Потоковый шифр

Потоковый шифр генерирует последовательные элементы ключевого потока, основанные на внутреннем состоянии. Это состояние обновляется двумя способами:

1. Если состояние изменяется независимо от чистого текста или шифрованного сообщения, шифр классифицируется как шифр синхронного потока.
2. Если состояние обновляется на основе предыдущих изменений цифр шифрованного текста, то шифр классифицируется как самосинхронизирующийся потоковый шифр.

Шифры синхронного потока

В шифре синхронного потока поток псевдослучайных цифр генерируется независимо от чистого текста и шифрованного текста сообщений, а затем комбинируется с чистым текстом (для шифрования) или с шифрованным текстом (для расшифровки). В наиболее распространенной форме используются двоичные цифры (биты), а ключевое слово комбинируется с чистым текстом с помощью эксклюзива или операции (XOR). Это называется шифром потока двоичных добавок.

В шифре синхронного потока отправитель и получатель должны быть синхронными, чтобы дешифровка была успешной. Если цифры добавляются или удаляются из сообщения во время передачи, синхронизация теряется. Для восстановления синхронизации можно систематически пробовать различные смещения, чтобы получить правильную расшифровку. Другой подход заключается в маркировке шифрованного текста маркерами в обычных точках вывода.

Однако если при передаче повреждена цифра, а не добавлена или потеряна, то это влияет только на одну цифру в чистом тексте, и ошибка не распространяется на другие части сообщения. Это свойство полезно, когда частота ошибок при передаче высока; однако, оно снижает вероятность того, что ошибка будет обнаружена без дополнительных механизмов. Более того, из-за этого свойства шифры синхронного потока очень восприимчивы к активныматакам - если атакующий может изменить цифру в шифрованном тексте, он может быть в состоянии внести предсказуемые изменения в соответствующий бит чистого текста; например, пролистывание бита в шифрованном тексте приводит к пролистыванию (Toggled) одного и того же бита в чистом тексте.

Самосинхронизирующиеся шифры потока

Самосинхронизирующиеся шифры потока - это еще одна техника, использующая часть предыдущих цифр N шифрованного текста для вычисления ключевого потока. Такие схемы известны также как асинхронные шифры потока или автоклавиша шифрованного текста (CTAK). Идея самосинхронизации была запатентована в 1946 году и имеет то преимущество, что приемник будет автоматически синхронизироваться с генератором ключевого потока после получения N цифр шифрованного текста, что облегчает восстановление, если цифры опускаются или добавляются в поток сообщений. Однозначные ошибки ограничены по своему действию, затрагивая только N цифр чистого текста. Несколько сложнее выполнять активные атаки на самосинхронизирующиеся шифры потока, чем на синхронные аналоги.

Примером самосинхронизирующегося потокового шифра является блочный шифр в режиме шифрования обратной связи (CFB).

Двоичные потоковые шифры часто строятся с использованием линейных регистров сдвига обратной связи (LFSR), так как они могут быть легко реализованы в аппаратном обеспечении и могут быть быстро проанализированы математически. Однако использования только LFSR недостаточно для обеспечения хорошей безопасности. Для повышения безопасности LFSR были разработаны различные схемы.

Нелинейные комбинирующие функции

Поскольку LFSR по своей природе являются линейными, одним из способов устранения линейности является подача выходных сигналов группы параллельных LFSR в нелинейную булевую функцию для формирования комбинированного генератора. Различные свойства такой комбинированной функции важны для обеспечения безопасности результирующей схемы, например, во избежание корреляционных атак.

Часовые генераторы

Обычно ЛФСР регулярно наступают на ступеньки. Одним из методов введения нелинейности является нерегулярная тактовая частота ЛФСР, контролируемая выходом второй ЛФСР. Такие генераторы включают в себя остановочный генератор, генератор переменного шага и усадочный генератор.

Остановочный генератор (Beth and Piper, 1984) состоит из двух ЛФПР. Один LFSR синхронизируется, если выход секунды равен "1", в противном случае он повторяет свой предыдущий выход. Этот выход затем (в некоторых версиях) комбинируется с выходом третьего LFSR, синхронизированного с обычной скоростью.

Усадочный генератор использует другую технику. Используются два LFSR, оба регулярно синхронизируются следующим образом:

1. Если выход первого ЛФПР равен "1", то выход второго ЛФПР становится выходом генератора.
2. Если выход первой ЛФСР "0", то выход второй отбрасывается, и генератор не выдает ни одного бита.

Эта техника страдает от временных атак на второй генератор, так как скорость выхода зависит от состояния второго генератора. Это можно улучшить, буферизируя выходной сигнал.

Фильтрующий генератор

Еще одним подходом к повышению безопасности РСФСР является передача всего состояния одной РСФСР в нелинейную функцию фильтрации.

Вместо линейного привода можно использовать функцию нелинейного обновления. Например, Климов и Шамир предложили треугольные функции (Т-функции) с одним циклом на n битовых словах.

Чтобы быть уверенным, срок действия потока (количество выводимых цифр до того, как поток повторится) должен быть достаточно большим. Если последовательность повторяется, то перекрывающиеся шифротексты могут быть выровнены друг с другом "в глубину", и существуют методики, которые позволяют извлекать шифротексты из чистого текста, сгенерированные с помощью этих методов.

Потоковые шифры часто используются в приложениях, где обычный текст приходит в количествах неизвестной длины, как и в защищенных беспроводных соединениях. Если бы в этом типе приложений использовался блочный шифр, разработчику пришлось бы выбирать между эффективностью передачи и сложностью реализации, так как блочные шифры не могут напрямую работать с блоками короче, чем их размер. Например, если 128-битный блочный шифр получал отдельные 32-битные всплески чистого текста, то три четверти передаваемых данных должны быть зашифрованы. Блочные шифры должны использоваться в режиме кражи шифрованного текста или остаточной заделки блоков, чтобы избежать набивки, в то время как потоковые шифры устраняют эту проблему, работая на самом маленьком передаваемом блоке (обычно в байтах).

Другое преимущество потоковых шифров в военной криптографии заключается в том, что поток шифров может быть сгенерирован шифровальным устройством, которое подвергается строгим мерам безопасности, а затем подано на другие устройства, например, на радиоприемник, который будет выполнять операции xor в рамках своей функции. Другое устройство может быть разработано для использования в менее защищенной среде.

RC4 является наиболее широко используемым потоковым шифром в программном обеспечении; другие включают в себя: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 и WAKE.

• eSTREAM