Поточные шифры. 
Криптографическая защита информации: симметричное шифрование

По принципу преобразования информации современные симметричные криптосистемы можно разделить на два больших класса: блочные и поточные. Различные блочные алгоритмы шифрования, а также режимы их работы, мы рассмотрели в предыдущих разделах. В настоящем разделе мы ознакомимся с основной идеей поточных шифров. Поточные шифры оперируют с битами (реже с байтами), стараясь обеспечить шифрование в режиме реального времени или близком к нему. Высокая скорость работы поточных шифров определяет область их использования — закрытие данных, требующих оперативной доставки потребителю. Например, когда вы разговариваете по закрытому каналу связи, то весь потом аудиоинформации переводится в цифровой вид, зашифровывается и передается по каналу связи в зашифрованном виде. На приемной стороне поток расшифровывается и восстанавливается.

По принципу работы поточные шифры делят на комбинированные, синхронные и самосинхронизирующиеся. Комбинированные методы шифрования (а точнее, поточные режимы использования блочных шифров) используют принцип формирования потока ключей (гаммы шифра) с помощью генераторов псевдослучайных последовательностей, в качестве функции обратной связи или функции выхода которых используется функция зашифрования блочного шифра. Как правило, для комбинированных методов шифрования используются блочные шифры, являющиеся государственными стандартами шифрования данных: ГОСТ 28 147–89 (российский стандарт) и AES (стандарт США).

В синхронных поточных шифрах гамма формируется независимо от входной последовательности, каждый элемент (бит, символ, байт) которой таким образом шифруется независимо от других элементов. В синхронных поточных шифрах отсутствует эффект размножения ошибок, т. е. число искаженных элементов в расшифрованной последовательности равно числу искаженных элементов зашифрованной последовательности, пришедшей из канала связи. Вставка или выпадение элемента зашифрованной последовательности недопустимы, так как из-за нарушения синхронизации это приведет к неправильному расшифрованию всех последующих элементов. К синхронным поточным шифрам в первую очередь относится алгоритм А5, используемый в системах GSM (Group Special Mobile) для закрытия связи между абонентом и базовой станцией. Кроме того, к синхронным шифрам относится достаточно большое число алгоритмов, среди них: ORYX, PIKE, RC4, SEAL, CHAMELEON, PANAMA, TWOPRIME, SOBER, LILI-128, SNOW, LEVITHAN, SOLITAIRE, MIRDEK, SQ 1-R, COS.

В самосинхронизирующихся поточных шифрах элементы входной последовательности зашифровываются с учетом N предшествующих элементов, которые принимают участие в формировании ключевой последовательности. В самосинхронизирующихся шифрах имеет место эффект размножения ошибок, в го же время в отличие от синхронных восстановление синхронизации происходит автоматически через N элементов зашифрованной последовательности. К самосинхронизирующимся шифрам относятся такие шифры, как WAKE, схема Маурера, SAPPHIRE II.

Как правило, анализ поточных шифров сводится к анализу математических и статистических свойств генератора гаммы. Порождаемая, известная криптоаналитику гамма должна обладать следующими основными свойствами: исключать восстановление ключа шифра, не допускать предсказание гаммы, но известному ее отрезку (как вперед, так и назад), ничем не отличаться от случайной последовательности, иметь максимально возможный период.

Для поточных шифров большое внимание уделяется исследованию свойств вырабатываемой гаммы от истинно случайной последовательности, имеющей распределение Бернулли. Для нахождения отличий можно использовать самые разнообразные статистические тесты.