Стандарт шифрования данных (DES)
Одним из наиболее распространенных криптографических стандартов на шифрование данных, применяемых в США, является DЕS (Dаtа Еnсгtурtion Stаndаrt). Стандарт шифрования DES был опубликован в 1977 году. Первоначально метод, лежащий в основе данного стандарта, был разработан фирмой IВМ для своих целей. Он был проверен Агентством Национальной Безопасности США, которое не обнаружило в нем статистических или математических изъянов. Это означало, что дешифрация данных, защищенных с помощью DЕS, не могла быть выполнена статистическими (например, с помощью частотного словаря) или математическими ("прокручивание" в обратном направлении) методами.
После этого метод фирмы IВМ был принят в качестве федерального стандарта. Стандарт DЕS используется федеральными департаментами и агентствами для защиты всех достаточно важных данных в ЭВМ (исключая некоторые данные, методы защиты которых определяются специальными актами). Его применяют многие негосударственные институты, в том числе большинство банков и служб обращения денег. Оговоренный в стандарте алгоритм криптографической защиты данных опубликован для того, чтобы большинство пользователей могли использовать проверенный и апробированный алгоритм с хорошей криптостойкостью. Заметим, что, одной стороны, публикация алгоритма нежелательна, поскольку может привести к дешифрации закрытой информации. Но, с другой стороны, это не столь существенно (если стандарт сильный) по сравнению со слабыми методами защиты данных, используемыми государственными институтами. Иначе говоря, потери от публикации алгоритма криптографической защиты намного меньше, чем потеря от применения методов защиты с низкой криптостойкостью. Разумеется, стандартный алгоритм шифрования данных должен обладать такими характеристиками, чтобы его опубликование не сказалось на криптостойкости.
К настоящему времени DES является наиболее распространенным алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации. Более того, реализация алгоритма DES в таких системах становится признаком хорошего тона. Основные достоинства алгоритма DES:
используется только один ключ длиной 56 бит;
зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий стандарту DES;
относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки;
достаточно высокая стойкость алгоритма.
Алгоритм DES также использует комбинацию подстановок и перестановок. DES осуществляет шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 64-битового ключа, в котором значащими являются 56 бит (остальные 8 бит - проверочные биты для контроля на четность). Дешифрование в DES является операцией, обратной шифрованию, и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности. Обобщенная схема процесса шифрования в алгоритме DES показана на рис. 15.
Следует сразу отметить, что все приводимые таблицы являются стандартными и должны включаться в реализацию алгоритма DES в неизменном виде.
Все перестановки и коды в таблицах подобраны разработчиками таким образом, чтобы максимально затруднить процесс расшифровки путем подбора ключа. При описании алгоритма DES применены следующие обозначения:
L и R - последовательности битов (левая (left) и правая (right));
LR - конкатенация последовательностей L и R, т.е. такая последовательность битов, длина которой равна сумме длин L R; в последовательности LR биты последовательности R следуют за битами последовательности L;
+ - операция побитового сложения по модулю 2.
Рис.15. Обобщенная схема шифрования в алгоритме DES
Подробнее процесс шифрования данных поясняет рис. 16.
1. Первоначально каждые 64 бита входной последовательности перестанавливаются в соответствии с табл. 4.1. Таким образом, бит 58 входной последовательности становится битом 1; бит 59 - битом 2 и т.д.
Таблица 4.1
Матрица начальной перестановки | |||||||
2. Полученная последовательность битов Т0 разделяется на две последовательности: L0 - левые или старшие биты, R0- правые или младшие биты, каждая из которых содержит 32 бита.
Затем выполняется итеративный процесс шифрования, состоящий из 16 шагов (циклов). Пусть Тi- результат i-й итерации:
Ti = LiRi,
где Li = t1t2 ... t32 (первые 32 бита); Rj = t33134... t64 (последние 32 бита). Тогда результат i-й итерации описывается следующими формулами:
Li = Ri-1, i = 1,2, ..., 16;
Ri = Li-1+f(Ri-1,Ki), i= 1,2, ..., 16.
Рис. 16. Структура алгоритма DES
Функция f называется функцией шифрования. Ее аргументами являются последовательность Ri-1, получаемая на предыдущем шаге итерации, и 48-битовый ключ Ki, который является результатом преобразования 64-битового ключа шифра К. (Подробнее функция шифрования f и алгоритм получения ключа Кi, описаны ниже.)
На последнем шаге итерации получают последовательности R16 и L16 (без перестановки местами), которые конкатенируются в 64-битовую последовательность R16 L16.
3. По окончании шифрования осуществляется восстановление позиций битов с помощью матрицы обратной перестановки IP-1 (табл.4.2).
Таблица 4.2
Матрица обратной перестановки
Процесс расшифровки данных является инверсным по отношению к процессу шифрования. Все действия должны быть выполнены в обратном порядке. Это означает, что расшифровываемые данные сначала переставляются в соответствии с матрицей обратной перестановки, а затем над последовательностью битов R16L16 выполняются те же действия, что и в процессе шифрования, но в обратном порядке.
Итеративный процесс расшифровки может быть описан следующими формулами:
Ri-1 = Li, i = 1,2,…,16;
Li-1 = Ri + f (Li, Ki), i=1,2,…, 16.
Таким образом, для процесса расшифровки переставленным входным блоком R16L16 на первой итерации используется ключ K16, на второй итерации – K15 и т.д. На 16-й итерации используется ключ К1. На последнем шаге итерации будут получены последовательности L0 и R0, которые конкатенируются в 64-битовую последовательность L0R0. Затем в этой последовательности 64 бита переставляются в соответствии с матрицей IP. Результат такого преобразования - исходная последовательность битов (расшифрованное 64-битовое значение).
Рассмотрим, что скрывается под преобразованием, обозначенным буквой f. Схема вычисления функции шифрования f (Ri-1 ,Ki) показана на рис. 17.
Рис.17. Схема вычисления функции шифрования f
Для вычисления значения функции f используются:
функция Е (расширение 32 бит до 48);
функции S1, S2, ..., S8 (преобразование 6-битового числа в 4-битовое);
функция Р (перестановка битов в 32-битовой последовательности).
Рассмотрим определения этих функций.
Аргументами функции шифрования f являются Ri-1 (32 бита) и Кi (48 бит).
Результат функции Е (Ri-1) есть 48-битовое число. Функция расширения Е, выполняющая расширение 32 бит до 48 (принимает блок из 32 бит и порождает блок из 48 бит), определяется табл. 4.3.
Таблица 4.3
Дата добавления: 2017-08-01; просмотров: 736;