Алгоритм DES

Стандарт шифрования данных (алгоритм) DES – один из старых и наиболее известных алгоритмов шифрования, который был изобретен корпорацией IBM и был американским правительственным стандартом с 1976 до 2001 года. В значительной степени DES основан на алгоритме Люцифер (Lucifer) Хорста Фейстеля (Horst Feistel), который не получил широкого распространения. Существенно то, что в алгоритме DES используется единственный 64-битовый ключ: 56 бит значащие и 8 бит – проверочные биты для контроля на четность. Алгоритм обрабатывает блоки данных порциями по 64 бита. Ключ разбивается на 16 отдельных 48-битовых подключей по одному на каждый раунд, который называется циклом Фейстеля (Feistel cycles). На рисунке 6.1 показана схема работы алгоритма DES.

Рис. 6.1. Схема алгоритма шифрования DES

В каждом раунде выполняются подстановка, во время которой биты данных заменяются битами ключа, и перестановка, во время которой замененные данные переставляются (перемешиваются). Операции перестановки, которые иногда называют перемешиванием, выполняются в S-блоках, а операции перестановки, иногда называемые операциями рассеивания, – в P-блоках. Два названных класса операций реализованы в «F-модуле» диаграммы. Безопасность DES чаще основывается на том, что операции перестановки нелинейные, поэтому зашифрованный текст ничем не напоминает исходное сообщение. Поэтому методы языкового анализа зашифрованного текста, которые обсуждаются далее в этой главе, не приводят к положительному результату. Операции перестановки повышают безопасность, дополнительно шифруя уже частично зашифрованное сообщение.

Служба компьютерной безопасности предупреждает!

Как добиться еще большей безопасности от симметричных алгоритмов типа DES? Теоретически возможны два пути. Увеличить, во-первых, длину ключа, а во-вторых, число раундов алгоритма шифрования. Оба решения требуют повышения производительности алгоритма и ведут к замедлению зашифровки и расшифровки сообщений из-за увеличения числа математических операций. Примерами модификации алгоритма DES служат алгоритмы 3-DES (известный также под названием тройной DES) и DESX. В алгоритме 3-DES применяется 168-битовый ключ, который состоит из отдельных ключей по 56 бит в каждом. Хотя иногда первый и третий ключи совпадают. При этом достигаемая безопасность такова, как если бы использовался один 112-битовый ключ. В алгоритме DESX используется дополнительный 64-битовый ключ. Появление модификаций 3-DES и DESX вызвано необходимостью повышения криптостойкости алгоритма DES-атакам методом «грубой силы».

Каждые пять лет, начиная с 1976 и до 2001 года, Национальный институт стандартов и технологий (NIST – National Institute of Standards and Technology) подтверждал статус DES как стандарта шифрования для американских государственных учреждений. С 1990 года стареющий алгоритм начал подавать признаки надвигающейся кончины, несмотря на то что новые методы, которые, по мнению экспертов, были способны взломать DES, на практике пока еще не могли это сделать, как, например, предложенный в начале девяностых метод дифференциального криптоанализа.

На продолжительности жизни DES сказалась сравнительно малая длина ключа – существенный конструктивный недостаток алгоритма. Чем меньше длина используемых в алгоритме ключей, тем сильнее он подвержен атакам «грубой силы». Уитфилд Диффи (Whitfield Diffie) и Мартин Хеллман (Martin Hellman) были первыми, кто обратили внимание на недостаточную длину ключей DES, и уже в 1979 году предсказали алгоритму забвение через 10 лет. Несмотря на это, никто до 1997 года не смог публично взломать алгоритм DES атакой «грубой силы».

Первая известная успешная атака «грубой силы» на алгоритм DES заняла 4 месяца работы большой вычислительной сети. В 1998 году специалисты EFF (Electronic Frontier Foundation – Фонд электронной защиты) взломали DES менее чем за три дня, используя специально разработанный для этой цели компьютер под кодовым именем «Deep Crack» («Искусный взломщик»). Расходы на его разработку и производство составили чуть меньше $250 000. Рекорд взлома алгоритма DES за 22 ч принадлежит Distributed.net, которая использовала для этой цели компьютерную сеть из нескольких тысяч машин, работающих параллельно, в том числе и компьютер «Deep Crack». Осталось только добавить, что Брюс Шнейер (Bruce Schneier) теоретически обосновал возможность создания за 10 млн долл. компьютера, способного взломать DES приблизительно за 6 мин. Теперь становится понятна озабоченность NIST по поводу достойной замены DES новым алгоритмом.