Современные симметричные криптосистемы

Стремление использовать короткие ключи, конфиденциальность которых легче обеспечить при хранении и передаче, а также требование обеспечения вычислительной стойкости криптосистемы, привели к созданию современных симметричных блочных шифров. Такие шифры преобразуют исходную информацию блоками одинаковой длины (64, 128, 256 бит и т. д.) с использованием одного и того же ключа. К. Шеннон сформулировал общие принципы, которые определили основной путь синтеза блочных шифров.

Такие шифры являются композиционными, поскольку заключаются в многократном последовательном выполнении разнотипных элементарных криптографических преобразований.

Операции подстановки (замены) обычно представляют собой нелинейные преобразования битовых блоков в блоки такой же длины, задаваемые фиксированной таблицей – таблицей замен, S-блоком. Нелинейность замен позволяет сделать как можно более сложной зависимость между ключом и шифртекстом, что затрудняет применение статистического анализа. Как правило, таблицы замен применяются не целиком к входному блоку, а к его подблокам гораздо меньшей длины.

Для устранения зависимости между символами разных подблоков, которая может присутствовать в исходном сообщении, используются преобразования перестановок. Перестановка – преобразование, которое показывает, на какую позицию в выходном блоке должен попасть стоящий на определенной позиции символ входной последовательности. Перестановки могут задаваться в виде таблицы (P-блок), содержащей номера бит входного текста, сводится к операции циклического сдвига битов блока, использовать линейные регистры сдвига с обратной связью и т. п.

Многократно повторяющийся набор элементарных криптографических операций называется раундом шифрования, а используемый для каждого набора ключ ki – раундовым ключом, i = 1, … , r. При этом выходные данные раунда считаются входными для следующего. Чем больше раундов шифрования, тем выше вычислительная стойкость криптосистемы, но ниже скорость работы (эффективность) композиционного шифра.

Основное ограничение при построении композиционного шифра заключается в запрете на использование подряд идущих однотипных операций как в рамках одного раунда, так и на границах раундов, так как любое количество подряд выполняющихся однотипных операций можно заменить одной эквивалентной. Если на границе соседних раундов оказались два однотипных преобразования, между ними вставляют другое простое преобразование (буфер), разрушающее эту однотипность.

На практике чаще всего используется два вида структур блочных шифров: шифры на основе схемы Фейстеля и подстановочно-перестановочные шифры.