Straumes šifrs — definīcija, darbības princips un drošības riski

Strāvas šifrs ģenerē secīgus atslēgas plūsmas elementus, pamatojoties uz iekšējo stāvokli. Šis stāvoklis tiek atjaunināts divējādi:

1. Ja stāvoklis mainās neatkarīgi no atklātā teksta vai šifrteksta ziņojumiem, šifru klasificē kā sinhrono plūsmas šifru.
2. Ja stāvoklis tiek atjaunināts, pamatojoties uz iepriekšējām šifrteksta ciparu izmaiņām, šifrs tiek klasificēts kā pašsinhronizējošs plūsmas šifrs.

Sinhronie plūsmas šifri

Sinhronā plūsmas šifrā pseidonormāno ciparu plūsma tiek ģenerēta neatkarīgi no atklātā teksta un šifrētā teksta ziņojumiem un pēc tam apvienota ar atklāto tekstu (lai šifrētu) vai ar šifrēto tekstu (lai atšifrētu). Visbiežāk izmanto bināros ciparus (bitus), un atslēgas plūsmu apvieno ar atklātu tekstu, izmantojot ekskluzīvu vai operāciju (XOR). To sauc par bināro aditīvo plūsmas šifru.

Sinhronā plūsmas šifrā sūtītājam un saņēmējam jābūt sinhronā režīmā, lai atšifrēšana būtu veiksmīga. Ja pārraides laikā ziņojumam tiek pievienoti vai noņemti cipari, sinhronizācija tiek zaudēta. Lai atjaunotu sinhronizāciju, var sistemātiski izmēģināt dažādus nobīdes, lai iegūtu pareizu atšifrēšanu. Cita pieeja ir iezīmēt šifrtekstu ar marķieriem regulārās izejas vietās.

Tomēr, ja pārraides laikā kāds cipars tiek bojāts, nevis pievienots vai pazaudēts, tiek ietekmēts tikai viens cipars atklātajā tekstā, un kļūda netiek izplatīta uz citām ziņojuma daļām. Šī īpašība ir noderīga, ja pārraides kļūdu īpatsvars ir augsts; tomēr tā samazina varbūtību, ka kļūda tiks atklāta bez papildu mehānismiem. Turklāt šīs īpašības dēļ sinhronie plūsmas šifri ir ļoti jutīgi pret aktīviemuzbrukumiem - ja uzbrucējs var mainīt ciparu šifrtekstā, viņš var spēt veikt paredzamas izmaiņas atbilstošajā atklātā teksta bitā; piemēram, bita pārgriešana šifrtekstā izraisa tā paša bita pārgriešanu(Toggled) atklātajā tekstā.

Pašsinhronizējoši plūsmas šifri

Pašsinhronizējošie plūsmas šifri ir vēl viens paņēmiens, kas izmanto daļu no iepriekšējiem N šifrteksta cipariem, lai aprēķinātu atslēgas plūsmu. Šādas shēmas ir pazīstamas arī kā asinhronie plūsmas šifri vai šifrteksta automātiskais atslēga (CTAK). Pašsinhronizācijas ideja tika patentēta 1946. gadā, un tās priekšrocība ir tā, ka uztvērējs automātiski sinhronizējas ar atslēgas plūsmas ģeneratoru pēc N šifrteksta ciparu saņemšanas, tādējādi atvieglojot atjaunošanu, ja cipari tiek izlaisti vai pievienoti ziņojumu plūsmai. Viena cipara kļūdu ietekme ir ierobežota, tās ietekmē tikai līdz N atklātā teksta cipariem. Ir nedaudz grūtāk veikt aktīvus uzbrukumus pašsinhronizējošiem plūsmas šifriem nekā sinhroniem analogiem.

Pašsinhronizējoša plūsmas šifrāta piemērs ir bloka šifrs šifrēšanas atgriezeniskās saites režīmā (CFB).

Bināros plūsmas šifrus bieži veido, izmantojot lineārās atgriezeniskās saites pārslēgšanas reģistrus (LFSR), jo tos var viegli īstenot aparatūrā un ātri matemātiski analizēt. Tomēr, lai nodrošinātu labu drošību, nepietiek tikai ar LFSR izmantošanu. Lai palielinātu LFSR drošību, ir izstrādātas dažādas shēmas.

Nelineārās apvienošanas funkcijas

Tā kā LFSR pēc būtības ir lineāri, viens no linearitātes novēršanas paņēmieniem ir paralēlu LFSR grupas izejas ievadīt nelineārā Bula funkcijā, lai izveidotu kombināciju ģeneratoru. Šādas kombinēšanas funkcijas dažādas īpašības ir svarīgas, lai nodrošinātu iegūtās shēmas drošību, piemēram, lai izvairītos no korelācijas uzbrukumiem.

Ar pulksteni vadāmi ģeneratori

Parasti LFSR tiek regulāri pakāpināti. Viens no nelinearitātes ieviešanas paņēmieniem ir neregulāra LFSR taktēšana, ko kontrolē otra LFSR izejas signāls. Šādi ģeneratori ir, piemēram, stop-and-go ģenerators, mainīgo soļu ģenerators un saraušanās ģenerators.

Stop-and-go ģenerators (Beth un Piper, 1984) sastāv no diviem LFSR. Viens LFSR tiek taktēts, ja otra izvads ir "1", pretējā gadījumā tas atkārto savu iepriekšējo izvadu. Pēc tam (dažās versijās) šo izvades signālu apvieno ar trešā LFSR izvades signāla izvades signālu ar regulāru taktēšanas ātrumu.

Samazināšanas ģenerators izmanto citu metodi. Tiek izmantoti divi LFSR, kas abi tiek regulāri taktēti šādi:

1. Ja pirmā LFSR izejas vērtība ir "1", otrā LFSR izejas vērtība kļūst par ģeneratora izejas vērtību.
2. Ja pirmā LFSR izvads ir "0", otrā izvads tiek noraidīts, un ģenerators neizvada nevienu bitu.

Šī metode cieš no laika uzbrukumiem otrajam ģeneratoram, jo izejas ātrums ir mainīgs atkarībā no otrā ģeneratora stāvokļa. To var uzlabot, buferizējot izeju.

Filtra ģenerators

Cita pieeja LFSR drošības uzlabošanai ir visa viena LFSR stāvokļa nodošana nelineārai filtrēšanas funkcijai.

Lineārās vadības ierīces vietā var izmantot nelineāru atjaunināšanas funkciju. Piemēram, Klimovs un Šamir ierosināja trīsstūrveida funkcijas (T-funkcijas) ar vienu ciklu n bitu vārdos.

Lai nodrošinātu drošību, atslēgas plūsmas periodam (ciparu skaitam, kas izvadīts, pirms plūsma atkārtojas) jābūt pietiekami lielam. Ja secība atkārtojas, tad pārklājošos šifrtekstus var savstarpēji saskaņot "dziļumā", un ir metodes, kas ļauj iegūt vienkāršo tekstu no šifrtekstiem, kas ģenerēti, izmantojot šīs metodes.

Straumju šifrus bieži izmanto lietojumprogrammās, kurās atklātā teksta apjoms ir nezināma garuma, piemēram, drošos bezvadu savienojumos. Ja bloka šifru izmantotu šāda veida lietojumos, projektētājam būtu jāizvēlas vai nu pārraides efektivitāte, vai ieviešanas sarežģītība, jo bloka šifri nevar tieši strādāt ar blokiem, kas īsāki par to bloka lielumu. Piemēram, ja 128 bitu bloka šifrs saņem atsevišķus 32 bitu atklātā teksta fragmentus, trīs ceturtdaļas pārraidīto datu ir jāaizpilda. Lai izvairītos no bloka šifrēšanas, bloka šifri jāizmanto šifrteksta zādzības vai atlikušā bloka izbeigšanas režīmā, savukārt plūsmas šifri novērš šo problēmu, darbojoties ar mazāko pārraidīto vienību (parasti baitu).

Vēl viena plūsmas šifru priekšrocība militārajā kriptogrāfijā ir tā, ka šifru plūsmu var ģenerēt šifrēšanas ierīcē, uz kuru attiecas stingri drošības pasākumi, un pēc tam to var nodot citām ierīcēm, piemēram, radiouztvērējam, kas veic xor operāciju kā daļu no savas funkcijas. Cita ierīce var būt paredzēta izmantošanai mazāk drošā vidē.

RC4 ir programmatūrā visplašāk izmantotais plūsmas šifrs; citi ir šādi: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 un WAKE.

• eSTREAM