DE102005044885B4

DE102005044885B4 - Verfahren sowie Anordnung zur Bereitstellung eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate

Info

Publication number: DE102005044885B4
Application number: DE200510044885
Authority: DE
Inventors: Markus Dichtl; Erwin Hess
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: DE102005044885A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate für die Verschlüsselung einer Nachricht mittels eines symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, bei dem der Schlüsselstrom aufgrund eines geheimen Schlüssels erzeugt und sodann jedes Zeichen des Schlüsselstroms mit je einem Zeichen der Nachricht zu einer verschlüsselten Nachricht verknüpft wird, mit folgenden Schritten:
– Erzeugen eines ersten Schlüsselstroms mit zumindest teilweise unregelmäßiger Datenrate mittels eines deterministischen Algorithmus;
– Zuführen des ersten Schlüsselstroms zu einem Puffer;
– zumindest zeitweise Auslesen des ersten Schlüsselstroms aus dem Puffer mit einer konstanten Datenrate;
– zumindest zeitweise Erzeugen eines zweiten Schlüsselstroms aufgrund von Parametern des symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens mittels eines kombinatorischen Verfahrens; und
– Umschalten zwischen dem aus dem Puffer ausgelesenen ersten Schlüsselstrom und dem zweiten Schlüsselstrom zum Erzeugen des Schlüsselstroms konstanter Datenrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Erzeugung von verschlüsselten Daten zur Verhinderung des Verwertens dieser Daten durch unberechtigte Dritte ist allgemein bekannt. Dabei unterscheidet man zwischen symmetrischen und asymmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen. Ein Vertreter der symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen sind beispielsweise die so genannten Stromchiffren. Bei diesen Verfahren werden Nachrichten Bit für Bit ver- bzw. entschlüsselt. Teilweise erfolgt dies auch Zeichen für Zeichen. Ein Geheimtext wird dabei derart erzeugt, dass zunächst ein Schlüsselstrom generiert wird, wobei dieser Schlüsselstrom eine Folge von Zeichen ist, welche nur mit Kenntnis eines geheimen Schlüssels erzeugt werden kann und anschließend jedes Zeichen dieses Schlüsselstroms mit einem Zeichen des Klartextes der zu verschlüsselnden Nachricht verknüpft wird.
Stromchiffreverfahren lassen sich wiederum in Verfahren unterscheiden, welche den Schlüsselstrom zur Verschlüsselung der Daten mit einer gleichmäßigen Datenrate erzeugen sowie Stromchiffren, welche den Schlüsselstrom mit einer ungleichmäßigen Datenrate erzeugen.
Der Vorteil von Stromchiffren mit ungleichmäßiger Datenrate besteht dabei darin, dass das unberechtigte Entschlüsseln der Daten dadurch erschwert wird, dass aufgrund der Unregelmäßigkeit es nicht feststellbar ist, zu welchem Zeitpunkt der Verschlüsselungsalgorithmus die Output-Bits erzeugt hat.
Nachteilig ist hierbei, dass bei sehr vielen Anwendungen, die auf derartige verschlüsselte Nachrichten Zugriff haben sollen, variable Datenraten Probleme bereiten.
Dies wurde bisher durch hinreichend große Pufferspeicher ausgeglichen, die sichergestellt haben, dass den Anwendungen stets ein Vorrat an Schlüsselstromdaten zur Verfügung steht. Nachteilig hierbei ist jedoch der zum Teil große Pufferspeicherbedarf.
Aus der US 6,819,684 B1 ist eine für die serielle Datenkommunikation nützliche Codierungstechnik bekannt, mittels der ein Bitstrom erzeugt wird, wobei in den Bitstrom eine Bitfolge eingesetzt wird, um zu verhindern, dass in unerwünschter Weise eine serielle Übertragung einer Flag-Sequenz nach dem sogenannten HDLC-Protokoll erfolgt. Zu diesem Zweck wird der Bitstrom unter Verwendung eines Digitalfilters verändert, wenn eine bestimmte Bitstromsequenz erfasst wird, die ansonsten als Flag-Sequenz erfasst werden könnte.
Die EP 0 545 874 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Bildcodierung, bei dem ein Datenstrom aus einem Puffer ausgelesen wird.
Die US 5,222,142 A befasst sich mit einem Sequenzgenerator zur Verwendung bei einem Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsverfahren in Kommunikationssystemen. Der Sequenzgenerator umfasst ein Schieberegister zum Speichern von Datenbits, einen Schalter zum Auswählen zwischen einer Quelle aufeinanderfolgender Zufalldatenbits und eine Rückkopplungsschleife sowie eine Steuereinrichtung zum Umschalten des Schalters zwischen zwei Betriebsarten.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, die eine Bereitstellung von Schlüsselströmen mit konstanter Datenrate mit geringem Pufferspeicherbedarf zur Verfügung stellen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Zur Bereitstellung eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate wird ein mittels eines deterministischen Algorithmus erzeugter erster Schlüsselstrom mit zumindest teilweise unregelmäßiger Datenrate erzeugt. Der erste Schlüsselstrom wird derart einem Puffer zugeführt, dass zumindest zeitweise der Schlüsselstrom mit konstanter Datenrate aus dem ersten Schlüsselstrom ausgelesen wird, zumindest zeitweise ein mittels eines kombinatorischen Verfahrens erzeugter zweiter Schlüsselstrom auf Grundlage von Parametern, insbesondere internen Zustandsdaten, des deterministischen Algorithmus erzeugt wird. In Abhängigkeit des Füllgrades erfolgt ein Umschalten derart, dass ein Schlüsselstrom konstanter Datenrate entweder aus dem ersten Schlüsselstrom oder aus dem zweiten Schlüsselstrom ausgelesen wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass stets ein Schlüsselstrom mit konstanter Datenrate ausgelesen werden kann, da etwaige Unterbrechungen, welche durch den Füllgrad des Puffers erzeugt werden, durch die erfindungsgemäße Umschaltung ohne Folgen für die Verschlüsselung nutzende Anwendungen bleiben. Der erfindungsgemäße Schlüsselstrom ist ein nach einem deterministischen Verfahren aus einem Anfangszustand erzeugter Datenstrom. Er ist somit für kryptographische Anwendungen geeignet, wobei das deterministische Verfahren dabei so gewählt wird, dass es einem Angreifer ohne Kenntnis des Anfangszustands nicht, oder nur unter sehr hohem Aufwand, möglich ist, Teile des Datenstroms korrekt vorauszusagen, selbst wenn er große Stücke des Datenstroms kennt.
Vorzugsweise wird die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms in Abhängigkeit des Füllgrades des Puffers erfolgen. Hierdurch wird gewährleistet, dass der zweite Schlüsselstrom nicht stets erzeugt werden muss, sondern nur fallweise hinzugeschaltet und generiert werden muss, so dass Rechenkapazität und Arbeitsleistung gespart werden kann.
Alternativ hierzu kann die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms stets parallel zur Erzeugung des ersten Schlüsselstroms erfolgen. Hierdurch wird eine unmittelbare Verfügbarkeit erreicht und es werden etwaige Verzögerungen vermieden, so dass diese Variante bei insbesondere zeitkritischen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass der erste Schlüsselstrom derart gepuffert wird, dass solange der Puffer Daten enthält, aus dem ersten Schlüsselstrom der Schlüsselstrom konstanter Datenrate ausgelesen wird und im Fall eines datenlosen Puffers der Schlüsselstrom konstanter Datenrate aus dem auf Grundlage der kombinatorischen Ausgabefunktion erzeugten zweiten Schlüsselstrom ausgelesen wird, wobei dies solange erfolgt, bis der Puffer wieder Daten enthält und wobei durch die kombinatorische Ausgabefunktion die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms auf Grundlage von zum Zeitpunkt des Beginns der Fortsetzung gültigen Parametern des symmetrischen Verschlüsse lungsverfahrens, vorzugsweise internen Zustandsdaten des deterministischen Algorithmus, erfolgt. Gemäß Vorteil dieser Weiterbildung ist das Abfangen datenloser Puffer, so dass eine Anwendung unabhängig davon, ob ein unregelmäßig erzeugter Schlüsselstrom zu einem Leerlaufen des Puffers führt oder nicht, stets am Ausgang mit konstanter Datenrate Schlüsselmaterial abrufen kann. Dies wird vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass der zweite Schlüsselstrom in diesem Fall, nämlich dem Leerlaufen des Puffers, als zweiter Schlüsselstrom ausgelesen wird, wobei, um zu gewährleisten, dass anwendungsseitig keine Umstellung des Verschlüsselungsverfahrens notwendig ist, die kombinatorische Funktion auf Basis der zu dem Zeitpunkt des Umschaltens gültigen Parametern des symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, insbesondere internen Zustandsdaten des deterministischen Algorithmus, den zweiten Schlüsselstrom erzeugt, so dass für die Anwendung kein Unterschied zu dem gemäß dem deterministischen Algorithmus erzeugten Datenstrom feststellbar ist.
Die kombinatorische Funktion ist dabei vorzugsweise als nichtlineare Funktion ausgestaltet.
Um Angriffe auf die verschlüsselte Kommunikation zu erschweren bzw. deren Erfolg zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn die Puffergröße derart begrenzt wird, dass statistische Abweichungen des Schlüsselstroms konstanter Datenrate für Entschlüsselungsversuche unbrauchbar sind, d.h. dass keine Rückschlüsse auf die verwendeten Verschlüsselungsdaten aufgrund der statistischen Abweichungen der Verteilung der Output-Daten vornehmen kann.
Vorzugsweise wird der erste Schlüsselstrom dabei als Stromchiffreverfahren erzeugt. Dies kann dabei auf einem alternativ oder ergänzend auf einem Pseudocodeverfahren basieren.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Bereitstellung eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate, welches das Verfahren durchführen kann, gelöst.
Diese Anordnung weist dabei eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines mittels eines deterministischen Algorithmus generierten ersten Schlüsselstroms, und eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines mittels einer kombinatorischer Funktion generierten zweiten Schlüsselstroms auf, wobei die zweite Einrichtung mit der ersten Einrichtung derart verbunden ist, dass durch die zweite Einrichtung aktuelle interne Zustandsdaten des deterministischen Algorithmus abrufbar sind. Des Weiteren weist die Anordnung eine Puffereinrichtung auf, welche mit der ersten Einrichtung derart verbunden ist, dass der erste Schlüsselstrom derart gepuffert gespeichert wird, dass zumindest zeitweise ein Auslesen des Schlüsselstroms mit konstanter Datenrate erfolgen kann. Des Weiteren enthält die Anordnung eine Umschalteinrichtung, die mit der zweiten Einrichtung und der Puffereinrichtung verbunden und derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit des Füllgrades der Puffereinrichtung ein Auslesen des Schlüsselstroms mit konstanter Datenrate entweder des ersten Schlüsselstroms oder des zweiten Schlüsselstroms erfolgt.
Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Weiterbildungen. Vorzugsweise wird dabei die Anordnung derart weitergebildet, dass die erste Einrichtung zur Erzeugung eines Schlüsselstroms gemäß Stromchiffreverfahren ausgestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass auf eine weit verbreitete gängige Verfahrensklasse zurückgegriffen werden kann, welche einfach und kostengünstig implementierbar ist.
Weitere Einzelheiten sowie Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
In der einzigen Figur ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt. Zu erkennen ist dabei eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines Schlüsselstroms gemäß eines Stromchiffreverfahrens SC sowie eine zweite Einrichtung zur Bereitstellung einer kombinatorischen nichtline aren Output-Funktion NKO, welche mit der Stromchiffreeinrichtung SC verbunden ist.
Des Weiteren ist eine Puffereinrichtung P zu erkennen, wobei der Puffer wegen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr klein dimensioniert werden kann. Schließlich ist noch eine Umschaltvorrichtung UV zu erkennen, welche als Eingangssignale den Ausgang des Puffers sowie den Ausgang der kombinatorischen Output-Funktion NKO als mögliche durchzuschaltende Eingangssignale angeschlossen hat.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass der Puffer durch die Stromchiffreeinrichtung SCE erzeugte Daten puffert, da der Ausgang der Stromchiffreeinrichtung SCE mit dem Eingang der Puffereinrichtung P verbunden ist.
Die Umschaltvorrichtung UV hat nun die Funktion zwischen dem Schlüsselstrom, welcher durch die nichtlineare kombinatorische Output-Funktion NKO bereitgestellt wird oder dem Schlüsselstrom, welcher in dem Puffer zwischengespeichert wird, zu schalten. Die Steuerung hierzu erfolgt dabei entweder durch eine innerhalb der Umschaltvorrichtung UV integrierten Steuerlogik, welche mit dem Puffer derart verbunden ist, dass sie überprüfen kann, ob der Puffer P leer ist bzw. nahezu leer ist oder im Falle des leer laufenden Puffers auf den Daten den durch die kombinatorische Output-Funktion NKO erzeugten Datenstrom schaltet.
Alternativ kann auch die Steuerlogik der Umschaltvorrichtung extern seitens einer zentralen Steuereinrichtung erfolgen.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird in vorteilhafter Weise das Verfahren gemäß der Erfindung umgesetzt, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit geschaffen wird, kleinere Puffer für die Bereitstellung von Schlüsselströmen zu verwenden, so dass bei Hardwareimplementierungen eine Kostenersparnis erzielt werden kann. Des Weiteren hat die Erfindung den Vorteil, dass Unterbrechungen oder Aus nahmezustände seitens der Anwendung verhindert werden, da rechtzeitig auf einen Ersatzdatenstrom geschaltet wird, so dass die Unregelmäßigkeit des Stromchiffreverfahrens zu keinem Problem führt, welches beispielsweise gemäß dem Stand der Technik auch bei beliebig großen Puffern auftreten konnte, da aus statistischen Gründen selbst diese großen Puffer leer laufen konnten.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate für die Verschlüsselung einer Nachricht mittels eines symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, bei dem der Schlüsselstrom aufgrund eines geheimen Schlüssels erzeugt und sodann jedes Zeichen des Schlüsselstroms mit je einem Zeichen der Nachricht zu einer verschlüsselten Nachricht verknüpft wird, mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines ersten Schlüsselstroms mit zumindest teilweise unregelmäßiger Datenrate mittels eines deterministischen Algorithmus; – Zuführen des ersten Schlüsselstroms zu einem Puffer; – zumindest zeitweise Auslesen des ersten Schlüsselstroms aus dem Puffer mit einer konstanten Datenrate; – zumindest zeitweise Erzeugen eines zweiten Schlüsselstroms aufgrund von Parametern des symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens mittels eines kombinatorischen Verfahrens; und – Umschalten zwischen dem aus dem Puffer ausgelesenen ersten Schlüsselstrom und dem zweiten Schlüsselstrom zum Erzeugen des Schlüsselstroms konstanter Datenrate.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms in Abhängigkeit des Füllgrades des Puffers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms stets parallel zur Erzeugung des ersten Schlüsselstroms erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) der erste Schlüsselstrom derart gepuffert wird, dass, so lange der Puffer Daten enthält, aus dem ersten Schlüsselstrom der Schlüsselstrom konstanter Datenrate ausgelesen wird, b) im Fall eines datenlosen Puffers der Schlüsselstrom konstanter Datenrate aus einem auf Grundlage des kombinatorische Ausgabefunktion erzeugten zweiten Schlüsselstrom ausgelesen wird, wobei dies so lange erfolgt, bis der Puffer wieder Daten enthält und wobei durch die kombinatorische Ausgabefunktion die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms auf Grundlage von zum Zeitpunkt des Beginns der Fortsetzung gültigen internen Zustandsdaten des deterministischen Algorithmus zur Erzeugung des ersten Schlüsselstroms erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erzeugung des zweiten Schlüsselstroms auf Grundlage einer nichtlinearen kombinatorischen Funktion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Puffergröße derart begrenzt wird, dass statistische Abweichungen des verschlüsselten Datenstroms konstanter Datenrate für Entschlüsselungsversuche unbrauchbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Schlüsselstrom durch ein Stromchiffre-Verfahren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste verschlüsselte Datenstrom durch ein Pseudo-Code-Verfahren erzeugt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüsselstroms konstanter Datenrate für die Verschlüsselung einer Nachricht mittels eines symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, bei dem der Schlüsselstrom aufgrund eines geheimen Schlüssels erzeugt und sodann jedes Zeichen des Schlüsselstroms mit je einem Zeichen der Nachricht zu einer verschlüsselten Nachricht verknüpft wird, mit folgenden Merkmalen: – einer ersten Einrichtung (SCE) zum Erzeugen eines ersten Schlüsselstroms mit zumindest teilweise unregelmäßiger Datenrate mittels eines deterministischen Algorithmus; – einem Puffer (P), der mit der ersten Einrichtung (SCE) zum Zuführen des ersten Schlüsselstroms zu dem Puffer verbunden ist, wobei der erste Schlüsselstrom aus dem Puffer mit einer konstanten Datenrate auslesbar ist, – einer Einrichtung (NKO) zum zumindest zeitweise Erzeugen eines zweiten Schlüsselstroms aufgrund von Parametern des symmetrischen Verschlüsselungsverfahrens mittels eines kombinatorischen Verfahrens; und – einem Umschalter (UV) zum Umschalten zwischen dem aus dem Puffer ausgelesenen ersten Schlüsselstrom und dem zweiten Schlüsselstrom zum Erzeugen des Schlüsselstroms konstanter Datenrate.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die erste Einrichtung zur Erzeugung eines Schlüsselstroms gemäß Stromchiffren-Verfahren ausgestaltet ist.