Симетричні криптоалгоритми des, аes

DES

Одним з найвідоміших криптостандартів є стандарт DES (Data Eucryption Standard). У 80-х роках він був прийнятий у США як федеральний стандарт симетричного криптоалгоритму для внутрішнього застосування і опублікований.

Цей алгоритм був розроблений фірмою ІВМ і належить до шифрів збивання (перестановка плюс логічні операції). В ньому застосовується 64-бітний ключ. На сьогоднішній день цей алгоритм уже не задовольняє сучасні вимоги до криптографічних алгоритмів. Так, у ньому використовується недостатня величина ключа (перебір — 7×10¹⁶ операцій), а також однакові зашифровані дані мають однаковий вигляд.

На сьогодні DES і його версія Trіple DES (TDEA — Triple Data Encryption Algorithm) застосовуються в багатьох комерційних продуктах.

Розвитком DES є метод IDEA (Improved Proposed Encryption Standard) — покращений стандарт шифрування, розроблений Джеймсом Мессі 1990 року, в якому використовується 128-біт­ний ключ.

AES

1997 року Американський інститут стандартизації (NІST) оголосив конкурс на новий стандарт симетричного криптоалгоритму. Конкурс отримав назву Advanced Encryptіon Standard (AES). У ньому взяли участь найбільші криптологічні центри світу. Переможцем став алгоритм шифрування Rіjndael, розроблений бельгійськими криптологами, який у 2001 році був затверджений як офіційний стандарт.

В AES специфіковано довжину вхідного блока даних — 128 біт (кількість стовпців масиву State — Nb = 4). Ключ може бути довжиною 128, 192 або 256 біт (кількість стовпців масиву Cipher Nk = 4, 6 або 8).

На рис. 2 подано псевдокод для шифрування за алгоритмом Rіjndael.

Cipher (byte in [4*Nb], byte out [4*Nb], word w [Nb*(Nr+1)]) begin byte state [4, Hb] state = in AddRoundKey (state, w[0, Nb–1]) for round = 1 step 1 to Nr–1 SubBytes (state) ShiftRows (state) MixColumns (state) AddRoundKey (state, w[round*Nb, (round+1) *Nb–l]) end for SubBytes(state) ShiftRows; (state) AddRoundKey (state, w[Nr*Nb, (Nr+3)*Mb–l]) out = state end

Рис. 2. Шифрування за алгоритмом Rіjndael

На початку шифрування (розшифровування) вхідний блок даних (In) переписується в масив State (рис. 3) за такими правилами:

S[r,c] = In[r+4c],

де 0  r < 4, 0  c < Nb.

Після закінчення шифрування (розшифровування) масив State переписується у вихідний масив Out (див. рис. 16.1) за такими правилами:

Out[r+4c] = S[r,c],

де 0  r < 4, 0  c < Nb.

Рис. 3. Вхідний, робочий та вихідний масиви

Усі кроки алгоритму повторюються кілька разів (раундів). Кількість раундів залежить від довжини ключа і може бути відповідно Nr = 10, 12 або 14.

Кожний раунд (як для зашифровування, так і розшифровування інформації) містить функцію, що складається з чотирьох байт-орієнтованих трансформацій — SubBytes(), ShіftRows(), MіxColumns(), AddRoundKey().

1. SubBytes() — таблична підстановка — операції здійснюються з кожним байтом таблиці State з використанням матриці S-Box (рис. 4, 5).

Рис. 4. Трансформація SubBytes()

		y
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	e	f
x	0	63	7c	77	7b	f2	6b	6f	c5	30	01	67	2b	fe	d7	ab	76
	1	ca	82	c9	7d	fa	59	47	f0	ad	d4	a2	af	9c	a4	72	c0
	2	b7	fd	93	26	36	3f	f7	cc	34	a5	e5	f1	71	d8	31	15
	3	04	c7	23	c3	18	96	05	9a	07	12	80	e2	eb	27	b2	75
	4	09	83	2c	la	1b	6e	5a	a0	52	3b	d6	b3	29	e3	2f	84
	5	53	d1	00	ed	20	fc	b1	5b	6a	cb	be	39	4a	4c	58	cf
	6	d0	ef	aa	fb	43	4d	33	85	45	f9	02	7f	50	3c	9f	a8
	7	51	a3	40	8f	92	9d	38	f5	bc	b6	da	21	10	ff	f3	d2
	8	cd	0c	13	ec	5f	97	44	17	c4	a7	7e	3d	64	5d	19	73
	9	60	81	4f	dc	22	2a	90	88	46	ee	b8	14	de	5e	0b	db
	a	e0	32	3a	0a	49	06	24	5c	c2	d3	ac	62	91	95	e4	79
	b	e7	c8	37	6d	8d	d5	4e	a9	6c	56	f4	ea	65	7a	ae	08
	c	ba	78	25	26	1c	a6	b4	c6	e8	dd	74	1f	4b	bd	8b	8a
	d	70	3e	b5	66	48	03	f6	0e	61	35	57	b9	86	c1	1d	9e
	e	el	f8	98	11	69	d9	8e	94	9b	1e	87	e9	ce	55	28	df
	f	8c	a1	89	0d	bf	e6	42	68	41	99	2d	0f	b0	54	bb	16

Рис. 5. Матриця S-Box

Наприклад, якщо s_1,1 = {53}, то в рядку з індексом 5 і стовпці з індексом 3 знаходиться значення «ed», отже, s'_1,1 = {ed}.

2. ShіftRows() — три рядки масиву State циклічно зміщуються на різну кількість позицій, а перший рядок не зміщується (рис.  6):

s'_r,c = s_{r, (c+ shift(r,Nb))ModNb},

де 0  r < 4, 0  c < Nb; shift(1,4) = 1, shift(2,4) = 2, shift(3,4) = 3.

Рис. 6. Зміщення за функцією ShіftRows()

3. MіxColumns() — математичне перетворення, що передбачає роботу з кожним окремим стовпцем:

s' (x) = a(x)  s(x),

де a(x) = {03}x³ + {01}x² + {01}x + {02}.

Отже,

,

де 0  c < Nb.

Результатом мультиплікації буде заміна чотирьох байтів стовпця наступними:

;

;

;

.

4. AddRoundKey () — здійснюється додавання ключа для чергового раунду.

Ключ раунду накладається шляхом виконання операції XOR над масивом State та ключовим словом W_l (рис. 7):

[s'_0,c, s'_1,c, s'_2,c, s'_3,c] = [s_0,c, s_1,c, s_2,c, s_3,c]  [w _Round*Nb+c], 0  c < Nb.

Рис. 7. Функція AddRoundKey()

В останньому раунді операція перемішування стовпців не виконується, що робить всю послідовність операцій симетричною.

Усі перетворення, що здійснюються в процесі шифрування, мають чітке математичне обґрунтування. Структура і послідовність операцій дозволяють ефективно виконувати цей алгоритм як на 8-бітних, так і на 32-бітних процесорах. У структурі алгоритму закладена можливість розпаралелювання операцій для виконання на багатопроцесорних комплексах. У найближчому майбутньому цей алгоритм захищений від спроб розшифровування методом перебору всіх можливих ключів.

Йому притаманні висока швидкодія і помірні вимоги до пам’яті, тому АЕС може бути реалізований у різних пристроях, включаючи мобільні телефони і смарт-картки. Оскільки алгоритм Rіjndael не захищений патентами, він доступний для вільного використання в будь-яких продуктах.

ГОСТ 28147—89

Аналогічним до алгоритму DES є вітчизняний ГОСТ 28147—89, проте він складніший, включає на окремих етапах гамування, імітовставки (послідовність даних фіксованої довжини, отриманих за певним правилом з відкритих даних і ключа). Імітовставка передається після зашифровування даних. Дані розшифровуються, і з отриманих відкритих даних формується імітовставка. Вона порівнюється з отриманою, і якщо з нею не збігається, то всі розшифровані дані вважаються неістинними. Імітовставки потрібні для запобігання дезінформації у разі підключення стороннього обладнання до каналу зв’язку. Цей алгоритм має ключ довжиною 256 біт. Він криптостійкіший, ніж DES, але через це досить по- вільний.