Современные алгоритмы симметричного шифрования

Современные алгоритмы симметричного шифрования используют как подстановку, так и перестановку. Стандартом де-факто являются несколько раундов шифрования с разными ключами, которые генерируются на основе одного общего ключа. Большинство современных алгоритмов имеют структуру, аналогичную структуре шифра Файстеля, разработанного в 1973 году.

Шифр Файстеля создавался как пример практической реализации идеи Клода Шеннона: надежный алгоритм шифрования должен удовлетворять двум свойствам: диффузии и коффузии.

Диффузия — каждый бит открытого текста должен влиять на каждый бит зашифрованного текста. Суть диффузии заключается в рассеянии статистических характеристик открытого текста внутри шифрованного текста.

Конфузия — отсутствие статистической взаимосвязи между ключом и зашифрованным текстом. Даже если противник определит какие-то статистические особенности за-шифрованного текста, их должно оказаться недостаточно, чтобы получить любую информацию о ключе.

Рассмотрим структуру шифра Файстеля.

Данный шифр относится к категории блочных. Блочные шифры предназначены для шифрования небольших блоков определенной длины. Для того, чтобы зашифровать произвольный текст, его необходимо разбить на блоки, после чего каждый блок зашифровывается отдельно (вариации рассматриваются в следующем разделе). Кроме того, как и практически все современные алгоритмы, шифр Файстеля работает с двоичным алфавитом (т.е. и открытый и зашифрованный текст представлены последовательностью битов) и предназначен для реализации на ЭВМ.

На вход алгоритма шифрования подается блок открытого текста, имеющий четную длину 2l и ключ K. Блок разделяется на две равные части — правую R0 и левую L0. Далее эти части проходят m раундов обработки, после чего снова объединяются в зашифрованный текст.

Каждый i-й раунд состоит в генерации подключа Ki (на основе общего ключа K) и применении к блоку Ri некоторого зависящего от ключа преобразования F. Результат складывается с блоком Li с помощью операции XOR (исключающее или) и получается блок Ri+1. Блок Ri без изменений берется в качестве блока Li+1.

Процесс дешифрования принципиально ничем не отличается, но на вход подается зашифрованный текст, а ключи Ki вычисляются в обратном порядке.

 

Рис. 8. Схема i-го раунда шифрования шифра Файстеля

 

Различные алгоритмы, использующие структуру шифра Файстеля могут отличться следующими параметрами:

1.   Длина ключа. Чем длиннее ключ, предусмотренный алгоритмом, тем сложнее осуществить перебор. Сейчас надежной считается длина ключа не менее 1024 бита.

2.   Размер блока. Чем выше размер блока, тем больше надежность шифра, но скорость операций шифрования/дешифрования при этом снижается.

3.   Число раундов обработки. С каждым новым раундом обработки надежность шифра повышается.

4.   Функция раунда F — чем она сложнее, тем труднее криптоанализ шифра.

5.   Алгоритм вычисления промежуточных ключей Ki.

 

Алгоритм DES

Долгое время самым популярным алгоритмом симметричного шифрования являлся DES (Data Encrypting Standart), принятый в 1977 году. Этот алгоритм базируется на структуре шифра Файстеля с размером блока 64 бита и 56-битным ключом.

Функция раунда F использует набор из восьми так называемых S-матриц. Каждая матрица состоит из 4 строк, причем каждая строка представляет собой перестановку чисел от 0 до 15 (соответственно, 16 столбцов). Матрицы жестко заданы8. Каждая матрица по 8 S-матрицы считались самой сомнительной частью алгоритма DES, поскольку создатели алгоритма не раскрыли принципы их заполнения — почему выбраны именно эти матрицы и не содержит ли алгоритм

Получает на вход шесть бит и выдает четырехбитовый результат. Первый и последний бит входного значения задают строку матрицы, а четыре остальных — столбец. Двоично представление числа, находящегося на их пересечении, и будет результатом преобразования. Собственно же преобразование F заключается в следующем:

1.   32-битовый блок Ri расширяется до 48 битов с помощью специальной таблицы пу-тем дублирования некоторых 16 битов.

2.   Полученный результат складывается с 48-битным подключом Ki операцией XOR.

3.   Результат сложения разбивается на 8 шестибитовых блоков и каждый из них пре-образуется с помощью соответствующей S-матрицы.

4.   Получившийся в итоге 32-битный блок подвергается жестко заданной в алгоритме перестановке.

Долгое время DES являлся федеральным стандартом шифрования США. Этот алгоритм показывает хороший лавинный эффект (изменение одного бита открытого текста или ключа приводит к изменению многих битов зашифрованного текста) и успешно противостоял многолетним попыткам взлома. Однако длина ключа в 56 битов при возросшей производительности ЭВМ сделала шифр потенциально уязвимым к перебору ключей, по-этому в 1997 году был объявлен конкурс на новый алгоритм, который должен был стать криптостандартом на ближайшие 10-20 лет.

Алгоритм AES

Победитель конкурса был определен в 2000 году — им стал бельгийский шифр

RIJNDAEL, который был переименован в AES (Advanced Encryption Standard). Он является нетрадиционным блочным шифром, поскольку не использует сеть Фейштеля. Каждый блок входных данных представляется в виде двумерного массива байт (4х4, 4х6 или 4х8 в зависимости от размера блока, которая может варьироваться). В зависимости от размера блока и длины ключа алгоритм содержит от 10 до 14 раундов, в каждом из которых про-водится ряд преобразований — либо над независимыми столбцами, либо над независимыми строками, либо вообще над отдельными байтами в таблице.

Среди других современных алгоритмов симметричного шифрования следует назвать шифры IDEA, Blowfish, RC5, CAST-128.