Tokovna šifra (stream cipher): definicija, delovanje in ranljivosti

Tokovna šifra generira zaporedne elemente toka ključev na podlagi notranjega stanja. To stanje se posodablja na dva načina:

1. Če se stanje spreminja neodvisno od sporočil z odprtim ali šifriranim besedilom, se šifra uvršča med sinhrone tokovne šifre.
2. Če se stanje posodablja na podlagi prejšnjih sprememb številk šifriranega besedila, se šifra uvršča med samosinhronizirajoče se tokovne šifre.

Sinhrone tokovne šifre

Pri sinhroni tokovni šifri se tok psevdonaključnih številk ustvari neodvisno od sporočil z odprtim in šifriranim besedilom ter se nato združi z odprtim besedilom (za šifriranje) ali s šifriranim besedilom (za dešifriranje). V najpogostejši obliki se uporabljajo binarne številke (biti), tok ključev pa se kombinira z odprtim besedilom z uporabo operacije izključujočega ali (XOR). To se imenuje binarna aditivna tokovna šifra.

Pri sinhroni pretočni šifri morata biti pošiljatelj in prejemnik sinhroni, da je dešifriranje uspešno. Če se med prenosom sporočilu dodajo ali odstranijo števke, se sinhronizacija izgubi. Za ponovno vzpostavitev sinhronizacije lahko sistematično preizkušamo različne odmike, da dobimo pravilno dešifriranje. Drug pristop je označevanje šifriranega besedila z označevalci na rednih točkah v izhodu.

Če pa je pri prenosu številka poškodovana, ne pa dodana ali izgubljena, je prizadeta samo ena številka v odprtem besedilu in napaka se ne razširi na druge dele sporočila. Ta lastnost je uporabna, kadar je stopnja napak pri prenosu visoka; vendar je zaradi nje manj verjetno, da bi bila napaka odkrita brez dodatnih mehanizmov. Poleg tega so zaradi te lastnosti sinhrone tokovne šifre zelo dovzetne za aktivnenapade - če lahko napadalec spremeni števko v šifriranem besedilu, lahko predvidljivo spremeni tudi ustrezni bit v odprtem besedilu; na primer, obračanje bita v šifriranem besedilu povzroči obračanje(Toggling) istega bita v odprtem besedilu.

Samosinhronizirajoče tokovne šifre

Samosinhronizirajoče tokovne šifre so še ena tehnika, ki za izračun toka ključev uporablja del prejšnjih N številk šifriranega besedila. Takšne sheme so znane tudi kot asinhronizacijske tokovne šifre ali samodejni ključ šifriranega besedila (CTAK). Zamisel o samosinhronizaciji je bila patentirana leta 1946, njena prednost pa je, da se sprejemnik po prejemu N številk šifrirnega besedila samodejno sinhronizira z generatorjem toka ključev, kar olajša obnovitev, če so številke izpadle ali dodane toku sporočila. Učinek enomestnih napak je omejen, saj vplivajo le na največ N številk odprtega besedila. Aktivne napade na samosinhronizirajoče se tokovne šifre je nekoliko težje izvesti kot na sinhrone.

Primer samosinhronizacijske tokovne šifre je blokovna šifra v načinu šifriranja s povratno informacijo (CFB).

Binarne tokovne šifre so pogosto zgrajene z linearnimi izmeničnimi registri (LFSR), saj jih je mogoče enostavno implementirati v strojni opremi in hitro matematično analizirati. Vendar uporaba samo LFSR ne zadostuje za zagotavljanje dobre varnosti. Za povečanje varnosti LFSR-jev so bile zasnovane različne sheme.

Nelinearne funkcije združevanja

Ker so LFSR-ji po naravi linearni, je ena od tehnik za odpravo linearnosti ta, da izhode skupine vzporednih LFSR-jev vnesemo v nelinearno Boolejevo funkcijo in tako oblikujemo generator kombinacij. Različne lastnosti takšne kombinacijske funkcije so pomembne za zagotavljanje varnosti nastale sheme, na primer za preprečevanje korelacijskih napadov.

Generatorji, krmiljeni z uro

Običajno se LFSR-ji redno stopnjujejo. Ena od tehnik uvajanja nelinearnosti je, da se LFSR taktira neredno, kar se nadzoruje z izhodom drugega LFSR. Takšni generatorji vključujejo generator stop-and-go, generator izmeničnih korakov in generator krčenja.

Generator stop-and-go (Beth in Piper, 1984) je sestavljen iz dveh LFSR. En LFSR se taktizira, če je izhod drugega "1", v nasprotnem primeru pa ponovi svoj prejšnji izhod. Ta izhod se nato (v nekaterih različicah) združi z izhodom tretjega LFSR, ki se taktira z redno frekvenco.

Generator za krčenje uporablja drugačno tehniko. Uporabljena sta dva LFSR, ki sta redno taktirana na naslednji način:

1. Če je izhod prvega LFSR "1", izhod drugega LFSR postane izhod generatorja.
2. Če je izhod prvega LFSR "0", se izhod drugega zavrže, generator pa ne izpiše nobenega bita.

Ta tehnika je izpostavljena časovnim napadom na drugi generator, saj se hitrost izhoda spreminja v odvisnosti od stanja drugega generatorja. To se lahko izboljša s predpomnilnikom na izhodu.

Generator filtrov

Drug pristop k izboljšanju varnosti LFSR je prenos celotnega stanja posameznega LFSR v nelinearno filtrirno funkcijo.

Namesto linearne pogonske naprave lahko uporabimo nelinearno funkcijo posodabljanja. Klimov in Shamir sta na primer predlagala trikotniške funkcije (T-funkcije) z enim ciklom na n bitnih besedah.

Da bi bil tok ključev varen, mora biti perioda toka ključev (število številk, preden se tok ponovi) dovolj velika. Če se zaporedje ponavlja, je mogoče prekrivajoča se šifrirna besedila med seboj "v globino" poravnati in obstajajo tehnike, ki omogočajo pridobivanje navadnega besedila iz šifrirnih besedil, ustvarjenih s temi metodami.

Tokovne šifre se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kjer je odprto besedilo v količinah neznane dolžine, kot pri varnih brezžičnih povezavah. Če bi se blokovna šifra uporabljala v tovrstnih aplikacijah, bi moral oblikovalec izbrati bodisi učinkovitost prenosa bodisi zapletenost izvedbe, saj blokovne šifre ne morejo neposredno delovati na blokih, ki so krajši od njihove velikosti bloka. Če na primer 128-bitna blokovna šifra prejme ločene 32-bitne serije odprtega besedila, je treba tri četrtine prenesenih podatkov zapolniti. Blokovne šifre je treba uporabljati v načinu kraje šifriranega besedila ali v načinu zaključevanja preostalih blokov, da bi se izognili polnitvi, medtem ko tokovne šifre to težavo odpravijo z delovanjem na najmanjši preneseni enoti (običajno bajtih).

Druga prednost tokovnih šifer v vojaški kriptografiji je, da lahko tok šifer ustvari šifrirna naprava, za katero veljajo strogi varnostni ukrepi, nato pa ga posreduje drugim napravam, npr. radijskemu sprejemniku, ki v okviru svoje funkcije izvedejo operacijo xor. Druga naprava je lahko zasnovana za uporabo v manj varnih okoljih.

RC4 je najpogosteje uporabljena pretočna šifra v programski opremi; druge so: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 in WAKE.

• eSTREAM