Stream cipher

Sebuah stream cipher menghasilkan elemen-elemen keystream yang berurutan berdasarkan keadaan internal. Keadaan ini diperbarui dalam dua cara:

1. Jika state berubah secara independen dari pesan plainteks atau cipherteks, cipher diklasifikasikan sebagai cipher aliran sinkron.
2. Jika state diperbarui berdasarkan perubahan sebelumnya dari digit ciphertext, cipher diklasifikasikan sebagai cipher stream yang menyinkronkan diri.

Cipher aliran sinkron

Dalam cipher aliran sinkron, aliran digit pseudo-acak dihasilkan secara independen dari pesan plainteks dan cipherteks, dan kemudian digabungkan dengan plainteks (untuk mengenkripsi) atau dengan cipherteks (untuk mendekripsi). Dalam bentuk yang paling umum, digit biner (bit) digunakan, dan keystream digabungkan dengan plainteks menggunakan operasi eksklusif atau operasi (XOR). Ini disebut sebagai binary additive stream cipher.

Dalam cipher aliran sinkron, pengirim dan penerima harus sinkron agar dekripsi berhasil. Jika digit ditambahkan atau dihapus dari pesan selama transmisi, sinkronisasi akan hilang. Untuk mengembalikan sinkronisasi, berbagai offset dapat dicoba secara sistematis untuk mendapatkan dekripsi yang benar. Pendekatan lain adalah menandai ciphertext dengan penanda pada titik-titik reguler dalam output.

Namun, jika sebuah digit rusak dalam transmisi, bukannya ditambahkan atau hilang, hanya satu digit dalam plaintext yang terpengaruh dan kesalahan tidak merambat ke bagian lain dari pesan. Properti ini berguna ketika tingkat kesalahan transmisi tinggi; namun, hal ini membuat kecil kemungkinan bahwa kesalahan akan terdeteksi tanpa mekanisme lebih lanjut. Terlebih lagi, karena sifat ini, cipher stream sinkron sangat rentan terhadap serangan aktif - jika penyerang dapat merubah digit di ciphertext, dia mungkin dapat membuat perubahan yang dapat diprediksi ke bit plaintext yang sesuai; sebagai contoh, membalik bit di ciphertext menyebabkan bit yang sama dibalik (Toggled) di plaintext.

Swa-sinkronisasi cipher aliran

Self-synchronizing stream cipher adalah teknik lain yang menggunakan bagian dari N digit ciphertext sebelumnya untuk menghitung keystream. Skema seperti ini dikenal juga sebagai cipher aliran asinkron atau ciphertext autokey (CTAK). Ide sinkronisasi mandiri dipatenkan pada tahun 1946, dan memiliki keuntungan bahwa penerima akan secara otomatis melakukan sinkronisasi dengan generator keystream setelah menerima N digit ciphertext, sehingga lebih mudah untuk memulihkan jika digit dijatuhkan atau ditambahkan ke aliran pesan. Kesalahan satu digit terbatas dalam efeknya, hanya mempengaruhi hingga N digit plaintext. Agak lebih sulit untuk melakukan serangan aktif pada cipher stream yang menyinkronkan diri sendiri daripada cipher sinkron.

Contoh dari cipher stream yang menyinkronkan diri sendiri adalah cipher blok dalam mode cipher-feedback (CFB).

Binary stream cipher sering dibangun dengan menggunakan linear feedback shift register (LFSRs) karena mereka dapat dengan mudah diimplementasikan dalam perangkat keras dan dapat dengan cepat dianalisis secara matematis. Akan tetapi, penggunaan LFSRs saja tidak cukup untuk memberikan keamanan yang baik. Berbagai skema telah didesain untuk meningkatkan keamanan LFSRs.

Fungsi penggabungan non-linear

Karena LFSR secara inheren linier, satu teknik untuk menghilangkan linieritas adalah dengan memasukkan output dari sekelompok LFSR paralel ke dalam fungsi Boolean non-linier untuk membentuk generator kombinasi. Berbagai sifat dari fungsi penggabungan seperti itu penting untuk memastikan keamanan skema yang dihasilkan, misalnya, untuk menghindari serangan korelasi.

Generator yang dikendalikan jam

Biasanya LFSR diinjak secara teratur. Salah satu teknik untuk memperkenalkan non-linearitas adalah dengan membuat LFSR clock secara tidak teratur, dikendalikan oleh output dari LFSR kedua. Generator seperti itu termasuk generator stop-and-go, generator langkah bolak-balik dan generator menyusut.

Generator stop-and-go (Beth dan Piper, 1984) terdiri dari dua LFSR. Satu LFSR di clock jika output dari LFSR kedua adalah "1", jika tidak, LFSR akan mengulangi output sebelumnya. Keluaran ini kemudian (dalam beberapa versi) digabungkan dengan keluaran dari LFSR ketiga yang di-clock pada tingkat yang teratur.

Generator penyusutan menggunakan teknik yang berbeda. Dua LFSR digunakan, keduanya clock secara teratur dengan cara berikut:

1. Jika output dari LFSR pertama adalah "1", output dari LFSR kedua menjadi output dari generator.
2. Jika output dari LFSR pertama "0", output dari LFSR kedua dibuang, dan tidak ada bit yang dikeluarkan oleh generator.

Teknik ini mengalami serangan waktu pada generator kedua, karena kecepatan output adalah variabel dengan cara yang bergantung pada keadaan generator kedua. Hal ini bisa diperbaiki dengan menyangga output.

Generator filter

Pendekatan lain untuk meningkatkan keamanan LFSR adalah dengan melewatkan seluruh keadaan LFSR tunggal ke dalam fungsi penyaringan non-linear.

Sebagai ganti perangkat penggerak linier, seseorang dapat menggunakan fungsi update nonlinier. Sebagai contoh, Klimov dan Shamir mengusulkan fungsi segitiga (Fungsi-T) dengan siklus tunggal pada n bit words.

Agar aman, periode dari keystream (jumlah digit yang dihasilkan sebelum stream berulang) harus cukup besar. Jika urutannya berulang, maka ciphertext yang tumpang tindih dapat disejajarkan satu sama lain "secara mendalam", dan ada teknik-teknik yang memungkinkan ekstraksi plaintext dari ciphertext yang dihasilkan dengan menggunakan metode-metode ini.

Stream cipher sering digunakan dalam aplikasi di mana plainteks datang dalam jumlah yang panjangnya tidak dapat diketahui seperti dalam koneksi nirkabel yang aman. Jika sebuah block cipher digunakan dalam aplikasi jenis ini, perancang perlu memilih efisiensi transmisi atau kompleksitas implementasi, karena block cipher tidak dapat secara langsung bekerja pada blok yang lebih pendek dari ukuran bloknya. Sebagai contoh, jika block cipher 128-bit menerima semburan plaintext 32-bit yang terpisah, tiga perempat dari data yang ditransmisikan membutuhkan padding. Block cipher harus digunakan dalam mode ciphertext stealing atau penghentian blok sisa untuk menghindari padding, sementara stream cipher menghilangkan masalah ini dengan beroperasi pada unit terkecil yang ditransmisikan (biasanya byte).

Keuntungan lain dari stream cipher dalam kriptografi militer adalah bahwa stream cipher dapat dihasilkan oleh perangkat enkripsi yang tunduk pada langkah-langkah keamanan yang ketat kemudian diumpankan ke perangkat lain, misalnya pesawat radio, yang akan melakukan operasi xor sebagai bagian dari fungsi mereka. Perangkat lain dapat dirancang untuk digunakan dalam lingkungan yang kurang aman.

RC4 adalah stream cipher yang paling banyak digunakan dalam perangkat lunak; yang lainnya termasuk: A5/1, A5/2, Chameleon, FISH, Helix, ISAAC, MUGI, Panama, Phelix, Pike, SEAL, SOBER, SOBER-128 dan WAKE.

• eSTREAM