DE69835842T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Schlüsselstroms - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die sichere Übertragung digitaler Sprach- und -Datenkommunikationen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Verschlüsselungsstrom mit mehreren linearen Rückkopplungsschieberegistern, die große pseudozufällige Bitsequenzen erzeugen und mehrere Sicherheitsschlüssel aufweisen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Codemultiplex-Vielfachzugriff (Code Division Multiple Access/CDMA) ist eine Art Spreizspektrums-Kommunikationssystem, bei dem jede Teilnehmereinheit durch den Besitz eines einzigartigen Codes von allen anderen Teilnehmereinheiten unterschieden wird. Zum Kommunizieren mit einer bestimmten Teilnehmereinheit prägt eine Sendereinheit den einzigartigen Code auf die Übertragung auf und der Empfänger verwendet den selben Code zum Decodieren der Übertragung.
  • Die von einem CDMA-Kommunikationssystem zum Übertragen von Sprach- und Datenkommunikationen eingesetzten einzigartigen Codes erscheinen wie Rauschen und zufällig. Da die Zufallssequenzen durch standardmäßige deterministische logische Elemente erzeugt werden, ist die Erzeugung der Bitsequenezen vorhersehbar und wiederholbar. Es ist die Verwendung dieser wiederholbaren binären Zufallssequenzen, die eine leicht zu bewerkstelligende Modulation mit einem beliebigen informationstragenden Signal ermöglicht. Diese vorhersehbaren Zufallssequenzen werden als Pseudozufallssequenzen bezeichnet.
  • Jeder Sender in einem CDMA-Kommunikationssystem enthält einen Schlüsselstromgenerator, der einen Schlüssel zum Verschlüsseln der Sprach- und Datenkommunikationen verwendet. Ein identischer Schlüsselstromgenerator am Empfänger entschlüsselt die empfangenen verschlüsselten Kommunikationen unter der Verwendung desselben Schlüssels.
  • Wie im Stand der Technik wohl bekannt ist, ist der einfachste Schlüsselstromgenerator das lineare Rückkopplungsschieberegister. Ein Schieberegister einer endlichen Bitlänge wird mit einer festen Rate getaktet. Ein Exklusiv-ODER-Gatter (XOR-Gatter) erzeugt das serielle Eingabesignal aus der XOR-Kombination einiger Bits des Schieberegisters. Die Schaltung geht dann durch eine Reihe von Zuständen und wiederholt sich schließlich nach einer endlichen Anzahl von Taktimpulsen. Der vom linearen Rückkopplungsschieberegister erzeugte Schlüsselstrom hängt jedoch mit der Länge des Schieberegisters zusammen und damit, welche Bits zur Erzeugung der nächsten Eingabe im XOR-Element kombiniert werden. Wenn ein komplexer Verschlüsselungsstrom gewünscht wird, muss ein aufwendiges Schieberegister mit einer sperrigen Länge eingesetzt werden.
  • In einem Artikel von Zeng et al. mit dem Titel "Pseudo Random Bit Generators in Stream-Cipher Cryptography" ("Pseudofallsbitgeneratoren in der Verschlüsselungsstromkryptographie"), Computer, Band 24, Nr. 2, 1. Februar 1991, Seiten 8–17, sind verschiedene lineare Rückkopplungsschieberegister verwendende Schaltungen zur Erzeugung von Verschlüsselungsströmen offenbart.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einem einfachen Verfahren zum Erhöhen der Komplexität des Verschlüsselungsstroms zur Erhöhung der Sicherheit verschlüsselter Nachrichten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Verschlüsselungsstrom-Erzeugungsschaltung zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationssystem enthält mindestens zwei gegenseitig gekoppelte lineare Rückkopplungs-Schieberegisterschaltungen (linear feedback shift register/LFSR), wobei eine LFSR-Schaltung zum Steuern des Taktes der anderen verwendet wird. Diese Kombination von LFSR-Schaltungen erzeugt einen Verschlüsselungsstrom mit einer sehr großen linearen Komplexität und einer sehr langen Periode. Die Gesamtausgabe ist bezüglich der einzelnen Ausgaben der LFSR-Schaltungen ausgeglichen. Die Verschlüsselungsstrom-Erzeugungsschaltung kann in einer Mehrstufenkonfiguration verwendet werden, wobei in diesem Fall die Sicherheit stark erhöht wird, da die lineare Komplexität und Periode der Verschlüsselungsstromausgabe exponentiell anwächst.
  • Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen von Pseudozufallssequenzen mit erhöhter Komplexität vorzusehen.
  • Weitere Aspekte und Vorteile werden dem Fachmann nach der Lektüre der eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Spreizspektrums-Senders;
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Spreizspektrums-Empfängers;
  • 3 ist ein Zeitabstimmungsdiagramm einer in den 1 und 2 verwendeten Pseudorauschsequenz (PN-Sequenz);
  • 4 ist ein Diagramm, das einen herkömmlichen Verschlüsselungsstromgenerator zeigt;
  • 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Spreizspektrumssenders der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des Verschlüsselungsstromgenerators der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist ein Fließdiagramm der Schritte zum Erzeugen eines Verschlüsselungsstroms in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Spreizspektrumsempfängers der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 ist eine zweite Ausführungsform des Verschlüsselungsstromgenerators der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die bevorzugten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, bei denen die gleichen Bezugszeichen durchwegs die gleichen Elemente repräsentieren.
  • Ein typischer herkömmlicher Spreizspektrumssender 10, wie er in 1 gezeigt ist, enthält einen Analog-Digital(A/D)-Wandler 12 und einen Schalter 14. Der A/D-Wandler 12 empfängt ein analoges Sprachsignal, digitalisiert das Signal und gibt das digitalisierte Signal an den Schalter 14 aus. Der Schalter 14 empfängt das digitale Sprachsignal vom A/D-Wandler 12 und ein digitales Datensignal von einem (nicht gezeigten) Datenendgerät. Dem Fachmann sollte leicht verständlich sein, dass das Datenendgerät ein Faxgerät, ein Computer oder ein beliebiger anderer Typ eines elektronischen Geräts sein kann, das digitale Daten senden oder empfangen kann. Der Schalter 14 verbindet den Spreizspektrumssender 10 mit einem Eingang für entweder digitale Sprachdaten oder digitale Daten. Die digitalen Sprachdaten und die digitalen Daten werden hiernach kollektiv als digitale Daten bezeichnet.
  • Ein Mischer 16 kombiniert die Daten vom Schalter 14 mit dem vom Verschlüsselungsstromgenerator 17 erzeugten Verschlüsselungsstrom, der mindestens einen Schlüssel 18 aufweist. Nach dem Kombinieren des Verschlüsselungsstroms mit den Daten, gibt der Mischer 16 die verschlüsselten digitalen Daten an einen Spreizer 20 aus, der ein Mischer sein kann. Eine Pseudozufallssequenz, die vom Pseudozufallssequenzgenerator 30 erzeugt wurde, wird an einen ersten Anschluss des Spreizers 20 angelegt. Der Pseudozufallssequenzgenerator 30 und der Spreizer 20 sind, wie gezeigt, in einem Spreizspektrumscodierer 40 enthalten.
  • Der Spreizer 20 führt eine Frequenzspektrumsspreizungsfunktion durch Multiplizieren der Daten mit der Pseudozufallssequenz im Zeitbereich durch, was mit einer Faltung des bimodalen Spektrums der Datensequenz mit dem ungefähr rechtwinkligen Spektrum der Pseudozufallssequenz im Frequenzbereich äquivalent ist. Die Ausgabe des Spreizers 20 wird an ein Tiefpassfilter 50 angelegt, dessen Endfrequenz gleich der Systemchiprate Fcr ist. Die Ausgabe des Tiefpassfilters 50 wird dann an einen Anschluss eines Mischers 60 angelegt und, wie durch die Trägerfrequenz Fc bestimmt, die an seinen anderen Anschluss angelegt wird, aufwärts gemischt. Das aufwärts gemischte Signal wird dann durch ein Bandpassfilter 70 geleitet. Das Filter 70 hat eine Bandbreite, die gleich dem Doppelten der Chiprate ist, und eine Mittelfrequenz, die gleich der Mittelfrequenz der Kanalbandbreite des Spreizspektrumssystems ist. Die Ausgabe des Filters 70 wird an den Eingang eines HF-Verstärkers 80 angelegt, dessen Ausgabe eine Antenne 90 ansteuert.
  • Ein bekannter Spreizspektrumsempfänger 100 ist in 2 gezeigt. Eine Antenne 110 empfängt das übertragene Spreizspektrumssignal, das durch ein Bandpassfilter 120 gefiltert wird. Das Filter hat eine Bandbreite, die gleich dem Doppelten der Chiprate ist, und eine Mittelfrequenz, die gleich der Mittelfrequenz der Kanalbandbreite des Spreizspektrumsystems ist. Die Ausgabe des Filters 120 wird in der Folge durch einen Mischer 130 möglicherweise in zwei Schritten auf ein Basisbandsignal herabgemischt, wobei ein lokaler Oszillator mit einer konstanten Frequenz eingesetzt wird, die ungefähr die gleiche wie die Trägerfrequenz Fc des Senders 10 ist. Die Ausgabe des Mischers 130 wird dann durch Anlegen an einen ersten Anschluss des Entspreizers 140 entspreizt, während die selbe oder eine ähnliche Pseudozufallssequenz, wie sie vom Spreizer 20 geliefert wird, an einen zweiten Anschluss des Entspreizers 140 angelegt wird. Die Pseudozufallssequenz wird durch den Entspreizungscodegenerator 150 erzeugt. Der Entspreizer 140 und der Entspreizungscodegenerator 150 sind in einem Spreizspektrumsdecoder 160 enthalten, wie in 2 gezeigt.
  • Insbesondere wird erkannt werden, dass die im Empfänger 100 eines Spreizspektrumskommunikationssystems verwendete Pseudozufallssequenz mit der im Sender 10 verwendeten Pseudozufallssequenz synchronisiert werden muss. Die Ausgabe des Entspreizers 140 wird an einen Mischer 170 angelegt. Der Entschlüsselungsstromgenerator 172 erzeugt den gleichen Verschlüsselungsstrom wie der Schlüsselstromgenerator 17 zum Entschlüsseln der verschlüsselten digitalen Daten. Beim Stand der Technik ist der im Sender 10 verwendete Schlüssel der gleiche wie der im Empfänger 100 verwendete Schlüssel 174. Der Empfangsschlüssel 174 zum Entschlüsseln der verschlüsselten digitalen Daten wird an den Verschlüsselungsstromgenerator 172 angelegt. Die Ausgabe des Mischers 170 wird an ein Tiefpassfilter 180 angelegt, das eine Endfrequenz bei der Datenrate der Dateneingabe des Spreizspektrumssenders 10 hat. Die Ausgabe des Tiefpassfilters 180 ist ein Replik der Sprach- oder digitalen Dateneingabe, die in 1 gezeigt ist.
  • Eine herkömmliche Spreizsequenz ist eine digitale Pseudozufallssequenz, wie sie in 3 gezeigt ist. Die Sequenz erreicht typischerweise über die Zeit zwei konstante Werte (±1). Die Sequenz wird zum Spreizen des zu sendenden Signals und zum Entspreizen des empfangenen Signals verwendet. Der Verschlüsselungsstrom wird durch einen Verschlüsselungsstromgenerator 17 erzeugt, wie in 4 gezeigt ist. Ein verschlüsselter Datenstrom kann entschlüsselt werden, wenn der Schlüssel 18 zum ursprünglichen Verschlüsselungsstrom bekannt ist und beim Empfänger dupliziert wird. Die Bits werden durch den Verschlüsselungsstromgenerator 17 erzeugt, und die Datenbits werden zum Verschlüsseln der Daten mit einer XOR-Funktion bearbeitet. Der ursprüngliche Datenstrom wird wiederhergestellt, wenn die verschlüsselten Daten mit dem gleichen Verschlüsselungsstrom einer XOR-Verarbeitung unterzogen werden, wie durch Gleichung 1 gezeigt: bi ⊕ ci ⊕ ci = bi Gleichung (1)wobei bi der ursprüngliche Datenstrom und ci der ursprüngliche Verschlüsselungsstrom ist.
  • Wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt, ist der einfachste Verschlüsselungsstromgenerator 17 das lineare Rückkopplungsschieberegister 34. Das Schieberegister 34 umfasst eine endliche Anzahl von Bits, 33, 35, 37, oder eine endliche Bitlänge, die durch eine Taktschaltung 32 mit einer vorbestimmten festen Rate getaktet wird. Eine Kombination von LFSR-Bits 35, 37 werden zum Erzeugen des nächsten Eingabebits an das LFSR 34 durch das XOR-Gatter 38 mit einer XOR-Operation bearbeitet. Koeffizienten eines primitiven Polynoms bestimmen, welche Bits der XOR-Operation unterzogen werden. Ein XOR-Gatter 36 kombiniert die Ausgabe des LFSR 34 und den digitalen Datenstrom 39 zum Verschlüsseln der Daten. Das LFSR 34 geht dann durch eine Reihe von Zuständen und wiederholt sich schließlich nach einer endlichen Anzahl von Taktimpulsen, die von der Taktschaltung 32 geliefert werden.
  • Ein herkömmliches 3-Bit-LFSR 34 ist ein Beispiel für einen Verschlüsselungsstromgenerator 17, wie er in 4 gezeigt ist. Ein N-Bit-Schieberegister hat eine Periode von 2n – 1. Demnach ist für das 3-Bit-Schieberegister 34 die Periode 7. Jeder Anfangswert von null oder eins, der in jedes Bit des Registers 34 geladen wird, bildet einen Schlüssel, außer wenn alles Nullen sind. Wenn zum Beispiel der Schlüssel 111 ist, erzeugt das Schieberegister 34 die folgenden Werte:
    Anfängliches Laden → 111 011 001 100 010 101 110
    Wiederholung → 111 011
  • Das Drei-Bit-LFSR 34, wie es oben gezeigt ist, hat eine sehr kleine Periode (d.h. 7). Demnach bietet ein LFSR dieser Größe keine sichere Datenübertragung.
  • Ein erfindungsgemäß hergestellter Spreizspektrumssender 200 ist in 5 gezeigt. Der Sender 200 weist alle Komponenten des Spreizspektrumssenders 10 auf, der in 1 gezeigt ist, die in der gleichen Weise funktionieren, bis auf den Verschlüsselungsstromgenerator 220 und die Schlüssel 210, die nachfolgend eingehender beschrieben werden. Auch wenn 5 einen Sender 200 zum Senden eines Kanals zeigt, können viele Kanäle kombiniert und dann durch den Verschlüsselungsstromgenerator 220 verschlüsselt werden.
  • Gemäß 6 enthält der Verschlüsselungsstromgenerator 220 zwei LFSR-Schaltungen (L1, L2). Die Ausgabe der zweiten LFSR-Schaltung L2 wird zum Steuern des Taktes der ersten LFSR-Schaltung L1 verwendet. Zum Beispiel wird die Ausgabe des zweiten LFSR L2 vorzugsweise in eine UND-Gatter 222 eingespeist, das mit dem Takteingang des ersten LFSR L1 verbunden ist. Das UND-Gatter 222 könnte durch ein NAND-Gatter ersetzt werden. Andere Gatter, wie zum Beispiel ODER, NOR, XOR, usw. oder eine Kombination von Gattern können ebenfalls anstelle des UND-Gatters 222 verwendet werden. Exklusiv-ODER-Gatter 38 liefern eine Rückkopplung an die Schieberegister L1, L2. Der Verschlüsselungsstromgenerator 220 enthält auch ein Exklusiv-ODER-Gatter 224, das mit den Ausgängen der LFSRs L1, L2 verbunden ist. Das Exklusiv-ODER-Gatter 224 kombiniert die Ausgaben der LFSRs L1, L2 und gibt den Verschlüsselungsstrom aus. Die Anfangszustände der beiden LFSRs L1, L2 sind die beiden Schlüssel, die von dem Verschlüsselungsstromgenerator 220 und dem Entschlüsselungsstromgenerator 320 gemeinsam genutzt werden. Der Entschlüsselungsstromgenerator 320, der im Folgenden eingehender beschrieben wird, ist vorzugsweise der gleiche wie der Verschlüsselungsstromgenerator 220. Der Verschlüsselungsstromgenerator 220 und der Entschlüsselungsstromgenerator 320 werden vorzugsweise in einem synchronen Modus (im Gegensatz zu einem selbstsynchronen Modus) betrieben, weil der selbstsynchrone Modus einer Fehlerfortsetzung aufgrund von in drahtlosen Übertragungen üblichen einzelnen Bitfehlern unterliegt. Bei selbstsynchronen Verschlüsselungsströmen werden die verschlüsselten digitalen Daten als ein Teil des Schlüssels zum Verschlüsseln der folgenden Datenbits verwendet. Das Problem bei dieser Vorgehensweise ist, dass, wenn ein Bit während der Übertragung verfälscht wird und es unkorrekt entschlüsselt wird, es auch die folgenden Bits verfälscht, da es auch als der Verschlüsselungsschlüssel für die folgenden Datenbits verwendet wird.
  • Alle Verschlüsselungsverfahren außer eine Einmalnachschlagtabelle sind periodisch. Zum Senden einer sicheren Übertragung sollten der Verschlüsselungsstromgenerator 220 und der Entschlüsselungsstromgenerator 320 eine Periode haben, die so lange ist wie praktisch umsetzbar. Die beiden LFSRs L1, L2 erzeugen die maximale Periode, wenn die Koeffizienten der Rückkopplung einem primitiven Polynom entsprechen. Eine solche Sequenz wird als maximal lange Sequenz (m-Sequenz) bezeichnet.
  • Auch wenn dies nicht nötig ist, wird in einer Ausführungsform die maximale Periode erreicht, wenn die Perioden der einzelnen Ausgaben der beiden LFSRs L1, L2 keinen gemeinsamen Faktor haben. Wenn zum Beispiel LFSR L1 eine Bitlänge von 3 hat, ist die einzelne Ausgabeperiode 7. Wenn der zweite LFSR L2 eine Bitlänge von 2 hat, ist die einzelne Ausgabeperiode 3. Daher haben die Ausgabeperioden keinen gemeinsamen Faktor.
  • Ein primitives Polynom, das in der Algebra der endlichen Körper wohl bekannt ist, erzeugt eine Periode 2L – 1, wenn es den L-ten Grad hat. Eine Menge von Polynomen bildet einen endlichen Körper. Ein endlicher Körper hat mindestens ein primitives Element, so dass alle nicht null betragenden Elemente des Körpers Potenzen dieses primitiven Elements sind. Ein Polynom, das ein primitives Element als eine Wurzel hat, wird als primitives Polynom bezeichnet. Wenn daher die LFSR-Schaltungen L1, L2 die Längen LE1 bzw. LE2 haben, haben die Ausgaben sowohl des Verschlüsselungsstromgenerators 220 als auch des Entschlüsselungsstromgenerators 320 die folgende Periode:
  • Figure 00100001
  • Wenn die Längen der beiden LFSRs L1, L2 in der Größenordnung von ~20 sind, ist die Periode des Verschlüsselungsstroms ~1012 Bits. Dies bedeutet, dass ein 32-kBit/s-Datenstrom kontinuierlich über ein ganzes Jahr verschlüsselt werden kann, ohne dass sich der Verschlüsselungsstrom wiederholt.
  • Die lineare Komplexität des Verschlüsselungsstromgenerators 220 ist die Länge des kürzesten LFSR, das die Ausgabe des Verschlüsselungsstromgenerators 220 erzeugen kann. Sie wird oft als ein Maß für die Zufälligkeit der Ausgabe des Verschlüsselungsstromgenerators 220 verwendet. Die lineare Komplexität dieses Verschlüsselungsstromgenerators ist in der Größenordnung von
  • Figure 00100002
  • Wenn die Ausgabe des Verschlüsselungsstromgenerators 220 unter der Verwendung eines einzigen äquivalenten LFSRs wiederholt werden müsste, würde das Register über 20 Millionen Stufen lang sein müssen (für LE1 und LE2 ~20, wie oben).
  • Ein Verschlüsselungsstromgenerator 220 wird als ausgeglichen bezeichnet, wenn seine Ausgabe mit der gleichen Wahrscheinlichkeit die gleiche ist, wie die Ausgabe jeder internen LFSR-Schaltung L1, L2. Vorzugsweise sollte der Ausgabewert der gleiche sein, wie die Ausgabe von entweder der LFSR-Schaltung L1 oder der LFSR-Schaltung L2, das heißt eine Wahrscheinlichkeit von 0,5 haben. Es ist wichtig, dass der Schlüssel ausgeglichen ist, weil es leichter ist, Schlüssel zu brechen, die nicht ausgeglichen sind. Wenn die Kombinationen der Ausgaben der LFSR-Schaltungen L1, L2 und die Ausgaben des Verschlüsselungsstromgenerators 220 betrachtet werden, kann gesehen werden, dass der Verschlüsselungsstrom vollkommen ausgeglichen ist und über die Hälfte der Zeit der gleiche ist wie die Ausgabe des jeweiligen LFSR L1, L2.
  • Der identische Zustand des Verschlüsselungsstromgenerators 220 wird durch die beiden Schlüssel K1 und K2 bestimmt, welche die Anfangszustände der beiden LFSRs L1 bzw. L2 sind. Zum Schutz gegen Einsetzungsangriffe sollten die Schlüsel K1 und K2 oft geändert werden (vorzugsweise mindestens einmal in jeder Periode des Schlüssels). Je mehr Kombinationen für die Schlüssel K1 und K2 vorhanden sind, desto sicherer ist die Übertragung. Die Anzahl von Schlüsselkombinationen in diesem Beispiel ist:
    Figure 00110001
    was eine extrem große Zahl ist.
  • Der Verschlüsselungsstromgenerator 220 der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile: 1) Er hat eine sehr große lineare Komplexität; 2) Er hat eine sehr große Periode; 3) Seine Ausgabe ist bezüglich der Ausgaben der beiden LFSR-Schaltungen L1, L2 ausgeglichen; 4) Er ist mit minimaler Hardware zu implementieren; und 5) Er braucht zwei Schlüssel K1 und K2, was seine Sicherheit erhöht.
  • Zum Beispiel wird, wie in 6 gezeigt, angenommen, dass die erste LFSR-Schaltung L1 eine Bitlänge von 3 und die zweite LFSR-Schaltung eine Bitlänge von 2 hat. Außerdem wird angenommen, dass der Schlüssel K1 "111" und der Schlüssel K2 "11" ist. Die Schlüssel K1 und K2 werden in L1 bzw. L2 geladen. Die Tabelle 1 unten gibt die Zustände der LFSR-Schaltungen L1, L2; die Ausgaben der LFSR-Schaltungen L1, L2; und die Schlüsselströme für mehrere aufeinander folgende Taktzyklen an.
  • Figure 00110002
  • Figure 00120001
    Tabelle 1
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Periode des Verschlüsselungsstroms 21 Taktzyklen ist, was eine Multiplikation der einzelnen Perioden der LFSR-Schaltungen L1 (7) und L2 (3) ist.
  • Der Verschlüsselungsstrom kann auch unter der Verwendung einer Software, wie im Fließdiagramm von 1 gezeigt, generiert werden. Die Anfangszustände, welche die zwei Schlüssel K1 und K2 sind, werden in die Register der Speicherplätze geladen (S1). Wenn die aktuelle Ausgabe der zweiten LFSR-Schaltung L2 "1" ist (S2), wird der Wert der ersten LFSR-Schaltung L1 aktualisiert (S3), und dann wird die zweite LFSR-Schaltung L2 aktualisiert (S4). Wenn jedoch die aktuelle Ausgabe der LFSR-Schaltung L2 null ist (S2), dann wird die LFSR-Schaltung L1 nicht aktualisiert, und es wird lediglich die LFSR-Schaltung L2 aktualisiert (S4). Die Ausgaben der LFSR-Schaltungen L1, L2 werden dann an ein XOR-Gatter weitergeleitet, das den Verschlüsselungsstrom ausgibt (S5). Die Schritte (S2) bis (S5) werden dann wiederholt.
  • Ein erfindungsgemäß hergestellter Spreizspektrumsempfänger 300, wie er in 8 gezeigt ist, enthält alle Komponenten des Spreizspektrumsempfängers 100 von 2, die auch in der gleichen Art und Weise funktionieren, außer dem Entschlüsselungsstromgenerator 310 und den Schlüsseln 320.
  • Der Verschlüsselungsstromgenerator 220 oder der Entschlüsselungsstromgenerator 320 können in einer Mehrstufenkonfiguration, wie in 9 gezeigt, eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Sicherheit beträchtlich erhöht wird, da die lineare Komplexität und die Periode exponentiell anwachsen.
  • Wenn L1 ~ L2 ~ L, dann ist die lineare Komplexität der Mehrstufenkonfiguration mit N Stufen ungefähr ≈ 2L2LN und die Periode der Ausgabe wird ungefähr ≈ 22NL. Der oben erläuterte Verschlüsselungsstromalgorithmus kann, wie in 9 gezeigt, in einer Kaskadenstruktur zur weiteren Erhöhung der Sicherheit eingesetzt werden. Jede Stufe kann die gleiche Bitlänge haben, oder die Stufen können auch unterschiedliche Bitlängen haben. In Kaskadenform bilden vorhergehende Stufen die Takte für die folgenden Stufen. Wie in 9 gezeigt, werden die Ausgabe der ersten LFSR-Schaltung L1 von der Stufe 1 und die Ausgabe der zweiten LFSR-Schaltung L2 von der Stufe 2 in ein UND-Gatter zum Bilden eines digitalen Signals eingespeist, das als der Takt für die erste LFSR-Schaltung L1 der Stufe 2 verwendet wird. In ähnlicher Weise wird die Ausgabe der zweiten LFSR-Schaltung L2 von der Stufe 1 zum Takt für die zweite LFSR-Schaltung L2 der Stufe 2. Es können noch mehr Stufen in der gleichen Weise hinzugefügt werden. Ein LFSR wird getaktet, wenn sich das Signal an seinem Takteingang von null auf eins ändert. Auch wenn die LFSRs L1, L2 auf jeder Stufe vorzugsweise die gleiche Bitlänge haben, können sie auch unterschiedlich sein.
  • Auch wenn die Erfindung unter eingehender Bezugnahme auf bestimmte spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, so sollen diese Details instruktiven und nicht restriktiven Charakter haben. Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass viele Variationen beim Aufbau und der Betriebsart vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die vorliegende Leere offenbart ist, abgewichen wird.

Claims (9)

  1. Schlüsselstromgenerator, mit einem ersten (L1) und einem zweiten (L2) linearen Rückkopplungsschieberegister, von denen jedes einen Takteingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Schlüsselstromgenerator Ausgangssignale aufweist, die zum Generieren des Schlüsselstroms kombiniert werden, wobei der Schlüsselstromgenerator dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ausgangssignal des zweiten Registers (L2) mit einem Taktsignal kombiniert wird, wobei das mit dem Taktsignal kombinierte Ausgangssignal des zweiten Registers in den Takteingang des ersten Registers (L1) eingegeben und das Taktsignal direkt in den Takteingang des zweiten Registers (L2) eingegeben wird.
  2. Schlüsselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (L1) und das zweite Register (L2) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
  3. Schlüsselstromgenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode des ersten Registers (L1) und die Periode des zweiten Registers (L2) teilerfremd sind.
  4. Schlüsselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des ersten linearen Rückkopplungsschieberegisters (L1) und das Ausgangssignal des zweiten linearen Rückkopplungsschieberegisters (L2) durch ein EXKLUSIV-ODER-Gatter kombiniert werden.
  5. Schlüsselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste lineare Rückkopplungsschieberegister (L1) das Ausgangssignal des zweiten linearen Rückkopplungsschieberegisters (L2) über ein UND-Gatter oder ein NAND-Gatter empfängt.
  6. Schlüsselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Reihe einander zugeordneter erster (L1) und zweiter (L2) linearer Rückkopplungsschieberegister aufweist, wobei das Ausgangssignal der Reihe den Schlüsselstrom generiert, und wobei jedes der entsprechenden ersten (L1) linearen Rückkopplungsschieberegister dazu ausgelegt ist, eine Rückkopplung von dem jeweiligen entsprechenden zweiten (L2) linearen Rückkopplungsschieberegister zu empfangen.
  7. Schlüsselstromgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten (L1) linearen Rückkopplungsschieberegister eine andere Bitlänge als jedes der zweiten (L2) linearen Rückkopplungsschieberegister hat.
  8. Schlüsselstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten (L1) linearen Rückkopplungsschieberegister die gleiche Bitlänge und jedes der zweiten (L2) linearen Rückkopplungsschieberegister die gleiche Bitlänge hat.
  9. Schlüsselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er N erste (L1) lineare Rückkopplungsschieberegister und M zweite (L2) lineare Rückkopplungsschieberegister aufweist, wobei das Ausgangssignal des N-ten ersten (L1) linearen Rückkopplungsschieberegisters und das Ausgangssignal des M-ten zweiten (L2) linearen Rückkopplungsschieberegisters durch ein EXKLUSIV-ODER-Gatter kombiniert werden.
DE69835842T 1997-10-10 1998-05-21 Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Schlüsselstroms Expired - Lifetime DE69835842T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US949027 1997-10-10
US08/949,027 US6009135A (en) 1997-10-10 1997-10-10 Method and apparatus for generating a stream cipher

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69835842D1 DE69835842D1 (de) 2006-10-19
DE69835842T2 true DE69835842T2 (de) 2007-01-04

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