McEliece-Kryptosystem Beispieldurchlauf

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Beispieldurchlauf für das McEliece-Kryptosystem

Nachfolgend soll ein Bespiel für ein sehr kleines $ (n,k,d)=(7,4,3) $ McEliece-Kryptosystem durchgerechnet werden. Dieses Beispiel baut auf dem in [St95] auf.

Systemparameter

Die Systemparameter wurden mit $ n=7 $, $ k=4 $ und $ d=3 $ festgelegt. Damit werden 4 Klartext-Bit auf 7 Chiffre-Bit abgebildet. Weiter braucht der verwendete Code einen Hamming-Abstand von 3. Damit lassen sich $ t=(d-1)/2=1 $ Bitfehler korrigieren.

Schlüssel-Erzeugung

Um das nachfolgende Beispiel einfacher zu halten, erzeugt die Generator-Matrix $ G $ keinen Goppa-Code sondern einen Hamming-Code:

$ G=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} $

Hier sieht man, daß $ d=3 $ gilt, denn jede Zeile unterscheidet sich in mindesten 3 Werten voneinander.

Bob erzeugt weiter die zufälligen Matrizen $ S $ und $ P $:

$ S=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} $
$ P=\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} $

Der erste Teil $ \hat{G} $ des öffentlichen Schlüssels berechnet sich wie folgt:

$ \hat{G}=SGP $
$ \hat{G}=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 \end{pmatrix}=\hat{G} $

Bob’s öffentlicher Schlüssel lautet nun:

$ K_{pub}=(\hat{G},t)=\left(\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 \end{pmatrix},1\right) $

Verschlüsselung

Alice möchte ihre Nachricht $ m=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} $ nun verschlüsseln. Dazu muß noch ein beliebiger Fehlervektor $ z $ mit dem maximalen Gewicht $ t=1 $ und der Länge $ n=7 $ gewählt werden. In diesem Durchlauf soll $ z=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} $ sein. Die Chiffre $ c $ berechnet sich nun mit

$ e_K(m,z)=c=m\hat{G}+z $
$ m=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 \end{pmatrix}=c $

Entschlüsselung

Nach dem Empfang der Chiffre muß Bob zuerst die Permutation rückgängig machen:

$ \hat{c}=cP^{-1}= $
$ =\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} $

Anschließend wird der Hamming-Code dekodiert. Dazu wird für jede Zeile der Generator-Matrix $ G $ der Hamming-Abstand $ d $ berechnet. Von der ersten zur vierten Zeile beträgt der Abstand $ \begin{pmatrix} 1 & 3 & 3 & 2 \end{pmatrix} $. Damit ist der dekodierte Code $ \hat{m}=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} $. Zuletzt wird der Klartext $ m $ berechnet:

$ m=\hat{m}S^{-1}= $
$ =\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}= $
$ =\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} $

Damit wurde Alice’s Klartext $ \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} $ erfolgreich wiederhergestellt.

Quellen

  • McEliece-Kryptosystem
  • [St95] Douglas Stinson, Cryptography. Theory and Practice, CRC Press, 1995, ISBN: 0-84938-521-0, Seite 193 ff.
  • [Sch96] Bruce Schneier, Applied Cryptography, Protocols, Algorithms and Source Code in C, 2nd ed., John Wiley & Sons Inc., 1996, ISBN: 0-471-12845-7, Seite 479 ff.
  • [WiME05] Wikipedia, McEliece Cryptosystem, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 23. Dec. 2005 10:39 UTC, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=McEliece_cryptosystem&oldid=32471204
  • [En06] ENTROPY, McEliece, Error-correcting Codes als Public Key Verfahren, 01.04.2006, http://entropy.stop1984.com/de/mceliece.html
  • [MOV96] Alfred J. Menezes, Paul C. van Oorschot, Scott A. Vanstone, Handbook of Applied Cryptography, CRC Press Inc., 1996, ISBN: 0849385237
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