Skipjack

Skipjack
Skipjack
Создатель	Агентство национальной безопасности (США)
Создан	1980-е
Опубликован	1998 г. (рассекречен)
Размер ключа	80 бит
Размер блока	64 бит
Число раундов	32
Тип	Сеть Фейстеля

Skipjack — блочный шифр, разработанный Агентством национальной безопасности США в рамках проекта Capstone^[англ.]. После разработки сведения о шифре были засекречены. Изначально он предназначался для использования в чипе Clipper для защиты аудиоинформации, передаваемой по сетям правительственной телефонной связи, а также по сетям мобильной и беспроводной связи. Позже алгоритм был рассекречен^[1].

История

Skipjack являлся одной из инициатив, предложенных в рамках проекта Capstone^[англ.]. Руководили проектом Агентство национальной безопасности (АНБ) и Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ), финансируемые правительством США. Официальная дата начала инициативы — 1993 год. Алгоритм шифрования был разработан в 1980 году, а первая его реализация была получена в 1987 году. Шифр был предназначен для использования в чипе Clipper, встраиваемом в защищаемое оборудование. При этом Skipjack использовался только для шифрования сообщений, а депонирование ключа^[2] для возможности последующего использования уполномоченными органами — наиболее обсуждаемый аспект использования шифра — достигалось за счёт отдельного механизма, называемого Law Enforcement Access Field^[1].

Изначально проект был засекречен и по этой причине подвергся огромной критике. Для повышения общественного доверия и оценки алгоритма были призваны несколько академических исследователей. По причине отсутствия времени для самостоятельного тщательного исследования эксперты сконцентрировались на изучении представленного АНБ описания процесса разработки и оценки алгоритма. В дополнение к этому они, в течение месяца, провели ряд небольших тестов. В предварительном отчете об их работе (окончательного отчета так и не последовало) указаны три заключения^[3]:

Принимая во внимание, что стоимость вычислительных мощностей уменьшается вдвое каждые 18 месяцев, лишь через 36 лет стоимость взлома Skipjack полным перебором сравняется со стоимостью взлома DES сегодня.

Риск взлома шифра с помощью более быстрых способов, включая дифференциальный криптоанализ, незначителен. Алгоритм не имеет слабых ключей^[англ.] и свойства комплементарности^{[К 1]}.

Устойчивость Skipjack к криптоанализу не зависит от секретности самого алгоритма.

Шифр был опубликован в открытый доступ 24 июня 1998 года. В августе 2016 года НИСТ принял новые принципы использования криптографических стандартов, в которых отозвал сертификацию алгоритма Skipjack для правительственных целей^[5].

Описание

Skipjack использует 80-битный ключ для шифрования/дешифрования 64-битных блоков данных. Это несбалансированная сеть Фейстеля с 32 раундами^[6].

Шифрование

Текст разбивается на 4 слова $w_{i}$ по 2 байта каждое. Начальные данные есть слова, для которых $k=0$ , где $k$ — порядковый номер раунда. Сначала совершается 8 раундов по правилу А, затем — по правилу Б. Это повторяется дважды, что, в итоге, дает 32 раунда.

Здесь и далее операция $x\oplus y$ есть бинарная операция побитового (поразрядного к числам $x$ и $y$ ) сложения по модулю 2.

Правило А

w_{1}^{k+1}=G^{k}(w_{1}^{k})\oplus w_{4}^{k}\oplus counter^{k}

w_{2}^{k+1}=G^{k}(w_{1}^{k})

w_{3}^{k+1}=w_{2}^{k}

w_{4}^{k+1}=w_{3}^{k}

Правило Б

w_{1}^{k+1}=w_{4}^{k}

w_{2}^{k+1}=G^{k}(w_{1}^{k})

w_{3}^{k+1}=w_{1}^{k}\oplus w_{2}^{k}\oplus counter^{k}

w_{4}^{k+1}=w_{3}^{k}

После завершения алгоритма шифротекстом будут являться слова $w_{i}^{32},\ 1\leqslant i\leqslant 4$ .

Дешифрование

Начальные данные есть слова, для которых $k=32$ . Сначала совершается 8 раундов по правилу Б $^{-1}$ , затем — по правилу А $^{-1}$ . Повторяется дважды.

Правило А $^{-1}$

w_{1}^{k-1}=[G^{k-1}]^{-1}(w_{2}^{k})

w_{2}^{k-1}=w_{3}^{k}

w_{3}^{k-1}=w_{4}^{k}

w_{4}^{k-1}=w_{1}^{k}\oplus w_{2}^{k}\oplus counter^{k-1}

Правило Б $^{-1}$

w_{1}^{k-1}=[G^{k-1}]^{-1}(w_{2}^{k})

w_{2}^{k-1}=[G^{k-1}]^{-1}(w_{2}^{k})\oplus w_{3}^{k}\oplus counter^{k-1}

w_{3}^{k-1}=w_{4}^{k}

w_{4}^{k-1}=w_{1}^{k}

После завершения алгоритма открытым текстом будут являться слова $w_{i}^{0},\ 1\leqslant i\leqslant 4$ .

Блок перестановок G

Блок перестановок^[англ.] $G$ действует на 16-битное число и представляет собой четырёхуровневую сеть Фейстеля. Функция $F$ , действующая на число размером в 8 бит, есть блок подстановок, который в спецификации алгоритма называется $F$ -таблицей. Математически действие блока $G$ можно описать так:

$G^{k}(w)=g_{5}\|g_{6}$
где: $w=g_{1}\|g_{2}$

$g_{i}=F(g_{i-1}\oplus cv_{4k+i-3})\oplus g_{i-2}$

$cv_{4k+i-3}$ — это $(4k+i-3)$ байт ключа

$k$ — порядковый номер раунда

$x\|y$ — операция конкатенации (объединения) байтов

$[G^{k}]^{-1}(w)=g_{1}\|g_{2}$
где: $w=g_{5}\|g_{6}$

$g_{i-2}=F(g_{i-1}\oplus cv_{4k+i-3})\oplus g_{i}$

$F$ -таблица
	x0	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7	x8	x9	xA	xB	xC	xD	xE	xF
0x	a3	d7	09	83	f8	48	f6	f4	b3	21	15	78	99	b1	af	f9
1x	e7	2d	4d	8a	ce	4c	ca	2e	52	95	d9	1e	4e	38	44	28
2x	0a	df	02	a0	17	f1	60	68	12	b7	7a	c3	e9	fa	3d	53
3x	96	84	6b	ba	f2	63	9a	19	7c	ae	e5	f5	f7	16	6a	a2
4x	39	b6	7b	0f	c1	93	81	1b	ee	b4	1a	ea	d0	91	2f	b8
5x	55	b9	da	85	3f	41	bf	e0	5a	58	80	5f	66	0b	d8	90
6x	35	d5	c0	a7	33	06	65	69	45	00	94	56	6d	98	9b	76
7x	97	fc	b2	c2	b0	fe	db	20	e1	eb	d6	e4	dd	47	4a	1d
8x	42	ed	9e	6e	49	3c	cd	43	27	d2	07	d4	de	c7	67	18
9x	89	cb	30	1f	8d	c6	8f	aa	c8	74	dc	c9	5d	5c	31	a4
Ax	70	88	61	2c	9f	0d	2b	87	50	82	54	64	26	7d	03	40
Bx	34	4b	1c	73	d1	c4	fd	3b	cc	fb	7f	ab	e6	3e	5b	a5
Cx	ad	04	23	9c	14	51	22	f0	29	79	71	7e	ff	8c	0e	e2
Dx	0c	ef	bc	72	75	6f	37	a1	ec	d3	8e	62	8b	86	10	e8
Ex	08	77	11	be	92	4f	24	c5	32	36	9d	cf	f3	a6	bb	ac
Fx	5e	6c	a9	13	57	25	b5	e3	bd	a8	3a	01	05	59	2a	46

Криптоанализ

Эли Бихам и Ади Шамир произвели криптографическую атаку против 16 из 32 раундов в течение одного дня после рассекречивания алгоритма. Вместе с Алексом Бирюковым они, используя невозможный дифференциальный криптоанализ^[англ.], всего в течение нескольких месяцев раскрыли 31 из 32 его раундов^[7]. Позже были опубликованы статьи атакующие 28 раундов шифра с использованием усеченных дифференциалов^[англ.]^[8].

В 2002 году Рафаэлем Фаном была опубликована статья, анализирующая возможные атаки на полные 32 раунда^[9]. Позднее, в 2009 году, в статье, соавтором которой тоже являлся Фан, указано, что на тот момент не существовало атаки на полный алгоритм шифра Skipjack^[10].

↑ Существует свойство комплементарности ключей: если $E_{K}(M)=C$ , то $E_{\overline {K}}({\overline {M}})={\overline {C}}$ , где: $E_{K}(M)$ — зашифровывание алгоритмом DES блока открытого текста $M$ , $C$ — полученный шифротекст, ${\overline {x}}$ — побитовое дополнение к $x$ .^[4]

Примечания

↑ ¹ ² Стенограмма пресс-релиза в Белом Доме по проекту Capstone (англ.). Пресс-служба Белого Дома^[англ.] (1993). Дата обращения: 29 ноября 2016. Архивировано из оригинала 7 августа 2011 года.
↑ Депонирование ключей (key escrow) (неопр.). Словарь терминов по информационной безопасности. www.glossary.ib-bank.ru. Дата обращения: 16 ноября 2016. Архивировано 16 ноября 2016 года.
↑ E.F. Brickell; D.E. Denning^[англ.], S.T. Kent, D.P. Maher^[англ.], W. Tuchman.: Skipjack review. Interim report. (англ.) (1993). Архивировано из оригинала 8 июня 2011 года.
↑ Панасенко С. П. Алгоритмы шифрования. Специальный справочник — СПб.: BHV-СПб, 2009. — С. 170. — 576 с. — ISBN 978-5-9775-0319-8
↑ Guideline for using cryptographic standards in the Federal Government: Cryptographic mechanisms (англ.). НИСТ (2016). Дата обращения: 29 ноября 2016. Архивировано 23 ноября 2016 года.
↑ Skipjack and KEA algorithm specifications (англ.). НИСТ (1998). Дата обращения: 29 ноября 2016. Архивировано из оригинала 21 октября 2011 года.
↑ Biham E., Biryukov A., Shamir A. Cryptanalysis of Skipjack Reduced to 31 Rounds Using Impossible Differentials (англ.) // Advances in Cryptology — EUROCRYPT ’99: International Conference on the Theory and Application of Cryptographic Techniques Prague, Czech Republic, May 2–6, 1999 Proceedings / J. Stern — Berlin, Heidelberg: Springer Science+Business Media, 1999. — P. 12—23. — ISBN 978-3-540-65889-4 — doi:10.1007/3-540-48910-X_2
↑ Knudsen L. R., Robshaw M., Wagner D. A. Truncated Differentials and Skipjack (англ.) // Advances in Cryptology — CRYPTO’ 99: 19th Annual International Cryptology Conference Santa Barbara, California, USA, August 15–19, 1999 Proceedings / M. Wiener — Springer Berlin Heidelberg, 1999. — P. 165—180. — ISBN 978-3-540-66347-8 — doi:10.1007/3-540-48405-1_11
↑ Chung-Wei Phan R. Cryptanalysis of full Skipjack block cipher (англ.) // Electronics Letters — IEEE, 2002. — Vol. 38, Iss. 2. — P. 69—71. — ISSN 0013-5194; 1350-911X — doi:10.1049/EL:20020051
↑ «an attack on the full 32-round Skipjack remains elusive until now» — Kim J., Raphael C.-W. Phan Advanced Differential-Style Cryptanalysis of the NSA's Skipjack Block Cipher (англ.) // Cryptologia — United States of America: Taylor & Francis, 2009. — Vol. 33. — P. 246—270. — ISSN 0161-1194; 1558-1586 — doi:10.1080/01611190802653228

Ссылки

Шнайер Б. Глава 13. Другие блочные шифры // Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си = Applied Cryptography. Protocols, Algorithms and Source Code in C. — М.: Триумф, 2002. — 816 с. — 3000 экз. — ISBN 5-89392-055-4.
Эли Бихам; Алекс Бирюков, Ади Шамир, E. Richardson, O. Dunkelman.: Initial observations on Skipjack (англ.) (1998). Дата обращения: 29 ноября 2016.
Брюс Шнайер. Declassifying Skipjack (англ.). Crypto-Gram Newsletter (1998). Дата обращения: 29 ноября 2016.