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 28r+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 24r+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.