Потоковые шифры

Потоковые шифры преобразуют открытый текст в шифротекст по одному биту за операцию. Простейшая реализация потокового шифра показана на Рис. -6. Генератор потока ключей (иногда называемый генератором с бегущим ключом) выдает поток битов: k₁, k₂, k₃, ..., k_i. Этот поток ключей (иногда называемый бегущим ключом) и поток битов открытого текста, p₁, p₂, p₃, ..., p_i, подвергаются операции "исключающее или", и в результате получаетсяы поток битов шифротекста.

c_i =p_i A k_i

При дешифрировании операция XOR выполняется над битами шифротекста и тем же самым потоком ключей для восстановления битов открытого текста.

p_i = c_i A k_i

Так как

p_i A k_i A k_i= p_i

это работает правильно.

Безопасность системы полностью зависит от свойств генератора потока ключей. Если генератор потока ключей выдает бесконечную строку нулей, шифротекст будет совпадать с открытым текстом, и все операция будет бессмысленна. Если генератор потока ключей выплевывает повторяющийся 16-битовый шаблон, алгоритм будет являться простым XOR с пренебрежимо малой безопасностью (см. раздел 1.4). Если генератор потока ключей выплевывает бесконечный поток случайных (по настоящему, а не псевдослучайных - см. раздел 2.8) битов, вы получаете одноразовый блокнот и идеальную безопасность.

На деле безопасность потокового шифра находится где-то между простым XOR и одноразовым блокнотом. Генератор потока ключей создает битовый поток, который похож на случайный, но в действительности детерминирован и может быть безошибочно воспроизведен при дешифрировании. Чем ближе выход генератора потока ключей к случайному, тем больше времени потребуется криптоаналитику, чтобы взломать шифр.

[image]

Рис. -6. Потоковый шифр

Однако, если генератор потока ключей при каждом включении создает один и тот же битовый поток, то использующую его криптосистему взломать нетрудно. Покажем на примере, почему это так.

Если к Еве попал шифротекст и соответствующий открытый текст, то она, выполняя операцию XOR над открытым текстом и шифротекстом, раскрывает поток ключей. Или, если у нее есть два различных шифротекста, зашифрованных одинаковым ключом, она может выполнить над ними операцию XOR, получая два открытых текста сообщений, над которыми выполнена операция XOR. Это нетрудно взломать, и затем она может получить поток ключей, выполняя операцию XOR над одним из открытых текстов и шифротекстом.

Теперь, перехватив любое другое шифрованное сообщение, она сможет расшифровать его, используя полученный поток ключей. Кроме того, она может расшифровать и прочитать любое из ранее перехваченных сообщений. Когда Ева получит пару открытый текст/шифротекст, она сможет читать все.

Поэтому для всех потоковых шифров используются ключи. Выход генератора потока ключей является функцией ключа. Теперь, если Ева получит пару открытый текст/шифротекст, она сможет читать только те сообщения, которые зашифрованы тем же ключом. Измените ключ, и противнику придется начать все сначала. Потоковые шифры особенно полезны для шифрования бесконечных потоков коммуникационного трафика, например, канала Т1, связывающего два компьютера.

Генератор потока ключей состоит из трех основных частей (см. Рис. -7). Внутреннее состояние описывает текущее состояние генератора потока ключей. Два генератора потока ключей, с одинаковым ключом и одинаковым внутренним состоянием, выдают одинаковые потоки ключей. Функция выхода по внутреннему состоянию генерирует бит потока ключей. Функция следующего состояния по внутреннему состоянию генерирует новое внутреннее состояние.

[image]

Рис. -7. Устройство генератора потока ключей.