Поточное шифрование

При разработке этого алгоритма главное внимание отводилось следующим свойствам  и идеям:

• использование большой (примерно 2 Кб ) таблицы T, получаемой из большого 160-битного ключа;
• чередование арифметических операций (сложение и побитовый XOR);
• использование внутреннего состояния системы, которое явно не проявляется в потоке данных (значения n1, n2, n3 и n4, которые изменяют регистры в конце каждой итерации);
• использование отличных друг от друга операций в зависимости от этапа итерации и ее номера.

Для шифрования и расшифрования каждого байта текста шифр SEAL требует около четырех машинных тактов. Он работает со скоростью примерно 58 Мбит на 32-битном процессоре с тактовой частотой 50 МГц и является одним из самых быстрых шифров. 
 
 
 
 
 

A3 — алгоритм, используемый в процессе аутентификации в глобальном цифровом стандарте для мобильной сотовой связи GSM. A3 является, таким образом, элементом системы обеспечения конфиденциальности разговора в GSM наряду с алгоритмами A5 и A8. Задача алгоритма — генерация отзыва (SRES — Signed Response) на случайный пароль (RAND — Random), получаемый сотовым телефоном (MS — Mobile Station) от центра коммутации MSC (MSC — Mobile Switching Centre) в процедуре аутентификации. А3 содержится в SIM-карте абонента.

Описание алгоритма:

Формат входных  и выходных данных для алгоритма A3, а также весь процесс аутентификации строго определены консорциумом 3GPP. Стоит отметить, что каждый отдельный оператор выбирает принцип действия алгоритма A3. Таким образом, A3 не является стандартизованным, а определяется оператором. Однако если оператор не хочет придумывать свой алгоритм A3, он может воспользоваться стандартной реализацией алгоритма.

В настоящее  время принят следующий формат входных  и выходных данных RAND, Ki, SRES алгоритма A3: длина Ki — 128 бит длина RAND — 128 бит длина SRES — 32 бита

Время выполнения алгоритма A3 должно быть меньше 500 миллисекунд.

В настоящее  время известны следующие стандартные  реализации алгоритма A3:

• COMP128
• COMP128-2
• COMP128-3
• MILENAGE

COMP128 является  самой первой версией алгоритма  A3. Изначально алгоритм COMP128 держался  в секрете. Разработчики первой  версии A3 полагались на безопасность  за счёт неизвестности, то есть  алгоритмы труднее взломать, если  они не доступны публично. Однако COMP-128 был скомпрометирован криптоаналитиками  Marc Briceno, David Wagner и Ian Goldberg исследовательской  группы ISAAC security research group После публикации уязвимостей COMP128 были разработаны исправленные версии COMP128-2 и COMP128-3.

COMP128

В 1998 году произошла  утечка описания алгоритма COMP128 в Интернет. Хотя описание было не полным, посредством  обратной разработки код был полностью восстановлен и теперь он доступен публично

По сути, COMP128 является хэш-функцией разрядности 128 бит. Разрядность аргумента 256 бит  или 32 байта (128 бит Ki + 128 бит RAND). 32 старших  бита вычисленного значения берутся  в качестве SRES, а 64 младших бита в  качестве сессионного ключа Kc. Пусть X [0..32] — 32байтный вход алгоритма, где X [0..15] = Ki, а X [16..31] = RAND. T0 [0..511], T1 [0..255],T2 [0..127],T3 [0..63] и T4 [0..31] — секретные таблицы подстановки байт. Алгоритм состоит из 8 раундов, в каждом раунде 5 итераций. Каждая итерация заключается в поиске по соответствующей таблице (T0 для первой итерации, T1 — для второй, и т. д.) и подстановке байт. В конце каждого раунда, за исключением последнего, происходит перестановка полученных 128 бит результата, и после перестановки эти 128 бит используется в следующем раунде. Описание одного раунда в псевдокоде:

  
 
 
 

(подстановки)

for i = 0 to 4 do:

 for j = 0 to 2^i - 1 do:

 for k = 0 to 2^(4-i) - 1 do:

{

   s = k + j*2^(5 - i)

   t = s + 2^(4-i)

   x = (X[s] + 2X[t]) mod (2^(9 - i))

   y = (2X[s] + X[t]) mod (2^(9 - i))

   X[s]=Ti[x]

   X[t]=Ti[y]

}

 

(образование бит  из байт)

 for j = 0 to 31 do:

 for k = 0 to 7 do:

{         

   bit [4*j+k] = the (8-k)th bit of byte j

}

(перестановка)

 if (i < 8) then

 for j = 0 to 15 do:

 for k = 0 to 7 do:

{

   next bit = (8 x j + k) x 17 mod 128

   Bit k of X[j + 16] = bit[next_bit]

 }

 
На каждой итерации выходной байт зависит  от двух входных байт. Два входных  байта используются для определения  элемента в таблице подстановки. Этот элемент обновит выходной байт. Таблица подстановки для i-ой итерации содержит 2^(9 — i) элементов размером в (8 — i) бит. То есть

таблица    число элементов    размер одного элемента

T0         512                8 бит

T1         256                7 бит

T2         128                6 бит

T3         64                 5 бит 

T4         32                 4 бита 

По сути, каждый из 32 выходных байт последней итерации раунда имеет лишь 4 значимых бита. Поэтому  в конце итерации происходит преобразование этих 32 байт перестановкой в 16 байт, все биты которых значимые. Эти 16 байт записываются в X [16 .. 31], и запускается следующий раунд алгоритма (в X [0 .. 15] значение Ki никак не меняется).

Такую структуру  алгоритма David Wagner назвал butterfly structure, что  означает «в форме бабочки»

COMP128-2 и COMP128-3

Хотя сейчас ясно, что принцип «безопасность  за счёт неизвестности» не работает, верcии COMP128-2 и COMP128-3 держатся в секрете 
 

Milenage

Алгоритмы аутентификации и генерации сеансового ключа Milenage были разработаны консорциумом 3GPP объединёнными усилиями входящих в 3GPP организаций. Нет никаких дополнительных требований или разрешений, необходимых для использования этих алгоритмов. Пример использования Mileage в качестве A3 показан в документе 3GPP TS 55.205 «Specification of the GSM-MILENAGE Algorithms: An example algorithm set for the GSM Authentication and Key Generation functions A3 and A8». Полная спецификация Milenage представлена на сайте консорциума 3GPP

Milenage является  неуязвимым к каким-либо известным  атакам. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

А5 — это поточный алгоритм шифрования, используемый для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных между телефоном и базовой станцией в европейской системе мобильной цифровой связи GSM (Group Special Mobile).

Шифр основан  на побитовом сложении по модулю два (булева операция XOR) генерируемой псевдослучайной последовательности и шифруемой информации. В A5 псевдослучайная последовательность реализуется на основе трёх линейных регистров сдвига с обратной связью. Регистры имеют длины 19, 22 и 23 бита соответственно. Сдвигами управляет специальная схема, организующая на каждом шаге смещение как минимум двух регистров, что приводит к их неравномерному движению. Последовательность формируется путём операции XOR над выходными битами регистров.

Алгоритм A5 в настоящее время — это целое семейство шифров. Для описания возьмем А5/1, как родоначальника этого семейства. Изменения в производных алгоритмах опишем отдельно.

Потоковое шифрование

Основная  статья: поточный шифр

Схема поточного  шифра: сложение открытого текста и  последовательности бит даёт шифротекст

В этом алгоритме  каждому символу открытого текста соответствует символ шифротекста. Текст не делится на блоки (как  в блочном шифровании) и не изменяется в размере. Для упрощения аппаратной реализации и, следовательно, увеличения быстродействия используются только простейшие операции: сложение по модулю 2 (XOR) и сдвиг реестра.

Формирование  выходной последовательности происходит путём сложения потока исходного  текста с генерируемой последовательностью (гаммой). Особенность операции XOR заключается  в том, что применённая чётное число раз, она приводит к начальному значению. Отсюда, декодирование сообщения  происходит путём сложения шифротекста  с известной последовательностью.

Таким образом, безопасность системы полностью  зависит от свойств последовательности. В идеальном случае каждый бит  гаммы — это независимая случайная величина, и сама последовательность является случайной. Такая схема была изобретена Вернамом в 1917 году и названа в его честь. Как доказал Клод Шеннон в 1949 году, это обеспечивает абсолютную криптостойкость. Но использование случайной последовательности означает передачу по защищённому каналу сообщения равного по объёму открытому тексту, что значительно усложняет задачу и практически нигде не используется.

В реальных системах создаётся ключ заданного размера, который без труда передаётся по закрытому каналу. Последовательность генерируется на его основе и является псевдослучайной. Большой класс  поточных шифров (в том числе A5) составляют шифры, генератор псевдослучайной последовательности которой основан на регистрах сдвига с линейной обратной связью. 
 
 
 

Последний шифр рассмотрим  подробнее:

     RC4 (англ. Rivest Cipher 4 или англ. Ron’s Code, также  известен как ARCFOUR или ARC4 (англ. Alleged RC4)) — это потоковый шифр, широко применяющийся в различных  системах защиты информации в  компьютерных сетях (например, в  протоколах SSL и TLS, алгоритме безопасности  беспроводных сетей WEP, для шифрования  паролей в Windows NT).

     Шифр  разработан компанией RSA Security и для  его использования требуется  лицензия.

     Алгоритм RC4 строится, как и любой потоковый  шифр на основе параметризованного ключом генератора псевдослучайных битов  с равномерным распределением. Длина  ключа обычно составляет от 5 до 64 байт. Максимальная длина ключа 256 байт.

     Основные  преимущества шифра — высокая  скорость работы и переменный размер ключа. RC4 довольно уязвим, если используются не случайные или связанные ключи, один ключевой поток используется дважды. Эти факторы, а также способ использования  могут сделать криптосистему  небезопасной (например, WEP).

     Потоковый шифр RC4 был создан Роном Ривестом из RSA Security в 1987 году. Хотя официально сокращение обозначает Rivest Cipher 4, его часто считают  сокращением от Ron’s Code.Шифр RC4 применяется в некоторых широко распространённых стандартах и протоколах шифрования таких, как WEP, WPA и TLS.

     Главными  факторами, способствовавшими широкому применению RC4, были простота его аппаратной и программной реализации, а также  высокая скорость работы алгоритма  в обоих случаях.

     В США длина ключа для использования  внутри страны рекомендуется равной 128 битов, но соглашение, заключённое  между Software Publishers Association (SPA) и правительством США даёт RC4 специальный статус, который  означает, что разрешено экспортировать шифры длиной ключа до 40 бит. 56-битные ключи разрешено использовать заграничным  отделениям американских компаний.

Описание  алгоритма

Генератор ключевого потока RC4

     Ядро  алгоритма состоит из функции  генерации ключевого потока. Эта  функция генерирует последовательность битов (ki), которая затем объединяется с открытым текстом (mi) посредством  суммирования по модулю два. Так получается шифрограмма (ci):

.