Режимы работы блочного шифра

Простейшим режимом работы блочного шифра является ECB (Electronic CodeBook (англ.) — режим простой замены или электронной кодовой книги), где все блоки открытого текста зашифровываются независимо друг от друга. Однако, при использовании этого режима статистические свойства открытых данных частично сохраняются, так как каждому одинаковому блоку данных однозначно соответствует зашифрованный блок данных. При большом количестве данных (например, видео или звук) это может привести к утечке информации о их содержании и дать больший простор для криптоанализа. Удаление статистических зависимостей в открытом тексте возможно с помощью предварительного архивирования, но оно не решает задачу полностью, так как в файле остается служебная информация архиватора, что не всегда допустимо.

Режим шифрования — метод применения блочного шифра, позволяющий преобразовать последовательность блоков открытых данных в последовательность блоков зашифрованных данных. При этом для шифрования одного блока могут использоваться данные другого блока. Обычно режимы шифрования используются для модификации процесса шифрования так, чтобы результат шифрования каждого блока был уникальным вне зависимости от шифруемых данных и не позволял сделать какие-либо выводы об их структуре. Это обусловлено, прежде всего, тем, что блочные шифры шифруют данные блоками фиксированного размера, и поэтому существует потенциальная возможность утечки информации о повторяющихся частях данных шифруемых на одном и том же ключе. Существует несколько стандартных режимов шифрования.

 Режим электронной кодовой книги

Каждый блок открытого текста заменяется блоком шифротекста. В ГОСТ 28147—89 называется режимом простой замены.

где i — номера блоков,   и   — блоки зашифрованного и открытого соответственно, а   — функция блочного шифрования. Расшифровка аналогична:

Шифрование в режиме ECB

Недостаток ECB, в сравнении c другими режимами шифрования — сохранение статистических особенностей открытого текста:

Cipher Block Chaining (CBC)

Основная статья: Режим сцепления блоков шифротекста

Каждый блок открытого текста (кроме первого) побитово складывается по модулю 2 (операция XOR) с предыдущим результатом шифрования. Шифрование:

где   — номера блоков,   — вектор инициализации (синхропосылка),   и   — блоки зашифрованного и открытого текстов соответственно, а   — функция блочного шифрования. Расшифровка:

Шифрование в режиме сцепления блоков шифротекста

достоинства алгоритма DES:

1)Используется только один ключ длиной 56 бит

2)Зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий стандарту DES

3)Относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки

4)Достаточно высокая стойкость алгоритма

разработаны четыре рабочих режима.

15. Использование блочного шифра как самосинхронизирующегося поточного шифра. Режим счетчика: достоинства и недостатки.

Самосинхронизирующиеся поточные шифры (асинхронные поточные шифры (АПШ)) – шифры, в которых поток ключей создаётся функцией ключа и фиксированного числа знаков шифротекста.

Внутреннее состояние генератора потока ключей является функцией предыдущих N битов шифротекста. Поэтому расшифрующий генератор потока ключей, приняв N битов, автоматически синхронизируется с шифрующим генератором.

Реализация этого режима происходит следующим образом: каждое сообщение начинается случайным заголовком длиной N битов; заголовок шифруется, передаётся и расшифровывается; расшифровка является неправильной, зато после этих N бит оба генератора будут синхронизированы.

Рассмотрим основные различия между поточными и блочными шифрами не только в аспектах их безопасности и удобства, но и с точки зрения их изучения в мире:

- важнейшим достоинством поточных шифров перед блочными является высокая скорость шифрования, соизмеримая со скоростью поступления входной информации; поэтому, обеспечивается шифрование практически в реальном масштабе времени вне зависимости от объема и разрядности потока преобразуемых данных.

- в синхронных поточных шифрах (в отличие от блочных) отсутствует эффект размножения ошибок, то есть число искаженных элементов в расшифрованной последовательности равно числу искаженных элементов зашифрованной последовательности, пришедшей из канала связи.

- структура поточного ключа может иметь уязвимые места, которые дают возможность криптоаналитику получить дополнительную информацию о ключе (например, при малом периоде ключа криптоаналитик может использовать найденные части поточного ключа для дешифрования последующего закрытого текста).

- ПШ в отличие от БШ часто могут быть атакованы при помощи линейной алгебры (так как выходы отдельных регистров сдвига с обратной линейной связью могут иметь корреляцию с гаммой). Также для взлома поточных шифров весьма успешно применяется линейный и дифференциальный анализ.

16. Параметры блочного шифра: длина блока, длина ключа. Смешивание и рассеивание, линейные и нелинейные преобразования. Понятие итерационного шифра, функции раунда, число раундов. Понятие ключей раундов и алгоритма развертки ключа.

Преобразование должно использовать следующие принципы:

- Рассеивание (diffusion) — то есть изменение любого знака открытого текста или ключа влияет на большое число знаков шифротекста, что скрывает статистические свойства открытого текста;

- Перемешивание (confusion) — использование преобразований, затрудняющих получение статистических зависимостей между шифротекстом и открытым текстом.

Ключи раунда получаются из ключа шифрования с помощью преобразования, состоящего из двух компонентов: расширение ключа и выбор ключа раунда. Основной принцип состоит в следующем:

- Общее число битов ключа раунда равно длине блока, умноженной на количество раундов плюс 1. Например, для длины блока 128 бит и 10 раундов необходимо 1408 битов ключа раунда.

- Ключ шифрования расширяется в ExpandedKey.

- Ключи раунда получаются из этого ExpandedKey следующим способом: первый ключ раунда состоит из первых Nb слов, второй состоит из следующих Nb слов и т.д

Практически все современные блочные шифры являются композиционными - т.е состоят из композиции простых преобразований или F=F₁F₂oF₃oF₄o..oF_n, где F-преобразование шифра, F_i-простое преобразование, называемое также i-ым циклом шифрования. Само по себе преобразование может и не обеспечивать нужных свойств, но их цепочка позволяет получить необходимый результат. Например, стандарт DES состоит из 16 циклов. В иностранной литературе такие шифры часто называют послойными (layered). Если же используется одно и то же преобразование, т.е. F_i постоянно для i, то такой композиционный шифр называют итерационным шифром.