Симметричные криптосистемы: ГОСТ 28147-89, DES, 3 DES, AES. Технические характеристики, режимы работы.
DES
Процесс шифрования каждого 64-битового блока исходных данных можно разделить на три этапа:
1. начальная подготовка блока данных;
2. 16 раундов "основного цикла";
3. конечная обработка блока данных.
На первом этапе выполняется начальная перестановка 64-битного исходного блока текста, во время которой биты определенным образом переупорядочиваются.
На следующем (основном) этапе блок делится на две части (ветви) по 32 бита каждая. Правая ветвь преобразуется с использованием некоторой функции F и соответствующего частичного ключа, получаемого из основного ключа шифрования по специальному алгоритму преобразования ключей. Затем производится обмен данными между левой и правой ветвями блока. Это повторяется в цикле 16 раз.
Наконец, на третьем этапе выполняется перестановка результата, полученного после шестнадцати шагов основного цикла. Эта перестановка обратна начальной перестановке.
Рис. 4.1.Общая схема DES
Рассмотрим более подробно все этапы криптографического преобразования по стандарту DES.
На первом этапе 64-разрядный блок исходных данных подвергается начальной перестановке. В литературе эта операция иногда называется "забеливание" – whitening. При начальной перестановке биты блока данных определенным образом переупорядочиваются. Эта операция придает некоторую "хаотичность" исходному сообщению, снижая возможность использования криптоанализа статистическими методами.
|
|
|
Одновременно с начальной перестановкой блока данных выполняется начальная перестановка 56 бит ключа. Из рис. 4.1. видно, что в каждом из раундов используется соответствующий 48-битный частичный ключ Ki. Ключи Ki получаются по определенному алгоритму, используя каждый из битов начального ключа по нескольку раз. В каждом раунде 56-битный ключ делится на две 28-битовые половинки. Затем половинки сдвигаются влево на один или два бита в зависимости от номера раунда. После сдвига определенным образом выбирается 48 из 56 битов. Так как при этом не только выбирается подмножество битов, но и изменяется их порядок, то эта операция называется "перестановка со сжатием". Ее результатом является набор из 48 битов. В среднем каждый битисходного 56-битного ключа используется в 14 из 16 подключей, хотя не все биты используются одинаковое количество раз.
Далее выполняется основной цикл преобразования, организованный по сети Фейштеля и состоящий из 16 одинаковых раундов. При этом в каждом раунде ( рис. 4.2) получается промежуточное 64-битное значение, которое затем обрабатывается в следующем раунде.
Рис. 4.2.Структура одного раунда DES
Левая и правая ветви каждого промежуточного значения обрабатываются как отдельные 32-битные значения, обозначенные L и R.
|
|
|
Вначале правая часть блока Ri расширяется до 48 битов, используя таблицу, которая определяет перестановку плюс расширение на 16 битов. Эта операция приводит размер правой половины в соответствие с размером ключа для выполнения операции XOR. Кроме того, за счет выполнения этой операции быстрее возрастает зависимость всех битов результата от битов исходных данных и ключа (это называется "лавинным эффектом"). Чем сильнее проявляется лавинный эффект при использовании того или иного алгоритма шифрования, тем лучше.
После выполнения перестановки с расширением для полученного 48-битного значения выполняется операция XOR с 48-битным подключом Ki. Затем полученное 48-битное значение подается на вход блока подстановки S (от англ. Substitution - подстановка), результатом которой является 32-битное значение. Подстановка выполняется в восьми блоках подстановки или восьми S-блоках (S-boxes). При выполнении этой операции 48 битов данных делятся на восемь 6-битовых подблоков, каждый из которых по своей таблице замен заменяется четырьмя битами. Подстановка с помощью S-блоков является одним из важнейших этапом DES. Таблицы замен для этой операции специально спроектированы специалистами так, чтобы обеспечивать максимальную безопасность. В результате выполнения этого этапа получаются восемь 4-битовых блоков, которые вновь объединяются в единое 32-битовое значение.
|
|
|
Далее полученное 32-битовое значение обрабатывается с помощью перестановки Р (от англ. Permutation – перестановка), которая не зависит от используемого ключа. Целью перестановки является максимальное переупорядочивание битов такое, чтобы в следующем раунде шифрования каждый бит с большой вероятностью обрабатывался другим S-блоком.
И, наконец, результат перестановки объединяется с помощью операции XOR с левой половиной первоначального 64-битового блока данных. Затем левая и правая половины меняются местами, и начинается следующий раунд.
После шестнадцати раундов шифрования выполняется конечная перестановка результата. Эта перестановка инверсна (обратна) начальной перестановке.
После выполнения всех указанных шагов блок данных считается полностью зашифрованным и можно переходить к шифрованию следующего блока исходного сообщения.
Как известно, криптографическая система должна позволять не только зашифровать, но и расшифровать сообщения. Можно было бы ожидать, что процесс расшифрования по DES сильно запутан. Однако разработчики так подобрали различные компоненты стандарта, чтобы для зашифрования и расшифрования использовался один и тот же алгоритм. При расшифровании на вход алгоритма подается зашифрованный текст. Единственное отличие состоит в обратном порядке использования частичных ключей Ki. K16 используется на первом раунде, K1 — на последнем раунде.
|
|
|
После последнего раунда процесса расшифрования две половины выхода меняются местами так, чтобы вход заключительной перестановки был составлен из R16 и L16. Выходом этой стадии является незашифрованный текст.
Трехкратный DES
В целях противодействия атаке "встреча посередине" было предложено использовать тройное шифрование с двумя ключами ( рис. 4.3).
Рис. 4.3.Шифрование тройным DES с двумя ключами
В этом случае выполняется последовательность зашифрование-расшифрование-зашифрование ( EDE – от англ. Encrypt – Decrypt -Encrypt ). Этот процесс можно символически представить следующим образом:
E=f(f-1(f(M,K1),K2),K1)Отправитель сначала шифрует сообщение первым ключом, затем расшифрует вторым и, наконец, окончательно шифрует первым. Получатель сначала расшифровывает первым ключом, затем шифрует вторым и снова расшифровывает первым. При этом длина ключаувеличивается вдвое и составляет 112 бит.
В качестве более надежной альтернативы предлагается метод трехкратного шифрования, использующий три разных ключа – на каждом из этапов свой. Общая длина ключа в таком методе возрастает ( 112+56=168 ), но хранение нескольких сотен бит обычно не является проблемой.
Тройной DES является достаточно популярной альтернативой DES и используется при управлении ключами в стандартах ANSI X9.17 и ISO 8732. Некоторые криптоаналитики предлагают для еще более надежного шифрования использовать пятикратный DES с тремя или пятью ключами.
Алгоритм Rijndael
Алгоритм Rijndael (читается "Рейндал") разработан бельгийскими специалистами JoanDaemen (Proton World International) и VincentRijmen (KatholiekeUniversiteitLeuven). Этот шифр победил в проведенном Национальным институтом стандартов и техники (NIST) США конкурсе на звание AES (Advanced Encryption Standard) и в 2001 году был принят в качестве нового американского стандарта. АлгоритмRijndael достаточно сложен для описания, поэтому рассмотрим только основные аспекты построения и особенности использования шифра.
Шифр Rijndael/AES (то есть рекомендуемый стандартом) характеризуется размером блока 128 бит, длиной ключа 128, 192 или 256 бит и количеством раундов 10, 12 или 14 в зависимости от длины ключа. В принципе, структуру Rijndael можно приспособить к любым размерам блока и ключа, кратным 32, а также изменить число раундов.
В отличие от шифров, предлагаемых DES и ГОСТ 28147-89, в основе Rijndael не лежит сеть Фейштеля. Основу Rijndael составляют так называемые линейно-подстановочные преобразования. Блок данных, обрабатываемый с использованием Rijndael, делится на массивы байтов, и каждая операция шифрования является байт-ориентированной. Каждый раунд состоит из трех различных обратимых преобразований, называемых слоями. Эти слои следующие.
1. Нелинейный слой. На этом слое выполняется замена байтов. Слой реализован с помощью S-блоков, имеющих оптимальную нелинейность, и предотвращает возможность использования дифференциального, линейного и других современных методов криптоанализа.
2. Линейный перемешивающий слой гарантирует высокую степень взаимопроникновения символов блока для маскировки статистических связей. На этом слое в прямоугольном массиве байтов выполняется сдвиг строк массива и перестановка столбцов.
3. Слой сложения по модулю 2 с подключом выполняет непосредственно шифрование.
Шифр начинается и заканчивается сложением с ключом. Это позволяет закрыть вход первого раунда при атаке по известному тексту и сделать криптографически значимым результат последнего раунда.
В алгоритме широко используются табличные вычисления, причем все необходимые таблицы задаются константно, т.е. не зависят ни от ключа, ни от данных.
Необходимо отметить, что в отличие от шифров, построенных по сети Фейштеля, в Rijndael функции шифрования и расшифрования различны.
Алгоритм Rijndael хорошо выполняется как в программной, так и в аппаратной реализации. Rijndael имеет небольшие требования к памяти, что делает его пригодным для систем с ограниченными ресурсами. Надежность шифрования алгоритмом Rijndael очень высоко оценивается специалистами.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 652; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!