Обзор процесса разработки AES Инициатива в разработке AES принадлежит NIST. Основная цель состояла в создании федерального стандарта (FIPS), который бы описывал алгоритм шифрования, используемый для защиты информации как в государственном, так и в частном секторе. Конкуренция среди финалистов была достаточно серьезной, и в результате длительного процесса оценки NIST выбрал Rijndael в качестве алгоритма AES. Мы кратко рассмотрим этот процесс и суммируем различные характеристики алгоритмов, которые были описаны на данном этапе. Следующий раздел представляет собой обзор разработки AES и обсуждение деталей алгоритмов. Обзор финалистов Все пять финалистов являются итерационными блочными алгоритмами шифрования: они определяют преобразование, которое повторяется определенное число раз над блоком шифруемых или дешифруемых данных. Шифруемый блок данных называется plaintext; зашифрованный plaintext называется ciphertext. Для дешифрования в качестве обрабатываемого блока данных используется ciphertext. Каждый финалист также определяет метод создания серии ключей из исходного ключа, называемый управлением ключом. Полученные ключи называются подключами. Функции раунда используют в качестве входа различные подключи для конкретного блока данных. У каждого финалиста первая и последняя криптографические операции являются некоторой формой перемешивания подключей и блока данных. Такие операции, используемые на начальном шаге первого раунда и заключительном шаге последнего раунда, называются pre- и post-забеливанием (whitening) и могут быть определены отдельно. Существуют также некоторые другие технические особенности финалистов. Четыре финалиста определяют таблицы подстановки, называемые S-box: AxB-битный S-box заменяет А входных битов на В выходных битов. Три финалиста определяют функции раунда, являющиеся сетью Фейштеля. В классической сети Фейштеля одна половина блока данных используется для модификации другой половины блока данных, затем половины меняются местами. Два финалиста не используют сеть Фейштеля, в каждом раунде обрабатывают параллельно весь блок данных, применяя подстановки и линейные преобразования; таким образом, эти два финалиста являются примерами алгоритмов, использующих линейно-подстановочное преобразование. Далее рассмотрим каждый из алгоритмов в алфавитном порядке; профили и оценки будут представлены в следующих разделах. MARS выполняет последовательность преобразований в следующем порядке: сложение с ключом в качестве pre-whitening, 8 раундов прямого перемешивания без использования ключа, 8 раундов прямого преобразования с использованием ключа, 8 раундов обратного преобразования с использованием ключа, 8 раундов обратного перемешивания без использования ключа и вычитание ключа в качестве post-whitening. 16 раундов с использованием ключа называются криптографическим ядром. Раунды без ключа используют два 8х16- битных S-boxes и операции сложения и XOR. В дополнение к этим элементам раунды с ключом используют 32-битное умножение ключа, зависимые от данных циклические сдвиги и добавление ключа. Как раунды перемешивания, так и раунды ядра являются раундами модифицированной сети Фейштеля, в которых четверть блока данных используется для изменения остальных трех четвертей блока данных. MARS предложен корпорацией IBM. RC6 является параметризуемым семейством алгоритмов шифрования, основанных на сети Фейштеля; для AES было предложено использовать 20 раундов. Функция раунда в RC6 задействует переменные циклические сдвиги, которые определяются квадратичной функцией от данных. Каждый раунд также включает умножение по модулю 32, сложение, XOR и сложение с ключом. Сложение с ключом также используется для pre- и pos-whitening. RC6 был предложен лабораторией RSA. Rijndael представляет собой алгоритм, использующий линейно-подстановочные преобразования и состоящий из 10, 12 или 14 раундов в зависимости от длины ключа. Блок данных, обрабатываемый с использованием Rijndael, делится на массивы байтов, и каждая операция шифрования является байт-ориентированной. Функция раунда Rijndael состоит из четырех слоев. В первом слое для каждого байта применяется S-box размерностью 8х8 бит. Второй и третий слои являются линейными перемешиваниями, в которых строки рассматриваются в качестве сдвигаемых массивов и столбцы перемешиваются. В четвертом слое выполняется операция XOR байтов подключа и каждого байта массива. В последнем раунде перемешивание столбцов опущено. Rijndael предложен Joan Daemen (Proton World International) и Vincent Rijmen (Katholieke Universiteit Leuven). Serpent является алгоритмом, использующим линейно-подстановочные преобразования и состоящим из 32 раундов. Serpent также определяет некриптографические начальную и заключительную перестановки, которые облегчают альтернативный режим реализации, называемый bitslice. Функция раунда состоит из трех слоев: операция XOR с ключом, 32-х параллельное применение одного из восьми фиксированных S-boxes и линейное преобразование. В последнем раунде слой XOR с ключом заменен на линейное преобразование. Serpent предложен Ross Anderson (University of Cambridge), Eli Biham (Technion) и LarsKnudsen (University of California San Diego). Twofish является сетью Фейштеля с 16 раундами. Сеть Фейштеля незначительно модифицирована с использованием однобитных ротаций. Функция раунда влияет на 32-битные слова, используя четыре зависящих от ключа S-boxes, за которыми следуют фиксированные максимально удаленные отдельные матрицы в GF(2 8), преобразование псевдо-Адамара и добавление ключа. Twofish был предложен Bruce Schneier, John Kelsey и Niels Ferguson (Counterpane Internet Security, Inc.), Doug Whiting (Hi/fn, Inc.), David Wagner (University of California Berkley) и Chris Hall (Princeton University). При объявлении финалистов представители NIST предложили обсудить и прокомментировать алгоритмы. На третьей конференции кандидатов AES (AES 3), состоявшейся в апреле 2000 года, представленные комментарии были рассмотрены. Период открытого обсуждения был завершен 15 мая 2000 года. Критерий оценки В сентябре 1997 года, объявив об алгоритмах кандидатов, специалисты NIST определили общий критерий, который должен использоваться при сравнении алгоритмов. Критерий оценки был разделен на три основных категории:1. Безопасность. 2. Стоимость. 3. Характеристики алгоритма и его реализации. Безопасность является важнейшим фактором при оценке и сравнении таких возможностей как стойкость алгоритма к криптоанализу, исследование его математической основы, случайность выходных значений алгоритма и относительная безопасность по сравнению с другими кандидатами. Стоимость является второй важной областью оценки, которая характеризует лицензионные требования, вычислительную эффективность (скорость) на различных платформах и требования к памяти. Так как одной из целей NIST была возможность широкой доступности алгоритма AES без лицензионных ограничений, обсуждались в основном требования защиты интеллектуальной собственности и потенциальные конфликты. Рассматривалась также скорость работы алгоритма на различных платформах. При первом обсуждении основное внимание уделялось скорости, связанной со 128-битными ключами. При втором обсуждении рассматривались аппаратные реализации и скорости, связанные со 192- и 256-битными ключами. Также важно рассматривать требования памяти и ограничения программной реализации. Третьей областью оценки являлись характеристики алгоритма и реализации, такие как гибкость, аппаратное и программное соответствие и простота алгоритма. Гибкость включает возможность алгоритма:- управлять размером ключа и блока сверх того, который минимально должен поддерживаться;- безопасно и эффективно реализовываться в различных типах окружений;- реализовываться в качестве поточного алгоритма шифрования, хэш-функции и обеспечивать дополнительные криптографические сервисы. Должна быть возможность реализовать алгоритм как аппаратно, так и программно, эффективность смешанных (firmware) реализаций также считается преимуществом. Относительная простота разработки алгоритма также является фактором оценки. На первом и втором этапах обсуждения стало очевидно, что различные выводы, полученные при анализе, часто переходят из одного рассмотренного выше критерия в другой. Таким образом, критерии стоимости и характеристик алгоритма рассматривались Запасной алгоритм Как уже отмечалось, существует взаимосвязь между обсуждениями проблемы нескольких алгоритмов AES и выбором запасного алгоритма, особенно в случае единственного алгоритма AES. Backup может иметь несколько форм, от алгоритма, который требуется реализовывать в продуктах AES ("cold backup"), до определяемого в AES запасного алгоритма ("hot backup"). Было доказано, что запасной алгоритм во многом эквивалентен второму AES-алгоритму, так как многие пользователи пожелают, чтобы даже "cold backup" был реализован в продуктах. Итак, имея- представления о том, что запасной алгоритм должен de facto требоваться в продуктах;- сомнения относительно потенциальной применимости в связи с возможными достижениями криптоанализа;- заинтересованность NIST в обеспечении интероперабельности;- доступность в коммерческих продуктах других алгоритмов (как FIPS, так и не-FIPS); было принято решение не выбирать запасной алгоритм. Как и в случае с другими стандартами на криптографические алгоритмы, NIST продолжит исследования в области криптоанализа AES-алгоритма, и стандарт будет пересматриваться каждые пять лет. Если полученные результаты потребуют более быстрой реакции, NIST будет действовать соответствующим образом и рассмотрит все возможные момент альтернативы. Общая безопасность Представленный здесь анализ был выполнен с использованием исходных спецификаций финалистов, полученных до начала второго этапа. Безопасность являлась самым важным фактором при оценке финалистов. В отношении какого-либо из алгоритмов никаких атак не зафиксировано. Были зафиксированы только атаки против простейших вариантов алгоритмов, когда число раундов было уменьшено или были сделаны упрощения другими способами. Ниже дается краткое описание этих атак против вариантов с уменьшенным числом раундов, а также перечислены необходимые вычислительные ресурсы и ресурсы памяти. Трудно оценить важность атак на варианты с уменьшенным числом раундов. С одной стороны, варианты с уменьшенным числом раундов на самом деле являются другими алгоритмами, и таким образом атаки на них никак не характеризуют безопасность исходных алгоритмов. Алгоритм может быть безопасен при n раундах, даже если он уязвим при n-1 раунде. С другой стороны, обычной практикой в современном криптоанализе являются попытки сконструировать атаки на варианты с уменьшенным числом раундов. С этой точки зрения вполне понятны попытки оценить "резерв безопасности" рассматриваемых кандидатов, основываясь на атаках на варианты с уменьшенным числом раундов. Одним из возможных критериев резерва безопасности является число, на которое полное число раундов алгоритма превышает наибольшее число раундов, при котором возможна атака. Существует ряд причин, объясняющих, почему не следует полагаться исключительно на подобную метрику для определения силы алгоритма; тем не менее, данная метрика резерва безопасности может быть полезна. NIST рассмотрел и другие характеристики финалистов, которые могут повлиять на их безопасность. Уверенность в анализе безопасности, выполненном при разработки AES, зависит от происхождения алгоритмов и принципов их разработки, а также от трудности анализа конкретных комбинаций операций, используемых в каждом алгоритме. Атаки на варианты с уменьшенным числом раундовНиже в таблице приведены атаки на варианты с уменьшенным числом раундов. Для каждой атаки в таблице указано число раундов, при котором может осуществляться атака, длина ключа, тип атаки и необходимые ресурсы. Для атаки может требоваться три категории ресурсов: вычислительные, память, информация. В столбце "Текст" указана информация, необходимая для осуществления атаки, в частности, количество блоков незашифрованного текста и соответствующих им блоков зашифрованного данным ключом текста. Для большинства атак противнику недостаточно перехватить произвольные тексты; незашифрованный текст должен иметь конкретную форму, выбранную противником. Такие незашифрованные тексты называются выбранными незашифрованными текстами. Следует заметить, что существуют атаки, которые могут использовать любой известный незашифрованный текст в противоположность выбранному незашифрованному тексту. В столбце "Байты памяти" указано наибольшее число байтов памяти, которые требуются в любой точке осуществления атаки; это необязательно эквивалентно хранению всей необходимой информации. Столбец "Операции" содержит ожидаемое число операций, которое необходимо для осуществления атаки. Трудно преобразовать данное число в оценку времени, так как время зависит от вычислительных возможностей, а также от возможности параллельного выполнения процедур. Природа операций также является определенным фактором; обычно рассматриваются операции полного шифрования, но операцией может быть также частичное шифрование или другая операция. Даже в случае полного шифрования для выполнения может требоваться различное время. Следовательно, число операций, необходимых для атаки, должно рассматриваться только как приблизительная основа для сравнения различных атак. Краткая характеристика финалистов Как уже отмечалось, ни против одного из финалистов не существует общих атак. Однако определение уровня безопасности, обеспечиваемого финалистами, является достаточно приблизительным. Суммируем некоторые известные характеристики безопасности финалистов. MARS показывает высокую степень резерва безопасности. Кратко охарактеризовать MARS трудно, потому что фактически MARS реализует два различных типа раунда. MARS даже критиковали за сложность, которая может препятствовать анализу его безопасности. RC6 показал адекватный резерв безопасности. Однако RC6 критиковали за небольшой резерв безопасности по сравнению с другими финалистами. С другой стороны, все высоко оценили простоту RC6, облегчающую анализ безопасности. RC6 произошел от RC5, который уже достаточно хорошо проанализирован. Rijndael показал адекватный резерв безопасности. Резерв безопасности довольно трудно измерить, потому что число раундов изменяется в зависимости от длины ключа. Rijndael критиковался по двум направлениям: что его резерв безопасности меньше, чем у других финалистов, и что его математическая структура может привести к атакам. Тем не менее, его структура достаточно проста и обеспечивает возможность анализа безопасности. Serpent показал значительный резерв безопасности. Serpent также имеет простую структуру, безопасность которой легко проанализировать. Twofish показал высокий резерв безопасности. Поскольку Twofish использует зависящую от ключа функцию раунда, для него замечания о резерве безопасности могут иметь меньшее значение, чем для других финалистов. Зависимость S-boxes Twofish только от k/2 битов энтропии в случае k-битного ключа позволяет сделать вывод, что Twofish может быть подвегнут divide-and-conquer-атаке, хотя такая атака не найдена. Twofish был подвергнут критике за сложность, которая затрудняет его анализ.