Режимы тройного шифрования

Недостаточно просто определить тройное шифрование, нужно выбрать один из способов его использования. Решение зависит от требуемых безопасности и эффективности. Вот два возможных режима тройного шифрования:

Внутренний CBC: Файл три раза шифруется в режиме CBC (см. Рис. 15-1a). Для этого нужно три различных IV.

C₀, S₀ и T₀ являются IV.

Внешний CBC:Файл троекратно шифруется в режиме CBC (см. Рис. 15-1b). Для этого нужен один IV.

Рис. 15-1. Тройное шифрование в режиме CBC.

Для обоих режимов нужно больше ресурсов, чем для однократного шифрования: больше аппаратуры или больше времени. Однако при трех шифрующих микросхемах производительность внутреннего CBC не меньше, чем при однократном шифровании. Так как три шифрования CBC независимы, три микросхемы могут быть загружены постоянно, подавая свой выход себе на вход.

Напротив во внешнем CBC обратная связь находится снаружи по отношению к трем шифрованиям. Это означает, что даже с тремя микросхемами производительность будет равна только одной трети производительности при однократном шифровании. Чтобы получить ту же производительность для внешнего CBC, потребуется чередование IV (см. раздел 9.12):

В этом случае C₀, C_-1 и C_-2 являются IV. Это не поможет при программной реализации, разве только при использовании параллельного компьютера.

К сожалению менее сложный режим является также и менее безопасным. Бихам проанализировал различные режимы по отношению к дифференциальному криптоанализу и обнаружил, что безопасность внутреннего CBC по сравнению с однократным шифрованием увеличивается незначительно. Если рассматривать тройное шифрование как единый большой алгоритм, то внутренние обратные связи позволяют вводить внешнюю и известную информацию внутрь алгоритма, что облегчает криптоанализ. Для дифференциальных вскрытий нужно огромное количество выбранных шифротекстов, что делает эти вскрытия не слишком практичными, но этих результатов должно хватить, чтобы насторожить параноидальных пользователей. Анализ устойчивости алгоритмов к вскрытиям грубой силой и "встречей посередине" показал, что оба варианта одинаково безопасны [806].

Кроме этих существуют и другие режимы. Можно зашифровать файл один раз в режиме ECB, затем дважды в CBC, или один раз в CBC, один в ECB и еще раз в CBC, или дважды в CBC и один раз в ECB. Бихам показал, что эти варианты не безопаснее, чем однократный DES, против вскрытия дифференциальным криптоанализом с выбранным открытым текстом [162]. Он не оставил больших надежд и для других вариантов. Если вы собираетесь применять тройное шифрование, используйте внешнюю обратную связь.

Варианты тройного шифрования

Прежде, чем появились доказательства того, что DES не образует группу, для многократного шифрования предлагались различные схемы. Одним из способов обеспечить то, что тройное шифрование не выродится в однократное, было изменение эффективной дины блока. Простым методом является добавление бита-заполнителя. Между первым и вторым, а также между вторым и третьим шифрованиями текст дополняется строкой случайных битов (см. Рис. 15.2). Если PP- это функция дополнения, то:

Это дополнение не только разрушает шаблоны, но также обеспечивает перекрытие блоков шифрования, как кирпичей в стене. К длине сообщения добавляется только один блок.

Рис. 15-2. Тройное шифрование с заполнением.

Другой метод, предложенный Карлом Эллисоном (Carl Ellison), использует некоторую функцию независимой от ключа перестановки между тремя шифрованиями. Перестановка должна работать с большими блоками - 8 Кбайт или около этого, что делает эффективный размер бока для этого варианта равным 8 Кбайтам. При условии, что перестановка выполняется быстро, этот вариант ненамного медленнее, чем базовое тройное шифрование.

Tсобирает входные блоки (до 8 Кбайт в длину) и использует генератор псевдослучайных чисел для их перемешивания. Изменение одного бита входа приводит к изменению 8 байтов результата первого шифрования, к изменению до 64 байтов результата второго шифрования и к изменению до 512 байтов результата третьего шифрования. Если каждый блочный алгоритм работает в режиме CBC, как было первоначально предложено, то изменение единичного бита входа скорее всего приведет к изменению всего 8-килобайтового блока, даже если этот блок не является первым.

Самый последний вариант этой схемы отвечает на вскрытие внутреннего CBC, выполненное Бихамом, добавлением процедуры отбеливания, чтобы замаскировать структуру открытых текстов. Эта процедура представляет собой потоковую операцию XOR с криптографически безопасным генератором псевдослучайных чисел и ниже обозначена как R. T мешает криптоаналитику определить a priori, какой ключ используется для шифрования любого заданного байта входа последнего шифрования. Второе шифрование обозначено nE(шифрование с циклическим использованием nразличных ключей):

Все шифрования выполняются в режиме ECB, используется не меньше n+2 ключей шифрования и криптографически безопасный генератор псевдослучайных чисел.

Эта схема была предложена для использования вместе с DES, но она работает с любым блочным алгоритмом. Результаты криптоанализа такой схемы мне неизвестны.