Описание алгоритма Blowfish

Blowfish – это алгоритм, предназначенный для реализации в микроконтроллерах [1]. При проектировании Blowfish использовались следующие критерии:

· Скорость. Blowfish шифрует данные на 32-битовых микропроцессорах со скоростью 26 тактов на байт.

· Компактность. Blowfish может работать менее, чем в 5 Кбайт памяти.

· Простота. Blowfish использует только простые операции: сложение, XOR и выборка из таблицы по 32-битовому операнду. Анализ его схемы несложен, это уменьшает количество ошибок при реализации.

· Настраиваемая безопасность. Длина ключа Blowfish переменна и может достигать 448 битов.

Blowfish оптимизирован для тех приложений, в которых нет частой смены ключей. При реализации на 32-битовых микропроцессорах с большим кэшем данных, Blowfish заметно быстрее DES. Blowfish не подходит для использования в приложениях с частой сменой ключей, например, при коммутации пакетов, или для использования в качестве однонаправленной хэш-функции.

Blowfish представляет собой 64-битовый блочный шифр с ключом переменной длины. Алгоритм состоит из двух частей: развертывание ключа и шифрование данных. Развертывание ключа преобразует ключ длиной до 448 битов в несколько массивов подключей, общим объемом 4168 байтов.

Шифрование по алгоритму Blowfish состоит из функции преобразования данных, последовательно выполняемой 16 раз. Каждый этап состоит из зависимой от ключа перестановки и зависимой от ключа и данных подстановки. Используются только сложения и XOR 32-битовых слов. Единственными дополнительными операциями на каждом этапе являются четыре извлечения данных из индексированного массива.

В Blowfish используется много подключей. Эти подключи должны быть рассчитаны до начала шифрования или дешифрирования данных.

P-массив состоит из 18-ти 32-битовых подключей:

Каждый из четырех 32-битовых S-блоков содержит 256 элементов:

Метод, используемый при вычислении этих подключей, описан в этом разделе ниже.

Рис. 1.7 – Алгоритм Blowfish

Blowfish является сетью Фейстела (Feistel), состоящей из 16 этапов. На вход подается 64-битовый элемент данных x.

Алгоритм шифрования:

· Элемент x разбивается на две 32-битовых половины:  и ;

· Для этапов с первого по шестнадцатый, выполняется:

                                                                             (1.11)

                                                                                (1.12)

Переставить  и  (кроме последнего этапа);

· В последнем этапе, производится:

                                                                           (1.13)

                                                                            (1.14)

· Объединяются элементы  и  ;

Рис. 1.8 – Функция F

Функция F (рис.1.8) представляет собой последовательность следующих действий:

· Разделить  на четыре 8-битовых части: a, b, c и d;

·  Выполнить над a,b,c,d :

                                           (1.15)

Дешифрирование выполняется также, как и шифрование, но  используются в обратном порядке.

В реализациях Blowfish, для которых требуется очень большая скорость, цикл должен быть развернут, а все ключи должны храниться в КЭШе данных.

Подключи рассчитываются с помощью специального алгоритма. Вот какова точная последовательность действий.

1. Сначала P-массив, а затем четыре S-блока по порядку инициализируются фиксированной строкой. Эта строка состоит из шестнадцатеричных цифр .

2. Выполняется XOR P₁ с первыми 32 битами ключа, XOR P₂ со следующими 32 битами ключа, и так далее для всех битов ключа (до P₁₈). Используется циклически, пока для всего P-массива не будет выполнена операция XOR с битами ключа.

3. Используя подключи, полученные на этапах (1) и (2), алгоритмом Blowfish шифруется строка из одних нулей.

4. P₁ и P₂ заменяются результатом этапа (3).

5. Результат этапа (3) шифруется с помощью алгоритма Blowfish и измененных подключей.

6. P₃ и P₄ заменяются результатом этапа (5).

7. Далее в ходе процесса все элементы P-массива и затем по порядку все четыре S-блока заменяются выходом постоянно меняющегося алгоритма Blowfish.

Серж Воденэ (Serge Vaudenay) исследовал Blowfish с известными S-блоками и r этапами. Дифференциальный криптоанализ может раскрыть P-массив с помощью 2^8r+1 выбранных открытых текстов. Для некоторых слабых ключей, которые генерируют плохие S-блоки (вероятность выбора такого ключа составляет 1 к 2¹⁴), это же вскрытие раскрывает P-массив с помощью всего 2^4r+1. При неизвестных S-блоках это вскрытие может обнаружить использование слабого ключа, но не может определить сам ключ (ни S-блоки, ни P-массив). Это вскрытие эффективно только против вариантов с уменьшенным числом этапов и совершенно бесполезно против 16-этапного Blowfish.

Слабым является ключ, для которого два элемента данного S-блока идентичны. До выполнения развертывания ключа невозможно определить, является ли он слабым.

В устройстве осуществляется проверка ключей на принадлежность к классу слабых. Слабые ключи не используются.

В устройстве реализован Blowfish c количеством этапов, равным 16.

До сих пор неизвестно об успешном криптоанализе Blowfish.