Поточное шифрование

Содержание

Введение 2

Классификация поточных шифров 3

Отличие блочных  шифров от  поточных 4

Основные Виды шифров 6

  SEAL 6

  A3 8

  A5 10

  RC4(подробно) 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Основная  идея поточного шифрования состоит в том, что каждый из последовательных знаков открытого текста подвергается своему преобразованию. В идеале разные знаки открытого текста подвергаются разным преобразованиям, т.о. преобразование, которому подвергаются знаки открытого текста, должно изменяться с каждым следующим моментом времени. Реализуется эта идея следующим образом. Некоторым образом получается последовательность знаков k₁, k₂, … , называемая ключевым потоком (keystream) или бегущим ключом (running key, RK). Затем каждый знак x_i открытого текста подвергается обратимому преобразованию, зависящему от k_i – соответствующего знака ключевого потока. Хотя подавляющее большинство существующих шифров с секретным ключом с определенностью могут быть отнесены или к поточным или к блочным шифрам, теоретически граница между этими классами остается довольно размытой. Так, например, допускается использование алгоритмов блочного шифрования в режиме поточного шифрования (например, режимы CBF и OFB для алгоритма DES или режим гаммирования для алгоритма ГОСТ 28147-89). Как крайний случай любой блочный шифр можно рассматривать как подстановочный поточный шифр, использующий знаки алфавита большой мощности. Например, алгоритмы DES и ГОСТ 28147-89 – подстановочные шифры над алфавитом мощности 2⁶⁴ ~ 1,8·10¹⁹. Кроме того, известны поточные шифры, построенные на основе криптографических алгоритмов с открытым ключом.

Поточные  шифры

Блочный алгоритм предназначен для шифрования блоков определенной длины. Однако может возникнуть необходимость шифрования данных не блоками, а, например, по символам. Поточный шифр (stream cipher) выполняет преобразование входного сообщения по одному биту (или байту) за операцию. Поточный алгоритм шифрования устраняет необходимость разбивать сообщение на целое число блоков достаточно большой длины, следовательно, он может работать в реальном времени. Таким образом, если передается поток символов, каждый символ может шифроваться и передаваться сразу.

Работа типичного  поточного шифра представлена на рис.

 

Принцип работы поточного шифра

Генератор ключей выдает поток битов k_i, которые будут использоваться в качестве гаммы. Источник сообщений генерирует биты открытого текста х_i, которые складываются по модулю 2 с гаммой, в результате чего получаются биты зашифрованного сообщения у_i:

Чтобы из шифротекста y₁, y₂,..., y_n восстановить сообщение x₁, x₂,..., x_n, необходимо сгенерировать точно такую же ключевую последовательность k₁, y_k,..., k_n, что и при шифровании, и использовать для расшифрования формулу

Обычно исходное сообщение и ключевая последовательность представляют собой независимые  потоки бит. Таким образом, так как  шифрующее (и расшифрующее) преобразование для всех поточных шифров одно и  то же, они должны различаться только способом построения генераторов ключей. Получается, что безопасность системы  полностью зависит от свойств  генератора потока ключей. Если генератор  потока ключей выдает последовательность, состоящую только из одних нулей (или из одних единиц), то зашифрованное  сообщение будет в точности таким  же, как и исходный поток битов (в случае единичных ключей зашифрованное  сообщение будет инверсией исходного). Если в качестве гаммы используется один символ, представленный, например, восемью битами, то хотя зашифрованное  сообщение и будет внешне отличаться от исходного, безопасность системы будет очень низкой. В этом случае при многократном повторении кода ключа по всей длине текста существует опасность его раскрытия статистическим методом. Поясним это на простом примере цифрового текста, закрытого коротким цифровым кодом ключа методом гаммирования. 

Классификация поточных шифров

Допустим, например, что в режиме гаммирования для  поточных шифров при передаче по каналу связи произошло искажение одного знака шифротекста. Очевидно, что  в этом случае все знаки, принятые без искажения, будут расшифрованы правильно. Произойдёт потеря лишь одного знака текста. А теперь представим, что один из знаков шифротекста при  передаче по каналу связи был потерян. Это приведёт к неправильному расшифрованию всего текста, следующего за потерянным знаком. Практически во всех каналах передачи данных для поточных систем шифрования присутствуют помехи. Поэтому для предотвращения потери информации решают проблему синхронизации шифрования и расшифрования текста. По способу решения этой проблемы шифрсистемы подразделяются на синхронные и системы с самосинхронизацией.

1. Синхронные поточные шифры

Определение:

Синхронные  поточные шифры (СПШ) — шифры, в которых поток ключей генерируется независимо от открытого текста и шифротекста.

При шифровании генератор потока ключей выдаёт биты потока ключей, которые идентичны  битам потока ключей при дешифровании. Потеря знака шифротекста приведёт к нарушению синхронизации между  этими двумя генераторами и невозможности  расшифрования оставшейся части  сообщения. Очевидно, что в этой ситуации отправитель и получатель должны повторно синхронизоваться для продолжения  работы.

Обычно синхронизация  производится вставкой в передаваемое сообщение специальных маркеров. В результате этого пропущенный  при передаче знак приводит к неверному  расшифрованию лишь до тех пор, пока не будет принят один из маркеров.

Заметим, что  выполняться синхронизация должна так, чтобы ни одна часть потока ключей не была повторена. Поэтому переводить генератор в более раннее состояние  не имеет смысла.

Плюсы СПШ:

• отсутствие эффекта распространения ошибок (только искажённый бит будет расшифрован неверно);
• предохраняют от любых вставок и удалений шифротекста, так как они приведут к потере синхронизации и будут обнаружены.

Минусы  СПШ:

• уязвимы к изменению отдельных бит шифрованного текста. Если злоумышленнику известен открытый текст, он может изменить эти биты так, чтобы они расшифровывались, как ему надо.

2. Самосинхронизирующиеся поточные шифры

Определение:

Самосинхронизирующиеся  поточные шифры (асинхронные  поточные шифры (АПШ)) – шифры, в которых поток ключей создаётся функцией ключа и фиксированного числа знаков шифротекста.

Итак, внутреннее состояние генератора потока ключей является функцией предыдущих N битов  шифротекста. Поэтому расшифрующий генератор потока ключей, приняв N битов, автоматически синхронизируется с  шифрующим генератором.

Реализация  этого режима происходит следующим  образом: каждое сообщение начинается случайным заголовком длиной N битов; заголовок шифруется, передаётся и  расшифровывается; расшифровка является неправильной, зато после этих N бит  оба генератора будут синхронизированы.

Плюсы АПШ:

• Размешивание статистики открытого текста. Так как каждый знак открытого текста влияет на следующий шифротекст, статистические свойства открытого текста распространяются на весь шифротекст. Следовательно, АПШ может быть более устойчивым к атакам на основе избыточности открытого текста, чем СПШ.

Минусы  АПШ:

• распространение ошибки (каждому неправильному биту шифротекста соответствуют N ошибок в открытом тексте);
• чувствительны к вскрытию повторной передачей.

Основные  отличия поточных шифров от блочных

Большинство существующих шифров с секретным ключом однозначно могут быть отнесены либо к поточным, либо к блочным шифрам. Но теоретическая граница между ними является довольно размытой. Например, используются алгоритмы блочного шифрования в режиме поточного шифрования (пример: для алгоритма DES режимы CFB и OFB). Рассмотрим основные различия между поточными и блочными шифрами не только в аспектах их безопасности и удобства, но и с точки зрения их изучения в мире:

• важнейшим достоинством поточных шифров перед блочными является высокая скорость шифрования, соизмеримая со скоростью поступления входной информации; поэтому, обеспечивается шифрование практически в реальном масштабе времени вне зависимости от объема и разрядности потока преобразуемых данных.
• в синхронных поточных шифрах (в отличие от блочных) отсутствует эффект размножения ошибок, то есть число искаженных элементов в расшифрованной последовательности равно числу искаженных элементов зашифрованной последовательности, пришедшей из канала связи.
• структура поточного ключа может иметь уязвимые места, которые дают возможность криптоаналитику получить дополнительную информацию о ключе (например, при малом периоде ключа криптоаналитик может использовать найденные части поточного ключа для дешифрования последующего закрытого текста).
• ПШ в отличие от БШ часто могут быть атакованы при помощи линейной алгебры (так как выходы отдельных регистров сдвига с обратной линейной связью могут иметь корреляцию с гаммой). Также для взлома поточных шифров весьма успешно применяется линейный и дифференциальный анализ.

Теперь о положении  в мире:

• в большинстве работ по анализу и взлому блочных шифров рассматриваются алгоритмы шифрования, основанные на стандарте DES; для поточных же шифров нет выделенного направления изучения; методы взлома ПШ весьма разнообразны.
• для поточных шифров установлен набор требований, являющихся критериями надёжности (большие периоды выходных последовательностей, постулаты Голомба, нелинейность); для БШ таких чётких критериев нет.
• исследованием и разработкой поточных шифров в основном занимаются европейские криптографические центры, блочных – американские.
• исследование поточных шифров происходит более динамично, чем блочных; в последнее время не было сделано никаких заметных открытий в сфере DES-алгоритмов, в то время как в области поточных шифров случилось множество успехов и неудач (некоторые схемы, казавшиеся стойкими, при дальнейшем исследовании не оправдали надежд изобретателей).

Проектирование  поточных шифров

Согласно Райнеру  Рюппелю можно выделить четыре основных подхода к проектированию поточных шифров:

1. Cистемно-теоретический подход основан на создании для криптоаналитика сложной, ранее неисследованной проблемы.
2. Cложно-теоретический подход основан на сложной, но известной проблеме (например, факторизация чисел или дискретное логарифмирование).
3. Информационно-технический подход основан на попытке утаить открытый текст от криптоаналитика – вне зависимости от того сколько времени потрачено на дешифрование, криптоаналитик не найдёт однозначного решения.
4. Рандомизированный подход основан на создании объёмной задачи; криптограф тем самым пытается сделать решение задачи расшифрования физически невозможной. Например: криптограф может зашифровать некоторую статью, а ключом будут указания на то, какие части статьи были использованы при шифровании. Криптоаналитику придётся перебирать все случайные комбинации частей статьи, прежде чем ему повезёт, и он определит ключ.

 
 

Виды  шифров:

Основными видами поточных шифров являются:

• SEAL
• A3;
• A5;
• RC4

 
 

SEAL (англ. Software-optimized Encryption Algorithm, программно-оптимизированный алгоритм шифрования) — симметричный поточный алгоритм шифрования данных, оптимизированный для программной реализации.

Разработан в IBM Филом Рогэвеем и Доном Копперсмитом в 1993 году. Алгоритм оптимизирован и рекомендован для 32-битных процессоров. Для работы ему требуется кэш-память на несколько килобайт и восемь 32-битовых регистров. Cкорость шифрования — примерно 4 машинных такта на байт текста. Для кодирования и декодирования используется 160-битный ключ. Чтобы избежать нежелательной потери скорости по причине медленных операций обработки ключа, SEAL предварительно выполняет с ним несколько преобразований, получая в результате три таблицы определенного размера. Непосредственно для шифрования и расшифрования текста вместо самого ключа используются эти таблицы.

Алгоритм считается  очень надёжным, очень быстрым  и защищён патентом США № 545403 с декабря 1993 года. 

Схема алгоритма SEAL