Proudová šifra

V synchronní proudové šifře je proud pseudonáhodných čísel generován nezávisle na vstupním textu nebo zašifrované zprávě. Potom dojde ke kombinaci vygenerovaných čísel se vstupujícím textem (k zakódování) nebo se šifrovaným textem (k dekódování). Nejběžnější formou kombinace keystreamu a vstupního textu je použití logické funkce XOR, což je označováno jako binární doplňková proudová šifra.

V synchronní proudové šifře odesilatel a příjemce musí být přesný v krocích rozkódování, aby to bylo úspěšné. Pokud jsou čísla přidána nebo odebrána ze zprávy v průběhu přenosu, synchronizování je ztraceno. K obnově synchronizace různých offsetů se můžeme pokusit systematicky získat správné dešifrování. Další možností je označit si šifrovaný text značkami v pravidelných intervalech při výstupu.

Pokud je číslo porušeno přenosem (přidáním nebo ztrátou) pouze u jedné z číslic v holém textu, je ovlivněno, ale chyba se nešíří do dalších částí zprávy. Tato vlastnost je užitečná. Když je vysoká míra přenosových chyb, způsobuje to menší pravděpodobnost, že by byla chyba zjištěna bez dalších mechanismů. Navíc jsou kvůli této vlastnosti synchronní proudové šifry velmi náchylné k útokům — pokud útočník může vyměnit jedno číslo v šifrovaném textu, mohl by být schopen provést předvídatelné změny na odpovídajícím bitu otevřeného textu; např. přehodit bit v šifrovém textu způsobující překlápění v otevřeném textu.

Jiný přístup používá několik předchozích N čísel šifrovaného textu k vypočítání šifrovacího klíče. Podobná schémata jsou známá jako samosynchronní proudové šifry, asynchronní proudové šifry nebo šifrovaný text automatickým klíčem (CTAK). Tato myšlenka samosynchronních šifer byla patentována v roce 1946, a má tu výhodu, že příjemce bude automaticky synchronizován s generátorem šifrovacích klíčů po obdržení N čísel zašifrovaného textu. Ovlivňuje to jednodušší obnovu, pokud jsou čísla ztracena nebo přidána do zprávy proudu. U jednočíselných chyb je jejich vliv omezen pouze do výše N čísel otevřeného textu.

Příkladem sebesynchronní proudové šifry je bloková šifra v režimu šifrovací zpětné vazby (anglicky Cipher feedback (CFB) mode).

Z hlediska požadovaného výsledku, tj. pseudonáhodné posloupnosti bitů nebo bloků, lze v širokém smyslu lze za proudovou šifru považovat blokové šifrování nějaké posloupnosti. V nejjednodušším případě to může být posloupnost za sebou jdoucích čísel (s periodou danou velikostí bloku), kde klíč je první člen posloupnosti. Vhodnější je vygenerovaná posloupnost pseudonáhodných čísel, která má velkou periodu.

Protože LFSR jsou ze své podstaty lineární, jedna technika pro odstranění linearity je naplnit výstupy několika paralelními LFSR → do nelineární logické funkce formou kombinačního generátoru. Různé vlastnosti takové kombinační funkce jsou rozhodující k zajištění bezpečnosti výsledného systému, například aby se zabránilo srovnávacím útokům.

Normálně LFSRy fungují pravidelně. První přístup zavádí nelinearitu LFSR, tj. nepravidelnost taktování → kontrolující druhý výstup LFSR. Mezi takové generátory patří stop-and-go generátor, střídavý krokový generátor a komprimační generátor. Střídavý krokový generátor se skládá ze tří lineárních posuvných registrů se zpětnou vazbou, které budeme pro přehlednost nazývat LFSR0, LFSR1 a LFSR2. Výstup jednoho z registrů rozhoduje o tom, který ze zbylých dvou bude používán; například pokud LFSR2 výstup je 0, LFSR0 je synchronní, a pokud výstup je 1, LFSR1 pracuje místo něho (LFSR2). Výstupem exkluzivního ORu jsou poslední bity tvořené LFSR0 a LFSR1. Počáteční stav tří LFSR je klíčem.

Stop-and-go generátor (Beth a Piper, 1984) tvoří dva LFSR. Jeden LFSR je synchronní, pokud výstup druhého je „1“, jinak opakuje svůj předchozí výstup. Tento výstup je pak (v některých verzích) v kombinaci s výstupem třetího LFSR dosahujícího pravidelné úrovně.

Dvě LFSR používají synchronizaci. Pokud je výstup prvního „1“, výstup druhého LFSR se stává výstupem generátoru. Pokud je výstup prvního LFSR „0“, avšak výstup druhého je vyřazen, tak výstupem generátoru není žádný bit. Tento mechanizmus trpí načasováním od druhého generátoru, jelikož rychlost výstupu je variabilní a to způsobem, který závisí na stavu druhého generátoru. Toto může být zmírněno tím, že ukládáme do vyrovnávací paměti na výstupu.

Proudové šifry lze použít jako část řešení v nějakém složitějším protokolu, který zmenšuje nebo odstraňuje jejich nevýhody. Například se proudová šifra používá na krátké úseky, které mají samostatný klíč šifrovaný bezpečnější hierarchicky nadřazenou šifrou. Toto řešení může mít velkou celkovou délku periody a při rozlomení klíče proudové šifry je dešifrován pouze jeden úsek a není přímo narušena bezpečnost sousedních úseků šifry.