Akış şifresi,

Akış şifresi türleri

Bir akış şifresi, dahili bir duruma dayalı olarak anahtar dizisinin ardışık öğelerini üretir. Bu durum iki şekilde güncellenir:

1. Durum düz metin veya şifreli metin mesajlarından bağımsız olarak değişiyorsa, şifre eşzamanlı bir akış şifresi olarak sınıflandırılır.
2. Durum, şifreli metin basamaklarının önceki değişikliklerine göre güncelleniyorsa, şifre kendi kendini senkronize eden akış şifreleri olarak sınıflandırılır.

Senkron akış şifreleri

Eşzamanlı bir akış şifresinde, düz metin ve şifreli metin mesajlarından bağımsız olarak bir sözde rastgele rakam akışı oluşturulur ve daha sonra düz metinle (şifrelemek için) veya şifreli metinle (şifreyi çözmek için) birleştirilir. En yaygın biçimde, ikili rakamlar (bitler) kullanılır ve anahtar dizisi özel veya işlemi (XOR) kullanılarak düz metinle birleştirilir. Buna ikili eklemeli akış şifresi denir.

Eşzamanlı bir akış şifresinde, şifre çözmenin başarılı olması için gönderici ve alıcının eşzamanlı olması gerekir. İletim sırasında mesaja rakamlar eklenir ya da çıkarılırsa senkronizasyon kaybolur. Senkronizasyonu yeniden sağlamak için, doğru şifre çözmeyi elde etmek üzere çeşitli ofsetler sistematik olarak denenebilir. Bir başka yaklaşım da şifre metnini çıktının düzenli noktalarında işaretleyicilerle işaretlemektir.

Bununla birlikte, bir rakam eklenmek veya kaybolmak yerine iletim sırasında bozulursa, düz metindeki yalnızca tek bir rakam etkilenir ve hata mesajın diğer bölümlerine yayılmaz. Bu özellik iletim hata oranı yüksek olduğunda kullanışlıdır; ancak hatanın başka mekanizmalar olmadan tespit edilme olasılığını azaltır. Ayrıca, bu özellik nedeniyle, eşzamanlı akış şifreleri aktif saldırılara karşı çok hassastır - eğer bir saldırgan şifreli metindeki bir rakamı değiştirebilirse, karşılık gelen düz metin bitinde öngörülebilir değişiklikler yapabilir; örneğin, şifreli metindeki bir bitin çevrilmesi, aynı bitin düz metinde çevrilmesine (Toggled) neden olur.

Kendi kendini senkronize eden akış şifreleri

Kendini senkronize eden akış şifreleri, anahtar dizisini hesaplamak için önceki N şifreli metin basamağının bir kısmını kullanan başka bir tekniktir. Bu tür şemalar asenkron akış şifreleri veya şifreli metin otomatik anahtarı (CTAK) olarak da bilinir. Kendi kendine senkronizasyon fikri 1946'da patentlenmiştir ve alıcının N şifre metni basamağı aldıktan sonra otomatik olarak anahtar dizisi oluşturucu ile senkronize olması avantajına sahiptir, bu da basamakların düşmesi veya mesaj akışına eklenmesi durumunda kurtarmayı kolaylaştırır. Tek basamaklı hataların etkisi sınırlıdır ve yalnızca N düz metin basamağına kadar etkiler. Kendi kendini senkronize eden akış şifrelerine aktif saldırılar gerçekleştirmek senkronize benzerlerine göre biraz daha zordur.

Kendi kendini senkronize eden bir akış şifresinin bir örneği, şifre geri besleme modundaki (CFB) bir blok şifredir.

Doğrusal geri beslemeli kaydırmalı yazmaç tabanlı akış şifreleri

İkili akış şifreleri genellikle doğrusal geri beslemeli kaydırma kaydedicileri (LFSR'ler) kullanılarak oluşturulur çünkü donanımda kolayca uygulanabilir ve matematiksel olarak hızlı bir şekilde analiz edilebilirler. Ancak, sadece LFSR kullanımı iyi bir güvenlik sağlamak için yeterli değildir. LFSR'lerin güvenliğini artırmak için çeşitli şemalar tasarlanmıştır.

Doğrusal olmayan birleştirme fonksiyonları

LFSR'ler doğası gereği doğrusal olduğundan, doğrusallığı ortadan kaldırmak için bir teknik, bir kombinasyon üreteci oluşturmak için bir grup paralel LFSR'nin çıkışlarını doğrusal olmayan bir Boole işlevine beslemektir. Böyle bir birleştirme fonksiyonunun çeşitli özellikleri, örneğin korelasyon saldırılarından kaçınmak amacıyla, sonuç şemasının güvenliğini sağlamak için önemlidir.

Saat kontrollü jeneratörler

Normalde LFSR'ler düzenli olarak adımlanır. Doğrusal olmayan bir teknik, ikinci bir LFSR'nin çıkışı tarafından kontrol edilen LFSR'nin düzensiz olarak saatlenmesini sağlamaktır. Bu tür üreteçler arasında dur-kalk üreteci, alternatif adım üreteci ve daralan üreteç yer alır.

Dur-kalk üreteci (Beth ve Piper, 1984) iki LFSR'den oluşmaktadır. Bir LFSR, ikinci bir LFSR'nin çıktısı "1" ise saatlenir, aksi takdirde bir önceki çıktısını tekrarlar. Bu çıktı daha sonra (bazı versiyonlarda) düzenli bir hızda saatlenen üçüncü bir LFSR'nin çıktısı ile birleştirilir.

Küçültme jeneratörü farklı bir teknik kullanır. Her ikisi de aşağıdaki şekilde düzenli olarak saatlenen iki LFSR kullanılır:

1. İlk LFSR'nin çıkışı "1" ise, ikinci LFSR'nin çıkışı üretecin çıkışı olur.
2. İlk LFSR'nin çıkışı "0" ise, ikincisinin çıkışı atılır ve üreteç tarafından hiçbir bit çıkışı yapılmaz.

Bu teknik, çıkışın hızı ikinci jeneratörün durumuna bağlı bir şekilde değişken olduğundan, ikinci jeneratör üzerindeki zamanlama saldırılarından muzdariptir. Bu durum çıkışın tamponlanmasıyla iyileştirilebilir.

Filtre üreteci

Bir LFSR'nin güvenliğini artırmaya yönelik bir başka yaklaşım da tek bir LFSR'nin tüm durumunu doğrusal olmayan bir filtreleme işlevine aktarmaktır.

Diğer tasarımlar

Doğrusal bir tahrik cihazı yerine doğrusal olmayan bir güncelleme fonksiyonu kullanılabilir. Örneğin, Klimov ve Shamir n bitlik kelimeler üzerinde tek bir döngüye sahip üçgen fonksiyonlar (T-Fonksiyonları) önermiştir.

Güvenlik

Güvenli olması için anahtar akışının periyodunun (akış kendini tekrar etmeden önce çıkan rakam sayısı) yeterince büyük olması gerekir. Eğer dizi tekrarlanırsa, üst üste binen şifre metinleri birbirlerine karşı "derinlemesine" hizalanabilir ve bu yöntemler kullanılarak oluşturulan şifre metinlerinden düz metnin çıkarılmasına izin veren teknikler vardır.

Kullanım

Akış şifreleri genellikle güvenli kablosuz bağlantılarda olduğu gibi düz metnin bilinmeyen uzunlukta miktarlarda geldiği uygulamalarda kullanılır. Bu tür bir uygulamada bir blok şifre kullanılacak olsaydı, blok şifreler blok boyutlarından daha kısa bloklar üzerinde doğrudan çalışamayacağından, tasarımcının ya iletim verimliliğini ya da uygulama karmaşıklığını seçmesi gerekirdi. Örneğin, 128 bitlik bir blok şifre ayrı 32 bitlik düz metin patlamaları alırsa, iletilen verinin dörtte üçünün dolguya ihtiyacı olur. Blok şifreler dolgudan kaçınmak için şifreli metin çalma veya artık blok sonlandırma modunda kullanılmalıdır, akış şifreleri ise iletilen en küçük birim (genellikle bayt) üzerinde çalışarak bu sorunu ortadan kaldırır.

Askeri kriptografide akış şifrelerinin bir diğer avantajı da şifre akışının sıkı güvenlik önlemlerine tabi olan bir şifreleme cihazı tarafından üretilebilmesi ve daha sonra işlevlerinin bir parçası olarak xor işlemini gerçekleştirecek olan diğer cihazlara, örneğin bir radyo setine beslenebilmesidir. Diğer cihaz daha az güvenli ortamlarda kullanılmak üzere tasarlanabilir.

RC4 yazılımda en yaygın kullanılan akış şifresidir; diğerleri şunlardır: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 ve WAKE.

RC4 en yaygın kullanılan akış şifresi tasarımlarından biridir.

Akış Şifrelerinin Karşılaştırılması

StreamCipher	OluşturulmaTarihi	Hız (döngü/byte)	(bit)			Saldırı
			Etkili Anahtar Uzunluğu	Başlangıç vektörü	InternalState	En İyi Bilinen	HesaplamalıKarmaşıklık
A5/1	1989	Ses (W phone)	54	114	64	Aktif KPA VEYA KPA Zaman-Bellek Ödünleşimi	~2 saniye OR2 39.91
A5/2	1989	Ses (W phone)	54	114	64?	Aktif	4,6 milisaniye
BALIK	1993	Oldukça Hızlı (W soft)	Çok büyük	?	?	Bilinen düz metin saldırısı	2 11
Tahıl	2004 Öncesi	Hızlı	80	64	160	Anahtar Türetme	2 43
HC-256	2004 Öncesi	4 (W P4)	256	256	65536	?	?
ISAAC	1996	2.375 (W64-bit) -4 .6875 (W32-bit)	8-8288usually 40-256	N/A	8288	(2006) Birinci turZayıf-İç-Devlet-Türevlendirme	4,67×101240 (2001)
MUGI	1998-2002	?	128	128	1216	N/A (2002)	~2 82
PANAMA	1998	2	256	128?	1216?	Hash Collisions (2001)	2 82
Phelix	2004 Öncesi	8'e kadar (W x86)	256 + 128 bit Nonce	128?	?	Diferansiyel (2006)	2 37
Pike	1994	0,9 x BALIK (W soft)	Çok büyük	?	?	N/A (2004)	N/A (2004)
Py	2004 Öncesi	2.6	8-2048? Genellikle 40-256?	64	8320	Kriptanalitik Teori (2006)	2 75
Tavşan	2003-Şubat	3,7(WP3 )-9,7(WARM7 )	128	64	512	N/A (2006)	N/A (2006)
RC4	1987	Etkileyici	8-2048genellikle 40-256	8	2064	Shamir İlk-Bayt Anahtar Türetme VEYA KPA	213 VEYA 2 33
Salsa20	2004 Öncesi	4,24 (WG4 ) -11, 84 (W P4)	128 + 64 bit Nonce	512	512 + 384 (anahtar+IV+indeks)	Diferansiyel (2005)	N/A (2005)
Çığlık	2002	4 - 5 (W soft)	128 + 128 bitlik bir Nonce	32?	64 bit yuvarlama işlevi	?	?
MÜHÜR	1997	Çok Hızlı (W32-bit)	?	32?	?	?	?
KAR	2003 Öncesi	Çok İyi (W32-bit)	128 VEYA 256	32	?	?	?
SOBER-128	2003	?	128'e kadar	?	?	Mesaj Forge	2 −6
SOSEMANUK	2004 Öncesi	Çok İyi (W32-bit)	128	128	?	?	?
Trivium	2004 Öncesi	4 (Wx86 ) - 8 (W LG)	80	80	288	Kaba kuvvet saldırısı (2006)	2 135
Turing	2000-2003	5,5 (W x86)	?	160	?	?	?
YELEK	2005	42 (WASIC ) -64 (W FPGA)	Değişkengenellikle 80-256	Değişkengenellikle 80-256	256 - 800	N/A (2006)	N/A (2006)
UYAN	1993	Hızlı	?	?	8192	CPA & CCA	Savunmasız
StreamCipher	OluşturulmaTarihi	Hız (döngü/byte)	(bit)			Saldırı
			Etkili Anahtar Uzunluğu	Başlangıç vektörü	InternalState	En İyi Bilinen	HesaplamalıKarmaşıklık

İlgili sayfalar

• eSTREAM