Симметричные криптосистемы — DES

Нашим первым примером криптографического алгоритма будет стандарт шифрования данных (Data Encryption Standard, DES), который используется в симметричных криптосистемах. Алгоритм DES создавался для работы с 64-битовыми блоками данных. Блок преобразуется в зашифрованный (64-битный) блок за 16 шагов, на каждом из которых используется собственный 48-битный ключ шифрования. Каждый из этих 16 ключей порождается из 56-битного главного ключа, как показано на рис. 8.7, а. Перед тем как над исходным блоком начнут выполняться его 16 циклов шифрования, проводится его первичное преобразование, а после шифрования производится преобразование, обратное первичному. Результатом является зашифрованный блок.

Каждый цикл шифрования i берет в качестве исходных данных 64-битный блок с предыдущего цикла шифрования i – 1, как показано на рис. 8.7, б. 64 бита разбиваются на левую часть L_i–1 и правую часть R_i–1 по 32 бита каждая. Правая часть в следующем цикле используется в качестве левой, и наоборот.

Главная работа выполняется в искажающей функции f. Эта функция принимает в качестве исходных данных 32-битный блок R_i–1 и 48-битный ключ K_i, а затем генерирует 32-битный блок, который подвергается операции «исключающее ИЛИ» (XOR) с блоком L_i–1, порождая R_i. Искажающая функция сначала расширяет R_i–1 до 48 бит, а затем проводит над ним операцию «исключающее ИЛИ» с ключом K_i, Результат делится на восемь частей по шесть бит. Каждая часть протягивается затем через различные S-боксы (S-boxes), которые представляют собой операции замены каждой из возможных 64 6-битных комбинаций на одну из 16 возможных 4-битных комбинаций. Восемь получившихся кусков по 4 бита объединяются в одно 32-битовое значение и преобразуются далее.

Рис. 8.8. Техника циклической генерации ключа в алгоритме DES

48-битный ключ K_i порождается из 56-битного главного ключа следующим образом. Сначала главный ключ преобразуется и делится на две 28-битных половины. На каждом цикле первая половина сдвигается на один или два бита влево, после чего из нее выделяются 24 бита. Вместе с 24 битами из второй сдвинутой половины они образуют 48-битный ключ. Детально один цикл шифрования иллюстрирует рис. 8.8.

Алгоритм DES достаточно прост, но его нелегко взломать с использованием аналитических методов. «Грубая сила» (простой подбор ключа) значительно проще. В настоящее время надежно защищает от взлома «тройное» использование алгоритма DES в специальном режиме шифрование — расшифровка — шифрование с разными ключами.

Аналитические атаки на DES сильно усложняет тот факт, что структура этого алгоритма никогда не была полностью описана в открытой документации. Так, например, можно показать, что применение нестандартных S-боксов значительно упрощает взлом алгоритма. Рекомендации по структуре и использованию S-боксов были опубликованы только после новых «моделей» атак, разработанных в девяностых годах. Алгоритм DES доказал свою устойчивость к этим атакам, и его разработчики открыли, что они знали об этих «новых» моделях еще в 1974 году, когда разрабатывали DES.

DES уже много лет используется в качестве стандартной технологии шифрования, но в настоящее время происходит процесс его замены алгоритмом Риндаля (Rijndael) с блоками длиной 128 бит. Также имеются варианты с большими ключами и более длинными блоками. Разработанный алгоритм достаточно быстр, чтобы его можно было реализовать даже в смарт-картах. Важность этой области применения криптографии растет с каждым днем.