METHOD OF GENERATING PSEUDO-RANDOM TRAINS OF BINARY SIGNALS

Abstract: The invention relates to a method of generating pseudo-random trains of binary characters of long period by using a character generator having fed back shift registers, to which disturbing binary trains are applied on the input side and which, arranged beside one another, form a stage or plane of action, a plurality of such register stages being arranged with respect to one another such that the output signal trains of the individual shift registers of a register stage serve as disturbing trains of binary characters for the shift register inputs of the downstream register stage and are fed to these via controllable allocators, and being combined by a combination circuit to form a pseudo-random train of binary characters of long period. It is characteristic of the method that gates are provided to mask a clock pulse for individual shift registers, that for the individual stages of the module logic elements are provided which form a signal representative of the period of this stage, that a plurality of such generator modules are driven serially/in parallel, and that the representative signals of one module are used to mask the clock signal at another module (Figure 4). <IMAGE>

Description: Verfahren zum Erzeugen zufallsähnlicher Binärzeichen folgen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen zufalls ähnlicher Binärzeichenfolgen gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solches Verfahren ist durch die DE-PS 24 51 711 bekannt geworden. Zufallsähnliche Zeichenfolgen werden beispielsweise für die Ver- bzw. Entschlüsselung von Informationen in Chiffriereinrichtungen benötigt. Diese Folgen müssen eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, um den Forderungen der Kryptotechnik nachzukommen: a) Lange Periode (quasi unendlich) b) Wiederholbarkeit c) statistisches, d.h. einem echten Zufallstext nahekom mendes Testverhalten d) komplexe Bildungsgesetze e) eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Einstellung und Anderung der Bildungsgesetze durch Programme f) kalkulierbare Dechiffriersicherheit g) hohe Arbeitsgeschwindigkeiten. Das durch die obige deutsche Patentschrift bekanntgewordene Verfahren geht von der für das Bilden langer Perioden notwendigen Voraussetzung aus, dass die von den einzelnen Impulsfolgegeneratoren, nämlich Zähler und/oder rückgekoppel te Schieberegister, gelieferten Impulsfolgen in der Anzahl ihrer Bitstellen je Periode untereinander teilerfremd sind, was dadurch erreicht wird, dass die Anzahl der Bitstellen je Periode eine Primzahl oder das Produkt weniger Primzahlen ist. Die Verknüpfung mehrerer Binärzeichenfolgen mit unterschiedlichen, teilerfremden Periodenlängen ergibt eine Binärzeichenfolge mit einer Periodenlänge gleich dem Produkt der Periodenlänge der der Verknüpfung unterworfenen Binärzeichenfolgen. Wiederholtes Verknüpfen verschiedener Binärzeichenfolgen mit teilerfremden Periodenlängen erlaubt das Gewinnen von Binärzeichenfolgen mit extrem langen Perioden, und es können durch Steuermöglichkeiten für Zähler und Schieberegister die einzelnen Binärzeichenfolgen und damit auch die Binärzeichenfolge mit extrem langer Periode fortlaufend in unregelmässiger Weise geändert werden. Weiterhin werden die zu verknüpfenden Binärzeichenfolgen fortlaufend untereinander getauscht, indem die von den einzelnen Teilfolgegeneratoren bzw. Schieberegistern gelieferten Binärzeichenfolgen als Störimpulsfolgen durch gesteuerte Zuordnerschaltungen in fortlaufendem und unregelmässigem Wechsel anderen rückgekoppelten Schieberegistern oder anderen Eingängen eines rückgekoppelten Schieberegisters zugeführt werden. Mit einem solchen Zeichengenerator erzielt man zwar eine sehr lange Periode, doch, will man noch eine grössere Periodenlänge erreichen, so steigt der Schaltungsaufwand sehr steil an, weil aufgrund der Voraussetzung, dass die von den einzelnen Impulsfolgegeneratoren gelieferten Impulsfolgen in der Anzahl ihrer Bitstellen je Periode untereinander teilerfremd sind, erforderlich ist, dass höhere Primzahlen zusätzlich verwendet werden müssen, was sich durch zusätzlichen Einsatz von entsprechend längeren Schieberegistern ausdrückt. Technische und technologische Fortschritte in der Datenverarbeitung führten und führen zu höheren Verarbeitungsund Ubertragungsgeschwindigkeiten. Damit ist-auch eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit eines Zeichengenerators der Kryptogeräte erforderlich. Die Forderung nach erhöhter Arbeitsgeschwindigkeit der Zeichengeneratoren und die Tatsache der höheren Geschwindigkeit von Datenverarbeitungsanlagen ziehen aber auch eine weitere Verlängerung der Periodendauer der Binärzeichenfolgen mit sich, um eine entsprechende Kryptosicherheit zu gewährleisten. Bei der zeichenweisen oder wortweisen Verschlüsselung von Texten, bei der für jede Bitstelle ein separater Zeichen¯ generator vorgesehen ist, die nach unterschiedlichen Bildungsgesetzen arbeiten, ist es daher erforderlich, dass diese separaten Zeichengeneratoren jeweils einen unter schiedlichen Aufbau und eine unterschiedliche Anordnung aufweisen. Der Aufwand hierfür, auch unter der Voraussetzung der unterschiedlichen teiler fremden Impulsfolgen gesehen, ist enorm. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe war, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, welches bei wenig zusätzlichem Aufwand zufallsähnliche Binärzeichenfolgen mit für sehr viel längerer Periode zu liefern im Stande ist. Die Lösung erfolgt mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens an. Das erfindungsgemässe Verfahren weist die Vorteile auf, dass mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand eine wesentlich längere Periodendauer für die Binärzeichenfolge erreicht werden kann. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass auch Impulsfolgengeneratoren verwendet werden können, welche Impulsfolgen liefern, die in der Anzahl ihrer Bitstellen je Periode untereinander teilergleich sind. Damit sich Gesamtimpulsfolgen ergeben, deren Periodenlänge sich aus der Multiplikation der Einzelperiodenlängen der Generatoren ergibt, werden die Impulsfolgen der Einzelgeneratoren laufend in Versatz gehalten, d.h. nach Ablauf der Periode des ersten Generators wird die Phasenlage der Impulsfolge des zweiten Generators durch Ausblenden eines Taktimpulses verzögert. Auf diese Weise ist es möglich, sehr lange Gesamtperioden zu erzeugen, ohne hohe Primzahlen und damit lange Schieberegisterketten benutzen zu müssen. Mit dem geringeren zusätzlichen Schaltungsaufwand ist auch ein kleinerer zusätzlicher Raumbedarf sowie eine geringere zusätzliche Verlustleistung verbunden. Von grossem Vorteil ist auch die Verwendungsmöglichkeit von in sich vollkommen gleichen Generatormoduln. Dadurch ergibt sich wiederum die Möglichkeit der Integration der Schaltungsanordnung in einem Grossschaltkreis. Durch diese Realisierungsmöglichkeit als Grossschaltkreis geben sich wiederum ein kleinerer Raumbedarf, eine geringere Verlustleistung und geringere Kosten. Zusätzlich erbringt der Grossschaltkreis eine höhere Zuverlässigkeit und ermöglicht hohe Arbeitsgeschwindigkeiten. Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Generatormodul gemäss der Erfindung dargestellt. Die Figuren 2 bis 4 zeigen verschiedene Verknüpfungsgmöglichkeiten mehrerer Generatormodule. Der Generatormodul gemäss Figur 1 zeigt die Verknüpfung mehrerer Teil folgen TFa bis TFt zu einer Ausgangs folge QZF mit quasizufälligen Eigenschaften. In der Anordnung nach Figur 1 werden in den durch strichpunktierte Rahmen zusammengefasste Wirkungsgruppen 1 bis 6 in der Wirkungsrichtung von oben nach unten die binären Zeichen folgen zu einer Quasizufallsbinärzeichenfolge QZF aufbereitet. Die Wirkungsbaugruppen 1, 3 und 4 enthalten Teilfolgegeneratoren TFa bis TFt mit unterschiedlichen, d. h. teilerfremden Umlaufperioden. Die Teilfolgegeneratoren können beispielsweise als rückgekoppelte Schieberegister maximaler Periode sein, die vorzugsweise eine Primzahl oder ein Produkt aus wenigen Primzahlen ist. Die Wirkungsbaugruppen 2 und 5 enthalten Einrichtungen zur logischen Verknüpfung von Binärsignalen. Es können hierfür UND-, ODER-, Exlusiv ODER-Glieder, Zuordner, Multiplexer, Wähler, Koppler usw. verwendet werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 werden in der Wirkungsbaugruppe 2 und 5 Produkt bildende Schaltungen verwendet, welche die Teilfolgen a bis f mit den Teilfolgen m bis g multipliziert. Das Ergebnis wird der weiteren Wirkungsbaugruppe 5 zugeführt, welche weitere Zuordnungen und Multiplikationen mit Teilfolgen t bis n aus der Gruppe 4 durchführt. Die Wirkungsbaugruppe 6 fasst die Ergebnisse aus der Wirkungsbaugruppe 5 zusammen und bildet die Ausgangs folge QZF, die somit abhängig ist von allen einzelnen Teil folgen TFa bis TFt. Für eine solche Generatoranordnung gibt es mehrere Einstellmöglichkeiten, erstens durch eine Voreinstellung der Teilfolgegeneratoren, zweitens durch die Steuerbarkeit der Zuordner in den Wirkungsebenen 2 und 5, wobei die Zuordnung geändert werden kann, drittens in der Steuerbarkeit der Schieberegisterketten in den Wirkungsbereichen 1, 3 und 4, indem die Rückkoppelung dieser Schieberegister variiert wird, und schliesslich viertens in einer weiteren Störbeeinflussung der Schieberegisterketten der Wirkungsebenen 1, 3 und 14, indem mittels Torschaltungen TS, TS1 bis TS4 einzelne Takte für die Schieberegisterketten einer Wirkungsebene oder des ganzen Moduls ausgeblendet werden. Die Wirkungsebenen der Schieberegisterstufen und der Zuordner weisen zusätzlich Verknüpfungsschaltungen V1 bis V5 auf, welche die Periode der Teilfolgegeneratoren überwachen. Die Verknüpfungsschaltungen Vt, V3 und V4 der Wirkungsebenen der rückgekoppelten Schieberegisterketten sind Konjuktionsschaltungen, welche eine binäre Eins an ihrem Ausgang abgeben, wenn ein bestimmtes Wort durch alle in der jeweiligen Gruppe aktiven Teil folgen gebildet wird. Dieses Wort tritt einmal je Umlauf der Gruppenperiode auf und führt dann zu dem repräsentativen Signal an den Ausgängen all, a12 und a13. Eine weitere Konjunktionsschaltung V fasst diese drei Ausgänge zusammen und führt am Ausgang a10 ein für die Gesamtperiode des Generatormoduls repräsentative Signalaussage. Die Verknüpfungsschaltungen V2 und V5 bilden die Summensignale aus den in der jeweiligen Wirkungsgruppe anliegenden Teilfolgensignale TFa bis TFm bzw. TFa bis TFt. An den Ausgängen a21 bzw. a22 dieser Summenschaltungen stehen damit Binärzeichenfolgen mit der maximalen Periodenlänge gleich dem Produkt der Längen aller der Verknüpfungsschaltungen zugeführten Binärzeichenfolgen an. Die Sfgnaleingänge e21 und e22 wirken auf die Wirkungsbaugruppen 2 bzw. 5 in der Art, dass innerhalb dieser Baugruppen die logische Verknüpfung der Teilfolgen-Signale und/oder die Zuordnung der Eingangssignale dieser Baugruppen zu deren Ausgängen in Abhängigkeit der logischen Wertigkeit der Eingangssignale an e21 und e22 verändert werden. Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei miteinander verbundenen Generatormoduln. Beide Generatormoduln werden mit dem gemeinsamen Arteitstakt versorgt, wobei in beiden Fällen mit e10 = 0 der Takt für beide Moduln freigegeben wird. Es folgt nun die Beschreibung der Wirkung der einzelnen Verbindungen zwischen den Moduln. Die Verbindung all von Modul 1 nach e11 Modul 2 bewirkt, dass immer dann, wenn die Wirkungsbaugruppe 1 (Stufe 1) des Moduls 1 ein Periodensignal all meldet, über die Eingangsschaltung ell des Moduls 2 ein Arbeitstakt für die Gruppe 1 des Moduls 2 ausgeblendet wird. Die Teilfolgenregister der Wirkungsbaugruppe 1 des Moduls 2 erscheinen nach jeder Ausblendung des Taktes um jeweils ein Bit phasenverschoben gegenüber den Registern der Gruppe 1 des Moduls 1. Da das Periodensignal a71 des Moduls 1 pro Periodenumlauf die Register der¯Gruppe 1 des Moduls 2 um eine Bitstelle verschiebt, ist leicht einzusehen, dass die Gesamtperiode der Wirkungsbaugruppen 1 des Moduls 1 und des Moduls 2 gleich dem Produkt der Einzelgruppenperioden ist. In entsprechender Weise wirken die Verbindungen a12 von Modul 1 nach e12 Modul 2 sowie a13 Modul 1 nach e13 Modul 2. über e12 wird die Gruppe 3 des Moduls 2 und über e13 die Gruppe 4 von Modul 2 verschoben. Betrachtet man insgesamt die zu verschiedenen Zeitpunkten stattfindenden Verschiebungen der Gruppen 1, 3 und 4 des Moduls 2 in Abhängigkeit des Periodenumlaufes der Gruppen 1, 3 und 4 des Moduls 1, so ist ebenfalls leicht einzusehen, dass die Gesamt periode der Anordnung gleich dem Produkt aller beteiligten Unterperioden ist. Die Gesamtperiode dieser Zwil lingsanordnung ist gleich dem Produkt der Perioden der beiden Quasizufallsfolgen QZF1 und QZF2. Die Verbindung a21 von Modul 1 nach e21 von Modul 2 bewirkt, dass die logischen Verknüpfungen in der Gruppe 2 des Moduls 2 in Abhängigkeit der Summensignale an a21 beeinflusst werden. Die Verbindung von a22 Modul 1 nach e22 Modul 2 wirkt in derselben Weise. Die beiden Rückkopplungsverbindungen von a21 Modul 2 nach e21 Modul 1 bzw. a22 Modul 2 nach e22 Modul 1 wirken in gleicher Weise und ermöglichen damit auch Anderungen in Modul 1 in Abhängigkeit der jeweiligen Einstellung in Modul 2. Eine andere Verbindung zwischen zwei Moduln zeigt die Figur 3. Hier wird der Takt für den Generatormodul 1 durch elO = O dauernd freigegeben. Für Modul 2 dagegen wird der Takt durch die Verbindung a10 Modul 1 nach e10 Modul 2 immer dann ausgeblendet, wenn der Modul 1 eine Periode durchlaufen hat. Durch die beiden Verbindungen a22 von Modul 1 nach e22 Modul 2 sowie von a22 Modul 2 nach e22 Modul 1 werden die logischen Verknüpfungsschaltungen in der Wirkungsbaugruppe 5 jeweils in Abhängigkeit aller Teilfolgen des anderen Generatormoduls beeinflusst. Die Figur 4, die aus den beiden Teilfiguren 4a und b auf jeweils einem Blatt besteht, zeigt eine Konfiguration mit vier Moduln, die in gleicher Weise geschaltet sind wie die beiden Generatormoduln nach Figur 3. Hier erfolgt eine Taktausblendung bei einem Generatormodul immer dann, wenn einer der vorhergehenden Generatormoduln seine Periode durchläuft. Der erste Generatormodul 1 arbeitet ohne Taktausblendung, der Eingang elO seiner Takttorschaltung TS ist mit einer binären Null belegt. Bei den beiden Generatormoduln 3 und 4 sind vor dem Sperreingang der Torschaltung TS für die Sperrung des Taktes für den ganzen Modul jeweils ein ODER-Glied eingefügt, auf dessen Eingänge die für die Gesamtperiode repräsentativen Signale a10 der vorhergehenden Generatormodule 1, 2 bzw. 1, 2 und 3 geführt sind. Die Ringverbindungsschaltung von a22 nach e22 in der Wirkungsebene 5 besteht bei dieser Anordnung nach Figur 4 ebenso wie in Figur 3 wobei der Ring lediglich von zwei auf vier Generatormoduln erweitert wurde.

Claims: Method for the generation of random binary symbol sequences of long period with the use of a symbol generator with shift registers (TFa ... TFf), which are acted on at the input by binary noise sequences and provided with feedback and which are arranged one beside the other in an effective group (1 ... 6) as shift register stage (1, 3, 4), wherein several such shift register stages (1, 3, 4) are so arranged one among the other with an effective direction downwards from above that the output signal sequences of the individual shift registers (TFa ... TFf) of a shift register stage (1) serve as binary noise symbol sequences for the shift register inputs of the shift register stage (4) connected therebehind and are fed to this by way of controllable collators (2) and wherein the output signals (QZF, QZF1 ...) of the last collator (6) or of the last shift register stage, which are interlinked by a logic circuit ( a ... t), form the random binary symbol sequence of long period, characterised thereby, that the pulse input of at least one shift register (TFa) of the symbol generator (module 1, module 2) is blockable by means of a gate circuit (TS1), that the output signals of a shift register stage (1) or of a controllable collator (2) of a symbol generator are so interlinked by a logic circuit (V1 or V2) that a signal (a11 or a21) arises, which is representative of the period of this stage or of this collator, that several symbol generators of this kind are operated and that the symbol generators are so connected one with the other that the signal (a11 or a21), which is representative of the period, of a stage (1) or of a collator (2) of the one symbol generator (module 1) is conducted to the blocking input (e11) of the gate circuit (TS1) or to the control input (e21) of a collator (2) of another symbol generator (module 2) (Figure 2) and the phase position of the pulse sequence of the downstream partial sequence generator (TFa ... TFf) is delayed on the symbol generator (module 2) by blanking out a clock pulse after run-down of the period of the partial sequence generator (TFa ... TFf) of the one symbol generator (module 1). Method according to claim 2, characterised thereby, that the symbol generators (module 1, module 2) are connected in cascade or in a ring (Figure 2). Method according to one of the preceding claims, characterised thereby, that a common pulse input, which is blockable by means of a gate circuit (TS1), for the shift registers (TFa ... TFf) of an entire stage of a symbol generator (module 1, module 2) is provided (Figure 2). Method according to one of th preceding claims, characterised thereby, that the connection in cascade or in a ring takes place each time between the same collators (2) or the same register stages (1) of the individual symbol generators (module 1, module 2) (Figure 2). Method according to one of the preceding claims, characterised thereby, that a common pulse input, which is blockable by means of a gate circuit (TS) for the shift register (TFa ... TFt) of an entire symbol generator (module 1, module 2) is provided (Figure 2). Method according to one of the preceding claims, characterised thereby, that the output signals of shift register stages (1, 3, 4) or collators (5) of a symbol generator (module 1, module 2) are so interlinked by a logic circuit (V or V5) that a signal (a10 or a22) arises, which is representative of the period of this entire symbol generator (Figure 2). Method according to claim 6, characterised thereby, that the representative signal (a10 or a22) of the one symbol generator (module 1) is conducted to the blocking input (e13) of the gate circuit (TS4) for the pulse input of the last shift register stage (4) or the control input (e22) of the last controllable collator (5) of the next symbol generator (module 2) (Figure 2). Method according to claim 6 or 7 in so far as claim 6 is dependent on claim 5, characterised thereby, that the representative signal (a10) of the one symbol generator (module 1) is conducted to the blocking input (e10) of the gate circuit (TS) for the common pulse input of the next symbol generator (module 2) (Figure 3). Method according to one of the preceding claims, characterised thereby that the operation of the individual symbol generators takes place each time with different presetting (TFa ... TFf) of the first shift register stages (1).

Inventors: GLITZ, EKKEHARD, ING.GRAD., WEWERKA, HEINZ, DIPL.-ING.
Applicants: ANT NACHRICHTENTECHNIK GMBH
Application year: 1984
Main classification: H03K3
IPC codes: H03K3