Stroomvercijfering

Een stroomvercijfering genereert opeenvolgende elementen van de keystream op basis van een interne toestand. Deze toestand wordt op twee manieren geüpdatet:

1. Als de toestand onafhankelijk van de klaartekst- of cijfertekstberichten verandert, wordt de versleuteling geclassificeerd als een synchrone stroomvercijfering.
2. Als de toestand wordt bijgewerkt op basis van eerdere wijzigingen van de cijferreeksen, wordt het cijfer geclassificeerd als een zelf-synchroniserende stroomcijfers.

Synchrone stroomcijfers

In een synchrone stream wordt een stroom van pseudo-willekeurige cijfers gegenereerd, onafhankelijk van de platte tekst en de cijfertekst, en vervolgens gecombineerd met de platte tekst (om te versleutelen) of met de cijfertekst (om te ontsleutelen). In de meest voorkomende vorm worden binaire cijfers (bits) gebruikt, en de keystream wordt gecombineerd met de platte tekst met behulp van de exclusieve of bewerking (XOR). Dit wordt een binaire additieve stream-codering genoemd.

In een synchrone stroomvercijfering moeten de zender en de ontvanger synchroon zijn om de ontcijfering te laten slagen. Als er tijdens de verzending cijfers worden toegevoegd of verwijderd, gaat de synchronisatie verloren. Om de synchronisatie te herstellen, kunnen verschillende offsets systematisch worden uitgeprobeerd om de juiste ontcijfering te verkrijgen. Een andere aanpak is het markeren van de cijfertekst met markers op regelmatige punten in de uitvoer.

Als er echter een cijfer beschadigd is in de transmissie, in plaats van dat het is toegevoegd of verloren, wordt slechts een enkel cijfer in de platte tekst beïnvloed en de fout verspreidt zich niet naar andere delen van het bericht. Deze eigenschap is nuttig wanneer de overdrachtsfoutpercentage hoog is; het maakt het echter minder waarschijnlijk dat de fout zonder verdere mechanismen zou worden gedetecteerd. Bovendien zijn synchrone stroomcijfers door deze eigenschap zeer gevoelig voor actieveaanvallen - als een aanvaller een cijfer in de cijfertekst kan veranderen, zou hij voorspelbare veranderingen kunnen aanbrengen in de corresponderende bit in de platte tekst; bijvoorbeeld, door een bit in de cijfertekst om te draaien wordt hetzelfde bit omgedraaid (Toggled) in de platte tekst.

Zelf-synchroniserende stroomcijfers

Zelf-synchroniserende stroomcijfers is een andere techniek die een deel van de vorige N-cijfertjes gebruikt om de keystream te berekenen. Zulke schema's staan ook bekend als asynchrone stroomcijfers of cijfertoetsen (CTAK). Het idee van zelf-synchronisatie werd gepatenteerd in 1946, en heeft het voordeel dat de ontvanger automatisch synchroniseert met de keystreamgenerator na ontvangst van N-cijfertjes, waardoor het gemakkelijker is om te herstellen als er cijfers worden gedropt of toegevoegd aan de berichtenstroom. Fouten met één cijfer zijn beperkt in hun effect en hebben alleen invloed op de N-cijferige tekst. Het is iets moeilijker om actieve aanvallen uit te voeren op zelf-synchroniserende stream-cijfers dan op synchrone tegenhangers.

Een voorbeeld van een zelf-synchroniserende stroomcodering is een blokcodering in de cipher-feedbackmodus (CFB).

Binaire stroomcijfers worden vaak geconstrueerd met behulp van lineaire feedbackverschuivingsregisters (LFSR's) omdat ze eenvoudig in hardware kunnen worden geïmplementeerd en snel wiskundig kunnen worden geanalyseerd. Het gebruik van alleen LFSR's is echter onvoldoende om een goede beveiliging te bieden. Er zijn verschillende regelingen ontworpen om de veiligheid van LFSR's te verhogen.

Niet-lineaire combinatiefuncties

Omdat LFSR's inherent lineair zijn, is een techniek om de lineariteit te verwijderen het voeden van de uitgangen van een groep parallelle LFSR's in een niet-lineaire Booleaanse functie om een combinatiegenerator te vormen. Verschillende eigenschappen van een dergelijke combinatiefunctie zijn belangrijk om de veiligheid van het resulterende schema te waarborgen, bijvoorbeeld om correlatie-aanvallen te voorkomen.

Klokgestuurde generatoren

Normaal gesproken worden LFSR's regelmatig getrapt. Een techniek om niet-lineariteit in te voeren is om de LFSR onregelmatig te laten klokken, gecontroleerd door de uitgang van een tweede LFSR. Dergelijke generatoren zijn onder andere de stop-and-go generator, de alternerende stapgenerator en de krimpgenerator.

De stop-and-go generator (Beth en Piper, 1984) bestaat uit twee LFSR's. Eén LFSR wordt geklokt als de uitgang van een seconde een "1" is, anders herhaalt hij zijn vorige uitgang. Deze uitgang wordt dan (in sommige versies) gecombineerd met de uitgang van een derde LFSR geklokt met een normale snelheid.

De krimpgenerator maakt gebruik van een andere techniek. Er worden twee LFSR's gebruikt, die beide regelmatig op de volgende manier worden geklokt:

1. Als de uitgang van de eerste LFSR "1" is, wordt de uitgang van de tweede LFSR de uitgang van de generator.
2. Als de uitgang van de eerste LFSR "0" is, wordt de uitgang van de tweede weggegooid, en wordt er geen bit door de generator geproduceerd.

Deze techniek heeft te lijden onder tijdsaanvallen op de tweede generator, omdat de snelheid van de uitgang variabel is op een manier die afhankelijk is van de toestand van de tweede generator. Dit kan worden verbeterd door de uitgang te bufferen.

Filtergenerator

Een andere aanpak om de veiligheid van een LFSR te verbeteren is om de hele toestand van een enkele LFSR door te geven aan een niet-lineaire filterfunctie.

In plaats van een lineaire aandrijving kan men gebruik maken van een niet-lineaire updatefunctie. Zo hebben Klimov en Shamir bijvoorbeeld driehoekige functies (T-Functies) voorgesteld met een enkele cyclus op n bit woorden.

Om veilig te zijn, moet de periode van de keystream (het aantal cijfers dat wordt uitgevoerd voordat de stroom zich herhaalt) groot genoeg zijn. Als de sequentie zich herhaalt, dan kunnen de overlappende cijferteksten "in de diepte" tegen elkaar worden uitgelijnd, en er zijn technieken die het mogelijk maken om de klaartekstvormende cijferteksten die met deze methoden worden gegenereerd, te extraheren.

Stroomcijfers worden vaak gebruikt in toepassingen waarbij de tekst in onbekend formaat wordt geleverd, zoals bij beveiligde draadloze verbindingen. Als een blokcodering zou worden gebruikt in dit soort toepassingen, zou de ontwerper moeten kiezen voor de efficiëntie van de transmissie of de complexiteit van de implementatie, aangezien blokcoderingen niet direct kunnen werken op blokken die korter zijn dan hun blokgrootte. Als een 128-bits blokcodering bijvoorbeeld afzonderlijke 32-bits uitbarstingen van platte tekst ontvangt, moet driekwart van de verzonden gegevens worden opgevuld. Blokcijfers moeten worden gebruikt in de modus voor het stelen van cijfertekst of de modus voor het afsluiten van een restblok om opvulling te voorkomen, terwijl streamcijfers dit probleem elimineren door te werken op de kleinste verzonden eenheid (meestal bytes).

Een ander voordeel van stream-cijfers in militaire cryptografie is dat de codeerstroom kan worden gegenereerd door een versleutelingsapparaat dat onderworpen is aan strikte veiligheidsmaatregelen en vervolgens wordt gevoed aan andere apparaten, bijvoorbeeld een radioset, die de xor-bewerking als onderdeel van hun functie zullen uitvoeren. Het andere apparaat kan worden ontworpen voor gebruik in minder veilige omgevingen.

RC4 is de meest gebruikte stroomvercijfering in software; anderen zijn dat ook: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 en WAKE.

• eSTREAM