DE10129285C2 - Verschlüsselungsverfahren mit beliebig wählbaren Einmalschlüsseln - Google Patents

Verschlüsselungsverfahren mit beliebig wählbaren Einmalschlüsseln

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Description

Die Erfindung betrifft Verschlüsselungs- und Schlüsselmanagementverfahren zur Ver­ schlüsselung von beliebig gearteten, in n (n <= 2) Datenblöcke D0 bis Dn-1, aufteilbare Daten, eines kontinuierlichen Datenstromes DS unbestimmter Länge, einer Folge von einer bestimmten Anzahl n und einer unbestimmten Anzahl von Nachrichten zwischen mindestens zwei Kommunikationspartnern.
In Verschlüsselungsverfahren nach dem Stand der Technik werden die verwendeten Schlüssel entweder als Geheimnis direkt verwendet oder von einem oder mehreren Geheimnissen abgeleitet. Das/Die Geheimnisse müssen alle Kommunikationspartnern bekannt sein, welche die verschlüsselten Daten entschlüsseln und damit Zugriff auf die Originaldaten erlangen wollen. Hat ein Angreifer ein solches Geheimnis einmal gelüftet, ist er in der Lage alle abgeleiteten Schlüssel selbst abzuleiten und damit die komplette verschlüsselte Kommunikation zu entschlüsseln. Dies gilt sowohl für die bereits zuvor als auch für alle zukünftig verschlüsselten Daten. Ein solches System besitzt demnach weder perfekte Rück- noch Vorwärtssicherheit (PBS/PFS - engl. perfect backward/for­ ward security). Zur Erzielung von perfekter Rück- und Vorwärtssicherheit kann in regel­ mäßigen Abständen das gemeinsame Geheimnis durch ein neues ersetzt werden, welches in keinem Bezug zu den vorherigen Geheimnissen steht. Hat der Angreifer in diesem Fall ein Geheimnis gelüftet, kann er mit diesem Wissen nur den Teil der ver­ schlüsselten Daten entschlüsseln, welcher mit dem gelüfteten Geheimnis verschlüsselt wurde oder in Zukunft verschlüsselt wird. Im Falle des Internet Key Exchange (IKE) Pro­ tokolls nach RFC 2409 (siehe auch "IPSec", 2000, Addison Wesley, S. 117 ff, insbeson­ dere auch S. 142) kann eine limitierte oder perfekte Vorwärtssicherheit durch regelmäßigen Geheimnisaustausch zwischen den Parteien - z. B.: nach Diffie-Hellmann (US Patent 4200770) oder RSA (US Patent 4405829) - erreicht werden, wobei der Daten-/Nachrichtenstrom mit von dem jeweils letzten Geheimnis abgeleiteten Schlüs­ seln verschlüsselt wird. Dabei erfordern die häufigen Geheimnisaustausche einen relativ hohen Zeit- und Rechenaufwand und müßten, um perfekte Vorwärtssicherheit für jeden Datenblock zu garantieren und jeden Datenblock mit einem absolut unabhängigen Schlüssel zu verschlüsseln, jeweils vor der Verschlüsselung jedes einzelnen Datenbloc­ kes erfolgen. In der Praxis ist dies jedoch ein zu hoher Aufwand und reduziert die effek­ tive Bandbreite der verschlüsselten Nutzdatenübertragung so stark, daß der Geheimnisaustausch nur in größeren Abständen erfolgt und alle dazwischen zu übertra­ genen Datenblöcke mit von einem Geheimnis abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt wer­ den. In der Praxis bietet ein solches System also nur eine limitierte Rück- und Vorwärtssicherheit.
Verschiedene blockorientierte Verschlüsselungsverfahren sind bereits aus US 5003597, WO 95/10906 (auch angemeldet als NL 9301784, US 5799089), US 5870470, US 5974144, US 5987124, sowie T. Habatsu, "Secret key cryptosystem by iterating a chaotic map", Lecture notes in Computer Science, Vol. 547, Springer, 1991 und Verschlüsselungsverfahren mit variablen Schlüsseln aus US 5425103, US 5488661, US 5619576, US 5621799, US 5703948 und DE 32 44 537 bekannt.
Keines der bekannten Verfahren verwendet für jeden Datenblock einen neuen Ver­ schlüsselungsschlüssel, welcher u. a. von einem Basisverschlüssungsschlüssel und vom Verschlüsseler absolut beliebig wählbaren Teilschlüsseln abhängt, wobei in jedem ver­ schlüsselten Datenblock VDi sowohl die originalen Daten Di als auch der Teilschlüssel TSi+1 für den nächsten verschlüsselten Datenblock VDi+1 enthalten sind.
Die Aufgabe des vorliegenden Patentes besteht in der Verschlüsselung
  • 1. beliebig gearteter Daten, welche in eine bestimmte Anzahl n von Datenblöcken aufgeteilt werden können, bzw. eines kontinuierlichen Datenstromes unbe­ stimmter Länge, und
  • 2. einer Folge einer bestimmten Anzahl n von Nachrichten zwischen mindestens zwei Kommunikationspartnern, bzw. einer Folge einer unbestimmten Anzahl von Nachrichten zwischen mindestens zwei Kommunikationspartnern.
mit perfekter Rück- und Vorwärtssicherheit und vertretbarem Zeit- und Rechenaufwand. Das vorliegende Patent löst die gestellte Aufgabe durch ein iteratives Verschlüsselungs­ verfahren mit beliebigen Einmalschlüsseln nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 2 indem ein Datenblock bzw. ein Datenstrom in Teilblöcke mit jeweils beliebiger Länge auf­ geteilt werden und jeder einzelne Teilblock bzw. jede Nachricht einer Nachrichtenfolge zusammen mit einem beliebig wählbaren Teilschlüssel für den nächsten Datenblock bzw. Nachricht verschlüsselt wird. Dabei sind die Verschlüsselungsalgorithmen VAi
und Schlüsselfunktionen SFi
beliebig - auch für jede einzelne Iteration - wählbar, solange der Entschlüsseler den zu VAi
gehörenden Entschlüsselungsalgorithmus EAi
und die Schlüsselfunktion SFi
entweder kennt oder anhand der ihm bereits bekannten Daten ermitteln kann.
Bei den Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, welche eine bestimmte Anzahl n von Datenblöcken bzw. Nachrichten voraussetzen, ist es nicht erforderlich, in der letzten Ite­ ration den nächsten Schlüssel Sn zu berechnen (Anspruch 3).
Die Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 setzen voraus, daß sowohl dem Verschlüsseler als auch dem Entschlüsseler derselbe Basisschlüssel BS bekannt ist. Die Art und Weise, auf welche die beteiligten Parteien die Kenntnis des Basisschlüssel erlangen bzw. sich gegenseitig die Kenntnis desselben Basisschlüssels nachweisen, kann beispielsweise nach einem der bereits bekannten Schlüsselaustauschverfahren (Anspruch 4) bzw. Wis­ sensverifikationsverfahren (Anspruch 5) erfolgen, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn bei dem verwendeten Wissensverifikationsverfahren der Basisschlüssel nicht zwi­ schen Verschlüsseler und Entschlüsseler bzw. Sender und Empfänger ausgetauscht wird (Anspruch 6). Die Teilschlüssel TSi können vom jeweiligen Verschlüsseler absolut frei, insbesondere auch pseudozufällig (Anspruch 7) oder absolut zufällig (Anspruch 8), gewählt werden. Selbstverständlich decken Ansprüche 1 bis 8 auch die Spezialfälle ab, daß erstens mindestens zweimal - insbesondere auch für alle i - derselbe Verschlüsse­ lungs- und Entschlüsselungsalgorithmus verwendet wird (Anspruch 9), oder zweitens der Verschlüsselungsalgorithmus VAi aus einer vorgegebenen Menge MVAi von ver­ schiedenen Verschlüsselungsalgorithmen beliebig anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di-1, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi gewählt wird, so daß der zu VAi gehö­ rende Entschlüsselungsalgorithmus FAi für den Entschlüsseler bzw. die Empfänger implizit anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di-1, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi aus genannter Menge MVAi bestimmbar ist (Anspruch 10), wobei die Mengen der Ver­ schlüsselungsalgorithmen MVAi für alle bzw. einen Teil der Iterationen identisch (Anspruch 11) oder verschieden sein können. Ansprüche 12 bis 14 betreffen Spezialfälle zur Auswahl der Schlüsselfunktionen SFi. Ansprüche 15 bis 17 beschreiben die Erweite­ rung der zu verschlüsselnden Daten um pseudozufällige oder absolut zufällige Zusatz­ daten zur weiteren Erschwerung von statistischen Angriffen.
Durch die absolut freie Wahl der Teilschlüssel TSi und der Berechnung der Schlüssel Si+1 in Abhängigkeit von allen dem Ver- und Entschlüsseler bekannten Daten - insbeson­ dere des Basisschlüssels selbst und aller vorherigen Teilschlüssel -, kann ein Angreifer allein mit dem Wissen, welches er durch die erfolgreiche Entschlüsselung eines/r Daten­ blockes/Nachricht erlangt, weder vorherige noch zukünftige Datenblöcke/Nachrichten entschlüsseln. Wählt man insbesondere die Teilschlüssel pseudozufällig oder absolut zufällig und als Schlüsselfunktion eine starke Einwegfunktion, ist es auch nicht möglich, durch - heutzutage sehr beliebte und in vielen Fällen sehr erfolgreiche - statistische Attacken eventuell den Basisschlüssel zu ermitteln, da die verwendeten Schlüssel Si wegen der zunehmenden Zufälligkeit der einfließenden Teilschlüssel zunehmend stati­ stisch gleichverteilt sind und somit immer weniger statistisch verwertbare Informationen enthalten.
Die neuen Teilschlüssel TSi+1 werden zusammen mit den Daten/Nachrichten D/Ni ver­ schlüsselt und übertragen, so daß die in den Ansprüchen dieses Patentes beschriebe­ nen Verfahren perfekte Vorwärts- und Rückwärtssicherheit bieten, ohne in regelmäßigen Abständen gemeinsame Geheimnisse austauschen zu müssen. Vielmehr wird die origi­ nale Datenmenge lediglich um die Teilschlüssel erhöht und für jedem Datenblock/Nach­ richt ein neuer Schlüssel berechnet.
Gleichzeitig garantiert die Zufälligkeit der Teilschlüssel und das gemeinsame Verschlüs­ seln der originalen Daten zusammen mit einem Teilschlüssel, daß - selbst bei denselben originalen Daten, demselben Schlüssel und demselben Verschlüsselungsalgorithmus - bei jedem Verschlüsselungsvorgang stets unterschiedliche verschlüsselte Daten erzeugt werden. Eine Eigenschaft, welche bei Verfahren nach dem Stand der Technik nur durch Mischung der originalen Daten mit zufälligem Datenballast (sogenanntes "Salt") erreicht werden kann, welcher ansonsten keine weitere Funktionen erfüllt. Gerade die Doppel­ funktion der beliebig wählbaren Teilschlüssel gleichzeitig als "Salt" zu wirken ist einer der besonderen Vorteile der in diesem Patent beschriebenen Verschlüsselungsverfahren.
Gegenüber US 5870470 und US 5987124 betrifft ein Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2 eher das Schlüsselmanagement als konkrete Verschlüsselungsalgorithmen, insbeson­ dere ist z. B. die Maskierung der originalen Daten nicht erforderlich. Gleichwohl kann natürlich ein Verschlüsselungsverfahren nach US 5870470 oder US 5987124 als Ver­ schlüsselungsalgorithmus in einem Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2 eingesetzt wer­ den. Ferner beschreiben weder US 5870470 noch US 5987124 Verfahren mit beliebig wählbaren Einmalschlüsseln, so daß bei der Verschlüsselung davon ausgegangen wer­ den muß, daß stets derselbe Schlüssel verwendet wird.
Abb. 1 illustriert den allgemeinen Ablaufplan eines Verschlüsselungsverfahrens nach Ansprüchen 1 oder 3a) auf der Seite des Verschlüsselers und b) des Entschlüsse­ lers. Zunächst setzen Verschlüsseler und Entschlüsseler zur Initialisierung der Iterations­ schleifen i = 0 und verwenden als ersten Schlüssel S0 den ihnen bekannten Basisschlüssel BS.
Zu Beginn der i-ten Iterationsschleife wählt der Verschlüsseler zunächst einen beliebigen Teilschlüssel TSi+1. Anschließend berechnet er mit Hilfe eines beliebig wählbaren Ver­ schlüsselungsalgorithmus VAi in Abhängigkeit von den bereits bekannten Schlüsseln S0 = BS, S1 bis Si, den originalen Daten D0 bis Di, sowie den Teilschlüsseln TS0 bis TSi+1 die verschlüsselten Daten VDi
VDi = VAi(S0, . ., Si, D0, . ., Di, TS1, . ., TSi+1) (1)
und den Schlüssel Si+1 für die nächste Iteration
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, D0, . ., Di, TS1, . ., TSi+1) (2),
wobei in der ersten Iteration (i = 0) die Berechnungen nach
VD0 = VA0(S0, D0, TS1) (3)
S1 = SF1(S0, D0, TS1) (4)
erfolgen.
Der Entschlüsseler berechnet mit Hilfe des zu VAi gehörenden Entschlüsselungsalgorith­ mus EAi in Abhängigkeit von den bereits bekannten Schlüsseln S0 bis Si, den bereits entschlüsselten originalen Daten D0 bis Di-1, sowie den Teilschlüsseln TS0 bis TSi aus den verschlüsselten Daten VDi die originalen Daten Di und den Teilschlüssel TSi+1
(Di, TSi+1) = EAi(S0, . ., Si, D0, . ., Di-1, TS1, . ., TSi, VDi) (5)
sowie den Schlüssel Si+1 für die nächste Iteration
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, D0, . ., Di ,TS1, . ., TSi+1) (6),
wobei in der ersten Iteration (i = 0) die Berechnungen
(D0, TS1) = EA0(S0, VD0) (7)
S1 = SF1(S0, D0, TS1) (8)
folgen.
Nach Ver- bzw. Entschlüsselung des i-ten Datenblockes setzen Ver- bzw. Entschlüsseler i auf i + 1 und wiederholen denselben Vorgang für den nächsten Datenblock. Bei Verschlüsselung einer endlichen Anzahl von Datenblöcken wird dieser Vorgang solange fortgesetzt, bis der letzte Datenblock (n - 1) ver- bzw. entschlüsselt wurde. Bei Verschlüs­ selung eines kontinuierlichen Datenstromes nach Anspruch 1 wiederholen Ver- und Ent­ schlüsseler die Iterationen endlos.
Dasselbe in Anspruch 1 verwendete Verfahren für beliebige Daten, welche in eine bestimmte oder unbestimmte Anzahl von Datenblöcken aufgeteilt werden können, läßt sich auch auf den Fall der nachrichtenorientierten Kommunikation zwischen 2 oder mehr Kommunikationspartnern anwenden. In diesem Fall kann jede einzelne Nachricht selbst in mehrere Datenblöcke zerlegt und nach Anspruch 1 verschlüsselt werden, oder die einzelnen Nachrichten als jeweils eine Verschlüsselungseinheit (Datenblock) dienen (Anspruch 2). Wichtig ist nur, daß alle Partner denselben Basisschlüssel BS kennen und jeder Empfänger den kompletten Satz aller verschlüsselten Nachrichten in der korrekten Reihenfolge erhält. Dabei ist die Anzahl der Empfänger prinzipiell unbeschränkt und kann frei gewählt werden. Ferner ist es unerheblich, welcher der Kommunikationspartner die i-te Nachricht verschlüsselt, solange sichergestellt ist, daß alle beteiligten Partner den lückenlosen Nachrichtenstrom in der richtigen Reihenfolge kennen. So kann bei­ spielsweise ein Nachrichtenstrom von einem einzigen Sender oder einzelne Nachrichten von verschiedenen Sendern verschlüsselt und an alle anderen Empfänger übermittelt werden, solange alle beteiligten Partner den kompletten Nachrichtenstrom zur Verfü­ gung haben.
Abb. 2 veranschaulicht die Verschlüsselung einer Folge von Nachrichten zwischen einem Sender P1 und einem Empfänger P2 mit Übertragung einer verschlüsselten Nach­ richt VNi während jeder Iteration. Zunächst setzen Sender und Empfänger zur Initialisie­ rung der Iterationsschleifen i = 0 und verwenden als ersten Schlüssel S0 den beiden bekannten Basisschlüssel BS.
Zu Beginn der i-ten Iterationsschleife wählt der Sender zunächst einen beliebigen Teil­ schlüssel TSi+1. Anschließend berechnet er mit Hilfe eines beliebigen Verschlüsselungs­ algorithmus VAi in Abhängigkeit von den bereits bekannten Schlüsseln S0 = BS, S1 bis Si, den originalen Nachrichten N0 bis Ni, sowie den Teilschlüsseln TS0 bis TSi+1 die ver­ schlüsselte Nachricht VNi
VNi = VAi(S0, . ., Si, N0, . ., Ni ,TS1, . ., TSi+1) (9),
überträgt VNi an den Empfänger, und berechnet den Schlüssel Si+1 für die nächste Itera­ tion
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, N0, . ., Ni, TS1, . ., TSi+1) (10),
wobei in der ersten Iteration (i = 0) die Berechnungen nach
VN0 = VA0(S0, N0, TS1) (11)
S1 = SF1(S0, N0, TS1) (12)
erfolgen.
Der Empfänger empfängt die verschlüsselte Nachricht VNi und berechnet mit Hilfe des zu VAi gehörenden Entschlüsselungsalgorithmus EAi in Abhängigkeit von den bereits bekannten Schlüsseln S0 bis Si, den bereits entschlüsselten originalen Nachrichten N0 bis Ni-1, sowie den bereits bekannten Teilschlüsseln TS0 bis TSi aus den verschlüsselten Daten VNi die originale Nachricht Ni und den Teilschlüssel TSi+1
(Ni, TSi+1) = EAi(S0, . ., Si, N0, . ., Ni-1, TS1, . ., TSi, VDi) (13)
sowie den Schlüssel Si+1 für die nächste Iteration
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, N0, . ., Ni, TS1, . ., TSi+1) (14),
wobei in der ersten Iteration (i = 0) die Berechnungen
(N0, TS1) = EA0(S0, N0) (15)
S1 = SF1(S0, N0, TS1) (16)
folgen.
Nach Ver- bzw. Entschlüsselung der i-ten Nachricht setzen Sender bzw. Empfänger i auf i + 1 und wiederholen denselben Vorgang für die nächste Nachricht. Bei Verschlüsselung einer endlichen Anzahl von Nachrichten wird dieser. Vorgang solange fortgesetzt, bis die letzte Nachricht (n - 1) ver- bzw. entschlüsselt wurde. Bei Verschlüsselung eines kontinu­ ierlichen Nachrichtenstromes nach Anspruch 2 wiederholen Sender und Empfänger die Iterationen endlos.
In Abb. 3 ist ein weiteres Beispiel eines Verschlüsselungsverfahrens nach Anspruch 2 abgebildet. Im Gegensatz zum Beispiel von Abb. 2 wechseln sich in diesem Beispiel P1 und P2 als Sender bzw. Empfänger in Iteration k und k + 1 gegenseitig ab. Diese Variante eignet sich besonders gut für ein transaktionsorientiertes Client/Ser­ ver-System, in welchem ein Client (P1) eine Anforderung in Iteration k an den Server (P2) schickt und der Server in Iteration k + 1 dem Client antwortet, woraufhin der Client mit der nächsten Anforderung fortfährt.
Die Wahl der Verschlüsselungsalgorithmen VAi ist in so fern beliebig, als es für jeden Verschlüsselungsalgorithmus VAi einen Entschlüsselungsalgorithmus EAi geben muß, mit dessen Hilfe der Entschlüsseler mit Kenntnis der bereits berechneten Schlüssel S0, . . ., Si, der bereits entschlüsselten Daten D0, . . ., Di-1, sowie der bereits übertragenen Teilschlüssel TS1, . . ., TSi aus den/r verschlüsselten Daten/Nachricht VD/Ni die origi­ nal(en) Daten/Nachricht D/Ni und den Teilschlüssel TSi+1 ermitteln kann.
Die Ver- und Entschlüsselungsalgorithmen VAi und EAi können sowohl alle spezifizierten Parameter explizit verwenden als auch nur eine beliebige Teilmenge der spezifizierten Parameter explizit verwenden und von den übrigen Parametern unabhängig sein.
Zur Reduzierung des notwendigen Rechenaufwandes sind die folgenden Spezialfälle besonders vorteilhaft:
Die Verschlüsselungsalgorithmen VAi hängen lediglich vom zuletzt berechneten Schlüs­ sel Si, dem zuletzt gewählten Teilschlüssel TSi+1 und den/r zu verschlüsselnden Daten/­ Nachricht D/Ni ab
VDi = VAi(Si, Di, TSi+1) bzw. VNi = VAi(Si, Ni, TSi+1) (17).
Die Schlüsselfunktionen SFi+1 hängen nur von dem zuletzt gewählten Teilschlüssel TSi+1 ab
Si+1 = SFi+1(TSi+1) (18),
mit dem Trivialbeispiel Si+1 = TSi+1. In diesem Fall kann ein Angreifer nach Entschlüsse­ lung der i-ten Daten/Nachricht VD/Ni auch die i + 1-te(n) Daten/Nachricht VD/Ni+1 und somit alle folgenden verschlüsselten Daten bzw. Nachrichten entschlüsseln. Ein solches System bietet also nur eine perfekte Rückwärtssicherheit und keine perfekte Vorwärtssi­ cherheit.
Dieser Nachteil kann durch zusätzliche Abhängigkeit der Schlüsselfunktionen SFi+1 von dem Basisschlüssel S0 behoben werden
Si+1 = SFi+1(S0, TSi+1) (19).
Falls es einem Angreifer gelingt, die i-ten Daten/Nachricht VD/Ni zu entschlüsseln und er damit sowohl den i-ten Schlüssel Si als auch den i + 1-ten Teilschlüssel TSi+1 kennt, genügt dieses Wissen nicht aus, um den i + 1-ten Schlüssel Si+1 zu bestimmen und damit die i + 1-ten Daten/Nachricht VD/Ni+1 zu entschlüsseln, da hierzu zusätzlich die Kenntnis des Basisschlüssels S0 erforderlich ist. In diesem Fall könnte der Angreifer eventuell nach erfolgreichem Entschlüsseln mehrerer Daten/Nachrichten eventuell durch statisti­ sche Analysen den Basisschlüssel erraten.
Die statistische Analyse der verwendeten Schlüssel Si mit dem Ziel den zugrundeliegen­ den Basisschlüssel zu ermitteln, kann durch zusätzliche Abhängigkeit der Schlüsselfunk­ tionen SFi+1 von allen zuvor verwendeten Schlüsseln S0 bis Si
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, TSi+1) (20)
oder durch Hinzunahme der originalen Daten/Nachrichten D/N0, . . ., D/Ni
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, D/N0, . ., D/Ni, TSi+1) (21)
oder durch Hinzunahme der vorherigen Teilschlüssel TS1, . . ., TSi
Si+1 = SFi+1(S0, . ., Si, D/N0, . ., D/Ni, TS1, . ., TSi, TSi+1) (22)
wesentlich erschwert werden. In diesen Fällen benötigt ein Angreifer die vollständige Kenntnis der gesamten Vorgeschichte, um aus einem/r entschlüsselten Datenblock/­ Nachricht den Schlüssel für die nächste(n) Daten/Nachricht bestimmen zu können. Da die Teilschlüssel TSi+1 beliebig - insbesondere auch absolut zufällig - gewählt werden können, wird eine statistische Analyse der verwendeten Schlüssel mit dem Ziel den zugrundeliegenden Basisschlüssel zu bestimmen wesentlich erschwert. Durch die zunehmende Abhängigkeit von den Teilschlüsseln TSi nähert sich die Verteilung der ver­ wendeten Schlüssel Si mit steigender Anzahl von Iterationen immer mehr einer statisti­ schen Gleichverteilung an, was die Bestimmung des Basisschlüssels durch statistische Analyse der verwendeten Schlüssel Si zunehmend erschwert.
Die beste Chance für einen Angreifer besteht demnach darin, die erste(n) verschlüssel­ ten Daten/Nachricht VD/N0 zu entschlüsseln und so eventuell den Basisschlüssel S0 direkt zu bestimmen. Dies kann jedoch beispielsweise durch Wahl eines besonders star­ ken Verschlüsselungsalgorithmus VA0 und/oder eines besonders langen Basisschlüssel S0 erschwert werden. Ferner besteht auch die Möglichkeit, eine bestimmte Anzahl von verschlüsselten Datenblöcken/Nachrichten zu Beginn der verschlüsselten Kommunika­ tion über einen unabhängigen separaten Kommunikationskanal - wie z. B. auf einem spe­ ziellen Netzwerkpfad, telefonisch, schriftlich, per Firmware oder per separatem Datenträger - zu übertragen, welcher für einen potentiellen Angreifer mit größtmöglicher Wahrscheinlichkeit nicht zugänglich ist. Schon der Schlüssel S1 = SF1(S0, TS1) der zwei­ ten verschlüsselten Daten/Nachricht VD/N1 enthält mit TS1 die erste Zufallskomponente.
Für alle folgenden verschlüsselten Daten/Nachrichten steigt das Gewicht der Zufalls­ komponente durch die hinzukommenden Teilschlüssel TSi mit jeder Iteration weiter an. Falls es einem Angreifer gelingt, die i-te(n) Daten/Nachricht VD/Ni zu entschlüsseln und er damit sowohl den i-ten Schlüssel Si als auch den i + 1-ten Teilschlüssel TSi+1 kennt, genügt dieses Wissen nicht aus, um den i + 1-ten Schlüssel Si+1 zu bestimmen und damit die i + 1-te(n) Daten/Nachricht VD/Ni+1 zu entschlüsseln, da hierzu mindestens die Kennt­ nis des Basisschlüssels S0 bzw. der gesamten Schlüsselvorgeschichte S0 bis Si, ja sogar der gesamten originalen Daten/Nachrichten D/N0 bis D/Ni oder Teilschlüssel TS1 bis TSi erforderlich ist.
In einem konkreten Beispiel eines Verschlüsselungsverfahrens nach Anspruch 1 kann der Basisschlüssel S0 = BS mit einer Länge von 256 Bits dem Verschlüsseler und dem/­ den Entschlüsseler(n) bereits bekannt sein, oder nach einem der bekannten Schlüssel­ austauschverfahren - wie Diffie-Hellmann (US-Patent 4200770) oder IKE (Internet RCF 2409, "IPSec", 2000, Addison-Wesley, p. 117 ff) - zu Beginn untereinander ausgetauscht werden. Die zu verschlüsselnden Daten werden in Datenblöcke derselben Länge wie der Basisschlüssel (256 Bits) aufgeteilt, wobei der letzte Datenblock notfalls bis zur Schlüs­ sellänge mit beliebigen Daten erweitert werden kann. Auch die Teilschlüssel TSi besit­ zen alle dieselbe Länge wie der Basisschlüssel (256 Bits). In jeder Iteration wird zunächst ein neuer Teilschlüssel TSi mit Hilfe eines Pseudozufallsgenerators erzeugt und mit den zu verschlüsselnden Daten Di in einem 512-Bit langen Datenblock DiTSi+1 zusammengeführt, der Datenblock DiTSi+1 - bestehend aus den beiden Teilblöcken Di und TSi+1 - anschließend mit Schlüssel Si und einem beliebigen Verschlüsselungsalgo­ rithmus VA
VDi = VAi(Si, DiTSi+1) = VA(Si, DiTSi+1) (23)
verschlüsselt, und schließlich der neue Schlüssel Si+1 für die nächste Iteration
Si+1 = S0 xor (Di xor TSi+1) (24)
berechnet, wobei die Berechnungen in der ersten Iteration nach
VD0 = VA0(S0, D0TS1) = VA(S0, D0TS1) (25)
S1 = S0 xor (D0 xor TS1) (26)
erfolgen (mit "xor" als boolsche "exclusive or"-Funktion).
Der Entschlüsseler berechnet in der i-ten Iteration mit Hilfe des zu VA gehörenden Ent­ schlüsselungsalgorithmus EA in Abhängigkeit von dem bereits bekannten Schlüssel Si aus den verschlüsselten Daten VDi den Datenblock DiTSi+1 und damit die originalen Daten Di und den Teilschlüssel TSi+1
(Di, TSi+1) = DiTSi+1 = EAi(Si, VDi) = EA(Si, VDi) (27)
sowie den Schlüssel Si+1 für die nächste Iteration
Si+1 = S0 xor (Di xor TSi+1) (28)
wobei in der ersten Iteration (i = 0) die Berechnungen
(D0, TS1) = D0TS1 = EA(S0, VD0) (29)
S1 = S0 xor (D0 xor TS1) (30)
folgen.
Dieses Beispiel kann leicht so modifiziert werden, daß in den Schlüssel Si alle bisherigen Teilschlüssel TS1, . . ., TSi eingehen, indem man in jeder Iteration mit i < 0 zusätzlich einen kumulativen Teilschlüssel
KTSi+1 = KTSi xor TSi+1 mit KTS1 = TS1 (31)
berechnet und anstelle von TSi+1 in der Schlüsselberechnung
Si+1 = S0 xor (Di xor KTSi+1) (32)
verwendet. Dasselbe Verfahren kann auch für die Daten Di angewendet werden, indem in jeder Iteration mit i < 0 anstelle von Di die kumulativen Daten
KDi+1 = KDi xor Di mit KD1 = D0 (33)
in die Schlüsselberechnung
Si+1 = S0 xor (KDi xor KTSi+1) (34)
einfließen.
Selbstverständlich ist ein Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 1 weder auf eine fixe Blocklänge der originalen Daten, Schlüssel und Teilschlüssel limitiert. Sie können vielmehr frei gewählt werden, ja sogar von Iteration zu Iteration variieren, solange die Ver- und Entschlüsselungsalgorithmen und Schlüsselfunktionen sie verarbeiten können. Dasselbe Beispiel kann auch auf ein nachrichtenorientiertes Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 2 angewendet werden, wobei als Datenblöcke die einzelnen Nachrichten selbst verwendet oder jede Nachricht in mehrere Datenblöcke zerlegt werden kann. Die in diesem Patent beschriebenen Verschlüsselungsverfahren sind selbstverständlich nicht nur auf freiprogrammierbare elektronische Rechenmaschinen beschränkt, sondern können auch als Firmware in beliebigen Automaten enthalten sein oder mindestens teil­ weise durch menschliche Arbeitskraft ausgeführt werden.
Durch die freie Wahl
  • 1. der Verschlüsselungsalgorithmen und Schlüsselfunktionen selbst und
  • 2. der in den Verschlüsselungsalgorithmen und Schlüsselfunktionen explizit eingehen­ den Parameter
lassen sich beliebige weitere Verschlüsselungsverfahren direkt oder indirekt ableiten, welche alle nach dem beschriebenen Prinzip beliebige Einmalschlüssel verwenden kön­ nen und mit diesem Patent abgedeckt sind.

Claims (17)

1. Verfahren zur Verschlüsselung beliebig gearteter Daten D, welche entweder in eine endliche Anzahl n (n <= 2) jeweils beliebig große Datenblöcke D0 bis Dn-1 oder eine Folge einer unbestimmten Anzahl jeweils beliebig große Datenblöcke Di (i < 0) auf­ geteilt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) sowohl dem Verschlüsseler V und als auch dem Entschlüsseler E derselbe beliebig geartete Basisschlüssel BS bekannt ist, welcher in Iteration i = 0 als Schlüssel S0 = BS verwendet wird, und
  • b) der Verschlüsseler V beginnend bei i = 0 sukzessive - im Falle einer endlichen Anzahl n Datenblöcke - für alle ganzzahligen i < n oder - im Falle einer unbe­ stimmten Anzahl Datenblöcke - für alle ganzzahligen i - zur Verschlüsselung des Datenblockes Di - einen beliebigen Teilschlüssel TSi+1 wählt, mit Hilfe eines beliebigen Verschlüsselungsalgorithmus VAi in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di, und TS1, . . ., TSi+1 den verschlüsselten Datenblock VDi berechnet, und mit Hilfe einer beliebigen Funktion SFi+1 in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di, und TS1, . . ., TSi+1 den Schlüssel Si+1 bestimmt, und
  • c) der Entschlüsseler E für i = 0 - zur Entschlüsselung des Datenblockes VD0 - mit Hilfe eines zu VA0 gehörenden Entschlüsselungsalgorithmus EA0 und genanntem Schlüssel S0 aus genanntem verschlüsselten Datenblock VD0 den originalen Datenblock D0 und den Teilschlüssel TS1 bestimmt, und
    beginnend bei i = 1 sukzessive - im Falle einer endlichen Anzahl n Daten­ blöcke - für alle ganzzahligen i < n oder - im Falle einer unbestimmten Anzahl Datenblöcke - für alle ganzzahligen i - zur Entschlüsselung des Datenblockes VDi - mit Hilfe eines zu VAi gehörenden Entschlüsselungsalgorithmus EAi in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di-1, und TS1, . . ., TSi und genanntem verschlüsselten Datenblock VDi sowohl den originalen Datenblock Di als auch den Teilschlüssel TSi+1 bestimmt, und
    für alle i mit Hilfe genannter Funktion SFi+1 in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di , und TS1, . . ., TSi+1 den Schlüssel Si+1 bestimmt.
2. Verfahren zur Verschlüsselung einer Folge von entweder einer endlichen Anzahl n jeweils beliebig großer Nachrichten Ni (0 <= i < n) oder einer unbestimmten Anzahl jeweils beliebig großer Nachrichten Ni (i < 0) zwischen einer beliebigen Anzahl p <= 2 von Kommunikationspartnern P1 bis Pp, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) jedem der Kommunikationspartner P1 bis Pp derselbe beliebig geartete Basis­ schlüssel BS bekannt ist, welcher in Iteration i = 0 als Schlüssel S0 = BS ver­ wendet wird, und
  • b) beginnend bei i = 0 sukzessive - im Falle einer endlichen Anzahl n Nachrich­ ten - für alle ganzzahligen i < n oder - im Falle einer unbestimmten Anzahl Nachrichten - für alle ganzzahligen i jeweils einer der Kommunikationspartner Pji (1 <= ji <= p) - zur Verschlüsselung der Nachricht Ni - einen beliebigen Teil­ schlüssel TSi+1 wählt, mit Hilfe eines beliebigen Verschlüsselungsalgorithmus VAi in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, N0, . . ., Ni, und TS1, . . ., TSi+1 die verschlüsselte Nachricht VNi berechnet, und mit Hilfe einer beliebigen Funktion SFi+1 in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, N0, . . ., Ni, und TS1, . . ., TSi+1 den Schlüssel Si+1 bestimmt, und die verschlüsselte Nachricht VNi an alle Kommunikationspart­ ner außer Pji übermittelt, und
  • c) beginnend bei i = 0 sukzessive - im Falle einer endlichen Anzahl n Nachrich­ ten - für alle ganzzahligen i < n oder - im Falle einer unbestimmten Anzahl Nachrichten - für alle ganzzahligen i alle Kommunikationspartner außer Pji die verschlüsselte Nachricht VNi von Pji empfangen, und
    • - zur Entschlüsselung der Nachricht VN0 - mit Hilfe eines zu VA0 gehörenden Entschlüsselungsalgorithmus EA0 und genanntem Schlüssel S0 aus genann­ ter verschlüsselten Nachricht VN0 sowohl die originale Nachricht N0 als auch den Teilschlüssel TS1 bestimmen, und
    • - zur Entschlüsselung der Nachricht VNi (i < 0) - mit Hilfe eines zu VAi gehö­ renden Entschlüsselungsalgorithmus EAi in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di, und TS1, . . ., TSi und genannter verschlüsselter Nachricht VNi sowohl die originale Nachricht Ni als auch den Teilschlüssel TSi+1 bestimmen, und für alle i mit Hilfe genannter Funktion SFi+1 in Abhängigkeit von S0, . . ., Si, D0, . . ., Di, und TS1, . . ., TSi+1 den Schlüssel Si+1 bestimmen.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß - während der letzten Iteration i = n - 1 - der Schlüssel Sn nicht berechnet wird.
4. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisschlüssel BS zu Beginn zwischen dem Verschlüsse­ ler und dem/den Entschlüsseler(n) bzw. Nachrichtenempfänger(n) mit Hilfe eines bekannten Schlüsselaustauschverfahrens ausgetauscht wird.
5. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverschlüsselung nur erfolgt, falls alle beteiligten Partner die Kenntnis desselben Basisschlüssels mit Hilfe eines bekannten Wis­ sensverifikationsverfahrens nachgewiesen haben.
6. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Wissensverifikationsverfahren ohne Übertragung des Basisschlüssels zwischen den beteiligten Partnern erfolgt.
7. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Teilschlüssel TSi (i < 0) pseudozufällig gewählt wird.
8. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Teilschlüssel TSi (i < 0) absolut zufällig gewählt wird.
9. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zweimal derselbe Verschlüsselungs- und Ent­ schlüsselungsalgorithmus verwendet wird.
10. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens ein i <= 0 der Verschlüsseler bzw. der Absen­ der den Verschlüsselungsalgorithmus VAi aus einer vorgegebenen Menge MVAi von verschiedenen Verschlüsselungsalgorithmen beliebig anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di-1, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi wählt und der zu VAi gehörende Entschlüsselungsalgorithmus EAi für den Entschlüsseler bzw. die Empfänger implizit anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di-1, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi einer zu genannter Menge MVAi gehörenden Menge von Entschlüsselungsalgorithmen MEAi bestimmbar ist.
11. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Iterationen - i1 und i2 - die Menge der Verschlüsselungsalgorith­ men MVAi1 identisch mit der Menge der Verschlüsselungsalgorithmen MVAi2 ist.
12. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens ein i < 0 der Schlüssel Si mit Hilfe einer belie­ bigen Funktion SFi in Abhängigkeit der Schlüssel S0 und Si-1 und des Teilschlüs­ sels TSi berechnet werden kann.
13. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens zweimal dieselbe Funktion SFi = SFj verwendet wird.
14. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens ein i <= 0 der Verschlüsseler bzw. der Absen­ der die Funktion SFi+1 aus einer vorgegebenen Menge MSFi von verschiedenen Funktionen beliebig anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi+1 oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi wählt und die Funktion SFi+1 für den Entschlüsseler bzw. die Empfänger implizit anhand der bereits bekannten Schlüssel S0, . . ., Si, Daten D0, . . ., Di, Teilschlüssel TS1, . . ., TSi+1 oder den verschlüsselten Daten VDi bzw. der verschlüsselten Nachricht VNi aus genannter Menge MSFi bestimmbar ist.
15. Verschlüsselungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens ein i <= 0 die zu verschlüsselnden Daten Di bzw. die zu verschlüsselnde Nachricht Ni vor der Verschlüsselung um beliebig gewählte zusätzliche Daten ZD erweitert werden und genannte Daten ZD nach der Einschlüsselung wieder entfernt werden.
16. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Daten ZD pseudozufällig gewählt werden.
17. Verschlüsselungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Daten ZD absolut zufällig gewählt werden.
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