Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
Дата:2008
Автор: Скобелев, В.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2008
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19998
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом / В.В. Скобелев // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 190-196. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859912356192059392
author Скобелев, В.В.
author_facet Скобелев, В.В.
citation_txt Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом / В.В. Скобелев // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 190-196. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
first_indexed 2025-12-07T16:03:02Z
format Article
fulltext ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2008. Том 16 УДК 518.6+681.3 c©2008. В.В. Скобелев ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ОДНОМЕРНЫХ АВТОМАТОВ С ЛАГОМ l НАД КОНЕЧНЫМ КОЛЬЦОМ Для линейных одномерных автоматов с лагом l над кольцом Zpk охарактеризован подкласс, со- стоящий из БПИ-автоматов. Исследована структура классов сильно связных и перестановочных линейных одномерных автоматов с лагом l над кольцом Zpk . Введение. Естественным обобщением регистров сдвига с линейной обратной связью [1], построенных над полемGF(pk) (где p – простое число, а k ∈ N), являются линейные управляемые последовательности над кольцом Zpk = (Zpk ,⊕, ◦), где a⊕ b = a + b (mod pk), a ◦ b = ab (mod pk). В [2] с позиции как современной теории кодирования, так и с позиции совре- менной криптографии, исследованы свойства таких последовательностей, в случае, когда управление – тождественный нуль. Однако с указанных выше позиций, а также с позиции теории автоматов [3– 5], значительно больший интерес представляет исследование поведения такой пары взаимодействующих линейных управляемых последовательностей, что одна из них определяет изменение состояния, а вторая – выходной символ. Таким образом, мы естественно приходим к одномерным линейным автоматам с лагом l над конечным кольцом. Отметим следующие три обстоятельства. Во-первых, по-видимому, первая попытка систематического исследования таких автоматов именно с позиции математической теории систем [6, 7] предпринята в [8, 9]. Во-вторых, фрагменты схем, построенных на основе указанных пар последова- тельностей являются типичными, практически, для всех кандидатов, представлен- ных в реализуемых в настоящее время европейском и японском проектах, соответ- ственно, NESSIE и CRYPTREC, разработки схем поточного шифрования. В третьих, такие автоматы являются нетривиальным обобщением специального случая n-мерных линейных автоматов над конечным кольцом, исследованных в [10]. Отличие настоящей работы от [8, 9] состоит в том, что мы исследуем именно те свойства, которые естественно формулируются в классических терминах теории автоматов. 190 Линейные одномерные автоматы Структура работы – следующая. В п.1 введены необходимые понятия и опреде- ления. В п.2 охарактеризованы некоторые подклассы исследуемых моделей. Заклю- чение содержит ряд выводов. 1. Основные понятия и определения.Объектом исследования являются ини- циальные автоматы Мили и Мура, определяемые, соответственно, уравнениями (M1,q0) :    qn+l = l⊕ i=1 ai ◦ qn+l−i ⊕ b ◦ xn+1 yn+1 = l⊕ i=1 ci ◦ qn+l−i ⊕ d ◦ xn+1 (1) и (M2,q0) :    qn+l = l⊕ i=1 ai ◦ qn+l−i ⊕ b ◦ xn+1 yn+1 = l⊕ i=1 ci ◦ qn+l+1−i , (2) где ai, bi, c, d ∈ Zpk (i = 1, . . . , l) – параметры, x и y – соответственно, входная и выходная переменная, а q0 = (q0, q1, . . . , ql−1) ∈ Zl pk – начальное состояние автомата Mj (j = 1, 2). Обозначим через Al,j (j = 1, 2) – множество всех автоматов Mj . Из (1) и (2) вытекает, что для всех l ∈ N |Al,j | = pk·(2·l+3−j) (j = 1, 2). (3) При решении задач разработки методов защиты информации особый интерес представляет случай, когда Mj (j = 1, 2) – БПИ-автомат [11], т.е. когда ограниченно- детерминированная функция f : Z+ pk → Z+ pk , реализуемая инициальным автоматом (Mj ,q0) (j = 1, 2), является биекцией при любом начальном состоянии q0 ∈ Zl pk . В связи с этим обозначим через Ainv l,j (j = 1, 2) множество всех обратимых автоматов Mj ∈ Al,j . Из (1) и (2) вытекает Утверждение 1. Для всех l ∈ N: 1) M1 ∈ Ainv l,1 тогда и только тогда, когда d – обратимый элемент кольца Zpk . 2) M2 ∈ Ainv l,2 тогда и только тогда, когда c1 и b – обратимые элементы кольца Zpk . Из утверждения 1 вытекает, что обратные автоматы имеют следующий вид: (M−1 1 ,q0) :    qn+1 = l⊕ i=1 αi ◦ qn+l−i ⊕ β ◦ xn+1 yn+1 = l⊕ i=1 γi ◦ qn+l−i ⊕ δ ◦ xn+1 , 191 В.В. Скобелев где β = b ◦ d−1, δ = d−1 и αi = ai ª b ◦ d−1 ◦ ci, γi = ªd−1 ◦ ci для всех i = 1, . . . , l, (M−1 2 ,q0) :    qn+l = l⊕ i=2 αi ◦ qn+l+1−i ⊕ β ◦ xn+1 yn+1 = l⊕ i=1 γi ◦ qn+l+1−i ⊕ δ ◦ xn+1 , где β = c−1 1 , δ = b−1 ◦ c−1 1 , αi = c−1 1 ◦ ci (i = 2, . . . , l) и γi = { ªb−1 ◦ (c−1 1 ◦ ci+1 ⊕ ai), i = 1, . . . , l − 1 ªb−1 ◦ al, i = l . Из (3) и утверждения 1 вытекает, что для всех l ∈ N |Ainv l,j | = p−j · (p− 1)j · |Al,j | (j = 1, 2). (4) Из (4) вытекает, что истинно Следствие 1. Для всех l ∈ N |Ainv l,j | |Al,j | = p−j · (p− 1)j (j = 1, 2). Итак, показано, что в множестве Al,j (j = 1, 2) доля обратимых автоматов не зависит от значения числа k. 2. Основные результаты. Охарактеризуем некоторые подмножества множеств Al,j (j = 1, 2) и Ainv l,j (j = 1, 2), естественно определяемые в терминах теории авто- матов. Теорема 1. Для всех l ∈ N автомат Mi ∈ Al,j (j = 1, 2) – сильно связный тогда и только тогда, когда b – обратимый элемент кольца Zpk . Доказательство. 1. Необходимость. Пусть автомат Mi ∈ Al,j (j = 1, 2) – сильно связный. Тогда для любых двух его состояний q = (q0, q1, . . . , ql−1) ∈ Zl pk и q′ = (q′0, q ′ 1, . . . , q ′ l−1) ∈ Zl pk существует входное слово x1x2 . . . xn ∈ Zn pk , переводящее состояние q в состояние q′. Предположим противное, т. е. что b – необратимый элемент кольца Zpk . Тогда b ≡ 0 (mod p). Рассмотрим любое такое состояние q0 = (q0, q1, . . . , ql−1) автомата Mj (j = 1, 2), что qi ≡ 0 (mod p) для всех i = 0, 1, . . . , l − 1. Из 1-го уравнения, определяющего автомат Mj , вытекает, что ql ≡ 0 (mod p) 192 Линейные одномерные автоматы для любого входного символа x ∈ Zpk . Таким образом, состояние q0 под действием любого входного символа x ∈ Zpk переходит в такое состояние q1 = (q1, . . . , ql−1, ql) ∈ Zl pk , что qi ≡ 0 (mod p) для всех i = 1, . . . , l. Отсюда вытекает (что доказывается индукцией по длине входного слова), что для любого входного слова x1x2 . . . xn ∈ Zn pk состояние q0 переходит в такое состоя- ние qn = (qn, qn+1, . . . , qn+l−1) ∈ Zl pk , что qi ≡ 0 (mod p) для всех i = n, n + 1, . . . , n + l − 1. Это означает, что из состояния q0 недостижимо ни одно состояние q′ = (q′0, . . . , q ′ l−1) ∈ Zl pk , удовлетворяющее следующему условию: существует такое j ∈ {0, 1, . . . , l − 1}, что q′j ≡ m (mod p), где m ∈ {1, 2, ..., l − 1}. Отсюда вытекает, что автомат Mj не является сильно связным. Полученное противоречие показывает, что предположение – ложное, т. е. если Mj ∈ Al,j (j = 1, 2) – сильно связный автомат, то b – обратимый элемент кольца Zpk , что и требовалось показать. 2. Достаточность. Пусть b – обратимый элемент кольца Zpk . Покажем, что из любого состояния q0 = (q0, q1, ..., ql−1) ∈ Zl pk автомата Mj (j = 1, 2) достижимо любое его состояние q′0 = (q′0, q ′ 1, ..., q ′ l−1) ∈ Zl pk . Выберем такое входное слово x1...xl ∈ Zl pk , что b ◦ xi+1 = q′i ª i⊕ m=1 am ◦ q′i−m ª l−1⊕ m=i am ◦ qm (i = 0, 1, ..., l − 1). (5) Так как b – обратимый элемент кольца Zpk , то система (5) имеет единственное решение xi+1 = b−1 ◦ (q′i ª i⊕ m=1 am ◦ q′i−m ª l−1⊕ m=i am ◦ qm) (i = 0, 1, ..., l − 1). (6) Из 1-го уравнения, определяющего автомат Mj (j = 1, 2) вытекает, что входное слово x1...xl ∈ Zl pk , где xi+1 (i = 0, 1, ..., l−1) определяется равенством (6), порождает следующую последовательность переходов состояний автомата Mj (j = 1, 2) q0 → q1 → ... → ql−1 → ql = q′0, (7) где qi = (qi, ..., ql−1, q ′ 0, q ′ 1, ..., q ′ i−1) (i = 1, ..., l). (8) Из (8) вытекает, что если b – обратимый элемент кольца Zpk , то из любого состо- яния q0 ∈ Zl pk автомата Mj (j = 1, 2) достижимо любое его состояние q′0 ∈ Zl pk . Это означает, что Mj (j = 1, 2) – сильно связный автомат, что и требовалось показать. Теорема доказана. Обозначим через Asc l,j (j = 1, 2) множество всех сильно связных автоматов Mj ∈ Al,j . 193 В.В. Скобелев Из теоремы 1 вытекает, что для всех l ∈ N |Asc l,j | = p−1 · (p− 1) · |Al,j | (j = 1, 2). Следующее утверждение характеризует степень достижимости [5] автомата Mj ∈ Asc l,j (j = 1, 2). Утверждение 2. Для всех l ∈ N диаметр графа переходов любого автомата Mj ∈ Asc l,j (j = 1, 2) равен l. Доказательство. Выберем такие состояния q0 = (q0, q1, ..., ql−1) ∈ Zl pk и q′0 = (q′0, q ′ 1, ..., q ′ l−1) ∈ Zl pk , что q′i 6= qi для всех i = 0, 1, ..., l − 1. Из (5)–(8) вытекает, что x1, ..., xl ∈ Zl pk – кратчайшее входное слово, переводящее состояние q0 в состояние q′0. Следовательно, диаметр графа переходов автомата Mj равен l. Утверждение доказано. Положим Asc−inv l,j = Asc l,j ⋂ Ainv l,j (j = 1, 2). Из утверждения 1 и теоремы 1 вытекает, что для всех l ∈ N Ainv l,2 ⊂ Asc−inv l,2 и |Asc−inv l,j | = p−2 · (p− 1)2 · |Al,i| = (1− p−1)2 · |Al,j | (j = 1, 2). Теорема 2. Для всех l ∈ N автомат Mj ∈ Al,j (j = 1, 2) – перестановочный тогда и только тогда, когда al – обратимый элемент кольца Zpk . Доказательство. Автомат Mj ∈ Al,j (j = 1, 2) не является перестановочным то- гда и только тогда, когда существуют два такие его состояния q0 = (q0, q1, ..., ql−1) ∈ Zl pk и q′0 = (q′0, q ′ 1...., q ′ l−1) ∈ Zl pk и такой входной символ x ∈ Zpk , что q1 = q′1, (9) где q1 = (q1, ..., ql−1, ql) и q′1 = (q′1, ..., q ′ l−1, q ′ l), а ql и q′l вычисляются из 1-го уравне- ния, определяющего автомат Mj . Из (9) вытекает, что qi = q′i (i = 1, ..., l). (10) Так как q0 6= q′0, то равенство (9) эквивалентно тому, что q0 = (q0, q1, ..., ql−1), 194 Линейные одномерные автоматы q′0 = (q′0, q1, ..., ql−1), где q0 6= q′0 и ql = q′l. Из 1-го уравнения, определяющего автомат Mj (j = 1, 2) вытекает, что равенство ql = q′l эквивалентно тому, что q′0 ª q0 — ненулевое решение уравнения al ◦ u = 0. (11) Уравнение (11) имеет ненулевое решение тогда и только тогда, когда al ≡ 0 (mod p), т. е. когда al – необратимый элемент кольца Zpk . Итак, показано, что автомат Mj ∈ Al,j (j = 1, 2) не является перестановочным автоматом тогда и только тогда, когда элемент al ∈ Zpk не является обратимым элементом кольца Zpk . Теорема доказана. Обозначим через Ap l,j (j = 1, 2) множество всех перестановочных автоматов Mj ∈ Al,i. Из (3) и теоремы 2 вытекает, что для всех l ∈ N |Ap l,j | = (1− p−1) · |Al,j | (j = 1, 2). Положим Ap−inv l,j = Ainv l,j ⋂ Ap l,j (j = 1, 2). Из утверждения 1, теоремы 2 и (3) вытекает, что для всех l ∈ N |Ap−inv l,j | = (1− p−1)j+1 · |Al,j | (j = 1, 2). Заключение. В настоящей работе установлен ряд характеристик для линей- ных одномерных автоматов Мили и Мура с лагом l над кольцом Zpk . Исследована структура подклассов, состоящих из сильно связных автоматов, из перестановочных автоматов, а также подсчитано число автоматов в этих классах. Охарактеризована структура подкласса БПИ-автоматов, которые представляют особый интерес при решении задач защиты информации. Характеристика структуры классов эквивалентных состояний для автоматов, принадлежащих множествам Al,j , Ainv l,j (j = 1, 2), а также поиск критерия эквива- лентности автоматов, принадлежащих этим множествам, представляет собой одно из направлений дальнейших исследований. Другое направление исследований состоит в анализе сложности параметриче- ской идентификации и сложности идентификации начального состояния для авто- матов, принадлежащих множествам Al,j , Ainv l,j (j = 1, 2). 195 В.В. Скобелев 1. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. – М.: Мир, 1986. – 576с. 2. Кузьмин А.С., Куракин В.Л., Нечаев А.А. Свойства линейных и полилинейных рекуррент над кольцами Галуа (I) / В кн.: Труды по дискретной математике. Т.2. – М.: ТВП, 1998. – С.191-222. 3. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. – М: Физматгиз, 1962. – 476c. 4. Кудрявцев В.Б. и др. Введение в теорию конечных автоматов. – М: Наука, 1985. – 320c. 5. Трахтенброт Б.А., Барздинь Я.М. Конечные автоматы: поведение и синтез. – М: Наука, 1970. – 400c. 6. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. – М: Мир, 1971. – 400c. 7. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. – М: Мир, 1978. – 311c. 8. Фараджев Р.Г. Линейные последовательностные машины. – М: Советское радио, 1975. – 248c. 9. Гилл А. Линейные последовательностные машины. – М: Наука, 1974. – 287c. 10. Скобелев В.В. Исследование структуры множества линейных БПИ-автоматов над кольцом Zpk // Доповiдi НАН України. – 2007. – №10. – С.44-49. 11. Курмит А.А. Автоматы без потери информации конечного порядка. – Рига: Зинатне, 1972. – 266c. Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины, Донецк vv_skobelev@iamm.ac.donetsk.ua Получено 20.03.08 196 содержание Том 16 Донецк, 2008 Основан в 1997г. содержание Том 16 Донецк, 2008 Основан в 1997г.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19998
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1683-4720
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:03:02Z
publishDate 2008
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
record_format dspace
spelling Скобелев, В.В.
2011-05-19T19:31:21Z
2011-05-19T19:31:21Z
2008
Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом / В.В. Скобелев // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 190-196. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
1683-4720
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19998
518.6+681.3
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
Article
published earlier
spellingShingle Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
Скобелев, В.В.
title Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
title_full Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
title_fullStr Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
title_full_unstemmed Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
title_short Характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
title_sort характеристики линейных одномерных автоматов с лагом l над конечным кольцом
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19998
work_keys_str_mv AT skobelevvv harakteristikilineinyhodnomernyhavtomatovslagomlnadkonečnymkolʹcom