الگوریتم رمز جریان یک مرور کلی

رمز جریان، همچنین به عنوان رمز توالی شناخته می شود، یک سیستم رمزنگاری متقارن مهم است. بر اساس پیاده سازی سخت افزاری، و ذره ذره رمزگذاری یا رمزگشایی می شوند. جریان کلید را می توان با مدار شیفت رجیستر تولید کرد. ایده اصلی این است که از کلید k برای تولید یک جریان کلید z=z0z1 استفاده کنید... و رشته متن ساده x=x0x1... به y=y0y1y2... =Ez0(x0)Ez1(x1)... با مشاهده قوانین زیر. جریان کلیدها توسط مولد جریان کلید f: zi=f(k,σi) تولید می شود (σi وضعیت عنصر حافظه در زمان i در رمزگذار و f تابع تولید شده توسط k,σi است).

تمایز رمزهای جریانی و رمزهای بلوکی در این است که آنها حافظه دارند یا نه. (شکل 1). کلید چرخشی z0=f(k,σ0) رمز جریان به طور کامل توسط تابع f، کلید k و حالت اولیه مشخص شده σ0 تعیین می شود. از آنجا که متن ساده رمزگذار ورودی ممکن است بر وضعیت ذخیره سازی عنصر حافظه داخلی تأثیر بگذارد، σi(i>0) ممکن است به k، σ0، x0، x1، ...، xi-1 و پارامترهای دیگر بستگی داشته باشد.

شکل 1: تمایز بین رمزهای بلوکی و رمزهای جریانی

با توجه به اینکه وضعیت ذخیره σi در رمزگذار به کاراکترهای متن ساده ورودی بستگی دارد، رمزهای جریان به انواع همزمان و خود همگام طبقه بندی می شوند. σi مستقل از کاراکترهای متن ساده، رمز جریان همزمان نامیده می شود، در غیر این صورت رمز جریان خود سنکرون نامیده می شود. از آنجایی که تولید جریان کلیدی رمز جریان خود سنکرون با متن ساده مرتبط است، تجزیه و تحلیل نظری آن دشوار است. در حال حاضر، بیشتر نتایج تحقیقات در مورد رمز جریان همزمان است. این مقاله عمدتاً اصل اجرای رمز جریان همزمان را معرفی می کند. در رمز جریان همزمان، از آنجایی که zi=f(k,σi) مستقل از کاراکترهای متن ساده است، کاراکتر متن رمزی yi=Ezi(xi) نیز مستقل از کاراکترهای متن ساده قبلی است. بنابراین، رمزگذار رمز جریان همزمان را می توان به دو بخش تقسیم کرد: مولد جریان کلید و مبدل رمزگذاری (شکل 2).

شکل 2: مدل سیستم رمز جریان همزمان

تا زمانی که تبدیل معکوس باشد، انواع مختلفی از گزینه ها برای تبدیل رمزنگاری Ezi رمزهای جریان همزمان در دسترس هستند. سیستم‌های امنیتی دیجیتال واقعی عموماً سیستم‌های باینری هستند، بنابراین رمز جریان افزودنی باینری GF(2) در حوزه محدود رایج‌ترین سیستم رمزگذاری جریانی است که در حال حاضر استفاده می‌شود (شکل 3). تبدیل رمزگذاری آن را می توان به صورت yi=zixi بیان کرد.

شکل 3. مدل رمز جریان افزودنی

مولد جریان کلید به طور کلی می تواند به عنوان یک خودکار حالت محدود با پارامتر k در نظر گرفته شود که از مجموعه نماد خروجی Z، مجموعه حالت ∑، توابع φ و ψ و حالت اولیه σ0 تشکیل شده است (شکل 4). تابع انتقال حالت φ: σi→σi+1σi به حالت جدید σi+1 و تابع خروجی ψ: σi→zi وضعیت فعلی σi را به عنصر zi در مجموعه نمادهای خروجی تغییر می دهد. کلید طراحی مولد جریان کلید، یافتن تابع انتقال حالت مناسب φ و تابع خروجی ψ است. به طوری که توالی خروجی چندین شرایط جریان کلید را برآورده می کند و به صرفه و آسان برای پیاده سازی روی دستگاه است. برای دستیابی به این هدف، باید توابع غیر خطی اتخاذ شود. محبوب ترین و کاربردی ترین مولدهای جریان کلید (شکل 5) توسط یک یا چند رجیستر بازخورد خطی پیاده سازی می شوند.

شکل 4: اصول مولد جریان کلید

شکل 5: دو نوع متداول ژنراتور جریان کلید

شیفت رجیستر جزء اصلی جریان کلیدی است که توسط رمزهای جریان تولید می شود. رجیستر شیفت بازخورد خطی مرتبه n در GF(2) از n ثبات باینری و یک ترکیب تابع بازخورد خطی f(a1,a2,...,an) تشکیل شده است (شکل 6). هر حافظه به سطحی از یک ثبات تبدیل می شود. و در هر زمان، محتویات این سطوح، حالت‌های ثبت تغییر بازخورد را تشکیل می‌دهند، هر حالت مربوط به یک بردار n بعدی در GF(2)، با 2n نوع حالت ممکن است. وضعیت هر لحظه را می توان در یک دنباله n طولانی a1، a2،…، یک یا بردار n بعدی (a1,a2,…,an) بیان کرد که در آن ai محتوای حافظه سطح i است. حالت اولیه توسط کاربر وارد می شود و هنگامی که پالس ساعت شیفت I می رسد، هر سطح از حافظه ai محتویات خود را به محتوای سطح بعدی ai-1 ارسال می کند. و با توجه به وضعیت رجیستر در این زمان a1,a2,... می تواند f(a1,a2,…,an) را برای لحظه بعد محاسبه کند. تابع فیدبک f(a1,a2,…,an) یک تابع بولی از n است که n متغیر a1,a2,…,an می تواند به طور مستقل دو نتیجه ممکن 0 و 1 را بگیرد. عملیات در تابع دارای عملیات منطقی و منطقی یا، مکمل منطقی و غیره است و مقدار تابع نهایی نیز 0 یا 0 است.

شکل 6: ثبت جابجایی بازخورد خطی N-order در GF(2)

Stream Cipher سادگی، پیاده‌سازی آسان برای سخت‌افزار، رمزگذاری سریع و پردازش رمزگشایی، و بدون یا فقط انتشار خطا را ارائه می‌دهد. بنابراین، مزایایی را در کاربردهای عملی، به ویژه در سازمان های خاص یا مخفی حفظ می کند. زمینه های کاربردی معمولی شامل ارتباطات بی سیم و ارتباطات دیپلماتیک است. رمز رایج بخار: SNOW3G در اروپا، ZUC در چین، RC4 در ایالات متحده و موارد دیگر.