Теоретичні відомості. Скремблерами називаються програмні або апаратні реалізації алгоритму, що дозволяє шифрувати побітно безперервні потоки інформації

Скремблерами називаються програмні або апаратні реалізації алгоритму, що дозволяє шифрувати побітно безперервні потоки інформації. Сам скремблер являє собою набір бітів, що змінюються на кожному кроці за певним алгоритмом. Після виконання кожного чергового кроку на його виході з'являється біт, що шифрує або 0, або 1, яка накладається на поточний біт інформаційного потоку операцією XOR.

Останнім часом сфера застосування скремблювальних алгоритмів значно скоротилася. Це обумовлено в першу чергу зниженням обсягів побітної послідовної передачі інформації, для захисту якої були розроблені дані алгоритми. Практично повсюдно в сучасних системах застосовуються мережі з комутацією пакетів, для підтримки конфіденційності якої використовуються блокові шифри. А їх криптостійкість перевершує, і часом досить значно, криптостійкість скремблерів.

Суть скремблювання полягає в побітній зміні даних через систему потоку даних. Практично єдиною операцією, використовуваною в скремблерах, є XOR – " побітне виключне АБО". Паралельно проходженню інформаційного потоку в скремблері за певним правилом генерується кодувальний біт-потік. Як пряме, так і зворотне шифрування здійснюється накладенням кодувальної XOR послідовності на вихідну.

Генерація послідовності, що кодує біти, виробляється циклічно з невеликого початкового обсягу інформації - ключа за наступним алгоритмом. З поточного набору біт вибираються значення певних розрядів і додаються по XOR між собою. Всі розряди зсовуються на 1 біт, а тільки що отримане значення (" 0" або " 1") ставиться в молодший розряд, що звільнився. Значення, що перебувало в найстаршому розряді до зсуву, додається в кодувальну послідовність, стаючи черговим її бітом.

З теорії передачі даних криптографія запозичила для запису подібних схем двійкову систему запису. За нею зображений на рисунку скремблер записується комбінацією " 100112" – одиниці відповідають розрядам, з яких знімаються біти для формування зворотного зв'язку.

Пристрій скремблера є гранично простим. Його реалізація можлива як на програмній, електронній, так і на електричній базі, що й забезпечило його широке застосування. Більше того, той факт, що кожен біт вихідної послідовності залежить тільки від одного вхідного біта, ще більше закріпив положення скремблерів у захисті потокової передачі даних. Це пов'язане з неминуче виникаючими в каналі передачі перешкодами, які можуть спотворити в цьому випадку тільки ті біти, на які вони впливають, а не пов'язану з ними групу байт, як це має місце в блокових шифрах.

Декодування заскрембльованих послідовностей відбувається за тією ж самою схемою, що й кодування. Саме для цього в алгоритмах застосовується результуюче кодування за схемою однозначного відновлення при розкодуванні без будь-яких додаткових обчислювальних витрат.

Головна проблема шифрів на основі скремблерів - синхронізація кодувального та декодувального пристроїв. При пропуску або помилковому вставлянні хоча б одного біта вся передана інформація безповоротно губиться. Тому, у системах шифрування на основі скремблерів, дуже велика увага приділяється методам синхронізації. На практиці для цих цілей зазвичай застосовується комбінація двох методів: а) додавання в потік інформації синхронізуючих бітів, заздалегідь відомих приймальній стороні, що дозволяє їй при незнаходженні такого біта активно почати пошук синхронізації з відправником, і б) використання високоточних генераторів часових імпульсів, що дозволяє в моменти втрати синхронізації робити декодування прийнятих бітів інформації " по пам'яті" без синхронізації.

Число біт, охоплених зворотним зв'язком, тобто розрядність пристрою пам'яті для породжуючих кодувальну послідовність біт називається розрядністю скремблера. Відносно параметрів криптостійкості дана величина повністю ідентична довжині ключа блокових шифрів, що буде проаналізований далі. На даному ж етапі важливо відзначити, що чим більша розрядність скремблера, тим вища криптостійкість системи, основаної на його використанні.

При досить довгій роботі скремблера неминуче виникає його зациклення. За виконанням певного числа тактів в середовищі скремблера створиться комбінація біт, що у ньому вже один раз виявлялася, і із цього моменту кодувальна послідовність почне циклічно повторюватися з фіксованим періодом. Дана проблема непереборна за своєю природою, тому що в N розрядах скремблера не може перебувати більше 2N комбінацій біт, і, отже, максимум через 2N-1 циклів повтор комбінації обов'язково відбудеться. Комбінація " всі нулі" відразу ж виключається з ланцюжка графа станів скремблера - вона приводить скремблер до такого ж положення " всі нулі". Це вказує ще й на те, що ключ " всі нулі" не можна застосовувати для скремблера. Кожен генерований при зсуві біт залежить тільки від декількох біт збереженої в цей момент скремблером комбінації. Тому після повторення деякої ситуації, яка один раз уже зустрічалася в скремблері, всі наступні за нею будуть у точності повторювати ланцюжок, що вже пройшов раніше в скремблері.