Алгоритм шифрования данных IDEA

Алгоритм IDEA (International Data Encryption Algorithm) является блочным шифром. Он оперирует 64-битовыми блоками открытого текста. Несомненным достоинством алгоритма IDEA является то, что его ключ имеет длину 128 бит. Один и тот же алгоритм используется и для шифрования, и для дешифрования.

Первая версия алгоритма IDEA была предложена в 1990 г., ее авторы - Х.Лей и Дж.Мэсси. Первоначальное алгоритм назывался PES (Proposed Encryption Standard). Улучшенный вариант этого алгоритма, разработанный в 1991 г., получил название IPES (Improved Proposed Encryption Standard). В 1992 г. IPES изменил свое имя на IDEA. Алгоритм IDEA использует при шифровании процессы смешивания и рассеивания, которые легко реализуются аппаратными и программными средствами.

В IDEA используются следующие математические операции:

поразрядное сложение по модулю 2 (операция "исключающее ИЛИ"); операция обозначается как (+);
сложение беззнаковых целых по модулю 2¹⁶; операция обозначается как [+];
умножение беззнаковых целых по модулю (2¹⁶+1), причем блок из 16 нулей рассматривается как 2¹⁶; операция обозначается как (·).

Все операции выполняются над 16-битовыми субблоками.

Эти три операции несовместимы в том смысле, что:

никакая пара из этих трех операций не удовлетворяет ассоциативному закону,
например a[+](b(+)c)#(a[+]b)(+)c;
никакая пара из этих трех операций не удовлетворяет дистрибутивному закону,
например a[+](b(·)c)#(a[+]b)(·)(a[+]с).

Комбинирование этих трех операций обеспечивает комплексное преобразование входных данных, существенно затрудняя крипто-анализ IDEA по сравнению сDES, который базируется исключительно на операции "исключающее ИЛИ".

Общая схема алгоритма IDEA приведена на рис.1. 64-битовый блок данных делится на четыре 16-битовых субблока. Эти четыре субблока становятся входом в первый цикл алгоритма. Всего выполняется восемь циклов. Между циклами второй и третий субблоки меняются местами. В каждом цикле выполняется следующая последовательность операций:

1. (·) - умножение субблока X₁ и первого подключа.

2. [+] - сложение субблока X₂ и второго подключа.

3. [+] - сложение субблока X₃ и третьего подключа.

4. (·) - умножение субблока X₄ и четвертого подключа.

5. (+) - сложение результатов шагов 1 и 3.

6. (+) - сложение результатов шагов 2 и 4.

7. (·) - умножение результата шага 5 и пятого подключа.

8. [+] - сложение результатов шагов 6 и 7.

9. (·) - умножение результата шага 8 и шестого подключа.

10. [+] - сложение результатов шагов 7 и 9.

11. (+) - сложение результатов шагов 1 и 9.

12. (+) - сложение результатов шагов 3 и 9.

13. (+) - сложение результатов шагов 2 и 10.

14. (+) - сложение результатов шагов 4 и 10.

Рис.1. Cхема алгоритма IDEA (режим шифрования)

Выходом цикла являются четыре субблока, которые получаются как результаты выполнения шагов 11, 12, 13 и 14. В завершение цикла второй и третий субблоки меняются местами (за исключением последнего цикла). В результате формируется вход для следующего цикла.

После восьмого цикла осуществляется заключительное преобразование выхода:

1. (·) - умножение субблока X₁ и первого подключа.

2. [+] - сложение субблока X₂ и второго подключа.

3. [+] - сложение субблока X₃ и третьего подключа.

4. (·) - умножение субблока X₄ и четвертого подключа.

Полученные четыре субблока Y₁...Y₄ объединяют в блок шифртекста.

Создание подключей Z₁...Z₆ также относительно несложно. Алгоритм использует всего 52 подключа (по шесть для каждого из восьми циклов и еще четыре для преобразования выхода). Сначала 128-битовый ключ делится на восемь 16-битовых подключей. Это - первые восемь подключей для алгоритма (шесть подключей - для первого цикла и первые два подключа - для второго). Затем 128-битовый ключ циклически сдвигается влево на 25 бит и снова делится на восемь подключей (четыре подключа - для второго цикла и четыре подключа - для третьего). Ключ снова циклически сдвигается влево на 25 бит для получения следующих восьми подключей и т.д., пока выполнение алгоритма не завершится.

Дешифрование осуществляется аналогичным образом, за исключением того, что порядок использования подключей становится обратным, причем ряд подключей дешифрования являются или аддитивными (-x), или мультипликативными (1/x) обратными величинами подключей шифрования (табл.1).

Таблица 1 Подключи шифрования и дешифрования алгоритма IDEA

Цикл	Подключи шифрования	Подключи дешифрования
	Z₁⁽¹⁾ Z₂⁽¹⁾ Z₃⁽¹⁾ Z₄⁽¹⁾ Z₅⁽¹⁾ Z₆⁽¹⁾	Z₁^(9)-1 -Z₂⁽⁹⁾ -Z₃⁽⁹⁾ Z₄^(9)-1 Z₅⁽⁸⁾ Z₆⁽⁸⁾
	Z₁⁽²⁾ Z₂⁽²⁾ Z₃⁽²⁾ Z₄⁽²⁾ Z₅⁽²⁾ Z₆⁽²⁾	Z₁^(8)-1 -Z₃⁽⁸⁾ -Z₂⁽⁸⁾ Z₄^(8)-1 Z₅⁽⁷⁾ Z₆⁽⁷⁾
	Z₁⁽³⁾ Z₂⁽³⁾ Z₃⁽³⁾ Z₄⁽³⁾ Z₅⁽³⁾ Z₆⁽³⁾	Z₁^(7)-1 -Z₂⁽⁷⁾ -Z₃⁽⁷⁾ Z₄^(7)-1 Z₅⁽⁶⁾ Z₆⁽⁶⁾
	Z₁⁽⁴⁾ Z₂⁽⁴⁾ Z₃⁽⁴⁾ Z₄⁽⁴⁾ Z₅⁽⁴⁾ Z₆⁽⁴⁾	Z₁^(6)-1 -Z₃⁽⁶⁾ -Z₂⁽⁶⁾ Z₄^(6)-1 Z₅⁽⁵⁾ Z₆⁽⁵⁾
	Z₁⁽⁵⁾ Z₂⁽⁵⁾ Z₃⁽⁵⁾ Z₄⁽⁵⁾ Z₅⁽⁵⁾ Z₆⁽⁵⁾	Z₁^(5)-1 -Z₂⁽⁵⁾ -Z₃⁽⁵⁾ Z₄^(5)-1 Z₅⁽⁴⁾ Z₆⁽⁴⁾
	Z₁⁽⁶⁾ Z₂⁽⁶⁾ Z₃⁽⁶⁾ Z₄⁽⁶⁾ Z₅⁽⁶⁾ Z₆⁽⁶⁾	Z₁^(4)-1 -Z₃⁽⁴⁾ -Z₂⁽⁴⁾ Z₄^(4)-1 Z₅⁽³⁾ Z₆⁽³⁾
	Z₁⁽⁷⁾ Z₂⁽⁷⁾ Z₃⁽⁷⁾ Z₄⁽⁷⁾ Z₅⁽⁷⁾ Z₆⁽⁷⁾	Z₁^(3)-1 -Z₂⁽³⁾ -Z₃⁽³⁾ Z₄^(3)-1 Z₅⁽²⁾ Z₆⁽²⁾
	Z₁⁽⁸⁾ Z₂⁽⁸⁾ Z₃⁽⁸⁾ Z₄⁽⁸⁾ Z₅⁽⁸⁾ Z₆⁽⁸⁾	Z₁^(2)-1 -Z₃⁽²⁾ -Z₂⁽²⁾ Z₄^(2)-1 Z₅⁽¹⁾ Z₆⁽¹⁾
Преобра- зование выхода	Z₁⁽⁹⁾ Z₂⁽⁹⁾ Z₃⁽⁹⁾ Z₄⁽⁹⁾	Z₁^(1)-1 -Z₂⁽¹⁾ -Z₃⁽¹⁾ Z₄^(1)-1

Для реализации алгоритма IDEA было принято соглашение, что мультипликативная обратная величина (1/x) от 0 равна 0.

Алгоритм IDEA обладает рядом преимуществ перед алгоритмом DES. Он зачительно безопаснее алгоритма DES, поскольку 128-битовый ключ алгоритма IDEA вдвое больше ключа DES. Внутренняя структура алгоритма IDEA обеспечивает лучшую устойчивость к криптоанализ у. Существующие программные реализации примерно вдвое быстрее реализаций алгоритма DES. Алгоритм IDEA запатентован в Европе и США.