Алгоритм RC5
В своём посте, я хотел бы рассказать о симметричном алгоритме шифрования RC5 и моей версии его реализации на python. Данный алгоритм разработан известнейшим криптологом Рональдом
Введение
При описании алгоритма будем использовать следующие обозначения:
- Размер слова
в битах. RC5 шифрует блоками по два слова; допустимыми значениями являются 16, 32 и 64. Данную величину рекомендуется брать равной машинному слову. Например для 32-битных машин
- Количество раундов алгоритма
— целое число от 0 до 255 включительно. При значении 0 шифрование выполняться не будет
- Размер секретного ключа
в байтах — целое число от 0 до 255 включительно
Для уточнения параметров, используемых в конкретном случае применяется обозначение RC5-
например, RC5-32/12/16 обозначает алгоритм RC5 c 64-битным блоком, 12 раундами шифрования и 16-байтным ключом(данная комбинация рекомендуется Ривестом в качестве основного варианта).
Работа алгоритма состоит из двух этапов:
- Процедура расширения ключа
- Само шифрование
Создадим класс и конструктор инициализирующий необходимые стартовые переменные
Python listing
class RC5:
def __init__(self, W, R, key):
self.W = W
self.R = R
self.key = key
Процедура расширения ключа
Предлагаю начать с этапа, который немного сложней, а именно, с процедуры расширения ключа. Для этого нам понадобится написать 3 простеньких функции:
- Выравнивания ключа
- Инициализации массива расширенных ключей
- Перемешивания массивов ключей
Выравнивание ключа
Если размер ключа(в байтах) не кратен
Например, при параметрах
Опишем необходимую функцию
Python listing
def __keyAlign(self):
while len(self.key) % (self.W // 8): # дополняем ключ байтами \x00
self.key += b'\x00'
self.c = len(self.key) // (self.W // 8)
L, key = [], bin(int.from_bytes(self.key, byteorder='little'))[2:] # функция from_bytes преобразует массив байт в число
for i in range(self.c): # Заполняем массив L
L.append(int(key[:self.W], 2))
key = key[self.W:]
self.L = L
Инициализация массива расширенных ключей
На этом шаге нам нужно сгенерировать псевдослучайные константы
где
Так же в спецификации алгоритма приведены уже вычисленные константы для всех возможных значений :
,
все константы представлены в шестнадцатеричном виде.
Получив всё необходимое мы инициализируем массив , где
Описание функций
Python listing
def __const(self): # функция генерации констант
if self.W == 16:
return (0xB7E1, 0x9E37) # Возвращает значения P и Q соответсвенно
elif self.W == 32:
return (0xB7E15163, 0x9E3779B9)
elif self.W == 64:
return (0xB7E151628AED2A6B, 0x9E3779B97F4A7C15)
def __keyExtend(self): # заполнение массива S
P, Q = self.__const()
self.S = [(P + i * Q) % 2 ** self.W for i in range(2 * self.R + 1)]
Перемешивание
Теперь, перед тем как приступить к шифрованию, нам осталось лишь перемешать элементы массивов L и S выполнив следующий цикл:
Количество итераций
Python listing
lshift и rshift(который встретится нам чуть ниже) это операции логического сдвига влево и вправо соответственно.
Я думаю, что их комментарии будут излишними, а код можно посмотреть на github(ссылка в конце)
def __shuffle(self):
m = max(self.c, 2 * self.R + 1)
i, j, A, B = 0, 0, 0, 0
for k in range(3 * m):
A = self.S[i] = self.__lshift((self.S[i] + A + B), 3)
B = self.L[j] = self.__lshift((self.L[j] + A + B), A + B)
i = (i + 1) % (2 * self.R + 1)
j = (j + 1) % self.c
lshift и rshift(который встретится нам чуть ниже) это операции логического сдвига влево и вправо соответственно.
Я думаю, что их комментарии будут излишними, а код можно посмотреть на github(ссылка в конце)
Структура алгоритма
Шифрование
Алгоритм представляет собой сеть Фейстеля, в каждом раунде которой(за исключением нулевого) выполняются следующие операции:
где
В нулевом раунде выполняется операции наложения двух первых фрагментов расширенного ключа на шифруемые данные:
Стоит отметить, что под раундом подразумевается преобразования, соответствующее двум раундам обычных алгоритмов, сконструированных на основе сетей Фейстеля. За раунд RC5 обрабатывает блок целиком, в отличии от раунда сети Фейстеля обрабатывающего один подблок — чаще всего половину блока.
Соответствующий код:
Python listing
def encrypt(self, inpFileName, outFileName): # в качестве параметров передаётся имя файла и открытым текстом и имя выходного файла
with open(inpFileName, 'rb') as inp, open(outFileName, 'wb') as out: # получаем объекты файлов для чтения и записи
while True:
text = inp.read(self.W // 4) # считываем необходимое кол-во байт
if not text: # выходим из цикла, если считали пустую строку(массив байт)
break
text = text.ljust(self.W // 4, b'\x00') # последняя считанная строка может быть меньше необходимого размера, что критичного для блочного шифра, поэтому мы дополняем её нулевыми байтами
A = int.from_bytes(text[:self.W // 8], byteorder='little')
B = int.from_bytes(text[self.W // 8:], byteorder='little')
A = (A + self.S[0]) % 2 ** self.W # нулевой раунд
B = (B + self.S[1]) % 2 ** self.W
for i in range(1, self.R):
A = (self.__lshift((A ^ B), B)
+ self.S[2 * i]) % 2 ** self.W
B = (self.__lshift((A ^ B), A)
+ self.S[2 * i + 1]) % 2 ** self.W
out.write(A.to_bytes(self.W // 8, byteorder='little') +
B.to_bytes(self.W // 8, byteorder='little')) # запись зашифрованных данных в выходной файл
Расшифровывание
Расшифровка данных выполняется применением обратных операций в обратной последовательности, т.е. сначала выполняем следующий цикл:
где
После этого выполняются операции обратные для нулевого раунда, а именно:
Код тут:
Python listing
def decrypt(self, inpFileName, outFileName):
with open(inpFileName, 'rb') as inp, open(outFileName, 'wb') as out:
while True:
text = inp.read(self.W // 4)
if not text:
break
A = int.from_bytes(text[:self.W // 8], byteorder='little')
B = int.from_bytes(text[self.W // 8:], byteorder='little')
for i in range(self.R - 1, 0, -1):
B = self.__rshift(
((B - self.S[2 * i + 1]) % 2 ** self.W), A) ^ A
A = self.__rshift(
((A - self.S[2 * i]) % 2 ** self.W), B) ^ B
B = (B - self.S[1]) % 2 ** self.W
A = (A - self.S[0]) % 2 ** self.W
res = (A.to_bytes(self.W // 8, byteorder='little')
+ B.to_bytes(self.W // 8, byteorder='little'))
out.write(res.rstrip(b'\x00')) # убираем добавленные на этапе шифрования нулевые байты
Алгоритм поразительно прост — в нем используются только операции сложения по модулю 2 и по модулю
Код целиком можно посмотреть на github.
Немного криптоанализа
- Существует класс ключей при использовании которых алгоритм можно вскрыть линейным криптоанализом. В других случаях это почти невозможно.
- Дифференциальный криптоанализ более эффективен при атаке на данный алгоритм. Например, для алгорима RC5-32-12-16, в лучшем случае, требуется
выбранных открытых текстов для успешной атаки. При использовании 18-20(и больше) раундов вместо 12 вскрыть алгоритм с помощью дифференциального криптоанализа почти невозможно.
Таким образом, наиболее реальным методом взлома алгоритма RC5 (не считая варианты с небольшим количеством раундов и с коротким ключом) является полный перебор возможных вариантов ключа шифрования. Что означает, что у алгоритма RC5 практически отсутствуют недостатки с точки зрения его стойкости. На этом и хотелось бы закончить. Всем спасибо за внимание.
This entry passed through the Full-Text RSS service - if this is your content and you're reading it on someone else's site, please read the FAQ at http://ift.tt/jcXqJW.
Комментариев нет:
Отправить комментарий