ab. Die Dauer einer Schlüsselein­ stellung (d. h. bis alle Zähler mindestens einmal eingestellt wurden) nach diesem Verfahren hängt von der Geheimzeichenfolge und von den im Grundschlüssel festgehaltenen Vergleichszeichen ab und umfaßt eine variable Anzahl von Zählschritten der Zähler, so daß bei Beendigung der Schlüsseleinstellung jeder Primzahlteiler jeden möglichen Zählerstand enthalten kann. Damit ist eine volle Ausnutzung sämtlicher möglichen Vor­ einstellungen gegeben. Betrachtet man die zu diesem Zeitpunkt erreichten Zählerstände als neue Anfangsstellung des Zufalls­ generators, so kann diese als eine Variation des vorgegebenen Grundschlüssels aufgefaßt werden. Es ist dem unbefugten Ent­ zifferer aufgrund der unterschiedlich großen Geheimzeichen­ folge, die zur Schlüsseleinstellung benutzt wird, nicht möglich, die wenigen darin enthaltenen Zeichen, die eine Voreinstellung eines oder mehrerer Primzahlteiler ausgelöst haben, zu erkennen.

Die Erfindung bringt gegenüber bekannten Verfahren die folgenden Vorteile mit sich:

• 1. Durch Vermeidung des offen übertragenen Spruchschlüssels ist eine unbefugte Entzifferung sehr erschwert.
• 2. Nach Störungen auf der Leitung oder nach einem Netzaus­ fall kommen Sender und Empfänger nach einer gewissen Anzahl von ausgesandten Geheimzeichen automatisch wieder in Synchronismus.
• 3. Während der Übertragung eines Geheimtextes ist das Aufschalten weiterer Empfänger zu jeder Zeit möglich, da sich die Empfänger automatisch mit dem Sender synchro­ nisieren.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einiger Ausführungs­ beispiele näher erläutert werden:

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild einer Anlage zur chiffrierten Übertragung von binär codierten Nachrichten bei der die Erfindung angewendet werden kann. Der zu ver­ schlüsselnde Klartext KT wird auf der Sendeseite über die Leitung 1 einem Schlüsselgerät (SG) 2 zugeführt, in welchem er durch Kombination mit einem Schlüsseltext ST durch irgend­ welche Rechenoperationen zum Geheimtext GT verschlüsselt wird, der der Übertragungsleitung 3 zugeführt wird. Der Schlüssel­ text ST wird in einem Zufallsgenerator (ZG) 4 erzeugt, dessen Aufbau weiter unten anhand der Fig. 2 so weit näher erläutert wird, wie dies zum Verständnis der Erfindung notwendig ist. Auf der Empfangsseite ist ein weiteres Schlüsselgerät 5 vorgesehen, in welchem durch entsprechende Rechenoperationen der empfangene Geheimtext GT mit dem in einem gleichartigen Zufallsgenerator 6 erzeugten identischen Schlüsseltext ST wieder zum Klartext entschlüsselt wird. Im einfachsten Falle geschieht die Verschlüsselung einfach durch mod-2-Addition der Klartextbits mit entsprechenden Schlüsseltextbits, die Entschlüsselung geschieht dann durch nochmalige mod-2-Addition des Schlüsseltextes zum übertragenen Geheimtext. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung eines solchen primitiven Verschlüsselungssystems beschränkt, sondern kann auch bei allen anderen Chiffriersystemen Verwendung finden, die mit synchron laufenden Quasi-Zufallsgeneratoren arbeiten.

Die erfindungsgemäße Neueinstellung der Zähler bzw. Schiebe­ register in den Zufallsgeneratoren 4 und 6 durch den Geheim­ text ist in Fig. 1 durch die gestrichelt eingezeichneten Wirkpfeile 7 und 8 angedeutet. Die verschiedenen Ausführungs­ möglichkeiten sollen im folgenden anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert werden:

Fig. 2 zeigt die wesentlichen Teile eines Zufallszeichen­ generators nach der Erfindung. Es sind n Zähler, Z₁, Z₂ ... Z_n mit teilerfremden Zählbasen vorgesehen, von denen nur drei, 11, 12 und 13, gezeichnet sind. Die Zähler werden durch Takt­ impulse aus einer Taktimpulsquelle 14 jeweils um Eins weiter­ gestellt und geben jeder, z. B. bei Erreichen ihres Höchst­ standes, einen Ausgangsimpuls an einen Kompiler 15 weiter, in dem durch Verarbeitung der in unregelmäßiger Folge ein­ treffende Ausgangssignale der Zähler die Schlüsselzeichen ST erzeugt werden, die über die Leitung 16 dem Schlüsselgerät SG zugeführt werden. Anstelle von Zählern Z₁ ... Z_n können, wie erwähnt, auch rückgekoppelte Schieberegister verwendet werden, wie sie zur fehlersicheren Codierung von Nachrichten bekannt sind. Die Rückkopplungen in solchen Schieberegistern lassen sich derart einstellen, daß teilerfremde Wiederholungsperioden auftreten; die Register also ähnlich wie teilerfremde Zähler arbeiten. Wenn im folgenden von Zählern oder Primzahlteilern die Rede ist, sollen immer auch derartige rückgekoppelte Schieberegister darunter verstanden werden können.

Jeder Zähler in Fig. 2 ist einem Register 17, 18 bzw. 19 zuge­ ordnet, welches einen Teil der Grundschlüsseleinstellung ent­ hält. Jedes dieser Register ist parallel über eine Mehrfach­ torschaltung 20, 21 bzw. 22 mit dem Voreinstell-Eingang des ihm zugeordneten Zählers derart verbunden, daß bei Öffnen des betreffenden Tores der vom Grundschlüssel bestimmte Registerinhalt als Anfangswert in den betreffenden Zähler übertragen wird. Die Torschaltungen 20, 21 und 22 werden von Impulsen geöffnet, die bei Erkennung von vorbestimmten Bit­ mustern im Geheimtext ausgelöst werden. Zu diesem Zweck sind Vergleichsschaltungen 23, 24 und 25 vorgesehen, deren Ausgangs­ signale den Torschaltungen 20, 21 bzw. 22 zugeführt werden. Die Eingänge dieser Vergleichsschaltungen sind einerseits mit weiteren Registern 26, 27 bzw. 28 verbunden, die weitere Teile des Grundschlüssels enthalten, und andererseits mit einem Register 29, in welchem jeweils ein Teil des gerade zur Aus­ sendung oder zum Empfang kommenden Geheimtextes gespeichert ist.

Bei Übereinstimmung z. B. der Inhalte von Register 29 und 28 gibt die Vergleichsschaltung 25 ein Öffnungssignal an die Torschaltung 22 ab, so daß der Inhalt des Registers 19 als Anfangswert in den n-ten Zähler 13 übernommen wird. Wenn dies für alle n Zähler mindestens einmal geschehen ist, so ist der Zufallsgenerator neu eingestellt und der Synchro­ nismus mit den korrespondierenden Chiffriergeräten sicher­ gestellt.

Die Register 17, 18 ... 19, 26, 27 ... 28, deren Gesamtheit die Grundschlüsseleinstellung darstellt, können in Form von bistabilen Elementen, z. B. Flipflops oder Magnetkernen, oder auch in Form von mechanischen Schaltern verwirklicht sein. Als besonders zweckmäßig hat sich ein Vielfachschalter er­ wiesen, der durch einen eingelegten Lochstreifen geschaltet wird, wie er in dem deutschen Gebrauchsmuster 1 964 774 be­ schrieben ist.

Für Chiffriergeräte, bei denen man achtstellige Binärzahlen als Geheimtextzeichen erzeugen will, kann man z. B. sechzehn achtstellige Binärzähler Z₁ ... Z_n verwenden. Zur Vorein­ stellung jedes Zählers braucht man ein siebenstelliges Register bzw. sieben Schalter, da die höchste Stelle des Zählers zweckmäßig immer auf Null voreingestellt wird, um die Zähl­ kapazität bei der Voreinstellung nicht zu überschreiten. Die Vergleichsregister 26, 27, 28 sind je dreistellig ausge­ bildet, so daß insgesamt (7 + 3) . 16 = 160 Registerstellen oder Schalter vom Grundschlüssel eingestellt werden müssen. Bei einer solchen Ausführung der Erfindung wird jeder Zähler im Mittel nach jedem achten Vergleich neu eingestellt.

In Fig. 2 ist angenommen, daß der Vergleich für die ver­ schiedenen, den Zählern zugeordneten Register 26, 27, 28 mit drei benachbarten Bits eines Registers durchgeführt wird, in dem das Geheimzeichen vorübergehend gespeichert ist. Es brauchen natürlich nicht benachbarte Bits zu sein, sondern es können irgendwie beliebig ausgewählte Bits sein. Auch braucht der Vergleich nicht für die verschiedenen Register mit immer den gleichen Bits des Geheimtextes durchgeführt zu werden, sondern es können für jedes Register drei andere Bits des Geheimtextes zum Vergleich herangezogen werden, so wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. Weiterhin kann es vorteil­ haft sein, den Aufwand an Vergleichsschaltungen zu vermindern und durch Schalter zu ersetzen.

Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 darge­ stellt, in der die unverändert gebliebenen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 tragen. Die gemeinsame Vergleichs­ schaltung 30 ist an die Stelle der Schaltungen 23, 24 ... 25 getreten und wird durch einen zyklisch betätigten Schalter 31 nacheinander mit den Registern 26, 27, 28 verbunden. Ein synchron betätigter Schalter 32 verbindet den Ausgang der Vergleichsschaltung gleichzeitig mit der zugeordneten Tor­ schaltung 20, 21 ... 22. Man kann den Schaltzyklus der Schalter 31 und 32 entweder so wählen, daß jeweils bei jedem neuen Geheimzeichen im Register 29 nacheinander sämtliche n Register 26, 27 ... 28 abgefragt werden, oder so, daß bei jeder Abfrage eines Registers wieder ein neues Geheimzeichen im Register steht. Im letzteren Falle wird die Neueinstellung der Zähler um den Faktor n weniger häufig durchgeführt als im ersten.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Synchronisation von an der Sende- und an der Empfangsstelle einer Übertragungsstrecke für binär codierte Nachrichten angeordneten Zufallszeichen­ generatoren, die mit Zählern oder Schieberegistern zur Erzeugung der Zufallszeichen arbeiten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im sende- und im empfangsseitigen Zufalls­ zeichengenerator einander gleiche Anordnungen vorgesehen sind, die für jeden zu synchronisierenden Zähler (bzw. jedes Schieberegister) eine Erkennungsschaltung für einen bestimmten Inhalt einer dem betreffenden Zähler zugeordneten Kombination von Binärelementen der zur Aussendung bzw. zum Empfang kommenden Signalfolge ent­ halten, die bei Auftreten des eingestellten Inhalts ein Ausgangssignal abgibt, welches die Neueinstellung des betreffenden Zählers bzw. Schieberegisters auf einen ver­ einbarten Anfangsinhalt bewirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Schlüsselspeicher vorgesehen ist, dessen Binärelemente gruppenweise den einzelnen Zählern derart zugeordnet sind, daß für jeden Zähler (Z₁, Z₂ ... Z_n) eine erste Binärelementegruppe (26, 27...28) vorgesehen ist, die über eine Vergleichsschaltung mit einer entsprechenden Anzahl von Binärelementen eines Registers verbunden ist, das das jeweils zur Aussendung oder zum Empfang kommende Geheimzeichen enthält, und eine zweite Binärelementegruppe vorgesehen ist, deren Inhalt bei Auftreten eines Ausgangs­ signals der zugeordneten Vergleichsschaltung in den zugeordneten Zähler als Neueinstellung überführt wird.