Одной из составляющих схем симметричного шифрования являются поточные шифры. В большой степени популярность поточных шифров связывают с работой Клода Шеннона, посвященной анализу одноразовых гамм-блокнотов, изначально именовавшихся шифром Вернама.

Одноразовый гамм-блокнот использует длинную шифрующую последовательность, которая состоит из бит, выбираемых некоторым случайным образом. Шифрующая последовательность побитово накладывается на открытый текст. Данная последовательность имеет ту же самую длину, что и открытый тест, и может использоваться один-единственный раз. Соответственно, такой способ шифрования требует наличия шифрующей последовательности (гаммы шифрующей) большой длины.

В своей работе Шеннон доказал, что одноразовый гамм-блокнот является «невскрываемой» шифрсистемой, и представил, таким образом, эту шифрсистему как совершенную: даже противник, обладающий безграничным количеством вычислительной мощности, не в состоянии предпринять ничего лучшего, как предполагать значения бит открытого теста, поскольку шифртекст статистически не зависит от открытого теста.

Поточные шифры по сути своей пытаются имитировать концепцию одноразового гамм-блокнота, используя короткий ключ для генерации гаммы шифрующей, которая по своим свойствам походила бы на случайную. Такие последовательности называются псевдослучайными. Изучение того, как генерировать псевдослучайную последовательность, составляет основную часть работы при исследовании поточных шифров. Поточные шифры называют еще генераторами псевдослучайных последовательностей.

Поточные шифры обладают наибольшей скоростью шифрования информации по сравнению со всеми остальными классами шифров. Поскольку гамма шифрующая может вырабатываться независимо от открытого текста или шифртекста, такие шифры имеют преимущество в том, что шифрпоследовательность может вырабатываться до процесса зашифровывания или расшифровывания, на который остается лишь операция наложения гаммы шифра.

Общепринятой моделью построения поточных шифров является комбинация одного или нескольких регистров сдвига и нелинейной функции. Схемы, состоящие из одного рекуррентного регистра и нелинейной функции, расположенной на выходе данного регистра, называются фильтр-генератором, схемы, в которых нелинейная функция комбинирует выходы нескольких рекуррентных регистров, называются комбинирующим генератором. Задачей нелинейных функций является внесение нелинейности в выходную последовательность регистров. В классической интерпретации рекуррентные регистры представляются в виде последовательности битовых ячеек, а в качестве нелинейных функций используют булевы функции. Все арифметические операции выполняются над полем GF(2).

Рис.1. Комбинирующий генератор                                Рис.2. Фильтр-генератор

Типы поточных шифров

В настоящее время все поточные шифры можно разделить на два больших класса – синхронизируемые и самосинхронизирующиеся.

При использовании синхронизуемых поточных шифров требуется принудительная синхронизация приемного и передающего шифратора - (установка идентичных внутренних состояний и фазы). При потере битов или вставке новых битов происходит потеря синхронизации и корректное расшифровывание становится невозможным. Для синхронизации могут использоваться специальные маркирующие последовательности, вставляемые в шифртекст. Достоинством таких шифров является то, что они не распространяют ошибки: ошибка в шифровании одного бита не влияет на другие биты.

Самосинхронизирующиеся поточные шифры используют специально разработанные алгоритмы выработки шифртекста, позволяющие приемному шифратору получив N неискаженных битов шифртекста автоматически синхронизироваться с передающем шифратором. Как следствие, такие поточные шифры размножают ошибки в канале связи.

Выбор используемого типа шифра, как правило, определяется спецификой приложения.