Blowfish

Blowfish
Создатель:	Брюс Шнайер
Создан:	1993 г.
Опубликован:	1993 г.
Размер ключа:	от 32 до 448 бит
Размер блока:	64 бит
Число раундов:	16
Тип:	Сеть Фейстеля

Blowfish (произносится [бло́уфиш]) — криптографический алгоритм, реализующий блочное 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, Skipjack). Алгоритм был разработан в 1993 году Брюсом Шнайером в качестве быстрой и свободной альтернативы устаревшему DES и запатентованному IDEA. По заявлению автора, критерии проектирования Blowfish были:

• 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

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)

Функция F(x) в Blowfish

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 $2^{32}$, после "XOR"ятся с S3[X3] и, наконец, складываются с S4[X4] по модулю $2^{32}$.
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)

Сеть Фейстеля при зашифровании

• разделение на 32-битные блоки :$L_{0}\ ,\ R_{0}$
• $L_{0}\$ и $R_{0}\$ «XOR»-ся c ключами $P_{0}\$, $P_{1}\$
• вычисления в i-том раунде:

  $R_i\ =\ L_{i-1} \oplus P_{i+1}$

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

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

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

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

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 мантиссы числа пи.
     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 нулевую (0x0000000000000000) строку. 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 P1-P18 и таблиц замен S1-S4.
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 $2^{24}$ открытых текстов, причём для варианта с известным F(x) и случайным ключом требуется $2^{48}$ 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 $2^{32}$ 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.

Пример работы алгоритма

Пример работы свободно распространяемой версии алгоритма Blowfish.
Параметры: Размер ключа: 448 бит Размер блока: 64 бит Число раундов: 16 режим: ECB

• 

  Исходное изображение

• 

  Зашифрованное изображение

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
  • GnuPG (безопасное хранение и передача)
• в линиях связи: связка ElGamal (не запатентован) или RSA (действие патента закончилось в 2000 году) и Blowfish вместо IDEA
  • в маршрутизаторе Intel Express 8100 с ключом длиной 144 бита
• обеспечение безопасности в протоколах сетевого и транспортного уровня
  • PuTTY (сетевой уровень)
  • SSH (транспортный уровень)
  • OpenVPN (создание зашифрованных каналов)

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 Pentium примерно в 5 раз). Blowfish показывает более высокие результаты при использовании кэша для хранения всех подключей. В этом случае он опережает алгоритмы DES, IDEA. На отставание IDEA влияет операция умножения по модулю $2^{32}+1$. Скорость Twofish может быть близка по значению с Blowfish за счёт большего шифруемого блока.

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
• Andrey Breeze, На пути к Skein: просто и понятно про Blowfish
• 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.)