ГОСТ 28147—89

AES

DES

Симетричні криптоалгоритми DES, АES

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 — 7×10¹⁶операцій), 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.

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

a

b

c

d

e

f

x

7c

7b

f2

6b

6f

c5

2b

fe

d7

ab

ca

c9

7d

fa

f0

ad

d4

a2

af

9c

a4

c0

b7

fd

26

3f

f7

cc

a5

e5

f1

d8

c7

c3

9a

e2

eb

b2

2c

la

1b

6e

5a

a0

3b

d6

b3

e3

2f

d1

ed

fc

b1

5b

6a

cb

be

4a

4c

cf

d0

ef

aa

fb

4d

f9

7f

3c

9f

a8

a3

8f

9d

f5

bc

b6

da

ff

f3

d2

cd

0c

ec

5f

c4

a7

7e

3d

5d

4f

dc

2a

ee

b8

de

5e

0b

db

a

e0

3a

0a

5c

c2

d3

ac

e4

b

e7

c8

6d

8d

d5

4e

a9

6c

f4

ea

7a

ae

c

ba

1c

a6

b4

c6

e8

dd

1f

4b

bd

8b

8a

d

3e

b5

f6

0e

b9

c1

1d

9e

e

el

f8

d9

8e

9b

1e

e9

ce

df

f

8c

a1

0d

bf

e6

2d

0f

b0

bb

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) Å s(x),

де a(x) = {03} x ³ + {01} x ² + {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] Å [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.

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.

Дата добавления: 2014-01-07