Научная статья на тему 'Об условиях генерации высокодобротных пространственнокогерентных электромагнитных КВЧ- колебаний в живой материи'

Об условиях генерации высокодобротных пространственнокогерентных электромагнитных КВЧ- колебаний в живой материи Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
93
35
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Рудько Борис Федорович, Човнюк Юрий Васильевич, Овсянникова Татьяна Николаевна, Ивановская Алла Владимировна

Понятие солитона, появившееся в прикладной математике, широко применяется в прикладной физике, технике, биофизике, упоминается в [3]. Не менее важным оно может оказаться для некоторых фундаментальных проблем теоретической физики. В действительности первоначальные исследования [1,2], которые фактически привели к открытию солитона, стимулировались не прикладными, а фундаментальными задачами. Утверждать, что понятие солитона уже нашло приложения в фундаментальных задачах современной биофизики, физики живого, квантовой медицины было бы слишком самонадеянным для данной работы, но, возможно, здесь будут уместны соображения о том, как его можно использовать в важных областях статистической физики, в проблеме распределения энергии по отдельным степеням свободы движения (биоклеток структурных (элементарных) единиц или же всей матрицы). Для реализации подобных целей следует обратиться к известной задаче (проблеме) Ферми-Паста-Улама, которую с точки зрения авторов данной работы можно совершенно по-иному (в сравнении с “классическим” (без использования понятия солитона)) интерпретировать. Суть этой интерпретации сводится к следующему ниже.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Рудько Борис Федорович, Човнюк Юрий Васильевич, Овсянникова Татьяна Николаевна, Ивановская Алла Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

About condition generation of highquality space-cogerence electromagnetic microwave-oscillation in living matter/

The presence of solition-like exitations in biocell clusters in the living matter of certain spatial continuum (in the order of several millimeters) resuits in the effects of exponential energy subsidence in the models being exicited when the wave number increases (similar to Planck’s scattering and quantum theory of the blackrody radiation), for mm-range electromagnetic waves inclusive.

Текст научной работы на тему «Об условиях генерации высокодобротных пространственнокогерентных электромагнитных КВЧ- колебаний в живой материи»

— о большей эффективности системы по сравнению с аналогичными при реализации сложных энергостроительных проектов;

— о ее устойчивости к внешним воздействиям;

— о ее мобильности и независимости от пользователей;

— о высокой производительности труда работников аппаратов управлений , поскольку они заняты на одних и тех же “работах”.

На строительстве Южно-Украинской АЭС система эксплуатируется с 1983 г. При этом осуществлен переход с СМ ЭВМ на ЭВМ Motorola с сохранением всей накопленной информационной базы (общий объем информационной базы на 01.09.1998г. составлял порядка 500 Мбайт дисковой памяти) и неизменностью системной информационной технологии АИСУПР.

Опыт разработки и использования информационного базиса АИСУС ЮУ АЭС показал, что изложенный подход позволяет получить устойчивую к изменениям структуру информационного ресурса системы, пригодного к использованию как для функциональных задач управления строительными организациями, так и для задач управления проектами строительства сложных энергетических объектов.

Литература. І.Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1989. 351 с. 2.Бушуев С.Д., Михайлов В.С.,

УДК 534.03

ОБ УСЛОВИЯХ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОДОБРОТНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННОКОГЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КВЧ-КОЛЕБАНИЙ В ЖИВОЙ МАТЕРИИ

РУДЬКОБ.Ф, ЧОВНЮКЮ.В, ОВСЯННИКОВА Т.Н, ИВАНОВСКАЯ А.В.

Понятие солитона, появившееся в прикладной математике, широко применяется в прикладной физике, технике, биофизике, упоминается в [3]. Не менее важным оно может оказаться для некоторых фундаментальных проблем теоретической физики. В действительности первоначальные исследования [1,2], которые фактически привели к открытию солитона, стимулировались не прикладными, а фундаментальными задачами. Утверждать, что понятие солитона уже нашло приложения в фундаментальных задачах современной биофизики, физики живого, квантовой медицины было бы слишком самонадеянным для данной работы, но, возможно, здесь будут уместны соображения о том, как его можно использовать в важных областях статистической физики, в проблеме распределения энергии по отдельным степеням свободы движения (биоклеток - структурных (элементарных) единиц или же всей матрицы). Для реализации подобных целей следует обратиться к известной задаче (проблеме) Ферми-Паста-Улама, которую с точки зрения авторов данной работы можно совершенно по-иному (в сравнении с “классическим” (без использования понятия солитона)) интерпретировать. Суть этой интерпретации сводится к следующему ниже.

Лянко С.Д. Автоматизированные системы управления строительством. К.: Будівельник, 1989. 255 с. 3. Петров Э.Т., Чайников С.И., Овезгелъдыев А.О. Методология структурного системного анализа и проектирования крупномасштабных ИУС. Концепция и методы. Харьков: Рубикон, 1997. 140с. 4. Тесля Ю.Н. Матричные информационные технологии управления проектами АЭС/ /Придніпровський науковий вісник.Технічні науки. Дніпропетровськ, 1998. №73 (140). С. 39-43. 5.Гриценко В.И., Тимченко А.А., Тесля Ю.Н. Подходы к информатизации объектов энергетического строительства. К.: 1995. 32 с. (Препринт./ НАН Украины. Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова; 95-2).

Поступила в редколлегию 12.09.99 Рецензент: д-р техн. наук Тимченко А.А.

Дегтярев Александр Геннадиевич, главный инженер проекта АО “Южэнергострой”. Научные интересы: автоматизированные информационные системы и технологии управления строительством сложных энергетических объектов. Хобби: музыка, литература. Николаевская область, г.Южноукраинск, Ленина 24, кв.100. Телефоны: раб.(05136)5-12-60; дом.(05136)21-818.

Тесля Юрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры информатики Черкасского инженерно-технологического института. Научные интересы: автоматизированные информационные системы и технологии управления строительством сложных энергетических объектов; гипотетическая теория информационного взаимодействия. Хобби: футбол. Адрес: Украина, 257006, Черкассы, ул. Чехова, 42, кв.428, тел. раб.(0472)436-160; дом.(05136)51-764.

Прежде всего восстановим “ход” исторических событий. Как возникла задача (проблема) Ферми-Паста-Улама? Одно из важнейших допущений классической статистической механики заключается в том, что “малые нелинейности” приводят к равномерному распределению энергии. Согласно строгой линейной теории, вся энергия колеблющегося кристалла или электромагнитного резонатора (модели биоклетки) должна оставаться в тех собственных колебаниях, в которые она была помещена начальными условиями. Однако на практике довольно часто можно наблюдать, как подобные системы “термализуются” до состояния, в котором энергия примерно поровну разделена между всеми собственными колебаниями. Поэтому разумно предположить, что малые , но неизбежные нелинейности при любых начальных условиях приводят к термализо-ванному (эргодическому) состоянию.

Впервые это допущение было проверено в начале 50-х годов ХХ столетия в серии численных экспериментов, предложенных Ферми и осуществленных Паста и Уламом [4]. Они исследовали колебания 64 материальных частиц, соединенных нелинейными пружинами так, чтобы система аппроксимировала нелинейную колеблющуюся струну. Результат оказался неожиданным — никакой тенденции к термали-зации не наблюдалось. Если первоначально энергия сообщалась моде с наинизшей частотой, то она почти полностью возращалась в нее после взаимодействия с несколькими другими низкочастотными модами. Длительность экспериментов ограничивалась мощностью современных ЭВМ. Такой же возврат (но позже!) наблюдали Забуски и Крускал [2] для численного решения уравнения Кортевега-де-Вриза (КДВ) с синусоидальными данными. В течение последних 40 лет множество работ было посвящено отчетам о

РИ, 1999, № 3

91

численных экспериментах и аналитическим попыткам понять то, что получило в литературе название “задача Ферми-Паста-Улама” (ФПУ) [2,4,5-21].

Задача Ф ПУ тесно связана с проблемой солитонов. Поскольку нелинейная механическая решетка, исследованная Тодой [22], допускает периодические решения, в системе с периодическими граничными условиями может существовать один солитон решетки. Это ясный пример того, как нелинейность не вызывает термализации решетки в состоянии с равномерным распределением энергии.

Интересное объяснение первоначальных результатов ФПУ было предложено Фордом еще в 1961г. [6]. При достаточно слабой нелинейности системы частоты мод четко определены и энергия может делиться только между теми модами, которые удовлетворяют условию авторезонанса:

N

X m юі = о, mi ez, (і)

i=i

где m — целые числа.

Поэтому один солитон решетки в системе с периодическими условиями (граничными) в этом смысле как раз и является “авторезонансным”. Важно, конечно, знать, что означают слова “достаточно слабая” нелинейность. Этот вопрос рассматривался Джексоном в [9]. На него трудно ответить, поскольку, как это подчеркнули исследования Бивинса, Метрополиса и Паста [23], “отсеивание” некоторых мод с очень малыми начальными энергиями может привести к экспоненциальному росту , который станет существенным возмущением лишь через довольно длительный период времени. Исследование одномерной цепочки частиц, взаимодействующих, согласно потенциалу Леннарда-Джонса (ЛД), проведенные Боккьери, Скотти, Бирци и Лоинджером [5], показало, что равномерное распределение энергии получается при средней энергии моды, превосходящей несколько процентов (!) потенциала ЛД. В этом случае, когда энергия моды меньше 1 % потенциала ЛД, наблюдаются эффекты ФПУ.

Работая в этом направлении, Забуски установил, что объяснение с помощью авторезонанса справедли -во для чрезвычайно малых нелинейностей и, не верно, для средних и больших нелинейностей. Возврат, по-вддимому, обусловлен фокусировкой солитонов в точке пространства-времени.

Следуя традиции первого фильма о солитонах, сделанного с помощью ЭВМ Забуски, Димом и Крускалом в 1968г. [24], Тэпперт создал замечательный фильм, посвященный кинематическому исследованию уравнения КДВ [25]:

дФ

~3t

дФ

дх

+ 5

2 дФ3 дх3

= 0

(2)

где Ф(хД) — искомая функция координаты х и времени t при Ф(х,0) =соз(2л х), Ф(хД) = Ф(х+1Д); была показана не только Ф(хД), но также зависимость энергии мод от времени. Этот фильм отчетливо продемонстрировал два различных нелинейных эффекта:

а) слабую нелинейность, наблюдаемую при 5>0,1,

когда в системе велики механизмы дисперсии (

д 3Ф

дх 3

),

а условию (1) удовлетворяет небольшое число (N) низкочастотных мод;

б) образование салитонов, наблюдаемое при 5<0,1 [25].

Следует отметить, что в случае образования солитонов энергии мод экспоненциально уменьшаются с увеличением волнового числа моды. Теперь рассмотрим формулу Планка для средней энергии моды при квантовании энергетических уровней [26]:

e (ш)=е ^ 1TBT _1+2йю. (3)

здесь Н = h / 2п — отрицательное число Планка; h — постоянная Планка; ш — частота; кв — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура (0К). При Ню/

/kfiT <<1 из (3) получаем: Е(ш)« квТ . В то

время, как при

E(ш) « Ню e~h7kBT

из (3) имеем:

Условие равномерного распределения энергии Е(ш)» kBT.

Экспоненциальное убывание энергии моды с

увеличением частоты моды E(ш) « Ню е~^Щквт ; с другой стороны, качественно подобно эффекту, заставившему Планка предположить квантование энергетических уровней. Интересно, что подобный эффект достигается [25] и без предположения о квантовании, что, естественно, можно использовать для физической интерпретации явлений, наблюдаемых в живой материи при использовании метода МРТ профессора С.П.Ситько.

Боккьери, Лоинджер и Кретти предположили, что экспериментальные данные об излучении черного тела можно примирить с классической электронной теорией ( а значит устранить проблему “ультрафиолетовой катастрофы”), правильно рассчитывая нелинейное взаимодействие мод [27-30], а Черчиня-ни, Гальгани и Скотти возродили предположение Нернста, показав, что квантовая энергия нулевых

колебаний

(~

—Ню) 2 '

имеет тот же порядок, что и

критическая энергия при резонансе ФПУ, определенном в (1) [31-33].

Нам представляется возможным применить развитые подходы, описанные выше, для анализа проблемы когерентности в физике живого, которая стоит довольно остро в настоящий момент. Соотношение (3) можно представить несколько иначе:

E (ю)

Ню 1 ,

. ,, „— + -Ню ейю/квт _1 2

Ню е ~ы / квт

1 _е-Ню/kBT +

+1 Ню = Ню е ■ Ы / kBT (-^--) + - Ню =

2 1 _е~Пю/kBT 2

= Ню е ~Ню / kBT (1 + е ~Ню / kBT + е “2Ню / kBT +

+ е-ЪП&/к^Т + . ..) +1 Ню . (4)

92

РИ, 1999, № 3

Или, иначе:

<Х> 1

E(ш) = Йш e~ha 7квТ ( Zе~М(0 7 квТ) + -Йш . (5) N=0 2

В соотношении (5) члены, стоящие в скобках, по сути, выражают вероятности перехода (с излучением/ поглощением) сразу (одновременно) N - квантов энергии Йш • Такие коллективные переходы

~ exp(-МЙш /квТ) -вероятностям собственной реализации обусловлены взаимодействием N- осцилляторов между собой. Оценим, каково должно быть значение N в случае, когда энергия , излучаемая/ поглощаемая одновременно N -взаимодействующими осцилляторами, сравнима с энергией вакуумных

(“нулевых”) колебаний (~ — Й

тогда

Йш е-(N+1)Йш 1 квТ к 1 Йш

-(N +1)Йш / квТ к 1

, т.е.:

1 Йш 2 ’ (6)

(7)

Для микроволнового излучения ( f=o/2n =60 ГГц, Т=300К) Йш/kBT к 0,01. Поэтому из (7)

получаем:

N+1 к ln2/0,01 к 102. (8)

Таким образом, кластер клеток, излучающих/ поглощающих синфазно общую энергию Е(ш) к йш, составляет N к 100. При среднем размере клетки г0=10-5-5х10-5м получаем длину когерентности Ькогерент. к (1-5) мм • Если оценить добротность таких синфазных (за счет нелинейности связи) колебаний кластера клеток в мм-диапазоне электромагнитных волн, то при Дш (ширине линии излучения) ~600 МГц имеем для кластера клеток более высокую добротность Q (равную обычно отношению ш/Дш), умноженному на N2, так как в таких коллек-тивизированых синфазных колебаниях кластера клеток энергия никогда не “просачивается” вовне кластера:

Qкол.колеб. = Q0N2 = (ш/Дш)^^ =

={(2п 60 ГГц)/ (2п 0,6 ГГц)}х104к 106, ^^кол.колєб.' ~ 106 так как добротность связанных колебаний пропорциональна (~N) количеству излучающих и (~N) количеству поглощающих это излучение резонаторов (клеток).

Выводы

1. Значительное число качественных эффектов, обычно обсуждающихся в описании физических явлений на языке “солитонов (в том числе физике живого)”, сначала обнаружено в ходе исследований на ЭВМ. К ним относится эффект возврата энергии при синусоидальном возмущении системы — так называемая задача Ферми-Паста-Улама.

2. Наличие солитоноподобных возбуждений в кластерах биоклеток, в живой материи определенной пространственной протяженности (порядка нескольких миллиметров) приводит к эффектам экспоненциального убывания энергии возбуждаемых мод с увеличением волнового числа (аналогия с распределением Планка и квантовой теорией излучения черного тела), в том числе для электромагнитных волн КВЧ-диапазона.

3. Для проведения теоретических разработок в проблеме пространственной когерентности живой материи важным является синергетическое применение ЭВМ для этих целей, как подчеркнуто в работах Забуски [34,35].

Литература: 1. Perring J.K, Skyrme T.H.R. A model unified field equation// Nucl. Phys. 1962. Vol. N 31. P. 550-555. 2. Zabusky N.J., Kruskal M.D. Interaction of solitons in a collisionless plasma and the recurrence of initial states// Phys. Rev. Lett. 1965. Vol. 15. P. 240-243. 3. ScottA.C, Chu F.Y.F., Mc Langhlin D. W. The soliton: A New Concept in Applied Science // Proc. JEEE. 1973. Vol. 61. No.10. P. 14431483. 4. Fermi E, Pasta J.R., Ulam S.M. Studies of nonlinear problems/ / Los Alamos Sci Lab. Rep. LA. 1940.-1955; also in Collected Works of Enrico Fermi. 1965. Vol. N II. Chicago,

Ill.: Univ. Chicago Press. P.978. 5. Bocchieri P, Scotti A., Bearzi B, Loinger A. Anharmonic chain with Lennard-Jones interaction // Phys. Rev. A. 1970. Vol. 2. P. 2013-2019. 6. Ford J. Equipartition of energy for nonlinear systems // J. Math. Phys. 1963. Vol. 2. P. 387-393. 7. Ford J., Waters J. Computer studies of energy sharing and ergodicity for nonlinear oscillator systems //J. Math.Phys. 1963. Vol. 4. P.1293-1306.

8. Ford J., Lunsford G.H. Stochastic behavior of resonans nearly linear oscillator systems in the limit of zero nonlinear coupling // Phys. Rev. A. 1970. Vol. 1. P.59-70. 9. Jackson E.A. Nonlinear coupled oscillators; pt. I. Perturbation-theory; ergodic problem // J.Math.Phys. 1963. Vol. 4. P.551-558; pt.

11. Comparision of theory with computer solutions // J.Math. Phys. 1963. Vol. 4. P. 686-700. 10. JacksonE.A., Pasta J.R., Waters J.E. Thermal conductivity of one -dimensional lattices // J. Comput. Phys. 1968. Vol. 2. P. 207-227. 11. Ogyama N., Hirooka H, Saito N. Computer studies on the approach to thermal equilibrium in compled anharmonic oscillators// J. Phys. Soc. Japan. 1969. Vol. N27. P.P.815-824.

12. Ogyama N, Saito N. On the stability of lattice solitons / / Progr. Theor. Phys. Suppl. 1979. No.45. P.P.201-208. 13. Saito N, Hirooka H. Long-time behavior of the vibration in one-dimensional harmonic lattice // J. Phys. Soc. Japan. -1967. Vol. 23. P.157-166. 14. Saito N, Hirooka H. Computer studies of ergodicity in coupled oscillators with anharmonic interaction // J. Phys. Soc. Japan. 1967. Vol. 23. P.167-171. 15. Saito N, Onuki M. A one-dimensional system undergoing first-order diffuse phase transitions //J. Phys. Soc. Japan. 1970. Vol. 29. P.69-73. 16. Saito N, Ogyama N, Aizawa Y., Hirooka H. Computer experiments of ergodic problems in anharmonic lattice vibrations // Progr. Theor. Phys. Suppl. No.45. 1970. P.209-230. 17. Walker G.H, Ford J. Amplitude instability and ergodic behavoir for consirvative nonlinear oscillator systems // Phys. Rev. 1969. Vol.188. P.416-432. 18. Walker G.H., Ford J. A method of solution for resonant nonlinear coupled oscillator systems // J. Math. Phys. 1966. Vol. 7. P.P. 399-403. 19. Weiss M.T. Quantum derivation of energy relations analogous to those for nonlinear reactancts // Proc. JRE. 1957. Vol. 45. P. 1012-1013. 20. Greenspan D. Discrete, nonlinear string vibrations // Computer . 1970. Vol.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

13. P. 195-201. 21. Greenspan D. Computer simulation of transverse string vibration // BIT. 1971. Vol. 11. P.399-408. 22. Toda M. Waves in nonlinear lattice // Progr. Theor. Phys. Suppl. No.45. 1970. P.174-200. 23. BivinsR.L., MetropolisN, Pasta J.R. Nonlinear coupled oscillators: Modal equation approach // Los. Alamos Sci. Lab. Rep. LA - 4934. 1972. 24. Zabusky N.J., Deem G.S. Kruskal M.D. Formation, propogation and interaction of solitions // A film available on free loan from Bell Laboratories. 1968. 25. Tappert F. Nonlinear wave propogation as described by the Korteweg - de Vries equation and its generalizations // A film available on free loan from Bell Laboratories. 1971. 26. RichmyerF.K., Kennard E.H. Introduction to Modern Physics. New York: Mc Graw-Hill, 1947. Ch.5. 27. Bocchieri P, Loinger A. A conjecture coucerning the classical theory of black-body radiation // Lett. Nuovo Cimento. 1970. Vol. 4. P.310-312. 28. Bocchieri P., Loinger A. The Rayleigh-Jeans low is in compatible with classical tlectrodynamics //Lett. Nuovo Cimento. 1971. Vol.

РИ, 1999, № 3

93

1. P.709-710. 29. BocchieriP., LoingerA. Energy, equipartition and classical electrodynamics //Lett. Nuovo Cimento. -1971. Vol. 2. P.41-42. 30. BocchieriP, Vaz-GrizF. Dynamical study of an anharmonic crystal interacting with an ideal gas/ /Lett. Nuovo Cimento. 1972. Vol. 4. P.685-689. 31. Cercignani C., Galgani L, Scotti A. Zoro-point energy in classical nonlinear mechanics // Phys. Lett. 1972. Vol. 38A. P.403-404. 32. Galgani L., Scotti A. Plank-like distributions in nonlinear mechanics // Phys. Rev. Lett. 1972. Vol. 28. P.1173-1176. 33. Galgani L, Scotti A. Recent progress in classical nonlinear dynamics //Lett. Nuovo Cimento. 1972. Vol. 2. P. 189-209. 34. Zabusky N.J. A synergetic approach to problems of nonlinear dispersive wave propagation and interaction // In Nonlinear Partical Differential Equations, W.Ames, Ed. - New York: Academic Press, 1967. P.223-258. 35. Zabusky N.J. Solitons and energy transport in nonlinear lattices // Comput. Phys. Comumn. 1973. Vol. 5. P.1-10.

Поступила в редколлегию 07.07.99 Рецензент: д-р физ.-мат. наук Ляшенко Н.И.

Рудько Борис Федорович, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом специальных измерений Научно-исследовательского центра

квантовой медицины “ВІДГУК” Министерства здравоохранения Украины. Адрес: Украина, 252033, Киев, ул. Владимирская, 61-6, тел. 244-44-58.

Човнюк Юрий Васильевич, канд. техн. наук., доцент, профессор Высшей школы экономики и деловой администрации “АЖИО-КОЛЛЕДЖ” (г.Киев, Украина), Научно-исследовательский центр квантовой медицины “ВІДГУК” Министерства здравоохранения Украины. Адрес: Украина, 252033, Киев, ул. Владимирская, 61-6, тел. 244-44-39, занимаемая должность- старший научный сотрудник.

Овсянникова Татьяна Николаевна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник. Научно-исследовательского центра квантовой медицины “ВІДГУК” Министерства здравоохранения Украины. Адрес: Украина, 252033, Киев, ул.Владимирская, 61-6, тел. 244-44-39.

Ивановская Алла Владимировна, младший научный сотрудник Научно-исследовательского центра квантовой медицины “ВІДГУК” Министерства здравоохранения Украины. Адрес: Украина, 252033, Киев, ул.Владимирская, 61-6, тел. 244-44-39.

УДК 681.3.06: 519.248.681

К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ

СЛУЧАЙНЫХ S БЛОКОВ ДЛЯ АЛГОРИТМА DES. КРИТЕРИИ

ОТБОРА S БЛОКОВ

ЛИСИЦКАЯ ИВ, КОРЯК А.С., ОЛЕЙНИКОВ Р.В., ГОЛОВАТПИЧ С.А.

Обсуждаются известные требования к отбору S блоков для алгоритма шифрования DES. Приводятся результаты статистической проверки применения этих критериев отбора к таблицам стандарта и случайным таблицам, построенным по предлагаемым правилам. Детально изучаются реализационные возможности выполнения при формировании случайных S блоков требования об исключении однобитных переходов.

В предыдущих наших работах [1,2] рассматривается задача построения S блоков для алгоритма D EA (так мы назвали алгоритмическую часть стандарта DES), устойчивых к атакам дифференциального и линейного криптоанализа. Обосновывается идея интерпретации S блоков как 8 полиподстановок фиксированного вида, каждая из которых в свою очередь состоит из 4х подстановок 16-й степени. Предлагается при построении таблиц требование к S блокам разработчиков стандарта, в соответствии с которым однобитное различие на входе S блока должно приводить к изменению более чем одного бита на выходе [3], заменить проверкой выполнения критериев случайности [4]. Дальнейшие наши исследования, однако, свидетельствуют о том, что выполнение отмеченного требования при отборе S блоков для шифра DES является одним из принципиальнейших моментов. В этой работе изучаются реализационные возможности выполнения при формировании случайных S блоков требования об исключении однобитных переходов, а также излагаются результаты проверки выполнения для таблиц случайного типа и других известных требований к S блокам стандарта.

Прежде всего, остановимся на свойствах S блоков шифра DES, которые считаются уникальными на протяжении вот уже более двадцати лет его существования. Для этого следует напомнить критерии отбора S блоков. Они уже не раз становились предметом изложения и обсуждения многих работ [3,5,6 и др.]. Здесь мы их приведем, опираясь на работу [6], в которой они представлены в интерпретации самих разработчиков. Критерии для S блоков в этой работе изложены в такой редакции:

1. Каждый S блок имеет6 входныхи 4 выходныхбита.

2. Нет выходного бита S блока, который может быть связан с входными битами функцией, близкой клинейной.

3. Если зафиксированы самый левый и самый правый входные биты S блока и меняются 4 его средних бита, то каждый из возможных 4-битовых выходов получается точно один раз.

4. Если два входа S блока отличаются точно одним битом, то выходы должны отличаться не менее чем в двух битах.

5. Если два входа S блока отличаются точно в двух средних битах, то выходные биты должны отличаться не менее чем двумя битами.

6. Если два входа S блока отличаются своими первыми двумя битами и имеют совпадающими 2 последних бита, то выходные биты не должны быть теми же самыми.

7. Для любых ненулевых 6-битовых различий входов не более чем 8 из 32 пар входов должны показывать одни и те же выходные различия.

8. Критерий, подобный предыдущему, должен выполняться и в случае трех активных S блоков.

Некоторые результаты статистической проверки выполнения изложенных выше требований применительно к S блокам, предложенным разработчиками стандарта, и "случайным" S блокам из работы [2], представлены в табл. 1-6.

Следует сразу обратить внимание на то, что не все из перечисленных требований полностью реализованы в таблицах S блоков самого стандарта. Приведем нашу версию ряда соображений, использованных при их формировании.

94

РИ, 1999, № 3

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.