Шифр Blowfish

Blowfish
Создатель:	Брюс Шнайер
Создан:	1993 г.
Опубликован:	1993 г.
Размер ключа:	до 448 бит
Размер блока:	64 бит
Число раундов:	16
Тип:	Сеть Фейстеля

Blowfish (произносится [бло́уфиш]) — криптографический алгоритм, реализующий симметричное шифрование.

Разработан Брюсом Шнайером в 1993 году. Представляет собой сеть Фейстеля. Выполнен на простых и быстрых операциях: XOR, подстановка, сложение. Является не запатентованным и свободно распространяемым.

История

До появления Blowfish существовавшие алгоритмы были либо запатентованными, либо ненадёжными, а некоторые и вовсе держались в секрете (например, DES и запатентованному

• скорость (шифрование на 32-битных процессорах происходит за 26 тактов);
• простота (за счёт использования простых операций, уменьшающих вероятность ошибки реализации алгоритма);
• компактность;
• настраиваемая стойкость.

Описание алгоритма

Алгоритм шифрования 64-битного блока с известным массивом P и F(x)

Параметры

• секретный ключ K (от 32 до 448 бит)
• 32-битные ключи шифрования P1-P18
• 32-битные таблицы замен S1-S4:

  S1[0] S1[1] .. S1[255]
  

  S2[0] S2[1] .. S2[255]
  

  S3[0] S3[1] .. S3[255]
  

  S4[0] S4[1] .. S4[255]

Функция F(x)

1. 32-битный блок делится на четыре 8-битных блока (X1, X2, X3, X4), каждый из которых является индексом массива таблицы замен S1-S4
2. значения S1[X1] и S2[X2] складываются по модулю 2³², после «XOR»ятся с S3[X3] и, наконец, складываются с S4[X4] по модулю 2³².
   
3. Результат этих операций — значение F(x).

$F(X1,X2,X3,X4)=(((S1[X1]\ +\ S2[X2]) \mod 2^{32}\ \oplus\ S3[X3])\ +\ S4[X4]) \mod 2^{32}$

Алгоритм шифрования 64-битного блока с известным массивом P и F(x)

• разделение на 32-битные блоки :$L_{0}\ ,\ R_{0}$
• вычисления в i-том раунде:

  $R_i\ =\ L_{i-1} \oplus P_i$
  

  $L_i\ =\ R_{i-1} \oplus F(R_i)$
  

• после 16 раунда $L_{16}\ ,\ R_{16}$ меняются местами:

  $R_{16}\ \leftleftarrows\ L_{16}\$

  $\ L_{16}\ \leftleftarrows\ R_{16}$

• и «XOR»-ся ключами P17,P18

Алгоритм Blowfish

Разделён на 2 этапа:

1. Подготовительный — формирование ключей шифрования по секретному ключу.
   • Инициализация массивов P и S при помощи секретного ключа K
     1. Инициализация P1-P18 фиксированной строкой, состоящей из шестнадцатеричных цифр числа пи, следующих после 3, то есть после запятой.
     2. Производится операция XOR над P1 с первыми 32 битами ключа K, над P2 со вторыми 32-битами и так далее.
        Если ключ K короче, то он накладывается циклически.
   • Шифрование ключей и таблиц замен
     1. Алгоритм шифрования 64-битного блока, используя инициализированные ключи P1-P18 и таблицу замен S1-S4, шифрует 64 битную строку, состоящую из 0 (строго говоря, не обязательно из 0, важно чтобы она просто была фиксированной). Результат записывается в P1, P2.
     2. P1 и P2 шифруются изменёнными значениями ключей и таблиц замен. Результат записывается в P3 и P4.
     3. Шифрование продолжается до изменения всех ключей и таблицы замен.
2. Шифрование текста полученными ключами и F(x), с предварительным разбиением на блоки по 64 бита. Если невозможно разбить начальный текст точно на блоки по 64 бита, используются различные режимы шифрования для построения сообщения, состоящего из целого числа блоков. Cуммарная требуемая память 4168 байт: P1-P18:18 переменных по 32 бита; S1-S4: 4x256 переменных по 32 бита.

Дешифрование происходит аналогично, только P1-P18 применяются в обратном порядке.

Выбор начального значения P-массива и таблицы замен

Нет ничего особенного в цифрах числа пи. Данный выбор заключается в инициализации последовательности, не связанной с алгоритмом, которая могла бы быть сохранена как часть алгоритма или получена при необходимости (Пи (число)). Как указывает Шнайер: "Подойдёт любая строка из случайных битов цифр числа e, RAND-таблицы, или случайные сгенерированные цифры."

Криптостойкость

• слабый S-box (и порождающий его слабый ключ) означает, что существует такие i, j, N={1,2,3,4} : SN[i]==SN[j]

Криптостойкость главным образом зависит от F(x). На это указал Serge Vaudenay, говоря о наличии небольшого класса слабых ключей (генерирующих слабые S-box): вероятность появления слабого S-box равна 2 ^{− 15}. Он также рассмотрел упрощенный вариант Blowfish, с известной функцией F(x) и слабым ключом. Для этого варианта требуется $3*2^{2+7*[(t-2)/2]}\approx2^{3+7*[(t-2)/2]}$ выбранных открытых текстов (t - число раундов, а символы [] означают операцию получения целой части числа). Эта атака может быть использована только для алгоритма с $t \le 7$. Для t = 7 требуется 2²⁴ открытых текстов, причём для варианта с известным F(x) и случайным ключом требуется 2⁴⁸ открытых текстов. Но данная атака не эффективна для Blowfish с 16 раундами.

John Kelsey разработал атаку, которая позволяла взломать 3-итерационный Blowfish. Она опирается на факт, что операции сложения по модулю 2³² и XOR не коммутативны.

Невозможно заранее определить является ли ключ слабым. Проводить проверку можно только после генерации ключа.

Криптостойкость можно настраивать за счёт изменения количества раундов шифрования (увеличивая длину массива P) и количества используемых S-box. При уменьшении используемых S-box возрастает вероятность появления слабых ключей, но уменьшается используемая память. Адаптируя Blowfish на 64-битной архитектуру, можно увеличить количество и размер S-box (а следовательно и память для массивов P и S), а также усложнить F(x), причём для алгоритма с такой функцией F(x) невозможны вышеуказанные атаки.

Модификация F(x): на вход подается 64-битный блок который делится на восемь 8-битных блоков (X1-X8). Результат вычисляется по формуле $F(X1,..,X8)=(\ (\ (S1[X1]\ \boxplus\ S2[X2])\ \oplus\ (S3[X3]\ \boxplus\ S4[X4])\ )\ \boxplus\ (\ (S5[X5]\ \boxplus\ S6[X6])\ \oplus(S7[X7]\ \boxplus\ S8[X8])\ )\ )$, где $\boxplus\ \equiv mod 2^{32}$
На сегодняшний день (ноябрь 2008) не существует атак, выполняемых за разумное время. Успешные атаки возможны только из-за ошибок реализации.

Применения

Blowfish зарекомендовал себя, как надёжный алгоритм, поэтому реализован во многих программах, где не требуется частая смена ключа и необходима высокая скорость шифрования/расшифрования.

• хэширование паролей
• защита электронной почты и файлов
• в линиях связи: связка ElGamal (не запатентован) или IDEA
  • в маршрутизаторе Intel Express 8100 с ключом длиной 144 бита
• шифрование виртуальных дисков, полное шифрование разделов жёстких дисков, флоппи-дисков или флеш-памяти.

Сравнение с симметричными криптосистемами

Скорость шифрования алгоритма во многом зависит от используемой техники и системы команд. На различных архитектурах один алгоритм может значительно опережать по скорости его конкурентов, а на другом ситуация может сравняться или даже измениться прямо в противоположную сторону. Более того, программная реализация значительно зависит от используемого компилятора. Использование ассемблерного кода может повысить скорость шифрования. На скорость шифрования влияет время выполнения операций mov, add, xor, причём время выполнения операций увеличивается при обращении к оперативной памяти (для процессоров серии DES, IDEA влияет операция умножения по модулю 2³² + 1. Скорость

Хотя Blowfish по скорости опережает его аналоги, но при увеличении частоты смены ключа основное время его работы будет уходить на подготовительный этап, что в сотни раз уменьшает его эффективность.

См. также

• Блочный шифр
• Криптосистема с открытым ключом

Ссылки

• Blowfish в качестве JavaScript-модуля
• Максим Парыгин, Алгоритм Blowfish
• Официальный веб-сайт Blowfish
• Список продуктов, использующих Blowfish
• Serge Vaudenay.On the weak Keys of Blowfish(англ.)
• Dieter Schmidt.Kaweichel, an Extension of Blowfish for 64-Bit Architectures(англ.)