Метод дифференциального криптоанализа

 

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    

В ответ на описанные выше вскрытия разработчики LOKI вернулись за чертежную доску и пересмотрели свой алгоритм. В результате появился алгоритм LOKI91. (Предыдущая версия LOKI была переименована в LOKI89).

Чтобы повысить устойчивость алгоритма к дифференциальному криптоанализу и избавиться от комплементарности, в исходный проект были внесены следующие изменения:

1. Алгоритм генерации подключей модифицирован с тем, чтобы половины переставлялись не после каждого, а после каждого второго раунда.
2. Алгоритм генерации подключей модифицирован так, что число позиций циклического сдвига левого подключа составляло то 12, то 13 битов.
3. Исключены начальная и заключительная операции XOR с блоком и ключом.
4. Изменена функция S-блока с целью сгладить профили XOR S-блоков (чтобы повысить их устойчивость к дифференциальному криптоанализу), и исключить все значения х, для которых f(x) = 0, где f - комбинация Е-, S- и Р-блоков.

 

Алгоритм LOKI не запатентован - реализовать и использовать LOKI может кто угодно.

 

3.4.2. Описание алгоритма LOKI91

Механизм алгоритма LOKI91 подобен DES (Рис. 2). Блок данных расщепляется на левую и правую половины и проходит 16 раундов, что весьма напоминает DES. В каждом раунде правая половина сначала подвергается операции XOR с частью ключа, а затем расширяющей перестановке (Табл. 3).

 

Рис. 2. Алгоритм LOKI91

Таблица 3. Перестановка с расширением

4,	3,	2,	1,	32,	31,	30,	29,	28,	27,	26,	25,
28,	27,	26,	25,	24,	23,	22,	21,	20,	19,	18,	17,
20,	19,	18,	17,	16,	15,	14,	13,	12,	11,	10,	9,
12,	11,	10,	9,	8,	7,	6,	5,	4,	3,	2,	1

 

48-битовый выход разделяется  на четыре 12-битовых блока. В  каждом блоке выполняется такая  подстановка с использованием  S-блока: берется каждый 12-битовый вход, 2 старших и 2 младших бита используются для образования номера r, а восемь внутренних битов образуют номер с. Выход S-блока, О, имеет следующее значение:

О(r,с) = (с + ((r*17) Å 0xff) & 0xff)³¹ mod P_r

 

Таблица 4. Значения P_r

r	1,	2,	3,	4,	5,	6,	7,	8,	9,	10,	11,	12,	13,	14,	15,	16
Pr	375,	379,	391,	395,	397,	415,	419,	425,	433,	445,	451,	463,	471,	477,	487,	499

 

Затем четыре 8-битовых результата снова объединяются, образуя 32-битовое число, которое подвергается операции перестановки, описанной в табл. 3. Наконец, для получения новой левой половины выполняется операция XOR правой половины с прежней левой половиной, а левая половина становится новой правой половиной. После 16 раундов для получения окончательного шифртекста снова выполняется операция XOR над блоком и ключом.

 

Таблица 5. Перестановка с помощью Р-блока

32,	24,	16,	8,	31,	23,	15,	7,	30,	22,	14,	6,	29,	21,	13,	5,
28,	20,	12,	4,	27,	19,	11,	3,	26,	18,	10,	2,	25,	17,	9,	1

 

Подключи генерируются из ключа  достаточно прямолинейно. 64-битовый ключ разбивается на левую и правую половины. На каждом раунде подключом служит левая половина. Далее она циклически сдвигается влево на 12 или 1 3 битов, затем после каждых двух раундов левая и правая половины меняются местами. Как и в DES, для зашифрования и расшифрования используется один и тот же алгоритм с некоторыми изменениями в использовании подключей.

 

3.4.3. Криптоанализ алгоритма LOKI91

Кнудсен предпринял попытку  криптоанализа LOKI91, но нашел, что этот алгоритм устойчив к дифференциальному криптоанализу. Все же он обнаружил метод атаки на основе связанных ключей для подобранных открытых текстов, который упрощает лобовое вскрытие почти вчетверо. Это метод опирается на слабость схемы развертки ключей. Кроме того, этот метод пригоден и в том случае, когда алгоритм используется в качестве однонаправленной хэш-функции.

Другая атака со связанными ключами  позволяет вскрыть алгоритм LOKI91 с помощью 2³² подобранных открытых текстов для выбранных ключей или с помощью 2⁴⁸ известных открытых текстов для выбранных ключей. Эффективность атаки не зависит от числа раундов алгоритма. (В той же работе Бихам вскрывает LOKI89 криптоанализом со связанными ключами, используя 2¹⁷ подобранных открытых текстов для выбранных ключей или 2³³ известных открытых текстов для выбранных ключей). Усложнив схему развертки ключа, несложно повысить устойчивость LOKI91 к подобной атаке.

 

3.5. Алгоритмы Khufu и Khafre

В 1990 году Ральф Меркл (Ralph Merkle) предложил два алгоритма. В основу конструкции заложены следующие принципы:

• 56-битовый размер ключа DES слишком мал. Так как стоимость увеличения размера ключа пренебрежимо мала (компьютерная память недорога и доступна), длину ключа следует увеличить.
• Широкое использование в DES перестановок, хотя и удобно для аппаратных реализаций, чрезвычайно затрудняет программные реализации. Самые скоростные реализации DES выполняют перестановки с помощью таблиц подстановок. Таблицы подстановок могут обеспечить те же характеристики «рассеивания», что и собственно перестановки, и намного повысить гибкость реализации.
• S-блоки DES, содержащие всего 64 4-битовых элементов, слишком малы. Теперь, с увеличением объема памяти, должны возрасти и S-блоки. Более того, все восемь S-блоков в DES используются одновременно. Хотя это и удобнее для аппаратуры, для программной реализации это представляется ненужным ограничением. Должны быть реализованы больший размер S-блоков и последовательное (а не параллельное) их использование.
• Общепризнанно, что начальная и заключительная перестановки криптографически бессмысленны, а поэтому должны быть исключены.
• Все скоростные реализации DES заранее вычисляют ключи для каждого раунда. Отсюда, нет причин не сделать эти вычисления более сложными.
• В отличие от DES, критерии проектирования S-блоков должны быть общедоступны.

 

В настоящее время к этому  перечню Меркл, возможно, добавил  бы «устойчивость к дифференциальному  и линейному криптоанализу, ведь в то время эти методы вскрытия не были известны.

 

 

 

3.5.1 Алгоритм Khufu

Khufu - это 64-битовый блочный шифр. 64-битовый открытый тест сначала расщепляется на две 32-битовые половины, L и R. Над обеими половинами и определенными частями ключа выполняется операция XOR. Затем, аналогично DES, результаты проходят некоторую последовательность раундов. В каждом раунде младший значащий байт L используется как вход S-блока. У каждого S-блока 8 входных битов и 32 выходных бита. Далее выбранный в S-блоке 32-битовый элемент подвергается операции XOR с R. Затем L циклически сдвигается на число, кратное восьми битам, L и R меняются местами, и раунд завершается. Сам S-блок не статичен, он меняется каждые восемь раундов. Наконец, по окончании последнего раунда, над L и R выполняется операция XOR с другими частями ключа, и половины объединяются, образуя блок шифртекста.

Хотя части ключа  используются для операции XOR с блоком шифрования в начале и конце исполнения алгоритма, главное назначение ключа - генерация S-блоков. Эти S-блоки секретны, по существу, это часть ключа. Полный размер ключа алгоритма Khufu равен 512 бит (64 байт), алгоритм предоставляет способ генерации S-блоков по ключу. Вопрос о достаточном числе раундов остается открытым. Как указывает Меркл, 8-раундовый алгоритм Khufu уязвим к вскрытию с подобранным открытым текстом. Он рекомендует использовать 16, 24 или 32 раунда. (Меркл ограничивает количество раундов числами, кратными восьми).

Поскольку S-блоки Khufu зависят от ключа и секретны, алгоритм устойчив к дифференциальному криптоанализу. Известна дифференциальная атака на 16-раундовый Khufu, которая восстанавливает ключ с помощью 2³¹ подобранных открытых текстов, однако этот метод не удалось расширить на большее число раундов. Если принять, что лучший метод взлома Khufu - лобовое вскрытие, стойкость алгоритма впечатляет. 512-би-овый ключ обеспечивает сложность вскрытия 2⁵¹² - это огромное число в любом случае.

 

3.5.2. Алгоритм Khafre

Khafre - это вторая криптосистема, предложенная Мерклом. (Khufu (Хуфу) и Khafre (Хафр) - имена египетских фараонов). Конструкция этого алгоритма близка Khufu, однако он спроектирован для приложений, где невозможны предварительные вычисления. S-блоки не зависят от ключа. Вместо этого в Khafre используются фиксированные S-блоки. Блок шифрования подвергается операции XOR с ключом не только перед первым раундом и после последнего, но и после каждых восьми раундов шифрования.

Меркл предполагал, что  в алгоритме Khafre следует использовать 64- или 128-битовые ключи и что в этом алгоритме понадобится большее число раундов, чем в Khufu. Это, наряду с тем, что каждый раунд Khafre сложнее раунда Khufu, делает Khafre менее скоростным. Зато алгоритму Khafre не нужны никакие предварительные расчеты, что ускорит шифрование небольших порций данных.

В 1990 году Бихам и Шамир  применили свой метод дифференциального криптоанализа к алгоритму Khafre. Им удалось взломать 16-раундовый Khafre атакой с подобранным открытым текстом, используя около 1500 различных шифрований. На их персональном компьютере это заняло около часа. Преобразование этой атаки в атаку с известным открытым текстом потребует около 2³⁸ шифрований. Алгоритм Khafre с 24 раундами можно взломать с помощью атаки с подобранным открытым текстом за 2⁵³ шифрования, а с помощью атаки с известным открытым текстом – за 2⁵⁹ шифрования.

 

Алгоритмы Khufu и Khafre запатентованы. Исходный код этих алгоритмов приведен в патенте.

 

3.6. Алгоритм  ММВ

Недовольство использованием в  одном из криптоалгоритмов 64-битового блока шифрования привело к созданию Джоаной Дэймен алгоритма под названием ММВ (Modular Multiplication-based Block cipher - модулярный мультипликативный блочный шифр). В основе ММВ лежит смешивание операций различных алгебраических групп. ММВ - итеративный алгоритм, главным образом состоящий из линейных действий (XOR и использование ключа) и параллельного применения четырех крупных обратимых нелинейных подстановок. Эти подстановки определяются с помощью умножения по модулю 2³²-1 с постоянными множителями. В итоге появляется алгоритм, использующий 128-битовый ключ и 128-битовый блок.