Metody różnicowej i liniowej kryptoanalizy szyfrów blokowych

Symetryczne szyfry blokowe należą do podstawowych narzędzi nowoczesnej kryptografii. Ponieważ nie są znane konstrukcje, których bezpieczeństwo można udowodnić, ocena tych szyfrów jest heurystyczna. Brane są pod uwagę tylko dotychczas znane ataki kryptograficzne. Do najważniejszych rozważanych ataków należą kryptoanaliza różnicowa i kryptoanaliza liniowa. W odróżnieniu od kryptoanalizy różnicowej, która jest w zasadzie metodą ataku kryptograficznego z wybranym tekstem jawnym, kryptoanaliza liniowa jest zasadniczo metodą ataku kryptograficznego ze znanym tekstem jawnym, a ponadto w pewnych okolicznościach może być wykorzystana do ataku na tekst zaszyfrowany. Podstawowa idea kryptoanalizy liniowej polega na opisaniu danego algorytmu szyfrowania za pomocą przybliżonego równania, tak zwanej aproksymacji liniowej. Przybliżone równanie opisujące wpływ szczególnych różnic w parach tekstów jawnych na różnice w odpowiadających im parach tekstów zaszyfrowanych nazywane jest aproksymacją różnicową. Dla dowolnej funkcji f o n binarnych wejściach i m binarnych wyjściach zbiór wszystkich aproksymacji różnicowych lub liniowych może być reprezentowany w postaci tablicy aproksymacji o rozmiarze O_(2n+m). Algorytmy oparte na definicji aproksymacji różnicowej lub liniowej obliczają pojedynczą wartość tablicy aproksymacji w czasie wykładniczym. Ogranicza to zastosowanie tych podstawowych algorytmów do funkcji składowych szyfru o niewielkiej liczbie binarnych wejść i wyjść. Przedstawione w rozprawie szybkie algorytmy obliczają najlepszą niezerową aproksymację różnicową i liniową w co najwyżej liniowym czasie O_(n+m) dla pojedynczego elementu bez angażowania pamięci potrzebnej do przechowania całych tablic. Pożądana jest konstrukcja specjalizowanych algorytmów dla pewnych klas funkcji składowych szyfrów blokowych. Dla struktur z selektorami sformułowano algorytm obliczania pojedynczego elementu tablicy liniowych aproksymacji struktury w czasie O(k ⋅ 2_k), jak również algorytm obliczania całej tablicy aproksymacji struktury w czasie O(k) dla pojedynczego elementu, gdzie k oznacza liczbę bitów adresowych selektora. Oba algorytmy są oparte na ogólnym wyniku, który pozwala obliczyć wartości tablicy aproksymacji struktury na podstawie wstępnie obliczonych tablic aproksymacji jej funkcji składowych. Dla losowo wybranych n-bitowych permutacji i dowolnych funkcji rozważono dwuwymiarowe (tj. różnicowo-liniowe) rozkłady najlepszych aproksymacji niezerowych. Dla obu klas funkcji rozkłady te są podobne. Uzyskane wyniki świadczą o tym, że począwszy od pewnej wartości n, liniowa aproksymacja funkcji S-bloków staje się bardziej efektywna od aproksymacji różnicowej. Ta przewaga efektywności aproksymacji liniowej rośnie wraz ze wzrostem n, a przy rozmiarach S-bloków algorytmu DES nie jest jeszcze zauważalna. Wykazano, że wśród trzech losowo wybranych S-bloków dwa z nich nie są gorsze od najlepszego S-bloku algorytmu DES. W rozkładach jednowymiarowych porównano następujące warianty najlepszej aproksymacji liniowej: aproksymację z sumą modulo 2 bitów wyjściowych, aproksymację z dowolnym bitem wyjściowym i aproksymację z pojedynczym bitem wyjściowym. Do często stosowanych elementów składowych szyfrów blokowych należą funkcje sumy i różnicy arytmetycznej. Dla tych funkcji sformułowano wielomianowe w czasie algorytmy obliczania wartości tablic aproksymacji i rozkładów wartości w tych tablicach, jak również algorytm generowania listy efektywnych aproksymacji, uporządkowanej malejąco według miary efektywności. Zastosowana metoda umożliwia rozwiązanie wielu innych problemów generacji, typowych dla obliczeń wielorundowych charakterystyk szyfrów blokowych. Algorytmy służące do obliczania w czasie O_(n) pojedynczej wartości tablicy różnicowych lub liniowych aproksymacji funkcji n-bitowej sumy lub różnicy arytmetycznej są przykładami algorytmów specjalizowanych. Ocenę szyfrów blokowych ograniczono do przypadku kryptoanalizy liniowej. Jako kryterium jakości przyjęto efektywność najlepszej aproksymacji niezerowej. Jakość szyfru porównywana jest z jakością algorytmu porównawczego o tej samej długości bloku. Wyróżnia się trzy metody oceny szyfru blokowego: zgrubną, pośrednią i dokładną. Metoda zgrubna jest oparta na założeniu, że najlepsza niezerowa aproksymacja szyfru jest złożeniem najlepszej niezerowej aproksymacji pojedynczej iteracji. Metodę tę zastosowano do szyfru typu DES i szyfru PP-1, który jest skalowalną siecią podstawieniowo-permutacyjną (SPN). W metodzie pośredniej dla szyfru konstruowany jest graf G aproksymacji zerowo- niezerowych. Algorytm SP oblicza najkrótszą ścieżkę o określonej długości w grafie G. Ta ścieżka określa najlepszą zerowo-niezerową aproksymację szyfru spełniającą warunki aproksymacji. Efektywność tej aproksymacji stanowi podstawę oceny szyfru. Wykazano, że efektywność odpowiednia dla 64-bitowego szyfru blokowego uzyskiwana jest przez 48-rundowy wariant algorytmu DES z poprawionymi S-blokami. Metoda dokładna polega na wyznaczeniu najlepszej niezerowej aproksymacji szyfru. Obliczenie najbardziej efektywnej aproksymacji przeprowadzane jest typowo w dwóch krokach. Najpierw, w wyniku kompozycji aproksymacji funkcji składowych, obliczane są efektywne aproksymacje pojedynczej iteracji. Następnie, w rezultacie kompozycji aproksymacji kolejnych iteracji, uzyskiwana jest aproksymacja całego szyfru. Metoda dokładna powinna być stosowana w odniesieniu do istniejących szyfrów. Pozostałe dwie metody, w których pomijane są szczegóły konstrukcji szyfru, są przydatne na etapie jego konstruowania. Rozważono różnicową i liniową kryptoanalizę algorytmów DES o zredukowanej liczbie rund. Wiele uwagi poświęcono wyznaczaniu charakterystyk aproksymacji. W szczególności przedstawiono optymalne różnicowe i liniowe charakterystyki r-rundowego algorytmu DES, gdzie r jest ograniczone, odpowiednio, przez 6 i 7, jak również optymalne cykliczne liniowe charakterystyki o długości cyklu od 2 do 5, które umożliwiają identyfikację klucza w przypadku większej liczby rund. Dla tych charakterystyk są formułowane warunki aproksymacji, uzyskiwane przez rozwiązanie właściwego dla algorytmu zbioru równań. Ten sam zbiór równań jest używany do wyznaczenia ogólnej postaci aproksymacji. Najlepsze charakterystyki odpowiadają najbardziej efektywnym aproksymacjom wykorzystywanym w różnych typach ataków kryptograficznych.

Streszczenie 5 Oznaczenia 9 1. WSTĘP 13 1.1. Wprowadzenie 13 1.2. Prace autora rozprawy 16 1.3. Cel i układ rozprawy 19 2. APROKSYMACJA SZYFRÓW BLOKOWYCH 23 2.1. Ogólna struktura szyfru blokowego 23 2.2. Szyfr DES 25 2.3. Szyfr PP-1 27 2.4. Różnicowa i liniowa aproksymacja funkcji 32 2.5. Tablice aproksymacji 35 2.6. Składanie aproksymacji 36 2.7. Podsumowanie 39 3. ALGORYTMY OBLICZANIA TABLIC APROKSYMACJI 41 3.1. Algorytmy podstawowe 41 3.2. Twierdzenie o obliczaniu tablicy TAf 42 3.3. Szybkie algorytmy 44 3.4. Algorytmy obliczania maxTD i maxTA 48 3.5. Obliczanie tablicy TAf dla struktur z selektorami 51 3.6. Podsumowanie 56 4. APROKSYMACJA LOSOWYCH S-BLOKÓW 59 4.1. S-bloki o równej liczbie wejść i wyjść 59 4.2. Rozmiar S-bloków algorytmu DES 65 4.3. Warianty liniowej aproksymacji S-bloków 66 4.4. Podsumowanie 74 5. APROKSYMACJA ARYTMETYCZNEJ SUMY I RÓŻNICY 77 5.1. Różnicowa i liniowa aproksymacja sumy arytmetycznej 77 5.2. Szybkie algorytmy dotyczące różnicowej aproksymacji sumy 81 5.3. Szybkie algorytmy dotyczące liniowej aproksymacji sumy 89 5.4. Różnicowa i liniowa aproksymacja różnicy arytmetycznej 95 5.5. Szybkie algorytmy dotyczące różnicowej aproksymacji różnicy 98 5.6. Szybkie algorytmy dotyczące liniowej aproksymacji różnicy 100 5.7. Podsumowanie 101 6. OCENA JAKOŚCI SZYFRU BLOKOWEGO 105 6.1. Metoda oceny 105 6.2. Klasa jakości S-bloków 106 6.3. Algorytm porównawczy 108 6.4. Własności aproksymacji szyfru blokowego 109 6.5. Zgrubna ocena szyfru blokowego 112 6.6. Zgrubna ocena algorytmu typu DES 114 6.7. Rozszerzona zgrubna ocena algorytmu typu DES 117 6.8. Rozszerzona zgrubna ocena algorytmu DES 120 6.9. Zgrubna ocena szyfru PP-1 121 6.10. Podsumowanie 123 7. POŚREDNIA OCENA JAKOŚCI ALGORYTMU TYPU DES 125 7.1. Warunki aproksymacji 125 7.2. Aproksymacje zerowo-niezerowe 127 7.3. Graf aproksymacji zerowo-niezerowych 131 7.4. Algorytm SP 132 7.5. Ocena dla funkcji f właściwie skonstruowanej 138 7.6. Pośrednia ocena algorytmu DES 140 7.7. Ocena dla dowolnej funkcji f 142 7.8. Podsumowanie 145 8. KRYPTOANALIZA RÓŻNICOWA ALGORYTMU DES 147 8.1. Różnicowa aproksymacja funkcji f 147 8.2. Różnicowa aproksymacja algorytmu DES 149 8.3. Identyfikacja klucza algorytmu DES 155 8.4. Indywidualna identyfikacja fragmentów klucza 161 8.5. Wyniki eksperymentów identyfikacji 167 8.6. Podsumowanie 168 9. KRYPTOANALIZA LINIOWA ALGORYTMU DES 169 9.1. Liniowa aproksymacja funkcji f 169 9.2. Liniowa aproksymacja algorytmu DES 171 9.3. Aproksymacje cykliczne algorytmu DES 177 9.4. Identyfikacja klucza algorytmu DES 181 9.5. Wyniki eksperymentów identyfikacji 186 9.6. Podsumowanie 187 10. PODSUMOWANIE 189 Literatura 193 Summary 211