DE3325349C2

DE3325349C2 -

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Publication number: DE3325349C2
Application number: DE19833325349
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Ing.(Grad.) Glitz; Edward Van 7150 Backnang De Wijhe
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-07-14
Filing date: 1983-07-14
Publication date: 1988-06-01
Also published as: CH666375A5; DE3325349A1

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Überwachung und Wiederherstellung des Synchronlaufs von Verschlüsselungseinrichtungen in Datenfernübertragungssystemen. Die in solchen, beispielsweise in der Europäischen Patentschrift 22 986 oder in der deutschen Auslegeschrift 12 16 921 beschriebenen Systemen verwendeten Datenverschlüsselgeräte enthalten Einrichtungen zur Synchronisierung der Geräte vor der eigentlichen Nachrichtenübertragung. Auch sind Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des Gleichlaufs der Geräte während der Nachrichtenübertragung vorgesehen. Jedoch ist jedes Glied in der Kette einer Nachrichtenübertragung Störungen aus der Umwelt ausgesetzt. Das Spektrum der Betriebsstörungen reicht von einer kurzzeitigen Netzspannungsunterbrechnung bis zu elektromagnetischen Beeinflussungen, und die Wahrscheinlichkeit bzw. Häufigkeit von Betriebsstörungen wächst mit der Anzahl der Glieder in der Kette der Datenfernübertragung.

Vorbekannte Lösungen

In Datenübertragungsgeräten (Modems) ist es üblich, den Empfangssignalpegel zu überwachen und über eine vereinbarte Schnittstelle den angeschlossenen Geräten über ein Meldesignal mitzuteilen, daß der Empfangssignalpegel unter einen Grenzwert abgesunken ist und eine Demodulation des Empfangssignals nicht mehr möglich ist.
Beispiel: CCITT-Empfehlung V. 24 Leitung 109-Empfangssignalpegel. Der Ein-Zustand dieser Leitung zeigt an, daß das empfangene Signal innerhalb vereinbarter Grenzen liegt. Der Aus-Zustand dieser Leitung zeigt an, daß das empfangene Signal nicht innerhalb der vereinbarten Grenzen liegt.

Eine weitere Meldung von Datenübertragungsgeräten sagt etwas über die Empfangsgüte aus.
Beispiel: CCITT V. 24 Leitung 110-Empfangsgüte. Der Aus- Zustand dieser Leitung zeigt an, daß die empfangenen Daten aller Wahrscheinlichkeit nach Fehler enthalten.

Diese beiden Meldeleitungen können, wenn vorhanden, dem Datenverschlüsselgerät über die Schnittstelle V. 24 zugeführt und ausgewertet werden.
Nachteil: Diese Meldungen erfassen nur einen Teil der möglichen Betriebsstörungen. Außerdem kann das Datenverschlüsselgerät nicht voraussetzen, daß jedes Datenübertragungsgerät diese Überwachung durchführt und über eine genormte Schnittstelle übergibt.

Eine weitere bekannte Lösung in Datenverschlüsselgeräten ist das sendeseitige Einfügen von Prüfzeichen bzw. Prüfworten in den zu übertragenden Kryptotext und das empfangsseitige Überwachen des Empfangstextes auf die vereinbarten Prüfzeichen.
Die Nachteile dieser Lösung sind:

1. Während der Übertragung von Prüfzeichen kann keine Information übertragen werden.
2. Die Prüfzeichen und der Zeitpunkt einer Übertragung müssen zwischen Sender und Empfänger vereinbart werden. Damit geht die Codetransparenz auf dem Übertragungsweg zwischen den Datenschlüsselgeräten verloren.
3. Die Prüfzeichen können vom Kryptotext vorgetäuscht werden, und es müssen Maßnahmen getroffen werden, welche die Wahrscheinlichkeit der Vortäuschung berücksichtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Datenverschlüsselgeräte eine unabhängige, sichere und einfache Überwachungseinrichtung zu schaffen, die Betriebsstörungen erkennt und aus jeder denkbaren Betriebsstörung heraus eine Wiederherstellung des Synchronlaufs anregt.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Die Erfindung löst die Aufgabe der Überwachung und Wiederherstellung des Synchronlaufs unabhängig von den Überwachungseinrichtungen in den anderen an der Datenübertragung beteiligten Geräten auf sehr einfache wirtschaftliche Weise und vermeidet die Nachteile der oben genannten Übertragung von Prüfzeichen während der Nachrichtenübertragung.

Im folgenden sei die Erfindung beispielhaft mit Hilfe von Fig. näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipblockschaltbild einer verschlüsselten Datenübertragung.
Dabei bedeutet:

DTE Datenterminal DQ Datenquelle DS Datensenke DSG Datenverschlüsselgerät DUE Datenübertragungsgerät STR Übertragungsstrecke K/G Klartext-/Geheimtext-Wandler Sync Synchronisiereinrichtung D 1 Sendedaten D 2 Empfangsdaten Ü _{D 1} Überwachung der Sendedaten Ü _{D 2} Überwachung der Empfangsdaten

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Datenverschlüsselungssystems mit Überwachung.

Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung einer Überwachungsschaltung der Variante a).

Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung einer Überwachungsschaltung der Variante b).

Fig. 5 zeigt die Schaltungsanordnung einer Überwachungsschaltung der Variante c).

Fig. 6 zeigt die symbolische Darstellung der Autokorrelationsfunktion (AKF).

Nach Fig. 1 werden von einer Datenstation 1 über eine Übertragungsstrecke STR Daten zu einer Datenstation 2 und umgekehrt übertragen. Das Datenübertragungssystem kann halbduplex oder duplex betrieben werden. Die Übertragungsstrecke kann eine Drahtverbindung, eine Funkstrecke, ein Vermittlungssystem oder ein weltweites Kommunikationssystem sein. Man kann sich also in der Übertragungsstrecke eine Vielzahl weiterer Systemkomponenten denken, welche die Daten weiterreichen. Man kann sich weiterhin eine Vielzahl von möglichen Betriebsstörungen denken, denen ein solches System ausgesetzt ist. Viele der möglichen Störungen treten nur vorübergehend auf, wie z. B. atmosphärisch bedingte Störungen, lokale Netzspannungsunterbrechungen, elektrische oder elektromagnetische Störimpulse usw. und wirken sich als vorübergehende Unterbrechungen des Datenflusses aus. Solche Störungen, die Auswirkungen auf den übertragenen Kryptotext haben, muß das Datenverschlüsselgerät erkennen und nach Abklingen der Störung automatisch den Synchronlauf zwischen den Schlüsselgeräten wieder herstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die statistische Gleichverteilung der binären Zeichenkombination in Kryptotexten zunutze und überwacht die auszusendenden sowie die empfangenen Kryptotexte auf ihre innerstrukturelle Zusammensetzung bzw. statistische Verteilung der binären Zeichenfolgen. Es werden alternativ drei Überwachungsverfahren angewandt:

a) Die Überwachung auf Dauersignale in der Datenfolge.
b) Die Überwachung der Gleichverteilung von "0" und "1" in der Datenfolge.
c) Die Überwachung der Datenfolge durch Autokorrelationsanalyse nach definierten Grenzwerten.

Zu a) In einer zu überwachenden Kryptotextfolge mit statistisch guten Eigenschaften treten bestimmte Datenworte der Länge n Bit mit einer Wahrscheinlichkeit p∼0,5 · 2^-n auf. Man kann n als Grenzwert so groß wählen, daß bei ungestörten Betriebsbedingungen die Wahrscheinlichkeit, daß ein definiertes Überwachungswort mit n Bit auftritt, sehr sehr klein ist. Außerdem kann man das Überwachungswort so wählen, daß sein Erscheinen typisch ist für bestimmte Fehlersymptome, wie Leitungsunterbrechung oder Netzspannungsunterbrechung.

Zu b) In einer Kryptotextfolge mit statistisch guten Eigenschaften ist in jeder Stichprobe aus der Datenfolge die Summe der "Einsen" gleich der Summe der "Nullen", wenn man die mathematisch definierbare Toleranz, die von der Länge der Stichprobe und den Eigenschaften des Kryptogenerators abhängig ist, berücksichtigt. Die zulässige Abweichung von der Gleichverteilung ist also als Grenzwert anzugeben. Wird dieser Grenzwert überschritten, spricht man von einer "Schiefe" in einer Folge. Wird in einer Kryptotextfolge eine "Schiefe" gefunden, so deutet das immer auf einen Fehler hin und wird deshalb als Kriterium der Überwachungsvariante b) verwendet.

Zu c) Die Autokorrelationsfunktion AKF ist definiert:

Für die Bewertung der Autokorrelationsfunktion AKF gilt:

AKF = 1,0: periodische Folge f ₁ (t)
AKF = 0 für alle ≠ 0: ideale Zufallsfolge mit statistischer Gleichverteilung
AKF≠ 0: Unterperioden der Folge f₁(t)
AKF = 1 und AKF = 0,5. . .1,0: werden deshalb bei der Überwachung von Kryptotexten als Fehler gewertet.

Nach Fig. 2 werden in jedem Datenverschlüsselgerät zwei Überwachungsschaltungen Ü _{D 1} und Ü _{D 2} eingesetzt. Mit Ü _{D 1} werden sendeseitig die zu übertragenden Kryptodaten D 1 überwacht. Findet die Überwachungsschaltung Ü _{D 1} die erwartete Fehlerstruktur, die in diesem Fall nur von der lokalen Datenstation verursacht worden sein kann, wird das weitere Aussenden von Daten blockiert und eine Alarmmeldung abgegeben.

Mit Ü _{D 2} werden empfangsseitig die empfangenen Kryptodaten D 2 überwacht. Findet die Überwachungsschaltung Ü _{D 2} die erwartete Fehlerstruktur, so kann die Ursache des Fehlers sowohl in der lokalen Station, als auch in der Übertragungsstrecke, als auch in der fernen sendenden Datenstation liegen.

Eine erkannte fehlerhafte Struktur in den empfangenen Kryptodaten führt in Ü _{D 2} zu einer Fehlermeldung und diese wird als Normiersignal für das betreffende Datenschlüsselgerät verwendet, d. h. es wird eine Grundstellung für das Schlüsselgerät hergestellt und eine Neusynchronisierung zwischen den Datenstationen initialisiert.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Überwachungsschaltung der Variante a), welche als Ü _{D 1} und/oder Ü _{D 2} eingesetzt werden kann. Ein Binärzähler mit einer Grenzadresse 2ⁿ wird von einem Übertragungstakt Tü bei jedem zu übertragenden Kryptotextbit so lange um eine Stelle hochgezählt, bis am Reset- Eingang des Zählers ein Rücksetzimpuls angelegt wird und den Zählerstand auf Null zurücksetzt.

Der Rücksetzimpuls wird aus den Polaritätswechsel "0"/"1" der zu überwachenden Kryptodaten gewonnen. Dazu werden die Daten einmal direkt an den Eingang 1 einer Exklusiv-Oder- Schaltung angelegt, zum anderen um die Zeit τ = R · C verzögert an den Eingang 2. Am Ausgang 3 des EX-OR-Gatters wird immer dann ein Rückstellimpuls der Breite τ erzeugt, wenn das Datensignal seine Polarität "0" → "1" oder "1" → "0" wechselt. Denn das EX-OR-Gatter entspricht folgender Wahrheitstabelle:

e 1 e 2 a

0 0 = 01 1 = 00 1 = 11 0 = 1

Eine Fehlermeldung f wird immer dann ausgegeben, wenn der Zähler die eingestellte Grenzadresse 2ⁿ erreicht, d. h. immer dann, wenn 2ⁿ Übertragungstakte lang kein Rücksetzimpuls aus Kryptodatenwechseln abgeleitet werden konnte. Damit werden Kryptodatenwerte mit n · "0" und n · "1" als fehlerhaft erkannt. Dieses Fehlermuster ist z. B. symptomatisch für Spannungsunterbrechungen, Leitungsunterbrechungen, Rauschsperre usw.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Überwachungsschaltung der Variante b), welche als Ü _{D 1} und/oder Ü _{D 2} eingesetzt werden kann. Die zu überwachenden Kryptodaten steuern einen Aufwärts- Abwärtszähler ZR in der Weise, daß eine "1" den Zähler mit dem Takt T 1 aufwärtszählen läßt, eine "0" dagegeben abwärtszählen läßt. Definiert man einen mittleren Zählerwert als Ausgangsadresse, so lassen sich auch Grenzwerte p für ein Übergewicht an "Einsen" und q für ein Übergewicht an "Nullen" festlegen. Ein Stichprobenzähler SZ mit der Grenzadresse 2ⁿ legt den Umfang der Stichprobe fest. Nach 2ⁿ-Bits einer Probe aus der Kryptodatenfolge wird die Fehlererkennungslogik abgefragt, ob die gemessene "Schiefe" innerhalb der Grenzwerte p und q liegt. Dann wird nach einer Verzögerung τ der Zähler ZR auf den Ausgangswert zurückgestellt und eine neue Stichprobe wird gemessen.

Mit der Überwachungsvariante b) werden alle "schiefen" Fehlerstrukturen erkannt.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Überwachungsschaltung der Variante c), welche als Ü _{D 1} und/oder Ü _{D 2} eingesetzt werden kann.

Die zu überwachenden Kryptodaten werden bitweise mit dem Takt T 1 gleichzeitig in die Speicherstufe S 1 und die Speicherstelle 1 eines Verzögerungsregisters VR eingeschrieben. Nach dem Einschreiben wird der Umschalter u so umgeschaltet, daß aus dem Verzögerungsregister VR ein Ringschieberegister wird. Mit dem Takt T 2 aus dem Taktvervielfacher TV = n · T 1 wird nun das Ringschieberegister n-mal geschoben. In den n Speicherstellen des Ringschieberegisters sind bereits die letzten n Bits aus der Vorgeschichte des Kryptotextes enthalten, fortlaufend in der Reihenfolge ihres zeitlichen Auftretens. Der Modulo-2-Addierer M vergleicht nun das aktuelle Kryptodatenbit in S 1 mit den n vorangegangener Kryptodatenbits aus dem Schieberegister nach der Regel:

0 0 = 01 1 = 00 1 = 11 0 = 1

So entsteht eine Serie von n binären Additionen nach der Beziehung f₁(t₁) f₁ (t₁-n · t₂).

Das Ergebnis dieser Addition wird in einem Zählregister ZR, welches als Aufwärts-Abwärtszähler mit angeschlossenem Ergebnisspeicher SR organisiert ist, aufsummiert.

Es gilt

m = 0 abwärtszählen mit T 2
m = 1 aufwärtszählen mit T 2.

Mit m = 0 wird die Anzahl der Übereinstimmungen, mit m = 1 wird die Anzahl der Nichtübereinstimmungen gezählt. Die Speicherregister SR mit n Speicherstellen für jede der y-Zählerstellen dienen zur Abspeicherung der Meßergebnisse für jede der n-Verschiebungen des Verzögerungsregisters VR.

Definiert man eine mittlere Ausgangsadresse des Zählers ZR als den Autokorrelationswert AKF = 0, so kann man einen positiven Grenzwert p und einen negativen Grenzwert q für die AKF definieren. Wird einer dieser Grenzwerte überschritten, so liegt ein Fehler in der überwachten Datenfolge vor. Ein Verzögerungsglied τ in der Fehlererkennungslogik sorgt bei der Betriebsaufnahme dafür, daß eine Mindestanzahl von Meßwerten ausgewertet werden muß, bevor eine Fehlererkennung möglich ist. Mit dieser Überwachungsvariante c) werden auch periodische Fehlerstrukturen in den Kryptotextfolgen erkannt.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und Synchronisierung von Datenverschlüsselungseinrichtungen, wobei Daten von einer ersten Station zu einer zweiten Station und umgekehrt übertragen werden und die Stationen durch eine vereinbarte Einphasprozedur miteinander synchronisiert werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte während einer Übertragung:

a) daß auf der Sendeseite die zu übertragenden Kryptodaten (D 1) von einer ersten Überwachungsschaltung (Ü _D1) auf ihre innerstrukturelle Zusammensetzung kontrolliert werden, daß Abweichungen von der erwarteten Struktur als Kriterien verwendet werden, um eine weitere Aussendung von Kryptodaten zu blockieren und Alarm zu veranlassen,
b) daß auf der Empfangsseite die empfangenen Kryptodaten (D 2) von einer zweiten Überwachungsschaltung (Ü _D2) auf ihre strukturelle Zusammensetzung kontrolliert werden und daß Abweichungen von dieser erwarteten Struktur als Kriterien dazu verwendet werden, die Empfangsdatenstation in eine Grundstellung zu setzen und eine Neusynchronisierung zwischen der Sende- und Empfangsdatenstation zu veranlassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Überwachungsschaltungen (Ü _D) Dauersignalfolgen über dem Grenzwert von n Zeichen erkennen und anzeigen bzw. melden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Überwachungsschaltungen (Ü _D) die Gleichverteilung der "0" und "1" innerhalb definierter Grenzwerte kontrollieren und deren Überschreitung melden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Überwachungsschaltungen (Ü _D) die Autokorrelationsfunktion (AKF) bilden und einen AKF-Grenzwert kontrollieren, bei dessen Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltungen mit einem "Exklusiv-OR-Gatter" und einem Zähler aufgebaut sind, daß am ersten Eingang des "Exklusiv-OR- Gatters" direkt die zu überwachenden Kryptodaten angelegt sind, daß am zweiten Eingang des "Exklusiv-OR-Gatters" die um die Verzögerung T _Ü verzögerten Kryptodaten angelegt sind, daß der Ausgang des "Exklusiv-OR- Gatters" mit dem Reset-Eingang des Zählers verbunden ist, daß am Takteingang des Zählers der Übertragungstakt T _Ü angeschlossen ist und daß der Zähler eine Grenzadresse 2ⁿ besitzt, bei dessen Erreichung eine Fehlermeldung f abgebbar ist (Fig. 3).

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltungen (Ü _D) mit einem Aufwärts-Abwärtszähler (ZR), einem Stichprobenzähler (SZ) und einer Fehlererkennungslogik aufgebaut ist, daß die zu überwachenden Kryptodaten am Eingang des Aufwärts-Abwärtszählers angelegt sind, daß der Übertragungstakt (T 1) am Takteingang des Aufwärts- Abwärtszählers und am Eingang des Stichprobenzählers (SZ) angelegt ist, daß die Grenzadresse 2ⁿ des Stichprobenzählers einerseits über ein Verzögerungsglied (τ) mit dem Reset-Eingang des Aufwärts-Abwärtszählers und andererseits mit dem ersten Eingang eines ersten UND- Gatters (U 1) verbunden ist, daß die beiden letzten Adressen des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR) in positiver Weise betrachtet mit den beiden Eingängen eines zweiten UND-Gatters und in negativer Zählweise betrachtet über jeweils ein Invertierglied mit den beiden Eingängen eines dritten UND-Gatters verbunden sind, daß die Ausgänge des zweiten und dritten UND-Gatters (U 1, U 3) mit den Eingängen eines ODER-Gatters verbunden sind, daß der Ausgang des ODER-Gatters mit dem zweiten Eingang des ersten UND-Gatters (U 1) verbunden ist und daß am Ausgang des ersten UND-Gatters die Fehlermeldung (f) abgebbar ist (Fig. 4).

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltungen Ü _D mit einem Schieberegister (VR), Modulo-2-Addierer (M), einen Aufwärts-Abwärtszähler (ZR) mit Speicherregistern (SR) und einer Fehlererkennungslogik aufgebaut ist, daß die zu überwachenden Kryptodaten einerseits einer Speicherstufe (S 1) und andererseits einem Schieberegister (VR) zugeführt sind, daß das Schieberegister (VR) durch einen Umschalter (u) zu einem Ringschieberegister umschaltbar ist, daß der Ausgang des Schieberegisters (VR) und der Ausgang der Speicherstufe (S 1) jeweils mit einem Eingang eines Modulo-2-Addierers verbunden ist, daß der Ausgang des Modulo-2-Addierers mit dem Eingang des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR) verbunden ist, daß der Übertragungstakt (T 1) einerseits mit einem Taktvervielfacher (TV), an dessen Ausgang der Takt T 2 = n · T 1 anliegt, und andererseits mit dem Takteingang der Speicherstufe (S 1) verbunden ist, daß der Ausgang des Taktvervielfachers (TV) mit den Takteingängen des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR), der Speicherregister (SR), sowie des Schieberegisters (VR) verbunden sind, daß die Adressenausgänge des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR) jeweils mit den Eingängen der Speicherregister (SR) und die Ausgänge der Speicherregister (SR) jeweils mit den Eingängen der Adressen des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR) verbunden sind, daß die beiden letzten Adressen des Aufwärts-Abwärtszählers (ZR) einerseits in positiver Zählweise betrachtet mit den beiden Eingängen eines ersten UND-Gatters und andererseits in negativer Zählweise betrachtet über jeweils ein Invertierglied mit den beiden Eingängen eines zweiten UND-Gatters verbunden sind, daß die Ausgänge des ersten und zweiten UND-Gatters jeweils mit den Eingängen eines ODER-Gatters verbunden sind, daß der Ausgang des ODER-Gatters mit einem Eingang eines dritten UND-Gatters und der andere Eingang des dritten UND-Gatters mit einem Verzögerungsglied verbunden ist und daß am Ausgang des dritten UND-Gatters die Fehlermeldung f abgebbar ist (Fig. 5).