Симметричные шифры. Классификация симметричных шифров

Cимметричные шифр — способ шифрования, в котором для шифрования и расшифрования применяется один и тот же криптографический ключ.
До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование.
Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Ключ алгоритма выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Требования

Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру.
Для достижения такого шифр должен иметь «эффект лавины» — сильное изменение шифроблока при 1битном изменении входных
данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).

Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия f(a) xor f(b) == f(a xor b)), в противном случае
облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.

Общая схема

В настоящее время симметричные шифры — это:

 блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в
установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами.
Результатом повторения раундов является лавинный эффект — нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.

 поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования. Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-86 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.

Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.

Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля. Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K), где D — порция данных, размеров вдвое меньше блока шифрования, а K — «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость — обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля — почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие — обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что сильно облегчает аппаратную реализацию.

Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины». Операция перестановки линейна — f(a) xor f(b) == f(a xor b)

Операции подстановки выполняются как замена значения некоей части сообщения (часто в 4, 6 или 8 бит) на стандартное, жестко встроенное в алгоритм иное число путем обращения к константному массиву. Операция подстановки привносит в алгоритм нелинейность.

Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S-блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x, а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата — то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.

Классификация

Симметричные алгоритмы шифрования преобразуют входные данные с использованием секретного ключа. В результате работы алгоритмов получаются зашифрованные тексты или криптограммы. Для расшифрования криптограмм, зашифрованных с помощью симметричного алгоритма, необходимо знать ключ использовавшийся в процессе зашифрования. На рисунке (NN) приведена классификация симметричных алгоритмов шифрования.

Все множество алгоритмов делится на две большие группы: блочные и поточные. Разница между ними состоит в том, что алгоритмы первой группы принимают исходный текст блоками по несколько символов, а алгоритмы второй группы последовательно посимвольно или даже побитовое преобразуют поток исходного текста. Использование блочного шифра означает, что исходный текст делится на блоки определенной длины и все преобразования выполняются отдельно над каждый блоком. Иногда преобразования над одним блоком могут зависеть от результатов преобразования над предыдущими блоками.

При поточном шифровании каждый символ исходного текста может представляться в битовой форме, то есть в двоичном виде. Далее каждый бит полученной последовательности можно преобразовать по определенному правилу. В качестве такого правила преобразования часто используют побитовое сложение исходного текста с некоторой секретной последовательностью битов. Секретная последовательность битов играет роль ключа зашифрования в симметричных потоковых шифрах. Сама по себе операция побитового сложения, называемая также операцией сложения по модулю двойки, операцией “исключающего ИЛИ” или просто XOR, является очень простой. При сложении каждый бит заменятся по правилу:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 0

 

Для расшифрования надо выполнить обратную процедуру. Перевести криптограмму в двоичный вид и сложить побитово с той же самой секретной последовательностью, которая использовалась для зашифрования.

Основу большинства потоковых шифров составляет некоторый генератор псевдослучайных последовательностей. Задача такого генератора состоит в побитовом производстве битовой последовательности, которую также иногда называют ключевой гаммой шифра. Такая гамма используется в операции побитового сложения с исходным текстом. Собственно ключом шифрования в таком случае является начальное состояние (и, возможно, структура генератора). Очевидно, что тот кто знает алгоритм генерации последовательностей и начальные входные данные для работы алгоритма, сможет произвести всю гамму. Основной характеристикой таких потоковых шифров является криптографическая стойкость генератора псевдослучайных последовательностей. Генератор должен обеспечивать следующие важные свойства:

- производить последовательности битов, по своим статистическим характеристикам близкие к случайным последовательностям;

- обеспечивать производство достаточно длинных неповторяющихся последовательностей;

- обладать достаточной скоростью для работы в реальном времени.

 

Первое из этих свойств необходимо для того, чтобы злоумышленник не мог угадать ключевую гамму шифра. Второе свойство обеспечивает устойчивость метода шифрования к различным атакам. Последнее свойство позволяет на практике использовать потоковые шифры в реальном режиме времени.

Операция замены (transmutation), которую еще иногда называют операцией подстановки, состоит в замене одних символов исходного текста на другие символы. Символы исходного текста и символы на которые они заменяются, могут принадлежать одному и тому же алфавиту (например русскому языку), а могут – разным.

Операция перестановки состоит в перестановки символов исходного текста по определенному правилу.

Шифры замены и перестановки относятся к самым древним из известных методов шифрования. Подобные методы известны еще с античных времен. С течением времени усложнялись правила перестановки и замены. Теоретическая база для построения стойких шифров была разработана в середине прошлого века известным американским ученым Клодом Элвудом Шенонном (Claude Elwood Shannon) (1916-2001), знаменитого также своими основополагающими трудами в области теории информации. С появлением его работы “Теория связи в секретных системах” [Shen49] криптография превращается в строгую научную дисциплину. Был предложен математический аппарат для построения стойких шифров, а также сформулированы основные принципы рассеивания и перемешивания.

Рассеивание – нивелирование влияния статистических свойств открытого текста на криптограмму. Рассеивание распространяет влияние одного символа открытого текста на большое число символов криптограммы. Рассеивание обычно достигается использованием методов перестановки.

Перемешивание – усложнение восстановления взаимосвязи статистических свойств открытого текста и криптограммы, а также между ключом и криптограммой. Перемешивание соответствует использованию методов замены [Алф2001].

С использованием этих принципов во второй половине прошлого века была предложена архитектура для построения симметричных блочных шифров. Архитектура получила название сети Фейсталя (Feistal network), по имени Хорста Фейсталя, сотрудника компании IBM. Эта архитектура на долгое время определила основное направление развития стандартов в области шифрования данных.