Реферат: по дисциплине «Информационная безопасность» Тема: «Стандарты для алгоритмов симметричного шифрования»

Федеральное агентство по образованию РФ

Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП)

Северный филиал

Реферат по дисциплине

«Информационная безопасность»

Тема: « Стандарты для алгоритмов симметричного шифрования»

Великий Новгород

Алгоритм ГОСТ 28147

Алгоритм ГОСТ 28147 является отечественным стандартом для алгоритмов симметричного шифрования. ГОСТ 28147 разработан в 1989 году, является блочным алгоритмом шифрования, длина блока равна 64 битам, длина ключа равна 256 битам, количество раундов равно 32. Алгоритм представляет собой классическую сеть Фейштеля.

Функция F проста. Сначала правая половина и i-ый подключ складываются по модулю 2³² . Затем результат разбивается на восемь 4-битовых значений, каждое из которых подается на вход S-box. ГОСТ 28147 использует восемь различных S-boxes, каждый из которых имеет 4-битовый вход и 4-битовый выход. Выходы всех S-boxes объединяются в 32-битное слово, которое затем циклически сдвигается на 11 битов влево. Наконец, с помощью XOR результат объединяется с левой половиной, в результате чего получается новая правая половина.

Рис. 3.7. I-ый раунд ГОСТ 28147

Генерация ключей проста. 256-битный ключ разбивается на восемь 32-битных подключей. Алгоритм имеет 32 раунда, поэтому каждый подключ используется в четырех раундах по следующей схеме:

Считается, что стойкость алгоритма ГОСТ 28147 во многом определяется структурой S-boxes. Долгое время структура S-boxes в открытой печати не публиковалась. В настоящее время известны S-boxes, которые используются в приложениях Центрального Банка РФ и считаются достаточно сильными. Напомню, что входом и выходом S-box являются 4-битные числа, поэтому каждый S-box может быть представлен в виде строки чисел от 0 до 15, расположенных в некотором порядке. Тогда порядковый номер числа будет являться входным значением S-box, а само число - выходным значением S-box.

Основные различия между DES и ГОСТ 28147 следующие:

• DES использует гораздо более сложную процедуру создания подключей, чем ГОСТ 28147. В ГОСТ эта процедура очень проста.
• В DES применяется 56-битный ключ, а в ГОСТ 28147 - 256-битный. При выборе сильных S-boxes ГОСТ 28147 считается очень стойким.
• У S-boxes DES 6-битовые входы и 4-битовые выходы, а у S-boxes ГОСТ 28147 4-битовые входы и выходы. В обоих алгоритмах используется по восемь S-boxes, но размер S-box ГОСТ 28147 существенно меньше размера S-box DES.
• В DES применяются нерегулярные перестановки Р, в ГОСТ 28147 используется 11-битный циклический сдвиг влево. Перестановка DES увеличивает лавинный эффект. В ГОСТ 28147 изменение одного входного бита влияет на один S-box одного раунда, который затем влияет на два S-boxes следующего раунда, три S-boxes следующего и т.д. В ГОСТ 28147 требуется 8 раундов прежде, чем изменение одного входного бита повлияет на каждый бит результата; DES для этого нужно только 5 раундов.
• В DES 16 раундов, в ГОСТ 28147 - 32 раунда, что делает его более стойким к дифференциальному и линейному криптоанализу.

Алгоритм Blowfish

Blowfish является сетью Фейштеля, у которой количество итераций равно 16. Длина блока равна 64 битам, ключ может иметь любую длину в пределах 448 бит. Хотя перед началом любого шифрования выполняется сложная фаза инициализации, само шифрование данных выполняется достаточно быстро.

Алгоритм предназначен в основном для приложений, в которых ключ меняется нечасто, к тому же существует фаза начального рукопожатия, во время которой происходит аутентификация сторон и согласование общих параметров и секретов. Классическим примером подобных приложений является сетевое взаимодействие. При реализации на 32-битных микропроцессорах с большим кэшем данных Blowfish значительно быстрее DES.

Алгоритм состоит из двух частей: расширение ключа и шифрование данных. Расширение ключа преобразует ключ длиной, по крайней мере, 448 бит в несколько массивов подключей общей длиной 4168 байт.

В основе алгоритма лежит сеть Фейштеля с 16 итерациями. Каждая итерация состоит из перестановки, зависящей от ключа, и подстановки, зависящей от ключа и данных. Операциями являются XOR и сложение 32-битных слов.

Blowfish использует большое количество подключей. Эти ключи должны быть вычислены заранее, до начала любого шифрования или дешифрования данных. Элементы алгоритма:

1. Р - массив, состоящий из восемнадцати 32-битных подключей:

1. Четыре 32-битных S-boxes c 256 входами каждый. Первый индекс означает номер S-box, второй индекс - номер входа.

Метод, используемый для вычисления этих подключей, будет описан ниже.

Шифрование

Входом является 64-битный элемент данных X, который делится на две 32-битные половины, X_l и X_r .

Функция F

Разделить X_l на четыре 8-битных элемента A, B, C, D.

F (X_l ) = ((S_{1, А} + S_2,B mod 2³² ) XOR S_3,C ) + S_4,D mod 2³²

Дешифрование отличается от шифрования тем, что P_i используются в обратном порядке.

Генерация подключей

Подключи вычисляются с использованием самого алгоритма Blowfish.

1. Инициализировать первый Р-массив и четыре S-boxes фиксированной строкой.
2. Выполнить операцию XOR P₁ с первыми 32 битами ключа, операцию XOR P₂ со вторыми 32 битами ключа и т.д. Повторять цикл до тех пор, пока весь Р-массив не будет побитово сложен со всеми битами ключа. Для коротких ключей выполняется конкатенация ключа с самим собой.
3. Зашифровать нулевую строку алгоритмом Blowfish, используя подключи, описанные в пунктах (1) и (2).
4. Заменить Р₁ и Р₂ выходом, полученным на шаге (3).
5. Зашифровать выход шага (3), используя алгоритм Blowfish с модифицированными подключами.
6. Заменить Р₃ и Р₄ выходом, полученным на шаге (5).
7. Продолжить процесс, заменяя все элементы Р-массива, а затем все четыре S-boxes, выходами соответствующим образом модифицированного алгоритма Blowfish.

Для создания всех подключей требуется 521 итерация.

Алгоритм IDEA

IDEA (International Data Encryption Algorithm) является блочным симметричным алгоритмом шифрования, разработанным Сюдзя Лай (Xuejia Lai) и Джеймсом Массей (James Massey) из швейцарского федерального института технологий. Первоначальная версия была опубликована в 1990 году. Пересмотренная версия алгоритма, усиленная средствами защиты от дифференциальных криптографических атак, была представлена в 1991 году и подробно описана в 1992 году.

IDEA является одним из нескольких симметричных криптографических алгоритмов, которыми первоначально предполагалось заменить DES.

Принципы разработки

IDEA является блочным алгоритмом, который использует 128-битовый ключ для шифрования данных блоками по 64 бита.

Целью разработки IDEA было создание относительно стойкого криптографического алгоритма с достаточно простой реализацией.

Криптографическая стойкость

Следующие характеристики IDEA характеризуют его криптографическую стойкость:

1. Длина блока : длина блока должна быть достаточной, чтобы скрыть все статистические характеристики исходного сообщения. С другой стороны, сложность реализации криптографической функции возрастает экспоненциально в соответствии с размером блока. Использование блока размером в 64 бита в 90-е годы означало достаточную силу. Более того, использование режима шифрования СВС говорит о дальнейшем усилении этого аспекта алгоритма.
2. Длина ключа : длина ключа должна быть достаточно большой для того, чтобы предотвратить возможность простого перебора ключа. При длине ключа 128 бит IDEA считается достаточно безопасным.
3. Конфузия : зашифрованный текст должен зависеть от ключа сложным и запутанным способом.
4. Диффузия : каждый бит незашифрованного текста должен влиять на каждый бит зашифрованного текста. Распространение одного незашифрованного бита на большое количество зашифрованных битов скрывает статистическую структуру незашифрованного текста. Определить, как статистические характеристики зашифрованного текста зависят от статистических характеристик незашифрованного текста, должно быть непросто. IDEA с этой точки зрения является очень эффективным алгоритмом.

В IDEA два последних пункта выполняются с помощью трех операций. Это отличает его от DES, где все постороено на использовании операции XOR и маленьких нелинейных S-boxes.

Каждая операция выполняется над двумя 16-битными входами и создает один 16-битный выход. Этими операциями являются:

1. Побитовое исключающее OR, обозначаемое как .
2. Сумма целых по модулю 2¹⁶ (по модулю 65536), при этом входы и выходы трактуются как беззнаковые 16-битные целые. Эту операцию обозначим как +.
3. Умножение целых по модулю 2¹⁶ + 1 (по модулю 65537), при этом входы и выходы трактуются как беззнаковые 16-битные целые, за исключением того, что блок из одних нулей трактуется как 2¹⁶ . Эту операцию обозначим как •.

Эти три операции являются несовместимыми в том смысле, что:

1. Не существует пары из трех операций, удовлетворяющих дистрибутивному закону. Например

a • (b + c) <> (a • b) + (a • c)

1. Не существует пары из трех операций, удовлетворяющих ассоциативному закону. Например

Использование комбинации из этих трех операций обеспечивает комплексную трансформацию входа, делая криптоанализ более трудным, чем в таком алгоритме как DES, основанном исключительно на функции XOR.

Шифрование

Рассмотрим общую схему шифрования IDEA. Как и в любом алгоритме шифрования, здесь существует два входа: незашифрованный блок и ключ. В данном случае незашифрованный блок имеет длину 64 бита, ключ имеет длину 128 бит.

Алгоритм IDEA состоит из восьми раундов, за которыми следует заключительное преобразование. Алгоритм разделяет блок на четыре 16-битных подблока. Каждый раунд получает на входе четыре 16-битных подблока и создает четыре 16-битных выходных подблока. Заключительное преобразование также получает на входе четыре 16-битных подблока и создает четыре 16-битных подблока. Каждый раунд использует шесть 16-битных ключей, заключительное преобразование использует четыре подключа, т.е. всего в алгоритме используется 52 подключа.

Рис. 3.1. Алгоритм IDEA

Последовательность преобразований отдельного раунда

Рассмотрим последовательность преобразований отдельного раунда.

Одним из основных элементов алгоритма, обеспечивающих диффузию, является структура, называемая МА (умножение/сложение):

Рис. 3.2. Структура МА (умножение/сложение)

На вход этой структуре подаются два 16-битных значения и два 16-битных подключа, на выходе создаются два 16-битных значения. Исчерпывающая компьютерная проверка показывает, что каждый бит выхода этой структуры зависит от каждого бита входов незашифрованного блока и от каждого бита подключей. Данная структура повторяется в алгоритме восемь раз, обеспечивая высокоэффективную диффузию.

Раунд начинается с преобразования, которое комбинирует четыре входных подблока с четырьмя подключами, используя операции сложения и умножения. Четыре выходных блока этого преобразования комбинируются, используя операцию XOR для формирования двух 16-битных блоков, которые являются входами МА структуры. Кроме того, МА структура имеет на входе еще два подключа и создает два 16-битных выхода.

Рис. 3.3. I-ый раунд IDEA

В заключении четыре выходных подблока первого преобразования комбинируются с двумя выходными подблоками МА структуры, используя XOR для создания четырех выходных подблоков данной итерации. Заметим, что два выхода, которые частично создаются вторым и третьим входами (Х₂ и Х₃ ), меняются местами для создания второго и третьего выходов (W₁₂ и W₁₃ ). Это увеличивает перемешивание битов и делает алгоритм более стойким для дифференциального криптоанализа.

Рассмотрим девятый раунд алгоритма, обозначенный как заключительное преобразование. Это та же структура, что была описана выше. Единственная разница состоит в том, что второй и третий входы меняются местами. Это сделано для того, чтобы дешифрование имело ту же структуру, что и шифрование. Заметим, что девятая стадия требует только четыре входных подключа, в то время как для первых восьми стадий для каждой из них необходимо шесть входных подключей.

Рис. 3.4. Заключительное преобразование

Создание подключей

Пятьдесят два 16-битных подключа создаются из 128-битного ключа шифрования следующим образом. Первые восемь подключей, которые обозначим как Z₁ , Z₂ , ..., Z₈ , получаются непосредственно из ключа, при этом Z₁ равен первым 16 битам, Z₂ равен следующим 16 битам и т.д. Затем происходит циклический сдвиг ключа влево на 25 битов, и создаются следующие восемь подключей. Эта поцедура повторяется до тех пор, пока не будут созданы все 52 подключа.

Заметим, что каждый первый подключ раунда получен из своего подмножества битов ключа. Если весь ключ обозначить как Z _[1..128] , то первыми ключами в восьми раундах будут:

Хотя на каждом раунде за исключением первого и восьмого используются только 96 битов подключа, множество битов ключа на каждой итерации не пересекаются, и не существует отношения простого сдвига между подключами разных раундов. Это происходит потому, что на каждом раунде используется только шесть подключей, в то время как при каждой ротации ключа получается восемь подключей.