- ACE Encrypt
-
ACE (Advanced Cryptographic Engine) — набор программных средств, реализующих шифрование в режиме схемы шифрования с открытым ключом, а также в режиме цифровой подписи. Соответствующие названия этих режимов — «ACE Encrypt» и «ACE Sign». Схемы являются вариантами реализации схем Крамера-Шоупа. Внесённые изменения нацелены на достижение наилучшего баланса между производительностью и безопасностью всей системы шифрования.
Содержание
Авторы
Все алгоритмы, написанные в ACE, основаны на алгоритмах, разработанных Виктором Шоупом(Victor Shoup) и Рональдом Крамером (Ronald Cramer). Полная спецификация алгоритмов написана Виктором Шоупом. Реализация алгоритмов выполнена Томасом Швейнбергером(Thomas Schweinberger) и Медди Нассей (Mehdi Nassehi), их поддержкой и развитием занимается Виктор Шоуп. Томас Швейнберг принимал участие в составлении документа спецификаций ACE, а также написал руководство пользователя.
Рональд Крамер в настоящее время находится в университете Орхуса, Дания. Он принимал участие в работе, относящейся к ACE Encrypt пока находился в ETH в Цюрихе, Швейцария.
Медди Нассей и Томасом Швейнбергер работали над проектом ACE в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, но в настоящее время закончили своё пребывание там.
Виктор Шоуп работает в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария.Безопасность
Доказательство безопасности схемы шифрования и схемы цифровой подписи в ACE проводится с использованием обоснованных и естественных допущений. Четырьмя основными допущениями являются:
- Допущение Диффи-Хеллмана
- Сильное допущение RSA
- Стойкость к коллизиям на второй прообраз в SHA-1
- Псевдо-случайность режима сумматора/счётчика MARS
Основные обозначения и терминология
Приведём определения некоторых обозначений и терминов, используемых в данной статье.
Основные математические обозначения
— множество целых чисел.
— множество одномерных полиномов с коэффициентами в конечном поле
с числом элементов поля — 2.
— такое целое число
, для которого
при целом
и
.
— такой полином
с
, такой что
при
.
Основные строковые обозначения
— множество всевозможных строк.
— множество всевозможных строк длины n.
Для— длина строки
. Обозначения для длины нулевой строки —
.
Для— результат конкатенации строк
и
.
Биты, байты, слова
— множество битов.
Рассмотрим множества вида. Для такого множества A определим нулевой элемент:
;
для
.
Определим
как множество байтов, а
как множество слов.
Для
с
и
определим оператор заполнения:
.
Оператор преобразования
Оператор преобразования
выполняет преобразования между элементами
.
Схема шифрования
Пара ключей шифрования
В схеме шифрования ACE задействованы два типа ключей:
открытый ключ ACE:.
закрытый ключ ACE:.
Для заданного параметра размера, такого что
, компоненты ключей определяются следующим образом:
— 256-битное простое число.
— m-битное простое число, такое что
.
— элементы
(чей мультипликативный порядок по модулю
делит
).
— элементы
.
— элементы
, для которых
и
, где
и
.
Генерация ключа
Алгоритм. Генерация ключа для схемы шифрования ACE.
Вход: параметра размера, такой что
.
Выход: пара открытый/закрытый ключ.- Сгенерировать случайное простое число
, такое что
.
- Сгенерировать случайное простое число
,
, такое что
.
- Сгенерировать случайное целое число
, такое что
.
- Сгенерировать случайные целые числа
и
- Вычислить следующие целые числа в
:
,
,
,
,
.
- Сгенерировать случайные байтовые строки
и
, где
и
.
- Вернуть пару открытый/закрытый ключ
Представление шифротекста
Шифротекст в схеме шифрования ACE имеет вид
,
где компоненты определяются следующим образом:
— целые числа из
(чей мультипликативный порядок по модулю
делит
).
— элемент
.
— элемент
.
назовём преамбулой, а
— криптограммой. Если текст — строка из
байт, то тогда длина
равна
.
Необходимо ввести функцию
, которая представляет шифротекст в виде байтовой строки, а также обратную функцию
. Для целого
, символьной строки
, целых
, и байтовой строки
,
.
Для целого, байтовой строки
, для которой
,
.
Процесс шифрования
Алгоритм. Асимметричный процесс шифрования ACE.
Вход: открытый ключи байтовая строка
.
Выход: байтовая строка — шифротекст, полученный из
.
- Сгенерировать случайное
.
- Сгенерировать преамбулу шифротекста:
- Сгенерировать
.
- Вычислить
,
.
- Вычислить
; заметим, что
.
- Вычислить
.
- Сгенерировать
- Вычислить ключ для операции симметричного шифрования:
,
.
- Вычислить
.
- Вычислить криптограмму
.
- Закодировать шифротекст:
.
- Вернуть
.
Перед запуском процесса симметричного шифрования входное сообщение
разбивается на блоки
, где каждый блок кроме, возможно, последнего имеет 1024 байт. Каждый блок шифруется потоковым шифратором. Для каждого зашифрованного блока
вычисляется 16-байтовый код аутентификации. Получаем криптограмму
.
. Заметим, что если
, то
.
Алгоритм. Симметричный процесс шифрования ACE.
Вход:
Выход:,
.
- Если
, тогда вернуть
.
- Проинициализировать генератор псевдо-случайных чисел:
- Сгенерировать ключ
:
.
.
- Пока
, выполнять следующее:
.
- Сгенерировать значения масок для шифрования и MAC:
.
.
- Зашифровать текст:
.
- Сгенерировать аутентификационный код сообщения:
- Если
, тогда
; иначе
.
.
- Если
- Обновить шифротекст:
.
.
- Вернуть
.
Процесс дешифрования
Алгоритм. Процесс дешифрования ACE.
Вход: открытый ключи соответствующий закрытый ключ
, байтовая строка
.
Выход: Расшифрованное сообщение.
- Дешифровать шифротекст:
- Если
, тогда вернуть
.
- Вычислить:
;
заметим, что, где
.
- Если
- Подтвердить преамбулу шифротекста:
- Если
или
или
, тогда вернуть
.
- Если
, тогда вернуть
.
.
- Если
, тогда
.
- Вычислить
; заметим, что
.
- Если
, тогда
.
- Если
, тогда вернуть
.
- Если
- Вычислить ключ для процесс симметричного дешифрования:
,
.
- Вычислить
.
- Вычислить
;заметим, что
может вернуть
.
- Вернуть
.
Алгоритм. Операция дешифрования
.
Вход:
Выход: Расшифрованное сообщение.
- Если
, тогда вернуть
.
- Проинициализировать генератор псевдо-случайных чисел:
- Сгенерировать ключ
:
.
.
- Пока
, выполнять следующее:
.
- Если
, тогда вернуть
.
- Сгенерировать значения масок для шифрования и MAC:
.
.
- Подтвердить аутентификационный код сообщения:
- Если
, тогда
; иначе
.
.
- Если
, тогда вернуть
.
- Если
- Обновить текст:
.
.
- Вернуть
.
Схема цифровой подписи
В схеме цифровой подписи ACE задействованы два типа ключей:
открытый ключ цифровой подписи ACE:.
закрытый ключ цифровой подписи ACE:.
Для заданного параметра размера, такого что
, компоненты ключей определяются следующим образом:
—
-битное простое число, для которого
— тоже простое.
—
-битное простое число, для которого
— тоже простое.
—
и может иметь как
, так и
бит.
— элементы
(квадратичные остатки по модулю
).
— 161-битное простое число.
— элемент
— элементы
.
— элементы
.
Генерация ключа
Алгоритм. Генерация ключа для схемы цифровой подписи ACE.
Вход: параметра размера, такой что
.
Выход: пара открытый/закрытый ключ.- Сгенерировать случайные простые числа
, такие что
и
— тоже простые, и
,
, и
,
где
и
.
- Положить
.
- Сгенерировать случайное простое число
, где
.
- Сгенерировать случайное
, при условии
и
, и вычислить
.
- Сгенерировать случайное
и вычислить
.
- Сгенерировать случайные байтовые строки
, и
.
- Вернуть пару открытый ключ/закрытый ключ
.
Представление подписи
Подпись в схеме цифровой подписи ACE имеет вид
, где компоненты определяются следующим образом:
— элемент
.
— целое число, такое что
.
— элементы
.
— элемент
;заметим, что
, где
— подписываемое сообщение.
Необходимо ввести функцию
, которая представляет подпись в виде байтовой строки, а также обратную функцию
. Для целого
, байтовой строки
, целых
и
, и байтовой строки
,
.
Для целого, байтовой строки
, для которой
,
.
Процесс генерирования подписи
Алгоритм. Генерирование цифровой подписи ACE.
Вход: открытый ключи соответствующий закрытый ключ
и байтовая строка
,
.
Выход: байтовая строка — цифровая подпись.
- Произвести следующие действия для хеширования входных данных:
- Сгенерировать случайно ключ хеша
, такой что
.
- Вычислить
.
- Сгенерировать случайно ключ хеша
- Выбрать случайное
, и вычислить
.
- Вычислить
.
- Сгенерировать случайное простое число
,
, и его подтверждение корректности
:
. Повторять этот шаг до тех пор, когда
.
- Положить
; заметим, что
.
- Вычислить
, где
,
и гдеи
.
- Закодировать подпись:
.
Замечания
В схемах шифрования и цифровой подписи ACE используются некоторые вспомогательные функции(такие как, например, UOWHash,ESHash и другие), описание которых выходит за рамки данной статьи. Подробнее о данных функциях можно найти в[1].
Реализация, применение и производительность
Схема шифрования ACE рекомендована проектом NESSIE (New European Schemes for Signatures, Integrity and Encryption) как асимметричная схема шифрования. Пресс-релиз датирован февралем 2003.
Обе схемы были реализованы в ANSI C, с использование пакета GNU GMP. Тесты были проведены на двух платформах: Power PC 604 model 43P под системой AIX и 266 MHz Pentium под системой Windows NT. Таблицы показателей приведены ниже:
Таблица 1. Временные затраты на базовые операции.Power PC Pentium Размер операнда(байт) Размер операнда(байт) 512 1024 512 1024 Умножение 3.5 * 10^(-5) сек 1.0 * 10^(-4) сек 4.5 * 10^(-5) сек 1.4 * 10^(-4) сек Возведение в квадрат 3.3 * 10^(-5) сек 1.0 * 10^(-4) сек 4.4 * 10^(-5) сек 1.4 * 10^(-4) сек Потенцирование 1.9 * 10^(-2) сек 1.2 * 10^(-1) сек 2.6 * 10^(-2) сек 1.7 * 10^(-1) сек
Таблица 2. Производительность схем шифрования и цифровой подписи.Power PC Pentium Постоянные затраты (мсек) МБит/сек Постоянные затраты (мсек) МБит/сек Шифрование 160 18 230 16 Дешифрование 68 18 97 14 Подпись 48 64 62 52 Подпись (начальная установка) 29 41 Верификация 52 65 73 53 Литература
Ссылки
Категория:- Криптографическое программное обеспечение
Wikimedia Foundation. 2010.