12. Поточные шифры замены.

Как отмечалось ранее, класс блочных шифров наряду с достоинствами имеет определенные недостатки. Один из них связан с эффектом размножения ошибок, снижающим эксплуатационные качества шифра. Еще один недостаток блочных шифров в режиме простой замены связан с возможностью применения метода анализа "со словарем". Такими недостатками не обладают поточные шифры, осуществляющие позначное шифрование в алфавитах небольшой мощности. Кроме того, существующая практика показывает, что пока лишь поточные шифры обеспечивают максимальные скорости шифрования. Это важно при магистральном шифровании больших потоков информации. Эти, а также многие другие соображения делают поточные шифры в некоторых ситуациях более предпочтительными, чем блочные.

При использовании поточных шифров простой замены потеря отдельных знаков шифрованного текста при передаче по каналу связи приводит лишь к локальным потерям: все знаки шифртекста, принятые без искажений, будут расшифрованы правильно. Это объясняется тем, что алгоритм шифрования не зависит ни от расположения знаков в тексте, ни от их конкретного вида.

Многоалфавитные поточные шифры также не размножают ошибок при искажении отдельных знаков шифрованного текста, но оказываются неустойчивыми к пропускам знаков шифрованного текста, поскольку это приводит к неправильномурасшифрованию всего текста, следующего за пропущенным знаком. Учитывая наличие помех практически во всех каналах передачи данных, в системах криптографической защиты, использующих поточное шифрование, приходится заботиться о согласованном порядке применения преобразований при зашифровании и расшифровании, другими словами, решать проблему синхронизации процедур зашифрования и расшифрования.

По способу решения этой проблемы поточные шифрсистемы делят на синхронные и системы с самосинхронизацией. Для синхронных поточных шифрсистем выбор применяемых шифрующих преобразований однозначно определяется распределителем и зависит только от номера такта шифрования. Примерами синхронных систем являются регистры сдвига с обратной связью, дисковые шифраторы или шифрмашинаБ.Хагелина. Поточные шифрсистемы с самосинхронизацией имеют возможность производить правильноерасшифрование и в том случае, когда синхронизация передающего и приемного шифраторов нарушается вследствие потери знака шифртекста. Наиболее распространенный режим использования шифрсистем с самосинхронизацией — это режим обратной связи по шифртексту, при котором текущее состояние системы зависит от некоторого числа N предыдущих знаков шифртекста.

В силу ряда естественных причин, связанных с простотой реализации и необходимостью достижения высоких скоростей шифрования, наибольшее распространение получили шифры, осуществляющие побуквенное зашифрование с помощью некоторого множества подстановочных преобразований алфавита открытых сообщений. Другими словами, речь идет об эндоморфных поточных многоалфавитных шифрах замены с множествами шифрвеличин и шифробозначений, совпадающими с алфавитом открытых сообщений.

Для построения многоалфавитного поточного шифра замены необходимо указать его распределитель, определяющий порядок использования шифрующих преобразований, и сами эти преобразования, то есть простые замены, составляющие данный шифр замены.

Правило зашифрования формулируется следующим образом. ПустьА — алфавит открытых сообщений, совпадающий с множествами шифровеличин и шифробозначений, {φ_a: А→А} — совокупность из r биекций множества А, х=a₁,a₂,…a_l, — произвольный открытый текст, k Є К —выбранный ключ зашифрования. Пусть является распределителем, отвечающим данным значениям k Є К, l Є N, где — некоторое отображение в множество N_r=[1,2,...,r}. Тогда правило зашифрованияЕ_k(х) определяется формулой Е_k(х)= у, где у=b₁,b₂…b_l и .

Таким образом, задача построения рассматриваемого шифра сводится к выбору множества шифрующих преобразований {φ_a} и отображения ψ, задающего распределитель.

В соответствии со сказанным выше, поточнаяшифросистема представляется в виде двух основных блоков, отвечающих за выработку распределителя и собственно зашифрование очередного знака открытого текста. Первый блок вырабатывает последовательность номеров шифрующих преобразований, то есть фактически управляет порядком процедуры шифрования. Поэтому этот блок называют управляющим блоком, а вырабатываемую им последовательность номеров преобразований—управляющей последовательностью (или управляющей гаммой). Второй блок в соответствии со знаком управляющей последовательности реализует собственно алгоритм зашифрования текущего знака. В связи с этим этот блок называют шифрующим блоком. Под номером преобразования следует понимать некий набор символов, достаточный для однозначной идентификации преобразования и удобный с точки зрения практической реализации шифра.

Сформулируем ряд требований, обычно предъявляемых к блокам поточнойшифрсистемы, нарушение которых приводит к появлению аналитических или статистических слабостей алгоритма шифрования, снижающих его стойкость.

Требования к управляющему блоку:

• период управляющей гаммы должен превышать максимально возможную длину открытых сообщений, подлежащих шифрованию;

• статистические свойства управляющей гаммы должны приближаться к свойствам случайной равновероятной последовательности;

• в управляющей гамме должны отсутствовать простые аналитические зависимости между близко расположенными знаками;

• криптографический алгоритм получения знаков управляющей гаммы должен обеспечивать высокую сложность определения секретного ключа.

Требование к шифрующему блоку:

• применение алгоритма шифрования должно носить универсальный характер и не зависеть от вида шифруемой информации.

Иногда выдвигается дополнительное требование:

— способ построения шифрующего блока должен обеспечивать криптографическую стойкость шифра при перекрытиях управляющей гаммы, в частности при повторном использовании ключей.

Заметим, что выполнение перечисленных требований является необходимым, но не достаточным условием криптографической стойкости поточного шифра.