Алгоритмы симметричного шифрования. Часть 1

Криптография

Основные понятия

Рассмотрим общую схему симметричной, или традиционной, криптографии.

Рис. 2.1. Общая схема симметричного шифрования

В процессе шифрования используется определенный алгоритм шифрования, на вход которому подаются исходное незашифрованное сообщение, называемое также plaintext, и ключ. Выходом алгоритма является зашифрованное сообщение, называемое также ciphertext . Ключ является значением, не зависящим от шифруемого сообщения. Изменение ключа должно приводить к изменению зашифрованного сообщения.

Зашифрованное сообщение передается получателю. Получатель преобразует зашифрованное сообщение в исходное незашифрованное сообщение с помощью алгоритма дешифрования и того же самого ключа, который использовался при шифровании, или ключа, легко получаемого из ключа шифрования.

Незашифрованное сообщение будем обозначать P или M, от слов plaintext и message. Зашифрованное сообщение будем обозначать С, от слова ciphertext.

Безопасность, обеспечиваемая традиционной криптографией, зависит от нескольких факторов.

Во-первых, криптографический алгоритм должен быть достаточно сильным, чтобы передаваемое зашифрованное сообщение невозможно было расшифровать без ключа, используя только различные статистические закономерности зашифрованного сообщения или какие-либо другие способы его анализа.

Во-вторых, безопасность передаваемого сообщения должна зависеть от секретности ключа, но не от секретности алгоритма. Алгоритм должен быть проанализирован специалистами, чтобы исключить наличие слабых мест, при наличии которых плохо скрыта взаимосвязь между незашифрованным и зашифрованным сообщениями. К тому же при выполнении этого условия производители могут создавать дешевые аппаратные чипы и свободно распространяемые программы, реализующие данный алгоритм шифрования.

В-третьих, алгоритм должен быть таким, чтобы нельзя было узнать ключ, даже зная достаточно много пар (зашифрованное сообщение, незашифрованное сообщение), полученных при шифровании с использованием данного ключа.

Клод Шеннон ввел понятия диффузии и конфузии для описания стойкости алгоритма шифрования.

Диффузия - это рассеяние статистических особенностей незашифрованного текста в широком диапазоне статистических особенностей зашифрованного текста. Это достигается тем, что значение каждого элемента незашифрованного текста влияет на значения многих элементов зашифрованного текста или, что то же самое, любой элемент зашифрованного текста зависит от многих элементов незашифрованного текста.

Конфузия - это уничтожение статистической взаимосвязи между зашифрованным текстом и ключом.

Если Х - это исходное сообщение и K - криптографический ключ, то зашифрованный передаваемый текст можно записать в виде

Y = EK[X].

Получатель, используя тот же ключ, расшифровывает сообщение

X = DK[Y]

Противник, не имея доступа к K и Х, должен попытаться узнать Х, K или и то, и другое.

Алгоритмы симметричного шифрования различаются способом, которым обрабатывается исходный текст. Возможно шифрование блоками или шифрование потоком.

Блок текста рассматривается как неотрицательное целое число, либо как несколько независимых неотрицательных целых чисел. Длина блока всегда выбирается равной степени двойки. В большинстве блочных алгоритмов симметричного шифрования используются следующие типы операций:

• Табличная подстановка, при которой группа бит отображается в другую группу бит. Это так называемые S-box .
• Перемещение, с помощью которого биты сообщения переупорядочиваются.
• Операция сложения по модулю 2, обозначаемая XOR или
• Операция сложения по модулю 2³² или по модулю 2¹⁶.
• Циклический сдвиг на некоторое число бит.

Эти операции циклически повторяются в алгоритме, образуя так называемые раунды. Входом каждого раунда является выход предыдущего раунда и ключ, который получен по определенному алгоритму из ключа шифрования K. Ключ раунда называется подключом . Каждый алгоритм шифрования может быть представлен следующим образом:

Рис. 2.2. Структура алгоритма симметричного шифрования

Области применения

Стандартный алгоритм шифрования должен быть применим во многих приложениях:

• Шифрование данных. Алгоритм должен быть эффективен при шифровании файлов данных или большого потока данных.
• Создание случайных чисел. Алгоритм должен быть эффективен при создании определенного количества случайных бит.
• Хэширование. Алгоритм должен эффективно преобразовываться в одностороннюю хэш-функцию.

Платформы

Стандартный алгоритм шифрования должен быть реализован на различных платформах, которые, соответственно, предъявляют различные требования.

• Алгоритм должен эффективно реализовываться на специализированной аппаратуре, предназначенной для выполнения шифрования/дешифрования.
• Большие процессоры. Хотя для наиболее быстрых приложений всегда используется специальная аппаратура, программные реализации применяются чаще. Алгоритм должен допускать эффективную программную реализацию на 32-битных процессорах.
• Процессоры среднего размера. Алгоритм должен работать на микроконтроллерах и других процессорах среднего размера.
• Малые процессоры. Должна существовать возможность реализации алгоритма на смарт-картах, пусть даже с учетом жестких ограничений на используемую память.

Дополнительные требования

Алгоритм шифрования должен, по возможности, удовлетворять некоторым дополнительным требованиям.

• Алгоритм должен быть простым для написания кода, чтобы минимизировать вероятность программных ошибок.
• Алгоритм должен иметь плоское пространство ключей и допускать любую случайную строку бит нужной длины в качестве возможного ключа. Наличие слабых ключей нежелательно.
• Алгоритм должен легко модифицироваться для различных уровней безопасности и удовлетворять как минимальным, так и максимальным требованиям.
• Все операции с данными должны осуществляться над блоками, кратными байту или 32-битному слову.