Другие блочные шифры

LUCIFER

В конце 60-х IBM начала выполнение исследовательской программы по компьютерной криптографии, назыанной Люцифером (Lucifer) и руководимой сначала Хорстом Фейстелем (Horst Feistel), а затем Уолтом Тачменом (Walt Tuchman). Это же название - Lucifer - получил блочный алгоритм, появившийся в результате этой программыв начале 70-х [1482, 1484]. В действительности существует по меньшей мере два различных алгоритма с таким именем [552, 1492]. [552] содержит ряд пробелов в спецификации алгоритма. Все это привело к заметной путанице.

Lucifer - это набор перестановок и подстановок, его блоки похожи на блоки DES. В DES результат функции f объединяется с помощью XOR со входом предыдущего этапа, образуя вход следующего этапа. У S-блоков алгоритма Lucifer 4-битовые входы и 4-битовые выходы, вход S-блоков представляет собой перетасованный выход S_блоков предыдущего этапа, входом S-блоков первого этапа является открытый текст. Для выбора используемого S-блока из двух возможных применяется бит ключа. (Lucifer реализует это, как один T-блок с 9 битами на входе и 8 битами на выходе.) В отличие от DES половины блока между этапами не переставляются и вообще понятие половины блока не используется в алгоритме Lucifer. У этого алгоритма 16 этапов, 128-битовые блоки и более простое, чем в DES, распределение ключей.

Применив дифференциальный криптоанализ к первой реализации Lucifer'а, Бихам и Шамир [170, 172] показали, что Lucifer с 32-битовыми блоками и 8 этапами может быть взломан с помощью 40 выбранных открытых текстов за 2³⁹ шагов, тот же способ позволит вскрыть Lucifer с 128-битовыми блоками и 8 этапами с помощью 60 выбранных открытых текстов за 2⁵³ шагов. 18-этапный, 128-битовый Lucifer вскрывается дифференциальным криптоанализом с помощью 24 выбранных открытых текстов за 2²¹ шагов. Все эти вскрытия использовали сильные S‑блоки DES. Применив дифференциальный криптоанализ против второй реализации Lucifer, Бихам и Шамир обнаружили, что S-блоки намного слабее, чем в DES. Дальнейший анализ показал, что более половины возможных ключей не являются безопасными [112]. Криптоанализ со связанными ключами может взломать 128-битовый Lucifer с любым числом этапов с помощью 2³³ выбранных открытых текстов для выбранных ключей или 2⁶⁵ известных открытых текстов для выбранных ключей [158]. Вторая реализация Lucifer еще слабее [170, 172, 112].

Некоторые думают, что Lucifer безопаснее, чем DES, из-за большей длины ключа и малого количества опубликованных сведений. Но очевидно, что это не так.

Lucifer является объектом нескольких патентов США: [553, 554, 555, 1483]. Сроки действия всех этих патентов истекли.

MADRYGA

В.Е. Мадрига (W. E. Madryga) предложил этот блочный алгоритм в 1984 году [999]. Он может быть эффективно реализован как программа: в нем нет надоедливых перестановок, и все операции выполняются над байтами. Стоит перечислить задачи, которые решал автор при проектировании алгоритма:

1. Открытый текст нельзя получить из шифротекста без помощи ключа. (Это означает только то, что алгоритм безопасен.)

2. Количество операций, нужное для определения ключа по имеющимся шифротексту и открытому тексту, должно быть статистически равно произведению количества операций при шифровании на число возможных ключей. (Это означает, что никакое вскрытие с открытым текстом не может быть лучше, чем вскрытие грубой силой.)

3. Известность алгоритма не влияет на силу шифра. (Безопасность полностью определяется ключом.)

4. Изменение одного бита ключа должно вызывать для того же открытого текста радикальное изменение шифротекста, и Изменение одного бита открытого текста должно вызывать для того же ключа радикальное изменение шифротекста. (Это лавинный эффект.)

5. Алгоритм должен содержать некоммутативную комбинацию подстановок и перестановок.

6. Подстановки и перестановки, используемые в алгоритме, должны определяться и входными данными, и ключом.

7. Избыточные группы битов открытого текста должны быть полностью замаскированы в шифротексте.

8. Длина шифротекста должна равняться длине открытого текста.

9. Не должно быть простых взаимосвязей между любыми возможными ключами и особенностями шифротекста.

10. Все возможные ключи должны давать сильный шифр. (Не должно быть слабых ключей.)

11. Длина ключа и текста могут регулироваться для реализации различных требований к безопасности.

12. Алгоритм должен позволять эффективную программную реализацию на больших мэйнфреймах, миникомпьютерах, микрокомпьютерах и с помощью дискретной логики. (По сути используемые в алгоритме функции ограничены XOR и битовым сдвигом.)

DES удовлетворял первым девяти требованиям, но последние три были новыми. В предположении, что лучшим способом вскрытия алгоритма является грубая сила, переменная длина ключа, конечно же, заставит замолчать тех, кто считает, что 56 битов - это слишком мало. Такие люди могут реализовать этот алгоритм с любой нужной им длиной ключа. А любой, кто когда-нибудь пытался реализовать DES программно, обрадуется алгоритму, который учитывает возможности программных реализаций.

Описание Madryga

Madryga состоит из двух вложенных циклов. Внешний цикл повторяется восемь раз (но это количество может быть увеличено для повышения) и содержит применение внутреннего цикла к открытому тексту. Внутренний цикл превращает открытый текст в шифротекст, повторяясь для каждого 8-битового блока (байта) открытого текста. Следовательно, весь открытый текст восемь раз последовательно обрабатывается алгоритмом.

Итерация внутреннего цикла оперирует с 3-байтовым окном данных, называемым рабочим кадром (см. Рис. 13-1). Это окно смещается на 1 байт за итерацию. (При работе с последними 2 байтами данные считаются циклически замкнутыми.) Первые два байта рабочего кадра циклически сдвигаются на переменное число позиций, а для последнего байта выполняется XOR с некоторыми битами ключа. По мере продвижения рабочего кадра все байты последовательно "вращаются" и подвергаются операции XOR с частями ключа. Последовательные вращения перемешивают результаты предыдущих операций XOR и вращения, а результат XOR влияет на вращение. Это делает весь процесс обратимым.

Рис. 13-1. Одна итерация Madryga.

Так как каждый байт данных влияет на два байта слева от себя и на один байт справа, после восьми проходов каждый байт шифротекста зависит от 16 байтов слева и от восьми байтов справа.

При шифровании каждая итерация внутреннего цикла устанавливает рабочий кадр на предпоследний байт открытого текста и циклически перемещает его к байту открытого текста, третьему слева от последнего. Сначала весь ключ подвергается операции XOR со случайной константой и затем циклически смещается влево на 3 бита. Младшие три бита младшего байта рабочего кадра сохраняются, они определяют вращение остальных двух байтов. Затем для младшего байта рабочего кадра выполняется операция XOR с младшим байтом ключа. Далее объединение двух старших байтов циклически смещается влево на переменное число битов (от 0 до 7). Наконец рабочий кадр смещается вправо на один байт и весь процесс повторяется.

Смысл случайной константы в том, чтобы превратить ключ в псевдослучайную последовательность. Длина константы должна быть равна длине ключа. При обмене данными абоненты должны пользоваться константой одинаковой длины. Для 64-битового ключа Мадрига рекомендует константу 0x0f1e2d3c4b5a6978.

При дешифрировании процесс инвертируется. При каждой итерации внутреннего цикла рабочий кадр устанавливается на байт, третий слева от последнего байта шифротекста, и циклически перемещается в обратном направлении до байта, который находится на 2 байта левее последнего байта шифротекста. И ключ, и 2 байта шифротекста в процессе циклически смещаются направо, а XOR выполняется перед циклическими сдвигами.