Реферат: Композиции шифров
ü Опубликование алгоритма не влияет на стойкость шифра. (Безопасность полностью определяется ключом).
ü Изменение одного бита ключа должно радикально изменять шифртекст одного и того же открытого текста, а изменение одного бита открытого текста должно радикально изменять шифртекст для того же ключа (лавинный эффект).
ü Алгоритм должен содержать некоммутативную комбинацию подстановок и перестановок.
ü Подстановки и перестановки, используемые в алгоритме, должны определяться как входными данными, так и ключом.
ü Избыточные группы битов открытого текста должны быть полностью замаскированы в шифртексте.
ü Длина шифртекста должна совпадать с длиной открытого текста.
ü Между любыми возможными ключами и особенностями шифртекста недопустимы простые взаимосвязи.
ü Все возможные ключи должны обеспечивать стойкость шифра. (Не должно быть слабых ключей).
ü Длина ключа и текст должны иметь возможность варьирования для реализации различных требований к безопасности.
ü Алгоритм должен допускать эффективную программную реализацию на мэйнфреймах, мини- и микрокомпыотерах и с помощью дискретной логики. (По существу, число функций, используемых в алгоритме, ограничено операциями XOR и битовым сдвигом).
Алгоритм DES удовлетворял первым девяти требованиям, но последние три появились впервые. Если допустить, что лучший способ взлома алгоритма - лобовое вскрытие, переменная длина ключа, конечно же, заставит замолчать тех, кто считает, что 56 битов - слишком малая величина. Такие люди могут реализовать этот алгоритм с любой длиной ключа. А любой, кто когда-нибудь пытался реализовать DES программными средствами, обрадуется алгоритму, который учитывает особенности программных реализаций.
3.3.1. Описание алгоритма Madryga
Алгоритм Madryga состоит из двух вложенных циклов. Внешний цикл повторяется восемь раз (для гарантии надежности число циклов можно увеличить) и заключается в применении внутреннего цикла к открытому тексту. Внутренний цикл превращает открытый текст в шифртекст и выполняется однократно над каждым 8-битовым блоком (байтом) открытого текста. Таким образом, весь открытый текст последовательно восемь раз обрабатывается алгоритмом.
Итерация внутреннего цикла оперирует с 3-байтовым окном данных, называемым рабочим кадром (Рис. 1.). Это окно сдвигается на 1 байт за итерацию. (При работе с последними 2 байтами данные полагаются циклически замкнутыми). Первые два байта рабочего кадра циклически сдвигаются на переменное число позиций, а для последнего байта исполняется операция XOR с несколькими битами ключа. По мере перемещения рабочего кадра все байты последовательно циклически сдвигаются и подвергаются операции XOR с частями ключа. Последовательные циклические сдвиги перемешивают результаты предыдущих операций XOR и циклического сдвига, причем на циклический сдвиг влияют результаты XOR. Благодаря этому процесс в целом обратим.
| Текст | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | … | TL-2 | TL-1 | TL | ||||
|
Движущийся рабочий кадр |
WF(1) | WF(2) | WF(3) | |||||||||||
| 8 битов | 8 битов | 8 битов | ||||||||||||
| ROT | ||||||||||||||
| Перемещение | Объект сдвига | Счетчик сдвига | ||||||||||||
| 16 бит | 3 бита | |||||||||||||
| Преобразование |
Объект преобразования |
|||||||||||||
|
8 битов XOR |
||||||||||||||
| Ключ | 1 | 2 | 3 | … | KL | |||||||||
| XOR | ||||||||||||||
| Хэш ключа | 1 | 2 | 3 | … | KL | |||||||||
Рис. 1. Одна итерация алгоритма Madryga
Поскольку каждый байт данных влияет на два байта слева и на один байт справа от себя, после восьми проходов каждый байт шифртекста зависит от 16 байтов слева и 8 байтов справа.
При зашифровании каждая итерация внутреннего цикла устанавливает рабочий кадр на предпоследний байт открытого текста и циклически перемещает его к третьему с конца байту открытого текста. Сначала весь ключ подвергается операции XOR со случайной константой и затем циклически сдвигается вправо на 3 бита (ключ и данные двигаются в разных направлениях, чтобы минимизировать избыточные операции с битами ключа). Младшие три бита младшего байта рабочего кадра сохраняются, они определяют циклический сдвиг остальных двух байтов. Далее конкатенация двух старших байтом циклически сдвигается влево на переменное число битов (от 0 до 7). Затем над младшим байтом рабочего кадра выполняется операция XOR с младшим байтом ключа. Наконец рабочий кадр смещается вправо на один байт и весь процесс повторяется.
Случайная константа предназначена для превращения ключа в псевдослучайную последовательность. Длина константы должна быть равной длине ключа. При обмене данными абоненты должны пользоваться одной и той же константой. Для 64-битового ключа Мадрига рекомендует константу 0x0fle2d3c4b5a6978.
При расшифровании процесс повторяется в обратном порядке. В каждой итерации внутреннего цикла рабочий кадр устанавливается на байт, третий слева от последнего байта шифртекста, и циклически сдвигается в обратном направлении до байта, расположенного на 2 байта левее последнего байта шифртекста. 2 байта шифртекста в процессе циклически сдвигаются вправо, а ключ - влево. После циклических сдвигов выполняется операция XOR.
3.2.2. Криптоанализ алгоритма Madryga
Ученые Квинслендского технического университета (Queensland University of Technology) исследовали алгоритм Madryga и некоторые другие блочные шифры. Они обнаружили, что лавинный эффект при преобразовании открытого текста в шифртекст в этом алгоритме не проявляется. Кроме того, во многих шифртекстах доля единиц превышала доли нулей.
Формальный анализ этого алгоритма не производит впечатления особо надежного. При поверхностном знакомстве с ним Эли Бихам пришел к следующим выводам:
Алгоритм состоит только из линейных операций (циклический сдвиг и XOR), незначительно изменяемых в зависимости от данных.
Это ничуть не напоминает мощь S-блоков DES.
Четность всех битов шифртекста и открытого текста неизменна и зависит только от ключа. Поэтому, обладая открытым текстом и соответствующим шифртекстом, можно предсказать четность шифртекста для любого открытого текста.
Само по себе ни одно из этих замечаний нельзя назвать убийственным, однако этот алгоритм не вызывает у многих криптоаналитиков положительных эмоций. Некоторые вообще не рекомендуют использовать алгоритм Madryga.
3.3. Алгоритм REDOC
REDOC II представляет собой еще один блочный алгоритм, разработанный Майклом Вудом (Michael Wood) для корпорации Cryptech. В нем используются 20-байтовый (160-битовый) ключ и 80-битовый блок.
Алгоритм REDOC II выполняет все манипуляции - перестановки, подстановки и операции XOR с ключом - с байтами. Этот алгоритм удобен для программной реализации. В REDOC II использованы переменные таблицы функций. В отличие от алгоритма DES, имеющего фиксированный (хотя и оптимизированный с точки зрения стойкости) набор таблиц подстановок и перестановок, в REDOC II используются зависимые от ключа и открытого текста наборы таблиц (по сути, S-блоки). В REDOC II 10 раундов, каждый раунд состоит из сложной последовательности манипуляций с блоком.
Другая уникальная особенность REDOC II — использование масок. Это числа - производные таблицы ключей, которые используются для выбора таблиц данной функции для данного раунда. Для выбора таблиц функций используются как значение данных, так и маски.
При условии, что самое эффективное средство взлома этого алгоритма - лобовое вскрытие, REDOC II весьма надежен: для восстановления ключа требуется 2160 операций. Томас Кузик (Thomas Cusick) выполнил криптоанализ одного раунда REDOC II, но расширить вскрытие на несколько раундов ему не удалось. Используя дифференциальный криптоанализ, Бихам и Шамир успешно выполнили криптоанализ одного раунда REDOC II с помощью 2300 подобранных открытых текстов. Они не сумели расширить эту атаку на несколько раундов, но им удалось получить три значения маски после четырех раундов. Были и другие попытки криптоанализа.
3.3.1 Алгоритм REDOC III
Алгоритм REDOC III представляет собой упрощенную версию REDOC II, тоже разработанную Майклом Вудом. Он оперирует с 80-битовым блоком. Длина ключа может изменяться и достигать 2560 байт (204800 бит). Алгоритм состоит только из операций XOR над байтами ключа и открытого текста, перестановки и подстановки не используются.
1) Создают таблицу ключей из 256 10-байтовых ключей, используя секретный ключ.
2) Создают два 10-байтовых блока масок M1 и М2. M1 представляет собой результат операции XOR первых 128 10-байтовых ключей, а М2 - результат операции XOR вторых 128 10-байтовых ключей.
3) Для шифрования 10-байтового блока:
a. Выполняют операцию XOR с первым байтом блока данных и первым байтом M1. Выбирают ключ в таблице ключей, рассчитанной в раунде 1. Используют вычисленное значение XOR в качестве индекса таблицы. Выполняют операцию XOR с каждым, кроме первого, байтом блока данных и соответствующим байтом выбранного ключа.
b. Выполняют операцию XOR со вторым байтом блока данных и вторым байтом M1. Выбирают ключ в таблице ключей, рассчитанной в раунде 1. Используют вычисленное значение XOR в качестве индекса таблицы. Выполните операцию ХОR с каждым, кроме второго, байтом блока данных и соответствующим байтом выбранного ключа.
c. Продолжают эти действия со всем блоком данных (с 3-10 байтами), пока не будет использован каждый байт для выбора ключа из таблицы после выполнения операции XOR с ним и соответствующим значением M1. Затем выполняют операцию XOR с каждым, кроме использованного для выбора ключа, байтом, и ключом.
d. Повторяют этапы а-с для М2.
Это несложный и скоростной алгоритм. На процессоре 80386 с тактовой частотой 33МГц он шифрует данные со скоростью 2.75 Мбит/сек. По оценке Вуда, конвейеризированный процессор с трактом данных 64 бит и тактовой частотой 20 МГц может шифровать данные со скоростью свыше 1.28 Гбиг/сек.
Алгоритм REDOC III нестоек. Он уязвим к дифференциальному криптоанализу. Для восстановления обеих масок достаточно около 223 подобранных открытых текстов.
3.4. Алгоритм LOKI
Алгоритм LOKI разработан в Австралии и впервые представлен в 1990 году в качестве возможной замены DES. В нем используются 64-битовый блок и 64-битовый ключ.
Используя дифференциальный криптоанализ, Бихам и Шамир взламывали алгоритм LOKI с 11 и менее раундами быстрее, чем лобовым вскрытием [170]. Более того, алгоритм характеризуется 8-битовой комплементарностью, что упрощает лобовое вскрытие в 256 раз.
Как показал Ларе Кнудсен (Lars Knudsen), алгоритм LOKI с 14 и менее раундами уязвим дифференциальному криптоанализу. Кроме того, если в LOKI используются альтернативные S-блоки, то полученный шифр, вероятно, тоже уязвим дифференциальному криптоанализу.
3.4.1. Алгоритм LOKI91
