Бакалаврська дипломна робота Шифр на основі перестановок байтів

11

1)Складання з раундовим ключем: 128-бітовий внутрішній стан складається по модулю 2 з 128-бітовим раундовим підключем;

2)Шар підстановки: тут внутрішній стан проходить через 16 таблиць підстановки. Є два види шарів підстановки: типу 1 і типу 2, які змінюються в залежності від раунду;

3)Шар дифузії, де проста двійкова матриця 16×16 множиться на стан, який обробляється як масив з 16 байт.

Структурна схема процесу зашифрування відображена на рисунку 1.2.

Plaintext

ek1

Substitution layer type 1

Diffusion layer A

ek2

Substitution layer type 2

Diffusion layer A

ek3

ekn-1

Substitution layer type 1

Diffusion layer A

ekn

Substitution layer type 2

ekn+1

Ciphertext

Рисунок 1.2 – Структурна схема процесу зашифрування

12

Розробником була заявлена гарантована стійкість до лінійного диференціального криптоаналізу і, в цілому, всім існуючим на момент розробки атакам. На даний момент існують атаки лише на скорочену 7-раундову версію шифру [9].

1.3.2 SAFER+

Шифр SAFER + обробляє дані 128-бітовим блоком і 128, 192 і 256-бітові ключі. Кількість раундів шифрування залежить від розміру ключа:

-8 раундів для 128-бітового ключа;

-12 раундів для 192-бітового ключа;

-16 раундів для 256-бітового ключа.

Алгоритм складається з наступних етапів:

1) Накладання ключа K2i-1: байти вхідного блоку, що розбивається на 16

частин по 1 байту, складаються з байтами ключа K2i-1, при чому використовується додавання за модулем 2 для байтів з номерами 1, 4, 5, 8, 9, 12, 13 і 16, і додавання за модулем 256 для байтів з номерами 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14 і 15.

2) Нелінійне перетворення: до байтів з номерами 1, 4, 5, 8, 9, 12, 13 і 16

застосовується операція 45 ( 257). До байтів з номерами 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14 і 15 застосовується операція 45( ). Результати дій цих операцій, як і для інших різновидів алгоритму SAFER, на практиці часто зберігають у спеціальних таблицях. В даному випадку для цього необхідно 512 байт.

3) Накладання ключа K2i: байти вхідного блоку складаються з байтами ключа

K2i але на відміну від п.1 операції додавання за модулем 2 і за модулем 256

міняються місцями.

4) Лінійне перетворення: множення 16-байтного блоку даних праворуч на спеціальну матрицю M (всі операції при цьому байтові і виконуються за модулем

256). Множення на цю матрицю еквівалентно чотирьом рівням перетворення PHT,

між якими виконуються деякі байтові перестановки.

13

Після проведення r раундів шифрування проводиться підмішування ключа

K2r+1, аналогічне підмішуванню ключів K2i-1.

Вище описаний алгоритм може бути застосований для вхідних ключів довжиною

128, 192 і 256 біт. Перший підключ K1 являє собою перші 16 байт вхідного ключа.

Генерація інших ключів виконується таким чином: спочатку вихідний ключ цілком записується в ключовий регістр довжиною на 1 байт довший за ключ. Всі байти ключа підсумовуються за модулем 2 порозрядно, результат записується в останній байт регістра. Для отримання кожного наступного ключа над вмістом регістра виконуються наступні операції:

1) Вміст байтів ключового регістра циклічно зсувається вліво на 3 позиції

(зсув відбувається всередині байтів окремо, а не цілого регістра);

2)З регістра вибираються 16 байт. При цьому для ключа Ki обираються байти регістра починаючи з i-го і далі по циклу;

3)Відібрані 16 байт додаються за модулем 256 з байтами слова зміщення Bi,

результат додавання і буде підключем Ki.

Слова зміщення Bi – це 16-байтні константи, які обчислюють за формулою:

Bi,j – j-й байт i-го слова зміщення.

Відомі атаки на алгоритм:

1)Атака на SAFER + з довжиною вхідного ключа 256. Для її здійснення необхідно знати всього 3 відкритих тексти і відповідних їм шифротексти, але при цьому потрібно провести 2240 тестових операцій шифрування. Зрозуміло, що таке колосальна кількість операцій робить атаку абсолютно непрактичною [10].

2)Атака на пов'язаних ключах, що вимагає близько 2200 тестових операцій шифрування. Також є нездійсненною з практичної точки зору [10].

3)Атака методами диференційного криптоаналізу по споживаємій потужності [11].

4)Атака на усічені версії SAFER +.

16

Даний шифр вважається дуже стійким і ніякі атаки не були знайдені в 2004 р

після того, як проект був завершений.

Отже, даний розділ дозволив провести огляд блокового шифрування та SP-

мереж, а також розглянути та порівняти відомі шифри на основі SP-мереж і можливі атаки на них.

17

2 РОЗРОБКА АЛГОРИТМУ ШИФРУВАННЯ

2.1 Загальний опис алгоритму

Алгоритм, представлений у даній роботі побудовано на основі двох основних операцій, що використовуються для зашифрування інформації: підстановок та перестановок. Послідовне виконання обох цих операцій є характерною ознакою блокових шифрів, при чому, сучасні блокові шифри, побудовані на основі мереж Фейстеля, SP-мереж і перетворень типу «квадрат» передбачають здійснення перестановки частин окремого блоку або перестановки блоків в межах невеликої групи [2]. Оскільки кількість можливих варіантів перестановок, що впливає на стійкість шифру, залежить від кількості елементів, що підлягають перестановці,

було вирішено реалізувати шифр, в якому перестановки будуть відбуватись у межах всього файлу.

Даний шифр приймає на вхід повідомлення розміром до 232 байт, і на виході отримується шифротекст такого ж розміру. Вхідне повідомлення M розглядається як послідовність байтів:

= 0, 1, … , −1,

де N – розмір повідомлення.

Зчитування відбувається по 1 байту за раз, оскільки перестановка у такому випадку реалізується найпростіше.

Для реалізації операцій підстановки формується гама G, що також являє собою послідовність байтів:

= 0, 1, … , −1

Довжина гами дорівнює розміру вхідного повідомлення.

Секретний ключ K складається з 4 частин k1, k2, k3, k4, розмірами 32, 4, 8 і 32

біт відповідно:

= 1, 2, 3, 4,

де k1 – початковий стан першого регістра зсуву з лінійним зворотнім зв’язком

(LFSR-1), k2 – ключ для що використовується для визначення початкових станів

18

лічильників та напрямів їх руху на етапі формування псевдовипадкових чисел, k3 –

ключ для формування гами, k4 – початковий стан LFSR-2.

Загальну структурну схему процесу зашифрування відображено на рисунку

2.1.

Запис у природньому порядку

Рисунок 2.1 – Схема процесу зашифрування даних

Алгоритм складається з таких етапів:

1.Формування проміжного масиву S довжина якого дорівнює довжині файлу.

2.Зчитування байту файлу у природному порядку.

3.Формування гами:

0 = 3

= (−1 + ) 256

4. Додавання гами до зчитаного байту:

( + ) 256

19

5.Записування в масив у псевдовипадковому порядку з використанням секретного ключа k1.

6.Кроки 2-5 виконуються послідовно і циклічно N разів, де N – довжина вхідного повідомлення у байтах.

7.Формування масиву R довжиною N, у який буде записуватись шифротекст.

8.Зчитування байту з масиву R у псевдовипадковому порядку з використанням секретного ключа k2.

9.Записування в масив у природньому порядку.

Кроки 8-9 виконуються послідовно і циклічно N разів.

Розшифрування даних відбувається у зворотному порядку, як показано на

рис. 2.2.

Файл зашифрованих даних