DE977777C - Mit Binaerkodierung arbeitende Anordnung zur Verschluesselung von Nachrichtensignalen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 26. MÄRZ 1970

N 21642IX a/42 η

von Nachrichtensignalen

Die Erfindung betrifft eine mit Binärkodierung arbeitende Anordnung zur Verschlüsselung von Nachrichtensignalen, wobei die Klarsignale von einer Schlüssel reihe verschlüsselt werden, die von einer Anzahl Teilreihen mit vorzugsweise voneinander verschiedenen Elementenzahlen gebildet wird. Bei solchen Anordnungen erfolgt die Entschlüsselung der übertragenen Signale am Empfangsort durch binäre Addition der Schlüsselelementreihe, ίο die dem Sender und dem Empfänger bekannt ist. Die Schlüsselelemente sind dabei in dem gleichen Schema angeordnet wie die Elemente der Klarsignale.

Es ist bereits bekannt, zur Sicherstellung des Synchronlaufs der Schliisselzeichengeneratoren auf der Sende- und Empfangsseite bei solchen Anordnungen eine Vorrichtung vorzusehen, die auf eine mit bestimmter Wahrscheinlichkeit von Zeit zu Zeit in der verschlüsselten Zeichenfolge auftretende, festgelegte Folge von Binärziffern bzw. Zeichenelementen anspricht und bei Eintreffen dieser Elementenfolge an den Schlüsselgenerator ein .Signal zur Rückstellung auf eine verabredete Anfangsstellung gibt. Es wird also jedesmal, wenn ein solches , Signal eingetroffen ist, dieselbe Zeichenfolge als Schlüsselreihe benützt. Die Rückstellsignale kommen zwar in von Zufallsfaktoren abhängigen Zeit^ momenten an, so daß die bei jedem Rückstell-

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kommando wiederholte Anzahl von Elementen wechseln wird, aber das wiederholte Benutzen des Anfangs der Schlüsselreihe gibt einem Unbefugten doch Anhaltspunkte zur Entschlüsselung. Dieser Nachteil wird bei der Anordnung nach der Erfindung dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß die Teilreihen voa elektronischen, zyklisch arbeitenden Schaltungen, sogenannten elektronischen Rädern, gebildet werden und daß jede der Teilreihen durch elektronische Mittel beim Auftreten bestimmter, in der verschlüsselten Nachricht vorkommender, wunschgemäß zu wählender Elementengruppen jeweils auf eine fest gewählte Stellung — Nullstellung — einstellbar ist.
Es sind zwar auch bereits mechanisch oder elektrisch ausgebildete Anordnungen bekannt, bei denen mit Hilfe einer im allgemeinen ziemlich großen Zahl von »Rädern« eine sehr lange Schlüsselreihe erzeugt wird. Bei diesen Anordnungen müssen die Schlüsseireihen des Senders und des Empfängers durch eine gleiche Anzahl von Stellungen gegangen sein, damit der Empfänger die Nachricht entziffern kann. Diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß der Text nicht mehr entzifferbar ist, sobald aus irgendeiner Ursache die Anzahl der durchlaufenden Stellungen beim Empfänger auch nur um eine Einheit anders wird wie beim Sender. Außerdem weisen diese Anordnungen den weiteren Nachteil auf, daß bei Teilnahme an einem Netz alle Teilnehmer zugleich und, ausgehend von gleichen Anfangszuständen, mit dem Durchlaufen der Stellungen der Schlüsselreihe anfangen müssen.

Die Erfindung vermeidet solche Nachteile und unterscheidet sich von den bekannten Anordnungen dadurch, daß mehrere zyklisch arbeitende Schaltungen, die je eine Teilreihe von Zeichenelementen erzeugen, vorhanden sind und daß aus diesen Teilreihen die endgültige Schlüsselreihe gebildet wird, wobei wunschgemäß zu wählende Elementengruppen, die für jede der zyklischen Schaltungen verschieden sind, die zyklisch arbeitenden Schaltungen auf eine für jede Schaltung gewählte feste Stellung einstellen.

Bei dieser Anordnung erhält man schon bei nur wenig »Rädern«, die je eine relativ kleine Anzahl Stellungen haben, eine praktisch unbegrenzt lange nicht periodische Schlüsselreihe. Außerdem wird, unabhängig von der-Anfangsstellung der »Räder«, die Anordnung beim Empfänger im Tritt sein mit derjenigen beim Sender, sobald jedes der Räder einen Rückstellbefehl erhalten hat. Dies ist besonders wichtig bei einem Netz mit mehreren Teilnehmern.

Es sei dies erklärt an einem Beispiel, bei dem angenommen wird, daß drei Räder mit bzw. 8, 11 und 13 möglichen Stellungen vorhanden sind. Wenn die Räder unabhängig voneinander angetrieben werden, dann entsteht eine Folge von 8 · 11 · 13 == 1144 möglichen Stellungen. Bei regelmäßiger Fortschaltung dieser Räder wird dieselbe Folge von Stellungen periodisch wiederholt, so daß eine periodische Reihe entsteht, die sich erst nach je Schritten der Räder wiederholt.

Wenn ein Rückstellsignal für eines dieser Räder eintrifft, dann springt dieses Rad in den Anfangszustand zurück, und damit wird die Stellungskombination der Räder geändert. Die entstehende Kombination ist eine Kombination der periodischen Reihe, die jedoch an einer ganz anderen Stelle dieser letzten Reihe liegt als die beim Eintreffen des Rückstellsignals bestehende Kombination. Es wird somit eine Schlüsselreihe erzeugt, die aus einer Anzahl Fragmente der periodischen Reihe besteht, die in einer vom Zufall abhängigen Weise verteilt in der periodischen Reihe liegen.

Als Rückstellsignal kann man z. B. eine der Kodegruppen wählen, aber auch eine willkürliche Zeichenfolge kann dafür gewählt werden. Weil in einem statistisch homogenen Kryptogramm das Vorkommen einer Eins oder einer Null gleiche Wahrscheinlichkeit hat, hängt es von der Anzahl der Zeichenelemente des Rückstellsignals ab, wie oft ein Rückstellsignal im Mittel vorkommt. Wählt man als Rückstellsignal eine bestimmte Kodegruppe zusammen mit einem vorgegebenen Wert des ersten Zeichenelements der nächsten Kodegruppe, dann wird das Rückstellsignal im Mittel einmal auf je 64 Kodegruppen vorkommen, wenn eine Kodegruppe aus fünf Zcichenelementen besteht. Wählt man jedoch eine Folge von sechs Zeichenelementen, die nacheinander im Kryptogramm vorkommen, so wird dieses Signal im Mittel einmal auf je 64 Zeichenelemente vorkommen. Man hat also eine große Freiheit in der Wahl der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Rückstellsignals.

Weil nach dem Auftreten eines Rückstellsignals wenigstens eines der Räder in der Nullstellung ist, kann ein neues Fragment der periodischen Reihe nicht mit einer beliebigen Stelle der periodischen Reihe anfangen, sondern nur mit einer Stelle, an der mindestens eines der Räder sich in der Nullstellung befindet. Im obigen Beispiel gibt es 7-10-12 Stellungskombinationen, in denen keines der Räder in Nullstellung ist, so daß die Anzahl der Fragmente in diesem Falle 8 · 11 · 13 - 7 · 10 · 12 = 304 ist.

Weil die Länge der durchlaufenden Fragmente nicht festliegt, sondern von der vom-Zufall abhängigen Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückstellsignalen abhängt, ist die effektive Anzahl der Fragmente, welche die Bausteine für die Schlüsseireihe bilden, größer als 304. Selbstverständlich kann man die Anzahl der Bausteine für die Schlüsselreihe vergrößern, indem man die Anzahl der Räder vergrößert oder die Anzahl der möglichen Stellungen der einzelnen Räder vergrößert oder indem man beide Maßnahmen zusammen trifft.

Die Teilreihe mit 8 Stellungen wird von einem elektronischen Rad erregt, das aus drei Kippschaltungen X, Y, Z mit komplementären Ausgangsspannungen χ,χ', y,y' und z,z' besteht, deren jeder die iac zuerkannten Werte 1 und 0 haben kann. Die sechs Ausgangsspannungen bilden die Eingangsspannunen einer 6 X 8-Diodcnmatrize. Die acht ausgehenden Leiter sind über Schalter an ein ODER-Tor angeschlossen. Die drei Kippschaltungen X, Y, Z ta« sind als binärer Zähler mit der Kippschaltung X als

mindestwertige und der Kippschaltung Z als höchstwertige Kippschaltung geschaltet. Bei einer Zufuhr aufeinanderfolgender Zählimpulse zum Zählimpulseingang des Zählers werden jede der acht ausgehenden Leiter der Diodenmatrize der Reihe nach ausgewählt. Dies ist die übliche Weise, eine zyklische Quasizufallsreihe von Einsen und Nullen elektronisch zu erregen. Eine derartige Methode wird durch die Summe acht logischer Produkte wiedergegeben.

' + WyS+ WW+ WW

wobei f₀ bis f₇ für einen geschlossenen Schalter den Wert 1 und für einen offenen Schalter den Wert 0 haben und wobei F₈ die Teilreihe darstellt. Die acht Produkte schließen sich gegenseitig aus, d. h., wenn ein willkürlich ausgewähltes Produkt 1 ist, sind alle anderen Null. Jede der Teilreihen mit 11 und mit

ao 13 Stellungen wird von einem elektronischen Rad, das vier Kippschaltungen mit den Ausgangsspannungen x,x', y,y', z,z' und w,w' enthält, erregt. Die Kippschaltung W ist die höchstwertige Kippschaltung. Der Zähler für 11 Stellungen ist derart geschaltet, daß nachdem die Stellungen xyzw =1111 bis einschließlich x'yzw' — 1111 binär ansteigend durchlaufen worden sind, die Stellung x'y'z'w' = 1111 folgt, wonach der Kreislauf anfangend mit xyzw = 1111 wiederholt wird. Das Überspringen der Stellungen xy'zw' = 1111 bis einschließlich xy'zw' = 1111 erfolgt mit Hilfe eines UND-Tores, das bei Erfüllung der Bedingung x'-yz-w' = 1 den nächsten Zählimpuls zu den Kippschaltungen Y und Z zuläßt, wodurch diese in die Stellungen y' — 1 und z' = 1 gebracht werden. Zugleich blockiert ein Tor, das, wenn die Bedingung (x'-yz·zu')' = 0 erfüllt wird, geschlossen ist, dem Zählimpuls den Zutritt zum Zählimpulseneingang des Zählers.

Der Zähler für 13 Stellungen durchläuft in normaler binärer Reihenfolge die Stellungen xyzzv = 1111 bis einschließlich xy'zw' = 1111. Ein UND-Tor, das ausschließlich bei der Bedingung x' ■ y · ζ · w' = 1 offen ist, läßt den Zählimpuls durch zur Kippschaltung Z. Zugleich blockiert ein Tor, das bei Erfüllung der Bedingung (x' · y · ζ· w')' = 0 geschlossen ist, den Eintritt des Zählimpulses zum Zählimpulseneingang des Zählers. Durch diese Maßnahmen ergibt sich als nächste Stellung des Zählers x'y'z'w' — 1111, wonach sich der Kreislauf wiederholt.

Die Teilreihen F₁₁ mit 11 Stellungen und F₁₃ mit 13 Stellungen werden durch die Summe von 11 und 13 logischen Produkten dargestellt.

F₁₁ = f_xxyzw + f₂x'yzw + f_rxy'zw + f₄x'y'zw + f₅xyz'w + fgx'yz'w + f₇xy'z'w + fgx'y'z'zu + fgxyzw' + f_lox'yzw' + f ,x'y'z'w'

fyxyzw + f₂x'yzzv + f_%xy'zzv + f₄x'y'zw + f_hxyz'w + f_ex'yz'w + f_rvy'z'w + f_sx'y'z'w + fyxyzw' + f_lox'yzzv' ι w^xy "^w T^ /12·* 3 "^w T^ / ο·* y "W

F₁₃ =

Aus den drei Teilreihen F₈, F₁₁ und F₁₃ wird durch Aufzählung ohne Übertragung die Reihe F bestimmt. Als logisch-algebraische Bezeichnung für Aufzählen ohne Übertragung wird hier die symbolische Darstellung

verwendet.

Durch Anwendung der arithmetischen Regel

A(+)B(+)C = AB'C + A¹BC + A' B¹C + ABC

stellt es sich heraus, daß die Reihe F durch Anwendung von vier UND-Toren mit drei Eingängen und einem ODER-Tor mit vier Eingängen erhalten werden kann.

Im vorhergehenden wurde beim Übergang von Stellung x'yzw' = 1111 in der Teilreihe mit 11 Stellungen bzw. von Stellung x'y'zw' = 1111 in der Teilreihe mit 13 Stellungen in der Stellung x'y'z'w' = 1111, der Zählimpuls nur zu denjenigen Kippschaltungen, die sich nicht in der x'y'z'w' =1111 entsprechenden Stellung befanden, zugelassen. Die Wirkung der Schaltung wird jedoch gar nicht beeinträchtigt, wenn in den obenerwähnten Fällen der Zählimpuls derart zu den vier Kippschaltungen X₁ Y, Z, W zugelassen wird, daß diese in die Stellungen χ =1, y — 1, z' = 1, w' — 1 gezwungen werden.

Diese Möglichkeit wird dazu benutzt, um, wenn eine statistische Nulleinstellung erfolgen soll, den nächsten Zählimpuls derart zu den Kippschaltungen X, Y, Z, W zuzulassen, daß diese in die Stellungen x' = 1,3''= 1, z' — 1, w' = 1 gezwungen werden, während zugleich der Eintritt des Zählimpulses zum Zählimpulseneingang des Zählers blockiert wird.

Im Beispiel findet ein verschlüsseltes Telexsignal mit 5 Elementen Verwendung. Wenn in diesem verschlüsselten Signal die in der Europäischen Telcxkode Nr. 2 K gekannte Elementenkombination auftritt, wird die Teilreihe mit 13 Stellungen in die Nullstellung x'y'z'w' gebracht. Beim Auftreten des Buchstabens Q wird die Teilreihe mit 11 Stellungen in die Stellung x'y'z'w' =1111 gebracht. Beim Auftreten des Buchstabens U wird die Teilreihe mit 8 Stellungen in die Stellung x'yV =111 gebracht. Indem man für ein Element mit Startpolarität 0 und für ein Element mit Stoppolarität 1 schreibt, ist die Kode für in der Zeit aufeinanderfolgende Elemente

K 1 1 1 1 0

QlIlOl

UlIlOO

Beim Schlüsselsignal, in dem jedes Zeichen eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens von '/32 hat, ist die Wahrscheinlichkeit einer statistischen Nuneinstellung für jede der Teilreihen Vsa. Im Beispiel hat sich diese Wahrscheinlichkeit auf ²/sa erhöht.

Dies wird dadurch erreicht, daß man nur das zweite bis einschließlich fünfte Element jeder Korn-

bination als Nulleinstellungs-Kommando auftreten läßt. In diesem Falle lauten die Nulleinstellungs-Kommandos wie folgt:

11110

und 0 1110 für die Teilreihe mit 13 Stellungen

1110 1
und 0 110 1 für die Teilreihe mit 11 Stellungen

1110 0

und 0 1 1 0 0 für die Teilreihe mit 8 Stellungen.

Die Nulleinstellungs-Kommandos werden dadurch erkannt, daß alle Zeichen des Schlüsselsignals sowohl an der Sende- wie an der Empfangsseite in einem siebenstufigen Schieberegister geführt werden. Im Augenblick, in dem das Startelement in der letzten Stufe und das Stoppelement in der vordersten Stufe steht, sind die Elemente in den Stufen zwei bis einschließlich sechs die Elemente eins bis einschließlich fünf eines und desselben Zeichens. Dieser Augenblick ist dank einer Synchronisierschaltung üblichen Typs, die hier nicht besprochen werden soll, bekannt. Wenn die Elemente zwei bis einschließlich fünf der Reihe nach b, c, d, e genannt werden und der Augenblick, in dem Stopp- und Startelement am richtigen Platz stehen, mit η bezeichnet wird, so sind die Bedingungen für statistische Nulleinstellung bzw.

(n · b · c) · d · e' = 1

(n -b · c) · d'e=i (n-b-c) -d'-e' = 1

Die Bedingung n-b-c = i, im folgenden mit a = 1 bezeichnet, wird mit Hilfe eines UND-Tores mit drei Eingängen realisiert.

Die Bedingungen

a · d · e' = 1, a · d' - e = 1 und a · d' · e' = 1

werden mittels dreier UND-Tore mit je drei Eingängen realisiert.

Die Schaltung gemäß dem dargestellten Beispiel wird an Hand der Fig. 1 bis 6 einschließlich näher erläutert. An Hand der Fig. 1 wird die Funktion einiger in den Fig. 2 bis einschließlich 6 verwendeten, symbolischen Schaltungen näher erläutert.

Die Fig. 2 bis einschließlich 5 stellen die zur Erregung der Schlüsselreihe mit Nulleinstellung verwendete Stellung dar.

Fig. 6 stellt die Schaltung zur Ableitung der Nulleinstellungs-Kommandos dar.

In Fig. 1 ist 1 eine Kippschaltung T mit Ausgangsspannungeh t und t'. Das Impulstor 2 wird einen im Punkt 3 eintreffenden Impuls zur Kippschaltung 1 zulassen, wenn die Torspannung 4 den Wert 0 hat. Die Impulstore 5 haben die gleiche Wirkung wie das Impulstor 2. Die Impulstore 2 und 5 arbeiten in vollständiger Unabhängigkeit voneinander. Ein zugelassener Impuls setzt die Kippschaltung in eine derartige Stellung, daß die Ausgangsspannung an der Seite, wo der Impuls zugelassen wurde, den Wert 0 hat.

Das UND-Tor 6 ergibt eine Spannung 7 mit dem Wert 1 nur dann, wenn alle Eingangsspannungen 8 den Wert 1 haben, und in allen anderen Fällen eine Spannung mit dem Wert 0. Das ODER-Tor 9 ergibt eine Spannung 10 mit dem Wert 0 nur dann, wenn alle Eingangsspannungen 11 den Wert 0 haben und in allen anderen Fällen eine Spannung mit dem Wert 1. Die Umkehrschaltung 12 liefert ein Signal 13, das dem invertierten Eingangssignal 10 gleich ist.

Fig. 2 zeigt die Schaltung für die Teilreihe mit 8 Stellungen. Die Kippschaltungen 1, 2 und 3 bilden einen binären Zähler. Die acht UND-Tore 5 stellen eine Diodenmatrize mit sechs Eingangs- und acht Ausgangsleitern dar. Die Schaltungen 6 werden der gewünschten Reihenfolge von Einsen und Nullen der zyklischen Teilreihe entsprechend eingestellt. Die gewünschte Teilreihe erscheint am Ausgang des ODER-Tors 7 und wird von der Umkehrschaltung 8 invertiert. Wenn infolge des Auftretens eines Zeichens, dem für die Teilreihe mit acht Stellungen die Bedeutung eines Nulleinstellungs-Kommandos beigelegt wird, die Bedingung a · d' ■ e' = 1 erfüllt wird, so wird das UND-Tor 14 geöffnet, wodurch die Impulstore 9 geöffnet werden, während dank der Umkehrschaltung 10 der Eingang des Zählimpulses 11 zu den Zählimpulseneingängen 12 und 13 der Kippschaltung 1 des Zählers blockiert wird.

Fig. 3 stellt das Schema zum Erregen der Teilreihe mit 11 Stellungen dar. Diese Figur enthält das ODER-Tor 16 und das UND-Tor 15, die in Fig. 2 nicht vorkommen. Das UND-Tor 14 entspricht dem UND-Tor 14 in Fig. 2. Das UND-Tor 15 ist behufs der Verringerung von 16 auf 11 Stellungen des Zählers angeordnet. Nulleinstellung findet statt, wenn a · d' · e = 1 oder x' · y · ζ · w' = 1 oder wenn beide dieser Bedingungen erfüllt sind.

Fig. 4 stellt das Schema der Teilreihe mit 13 Stellungen dar.

Fig. 5 stellt die Addition modulo 2 der drei Teilreihen dar.

Fig. 6 stellt ein sich aus den Kippschaltungen 20 bis einschließlich 26 zusammensetzendes .Schieberegister dar. Das Schlüsselsignal wird der Klemme zugeführt und mit Hilfe der Umkehrschaltung invertiert. Die Kreuzverbindungen zwischen den Kippschaltungen des Schieberegisters stehen im Zusammenhang mit der Tatsache, daß die Ausgangsspannung einer Kippschaltung an der Seite, wo ein Impuls zugelassen wird, den Wert 0 annimmt. Die Schiebeimpulse 11 sind dieselben wie die Zählimpulse 11 in den Fig. 2, 3 und 4.

Die Schiebeimpulse 11 werden einer nicht dargestellten Synchronisierschaltung entnommen. Die Schiebeimpulse befinden sich bezüglich der der Klemme 27 zugeführten Elemente des Signals 7 in einer derartigen Lage, daß diese Elemente ungefähr in der Mitte abgetastet werden. Die Synchronisierschaltung liefert zugleich eine Torspannung 30, die von dem Augenblick an, in dem der Schiebeimpuls ein Stoppelement in die Kippschaltung 20 einführt, bis zum Augenblick, in dem der nächste Schiebe-

impuls auftritt, den Wert 1 aufweist. Das UND-Tor 29 liefert die Torspannung a = η· b · c behufs der UND-Tore 14 in den Fig. 2, 3 und 4.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Mit Binärkodierung arbeitende Anordnung zur Verschlüsselung von Nachrichtensignalen, wobei die Klarsignale von einer Schlüsselreihe verschlüsselt werden, die von einer Anzahl Teilreihen mit vorzugsweise voneinander verschieden Elementenzahlen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilreihen von elektronischen, zyklisch arbeitenden Schaltungen (elektronischen Rädern) gebildet werden und daß jede der Teilreihen durch elektronische Mittel beim Auftreten bestimmter in der verschlüsselten Nachricht vorkommender, wunschgemäß zu .wählender Elementengruppen jeweils auf eine fest gewählte Stellung (Nullstellung) cinstellbar ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 076 733.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 009 613/1 3.70