Меню Главная Случайная статья Настройки IDEA Материал из https://ru.wikipedia.org IDEA (англ. International Data Encryption Algorithm, международный алгоритм шифрования данных) — симметричный блочный алгоритм шифрования данных, запатентованный швейцарской фирмой Ascom. Известен тем, что применялся в пакете программ шифрования PGP. В ноябре 2000 года IDEA был представлен в качестве кандидата в проекте NESSIE в рамках программы Европейской комиссии IST (англ. Information Societies Technology, информационные общественные технологии). Содержание 1 История 2 Описание 2.1 Генерация ключей 2.2 Шифрование 2.2.1 Математическое описание 2.3 Расшифровка 3 Пример 3.1 Пример шифрования 3.2 Пример расшифровки 4 Режимы шифрования 5 Аппаратная реализация 6 Криптостойкость 6.1 Слабые ключи 7 Сравнение с некоторыми блочными алгоритмами 7.1 Преимущества и недостатки IDEA 7.1.1 Преимущества 7.1.2 Недостатки 7.2 Сравнение с некоторыми блочными шифрами в реализации PGP 8 Применение IDEA 8.1 Регистрация алгоритма IDEA в стандартах 9 Источники 10 Примечания 10.1 Криптостойкость 10.2 Аппаратная реализация 10.3 Стандарты 11 Ссылки 11.1 Реализации 11.2 Русские 11.3 Зарубежные История Первую версию алгоритма разработали в 1990 году Лай Сюэцзя (Xuejia Lai) и Джеймс Мэсси (James Massey) из Швейцарского института ETH Zrich (по контракту с Hasler Foundation, которая позже влилась в Ascom-Tech AG) в качестве замены DES (англ. Data Encryption Standard, стандарт шифрования данных) и назвали её PES (англ. Proposed Encryption Standard, предложенный стандарт шифрования). Затем, после публикации работ Бихама и Шамира по дифференциальному криптоанализу PES, алгоритм был улучшен с целью усиления криптостойкости и назван IPES (англ. Improved Proposed Encryption Standard, улучшенный предложенный стандарт шифрования). Через год его переименовали в IDEA (англ. International Data Encryption Algorithm). Описание Так как IDEA использует 128-битный ключ и 64-битный размер блока, открытый текст разбивается на блоки по 64 бит. Если такое разбиение невозможно, последний блок дополняется различными способами определённой последовательностью бит. Для избежания утечки информации о каждом отдельном блоке используются различные режимы шифрования. Каждый исходный незашифрованный 64-битный блок делится на четыре подблока по 16 бит каждый, так как все алгебраические операции, использующиеся в процессе шифрования, совершаются над 16-битными числами. Для шифрования и расшифрования IDEA использует один и тот же алгоритм. Фундаментальным нововведением в алгоритме является использование операций из разных алгебраических групп, а именно: сложение по модулю ${\displaystyle 2^{16}}$ умножение по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$ побитовое исключающее ИЛИ (XOR). Эти три операции несовместимы в том смысле, что: никакие две из них не удовлетворяют дистрибутивному закону, то есть ${\displaystyle a*(b+c)\ \neq \ (a*b)+(a*c)}$ никакие две из них не удовлетворяют ассоциативному закону, то есть ${\displaystyle a+(b\oplus c)\ \neq \ (a+b)\oplus c}$ Применение этих трех операций затрудняет криптоанализ IDEA по сравнению с DES, который основан исключительно на операции исключающее ИЛИ, а также позволяет отказаться от использования S-блоков и таблиц замены. IDEA является модификацией сети Фейстеля. Генерация ключей Из 128-битного ключа для каждого из восьми раундов шифрования генерируется по шесть 16-битных подключей, а для выходного преобразования генерируется четыре 16-битных подключа. Всего потребуется 52 = 8 x 6 + 4 различных подключей по 16 бит каждый. Процесс генерации пятидесяти двух 16-битных ключей заключается в следующем: Первым делом, 128-битный ключ разбивается на восемь 16-битных блоков. Это будут первые восемь подключей по 16 бит каждый — ${\displaystyle (K_{1}^{(1)}K_{2}^{(1)}K_{3}^{(1)}K_{4}^{(1)}K_{5}^{(1)}K_{6}^{(1)}K_{1}^{(2)}K_{2}^{(2)})}$ Затем этот 128-битный ключ циклически сдвигается влево на 25 позиций, после чего новый 128-битный блок снова разбивается на восемь 16-битных блоков. Это уже следующие восемь подключей по 16 бит каждый — ${\displaystyle (K_{3}^{(2)}K_{4}^{(2)}K_{5}^{(2)}K_{6}^{(2)}K_{1}^{(3)}K_{2}^{(3)}K_{3}^{(3)}K_{4}^{(3)})}$ Процедура циклического сдвига и разбивки на блоки продолжается до тех пор, пока не будут сгенерированы все 52 16-битных подключа. Таблица подключей для каждого раунда Номер раунда Подключи 1 ${\displaystyle K_{1}^{(1)}K_{2}^{(1)}K_{3}^{(1)}K_{4}^{(1)}K_{5}^{(1)}K_{6}^{(1)}}$ 2 ${\displaystyle K_{1}^{(2)}K_{2}^{(2)}K_{3}^{(2)}K_{4}^{(2)}K_{5}^{(2)}K_{6}^{(2)}}$ 3 ${\displaystyle K_{1}^{(3)}K_{2}^{(3)}K_{3}^{(3)}K_{4}^{(3)}K_{5}^{(3)}K_{6}^{(3)}}$ 4 ${\displaystyle K_{1}^{(4)}K_{2}^{(4)}K_{3}^{(4)}K_{4}^{(4)}K_{5}^{(4)}K_{6}^{(4)}}$ 5 ${\displaystyle K_{1}^{(5)}K_{2}^{(5)}K_{3}^{(5)}K_{4}^{(5)}K_{5}^{(5)}K_{6}^{(5)}}$ 6 ${\displaystyle K_{1}^{(6)}K_{2}^{(6)}K_{3}^{(6)}K_{4}^{(6)}K_{5}^{(6)}K_{6}^{(6)}}$ 7 ${\displaystyle K_{1}^{(7)}K_{2}^{(7)}K_{3}^{(7)}K_{4}^{(7)}K_{5}^{(7)}K_{6}^{(7)}}$ 8 ${\displaystyle K_{1}^{(8)}K_{2}^{(8)}K_{3}^{(8)}K_{4}^{(8)}K_{5}^{(8)}K_{6}^{(8)}}$ выходное преобразование ${\displaystyle K_{1}^{(9)}K_{2}^{(9)}K_{3}^{(9)}K_{4}^{(9)}}$ Шифрование Структура алгоритма IDEA показана на рисунке. Процесс шифрования состоит из восьми одинаковых раундов шифрования и одного выходного преобразования. Исходный незашифрованный текст делится на блоки по 64 бита. Каждый такой блок делится на четыре подблока по 16 бит каждый. На рисунке эти подблоки обозначены ${\displaystyle D_{1}}$, ${\displaystyle D_{2}}$, ${\displaystyle D_{3}}$, ${\displaystyle D_{4}}$. В каждом раунде используются свои подключи согласно таблице подключей. Над 16-битными подключами и подблоками незашифрованного текста производятся следующие операции: умножение по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$ = 65537, причем вместо нуля используется ${\displaystyle 2^{16}}$ сложение по модулю ${\displaystyle 2^{16}}$ побитовое исключающее ИЛИ В конце каждого раунда шифрования имеется четыре 16-битных подблока, которые затем используются как входные подблоки для следующего раунда шифрования. Выходное преобразование представляет собой укороченный раунд, а именно, четыре 16-битных подблока на выходе восьмого раунда и четыре соответствующих подключа подвергаются операциям: умножение по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$ сложение по модулю ${\displaystyle 2^{16}}$ После выполнения выходного преобразования конкатенация подблоков ${\displaystyle D_{1}'}$, ${\displaystyle D_{2}'}$, ${\displaystyle D_{3}'}$ и ${\displaystyle D_{4}'}$ представляет собой зашифрованный текст. Затем берется следующий 64-битный блок незашифрованного текста и алгоритм шифрования повторяется. Так продолжается до тех пор, пока не зашифруются все 64-битные блоки исходного текста. Блок открытого текста размером 64 бит делится на четыре равных подблока размером по 16 бит ${\displaystyle (D_{1}^{(0)},D_{2}^{(0)},D_{3}^{(0)},D_{4}^{(0)})}$ Для каждого раунда ${\displaystyle (i=1...8)}$ вычисляются: ${\displaystyle A^{(i)}\ =\ D_{1}^{(i-1)}*K_{1}^{(i)}}$ ${\displaystyle B^{(i)}\ =\ D_{2}^{(i-1)}+K_{2}^{(i)}}$ ${\displaystyle C^{(i)}\ =\ D_{3}^{(i-1)}+K_{3}^{(i)}}$ ${\displaystyle D^{(i)}\ =\ D_{4}^{(i-1)}*K_{4}^{(i)}}$ ${\displaystyle E^{(i)}\ =\ A^{(i)}\oplus C^{(i)}}$ ${\displaystyle F^{(i)}\ =\ B^{(i)}\oplus D^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{1}^{(i)}\ =\ A^{(i)}\oplus ((F^{(i)}+E^{(i)}*K_{5}^{(i)})*K_{6}^{(i)})}$ ${\displaystyle D_{2}^{(i)}\ =\ C^{(i)}\oplus ((F^{(i)}+E^{(i)}*K_{5}^{(i)})*K_{6}^{(i)})}$ ${\displaystyle D_{3}^{(i)}\ =\ B^{(i)}\oplus (E^{(i)}*K_{5}^{(i)}+(F^{(i)}+E^{(i)}*K_{5}^{(i)})*K_{6}^{(i)})}$ ${\displaystyle D_{4}^{(i)}\ =\ D^{(i)}\oplus (E^{(i)}*K_{5}^{(i)}+(F^{(i)}+E^{(i)}*K_{5}^{(i)})*K_{6}^{(i)})}$ Результатом выполнения восьми раундов будут следующие четыре подблока ${\displaystyle (D_{1}^{(8)},D_{2}^{(8)},D_{3}^{(8)},D_{4}^{(8)})}$ Выполняется выходное преобразование ${\displaystyle (i=9)}$: ${\displaystyle D_{1}^{(9)}\ =\ D_{1}^{(8)}*K_{1}^{(9)}}$ ${\displaystyle D_{2}^{(9)}\ =\ D_{3}^{(8)}+K_{2}^{(9)}}$ ${\displaystyle D_{3}^{(9)}\ =\ D_{2}^{(8)}+K_{3}^{(9)}}$ ${\displaystyle D_{4}^{(9)}\ =\ D_{4}^{(8)}*K_{4}^{(9)}}$ Результатом выполнения выходного преобразования является зашифрованный текст ${\displaystyle (D_{1}^{(9)},D_{2}^{(9)},D_{3}^{(9)},D_{4}^{(9)})}$ Расшифровка Метод вычисления, использующийся для расшифровки текста по существу такой же, как и при его шифровании. Единственное отличие состоит в том, что для расшифровки используются другие подключи. В процессе расшифровки подключи должны использоваться в обратном порядке. Первый и четвёртый подключи i-го раунда расшифровки получаются из первого и четвёртого подключа (10-i)-го раунда шифрования мультипликативной инверсией. Для 1-го и 9-го раундов второй и третий подключи расшифровки получаются из второго и третьего подключей 9-го и 1-го раундов шифрования аддитивной инверсией. Для раундов со 2-го по 8-й второй и третий подключи расшифровки получаются из третьего и второго подключей с 8-го по 2-й раундов шифрования аддитивной инверсией. Последние два подключа i-го раунда расшифровки равны последним двум подключам (9-i)-го раунда шифрования. Мультипликативная инверсия подключа K обозначается 1/K и ${\displaystyle (1/K)*K=1\ mod\ (2^{16}+1)}$. Так как ${\displaystyle 2^{16}+1}$ — простое число, каждое целое не равное нулю K имеет уникальную мультипликативную инверсию по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$. Аддитивная инверсия подключа K обозначается -K и ${\displaystyle -K+K=0\ mod\ (2^{16})}$. Таблица подключей для каждого раунда Номер раунда Подключи 1 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(9)}\ -K_{2}^{(9)}\ -K_{3}^{(9)}\ 1/K_{4}^{(9)}\ K_{5}^{(8)}\ K_{6}^{(8)}}$ 2 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(8)}\ -K_{3}^{(8)}\ -K_{2}^{(8)}\ 1/K_{4}^{(8)}\ K_{5}^{(7)}\ K_{6}^{(7)}}$ 3 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(7)}\ -K_{3}^{(7)}\ -K_{2}^{(7)}\ 1/K_{4}^{(7)}\ K_{5}^{(6)}\ K_{6}^{(6)}}$ 4 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(6)}\ -K_{3}^{(6)}\ -K_{2}^{(6)}\ 1/K_{4}^{(6)}\ K_{5}^{(5)}\ K_{6}^{(5)}}$ 5 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(5)}\ -K_{3}^{(5)}\ -K_{2}^{(5)}\ 1/K_{4}^{(5)}\ K_{5}^{(4)}\ K_{6}^{(4)}}$ 6 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(4)}\ -K_{3}^{(4)}\ -K_{2}^{(4)}\ 1/K_{4}^{(4)}\ K_{5}^{(3)}\ K_{6}^{(3)}}$ 7 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(3)}\ -K_{3}^{(3)}\ -K_{2}^{(3)}\ 1/K_{4}^{(3)}\ K_{5}^{(2)}\ K_{6}^{(2)}}$ 8 ${\displaystyle 1/K_{1}^{(2)}\ -K_{3}^{(2)}\ -K_{2}^{(2)}\ 1/K_{4}^{(2)}\ K_{5}^{(1)}\ K_{6}^{(1)}}$ выходное преобразование ${\displaystyle 1/K_{1}^{(1)}\ -K_{2}^{(1)}\ -K_{3}^{(1)}\ 1/K_{4}^{(1)}}$ Пример Для удобства числа представляем в шестнадцатеричном виде. Пример шифрования В качестве 128-битного ключа используем K = (0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008), а в качестве 64-битного открытого текста M = (0000,0001,0002,0003) Таблица подключей и подблоков для каждого раунда Раунд Раундовые ключи Значения блоков данных ${\displaystyle K_{1}^{(i)}}$ ${\displaystyle K_{2}^{(i)}}$ ${\displaystyle K_{3}^{(i)}}$ ${\displaystyle K_{4}^{(i)}}$ ${\displaystyle K_{5}^{(i)}}$ ${\displaystyle K_{6}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{1}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{2}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{3}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{4}^{(i)}}$  — — — — — — — 0000 0001 0002 0003 1 0001 0002 0003 0004 0005 0006 00f0 00f5 010a 0105 2 0007 0008 0400 0600 0800 0a00 222f 21b5 f45e e959 3 0c00 0e00 1000 0200 0010 0014 0f86 39be 8ee8 1173 4 0018 001c 0020 0004 0008 000c 57df ac58 c65b ba4d 5 2800 3000 3800 4000 0800 1000 8e81 ba9c f77f 3a4a 6 1800 2000 0070 0080 0010 0020 6942 9409 e21b 1c64 7 0030 0040 0050 0060 0000 2000 99d0 c7f6 5331 620e 8 4000 6000 8000 a000 c000 e001 0a24 0098 ec6b 4925 9 0080 00c0 0100 0140 - - 11fb ed2b 0198 6de5 Пример расшифровки В качестве 128-битного ключа используем K = (0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008), а в качестве 64-битного зашифрованного текста C = (11fb, ed2b, 0198, 6de5) Таблица подключей и подблоков для каждого раунда Раунд Раундовые ключи Значения блоков данных ${\displaystyle K_{1}^{'(i)}}$ ${\displaystyle K_{2}^{'(i)}}$ ${\displaystyle K_{3}^{'(i)}}$ ${\displaystyle K_{4}^{'(i)}}$ ${\displaystyle K_{5}^{'(i)}}$ ${\displaystyle K_{6}^{'(i)}}$ ${\displaystyle D_{1}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{2}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{3}^{(i)}}$ ${\displaystyle D_{4}^{(i)}}$ 1 fe01 ff40 ff00 659a c000 e001 d98d d331 27f6 82b8 2 fffd 8000 a000 cccc 0000 2000 bc4d e26b 9449 a576 3 a556 ffb0 ffc0 52ab 0010 0020 0aa4 f7ef da9c 24e3 4 554b ff90 e000 fe01 0800 1000 ca46 fe5b dc58 116d 5 332d c800 d000 fffd 0008 000c 748f 8f08 39da 45cc 6 4aab ffe0 ffe4 c001 0010 0014 3266 045e 2fb5 b02e 7 aa96 f000 f200 ff81 0800 0a00 0690 050a 00fd 1dfa 8 4925 fc00 fff8 552b 0005 0006 0000 0005 0003 000c 9 0001 fffe fffd c001 - - 0000 0001 0002 0003 Режимы шифрования IDEA является блочным алгоритмом шифрования, работающим с блоками по 64 бита. При несовпадении размера шифруемого текста с этим фиксированным размером, блок дополняется до 64. Алгоритм используется в одном из следующих режимов шифрования[ISO 1]: Режим электронной кодовой книги (англ. Electronic Codebook (ECB)) Режим сцепления блоков шифротекста (англ. Cipher Block Chaining (CBC)) Режим обратной связи по шифротексту (англ. Cipher Feedback (CFB)) Режим обратной связи по выходу (англ. Output Feedback (OFB)) Алгоритм может также применяться для вычисления кода аутентификации сообщения (англ. Message Authentication Code (MAC))[ISO 2][ISO 3] хеш-значений[ISO 4] распределения ключей[ISO 5] Аппаратная реализация Аппаратная реализация имеет перед программной следующие преимущества: существенное повышение скорости шифрования за счёт использования параллелизма при выполнении операций меньшее энергопотребление Первая реализация алгоритма IDEA на интегральной схеме(англ. Very Large Scale Integration) была разработана и верифицирована Лаем, Мэсси и Мёрфи в 1992 году с использованием технологического процесса 1,5 мкм и технологии КМОП [ИС 1]. Скорость шифрования данного устройства составляла 44 Мб/сек. В 1994 году Каригером, Бонненбергом, Зиммерманом и др. было разработано устройство VINCI. Скорость шифрования данной реализации IDEA составляла 177 Мб/сек при тактовой частоте 25 МГц, техпроцесс 1,2 мкм. Это было первое полупроводниковое устройство, которое уже могло применяться для шифрования в реальном времени в таких высокоскоростных сетевых протоколах, как ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode, асинхронный способ передачи данных) или FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface, распределённый волоконный интерфейс данных). Скорость 177 Мб/сек была достигнута благодаря использованию довольно изощрённой схемы конвейерной обработки и четырёх обычных умножителей по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$. В устройстве также используются два однонаправленных высокоскоростных 16-битных порта данных. Эти порты обеспечивают постоянную загруженность блоков шифрования[ИС 2] [ИС 3]. Уже в следующем году Вольтер и др. представили устройство со скоростью шифрования 355 Мб/сек. Такой скорости удалось добиться благодаря реализации одного раунда шифрования на технологическом процессе 0,8 мкм с использованием технологии КМОП. Архитектура данного устройства включает в себя параллельное самотестирование, основанное на системе обработки ошибок с вычислениями по модулю 3, которая позволяет определять возникающие ошибки в одном или нескольких разрядах в тракте данных IDEA, что позволяет надёжно предотвращать искажения зашифрованных или расшифрованных данных [ИС 4]. Наибольшей скорости шифрования 424 Мб/сек в 1998 году на одной интегральной схеме достигла группа инженеров во главе с Саломао из Федерального Университета Рио-де-Жанейро COPPE на технологическом процессе 0,7 мкм при частоте 53 МГц. Архитектура данной реализации использует как пространственный, так и временной параллелизм, доступные в алгоритме IDEA [ИС 5]. В том же году IDEA Менсером и др. был реализован на четырёх устройствах XC4020XL. Скорость шифрования 4 x XC4020XL составляет 528 Мб/сек [ИС 6]. В 1999 году фирмой Ascom были представлены две коммерческие реализации IDEA. Первая называется IDEACrypt Kernel и достигает скорости 720 Мб/сек при использовании технологии 0,25 мкм [ИС 7]. Вторая называется IDEACrypt Coprocessor, основана на IDEACrypt Kernel и достигает скорости шифрования 300 Мб/сек [ИС 8]. В 2000 году инженерами из Китайского университета Гонконга Лионгом и др. были выпущены устройства шифрования на ПЛИС фирмы Xilinx: Virtex XCV300-6 и XCV1000-6 [ИС 9]. Скорость шифрования Virtex XCV300-6 достигает 500 Мб/сек при частоте 125 МГц, а предполагаемая производительность XCV1000-6 составляет 2,35 Гб/сек, что позволяет использовать данное устройство для шифрования в высокоскоростных сетях. Высокой скорости шифрования удалось достигнуть используя разрядно-последовательную архитектуру для выполнения операции умножения по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$. Результаты экспериментов с разными устройствами сведены в таблицу: Характеристики устройств Устройство (XCV) 300-6 600-6 1000-6 масштабируемость 1x 2x 4x число секций 2801 5602 11204 использование секций 91,18 % 81,05 % 91,18 % тактовая частота (МГц) 125,0 136,6 147,1 шифрований в сек (x ${\displaystyle 10^{6}}$) 7,813 17,075 36,775 скорость шифрования (Мб/сек) 500,0 1092,8 2353,6 латентность (мкс) 7,384 6,757 6,275 Чуть позже теми же разработчиками была предложено устройство на ПЛИС фирмы Xilinx Virtex XCV300-6 на основе разрядно-параллельной архитектуры. При реализации с использованием разрядно-параллельной архитектуры при работе на частоте 82 МГц скорость шифрования XCV300-6 составляет 1166 Мб/сек, тогда как с разрядно-последовательной было достигнуто 600 Мб/сек на частоте 150 МГц. Устройство XCV300-6 с обеими архитектурами масштабируемо. С использованием разрядно-параллельной архитектуры предполагаемая скорость шифрования XCV1000-6 составляет 5,25 Гб/сек [ИС 10]. В том же 2000 году Гольдштейном и др. разработано устройство на PipeRench ПЛИС с использованием технологического процесса 0,25 мкм со скоростью шифрования 1013 Мб/сек [ИС 11]. Развитие аппаратных реализаций IDEA Год Реализация Скорость шифрования (Мб/сек) Авторы 1998 программная 23,53 Limpaa 2000 программная [1] 44 Limpaa 1992 ASIC 1,5 мкм КМОП 44 Bonnenberg и др. 1994 ASIC 1,2 мкм КМОП 177 Curiger, Zimmermann и др. 1995 ASIC 0,8 мкм КМОП 355 Wolter и др. 1998 ASIC 0,7 мкм КМОП 424 Salomao и др. 1998 4 x XC4020XL 528 Mencer и др. 1999 ASIC 0,25 мкм КМОП 720 Ascom 2000 Xilinx Virtex XCV300-6 1166 Leong и др. 2000 ASIC 0,25 мкм КМОП 1013 Goldstein и др. В 2002 году была опубликована работа о реализации IDEA на ПЛИС все той же фирмы Xilinx семейства Virtex-E. Устройство XCV1000E-6BG560 при частоте 105,9 МГц достигает скорости шифрования 6,78 Гб/сек.[2] Реализации на основе ПЛИС — хороший выбор, когда речь идёт о высокопроизводительной криптографии. Среди применений — VPN (англ. Virtual Private Networks, виртуальная частная сеть), связь через спутник а также аппаратные ускорители для шифрования огромных файлов или жёстких дисков целиком. Криптостойкость Алгоритм IDEA появился в результате незначительных модификаций алгоритма PES. На рисунке приведены структуры обоих алгоритмов, и видно, что изменений не так уж и много: умножение подблока ${\displaystyle D_{2}}$ со вторым подключом раунда заменено сложением сложение подблока ${\displaystyle D_{4}}$ с четвёртым подключом раунда заменено на умножение изменён сдвиг подблоков в конце раунда Один из наиболее известных в мире криптологов Брюс Шнайер в своей книге «Прикладная криптография» заметил: «…удивительно, как такие незначительные изменения могут привести к столь большим различиям». В той же книге, вышедшей в 1996 году, Брюс Шнайер отозвался об IDEA так: «Мне кажется, это самый лучший и надежный блочный алгоритм, опубликованный до настоящего времени». В алгоритме IDEA использует 64-битные блоки. Длина блока должна быть достаточной, чтобы скрыть статистические характеристики исходного сообщения. Но с увеличением размера блока экспоненциально возрастает сложность реализации криптографического алгоритма. В алгоритме IDEA используется 128-битный ключ. Длина ключа должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить возможность перебора ключа. Для вскрытия 128-битного ключа полным перебором ключей при условии, что известен открытый и соответствующий ему зашифрованный текст, потребуется ${\displaystyle 2^{128}}$(порядка ${\displaystyle 10^{38}}$) шифрований. При такой длине ключа IDEA считается довольно безопасным. Высокая криптостойкость IDEA обеспечивается также такими характеристиками: запутывание — шифрование зависит от ключа сложным и запутанным образом рассеяние — каждый бит незашифрованного текста влияет на каждый бит зашифрованного текста Лай Сюэцзя (Xuejia Lai) и Джеймс Мэсси (James Massey) провели тщательный анализ IDEA с целью выяснения его криптостойкости к дифференциальному криптоанализу. Для этого ими было введено понятие марковского шифра и продемонстрировано, что устойчивость к дифференциальному криптоанализу может быть промоделирована и оценена количественно [стойкость 1]. Линейных или алгебраических слабостей у IDEA выявлено не было. Попытка вскрытия с помощью криптоанализа со связанными ключами, проведенная Бихамом (Biham), также не увенчалась успехом [стойкость 2]. Существуют успешные атаки, применимые к IDEA с меньшим числом раундов (полный IDEA имеет 8.5 раундов). Успешной считается атака, если вскрытие шифра с её помощью требует меньшего количества операций, чем при полном переборе ключей. Метод вскрытия Вилли Майера (Willi Meier) оказался эффективнее вскрытия полным перебором ключей только для IDEA с 2 раундами [стойкость 3]. Методом «встреча посередине» был вскрыт IDEA с 4,5 раундами. Для этого требуется знание всех ${\displaystyle 2^{64}}$ блоков из словаря кодов и сложность анализа составляет ${\displaystyle 2^{112}}$ операций [стойкость 4]. Лучшая атака на 2007 год применима ко всем ключам и может взломать IDEA с 6-ю раундами [стойкость 5]. Слабые ключи Существуют большие классы слабых ключей. Слабые они в том смысле, что существуют процедуры, позволяющие определить, относится ли ключ к данному классу, а затем и сам ключ. В настоящее время известны следующие: ${\displaystyle 2^{23}+2^{35}+2^{51}}$ слабых к дифференциальному криптоанализу ключей. Принадлежность к классу ${\displaystyle 2^{51}}$ можно вычислить за ${\displaystyle 2^{12}}$ операций с помощью подобранного открытого текста. Авторы данной атаки предложили модификацию алгоритма IDEA. Данная модификация заключается в замене подключей ${\displaystyle K_{i}^{(r)}}$ на соответствующие ${\displaystyle K_{i}^{'(r)}\ =a\oplus K_{i}^{(r)}}$, где r — номер раунда шифрования. Точное значение a не критично. Например при ${\displaystyle a\ =\ 0dae}$ (в шестнадцатеричной системе счисления) данные слабые ключи исключаются[стойкость 6]. ${\displaystyle 2^{63}}$ слабых к линейному дифференциальному криптоанализу ключей[стойкость 7]. Принадлежность к данному классу выясняется с помощью теста на связанных ключах. ${\displaystyle 2^{53}+2^{56}+2^{64}}$ слабых ключей было найдено с использованием метода бумеранга (англ. boomerang attack), предложенного Дэвидом Вагнером (David Wagner)[стойкость 8]. Тест на принадлежность к данному классу выполняется за ${\displaystyle 2^{16}}$ операций и потребует ${\displaystyle 2^{16}}$ ячеек памяти[стойкость 9]. Существование столь больших классов слабых ключей не влияет на практическую криптостойкость алгоритма IDEA, так как полное число всех возможных ключей равно ${\displaystyle 2^{128}}$. Сравнение с некоторыми блочными алгоритмами Для сравнения с IDEA выбраны DES, Blowfish и ГОСТ 28147-89. Выбор DES обусловлен тем, что IDEA проектировался как его замена. Blowfish выбран потому, что он быстр, и был придуман известным криптологом Брюсом Шнайером. Для сравнения также выбран ГОСТ 28147-89, блочный шифр, разработанный в СССР. Как видно из таблицы, размер ключа у IDEA больше, чем у DES, но меньше, чем у ГОСТ 28147-89 и Blowfish. Скорость шифрования IDEA на Intel486SX/33МГц больше в 2 раза, чем у DES, выше чем у ГОСТ 28147-89, но почти в 2 раза меньше, чем у Blowfish. Таблица параметров Алгоритм Размер ключа, бит Длина блока, бит Число раундов Скорость шифрования на Intel486SX/33МГц (Кбайт/с) Основные операции DES 56 64 16 35 Подстановка, перестановка, побитовое исключающее ИЛИ IDEA 128 64 8 70 Умножение по модулю ${\displaystyle 2^{16}+1}$, сложение по модулю ${\displaystyle 2^{16}}$, побитовое исключающее ИЛИ Blowfish 32-448 64 16 135 Сложение по модулю ${\displaystyle 2^{32}}$, подстановка, побитовое исключающее ИЛИ ГОСТ 28147-89 256 64 32 53 Сложение по модулю ${\displaystyle 2^{32}}$, подстановка, побитовое исключающее ИЛИ, циклический сдвиг Далее приведена таблица сравнения скоростей в программной реализации на процессорах Pentium, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III. Обозначение 4-way IDEA означает, что 4 операции шифрования или расшифрования выполняются параллельно. Для этого алгоритм используется в параллельных режимах шифрования. Хельгер Лимпа (Helger Limpaa) реализовал 4-way IDEA в режиме шифрования электронной кодовой книги (CBC4) и режиме счётчика (CTR4). Таким образом была достигнута скорость шифрования/расшифрования 260—275 Мбит/с при использовании CBC4 на 500 МГц Pentium III и при использовании CTR4 на 450 МГц Pentium III. В приведенной таблице скорости отмасштабированы на гипотетическую 3200 МГц машину. Таблица сравнения скоростей Блочный шифр Длина блока, бит Число циклов Скорость шифрования, Мбайт/с Автор Процессор Square 128 192 254,4 Limpaa Pentium II RC6 128 219 222,8 Limpaa Pentium II, Pentium III 4-way IDEA 4x64 440 222,0 Limpaa Pentium III Rijndael 128 226 216,0 Limpaa Pentium II, Pentium III Square 128 244 200,0 Bosselaers Pentium 4-way IDEA 4x64 543 180,0 Limpaa Pentium MMX SC2000 128 270 180,8 Limpaa Pentium II, Pentium III, gcc(без asm) 4-way IDEA 4x64 554 176,4 Limpaa AMD Athlon Twofish 128 277 176,4 Aoki, Limpaa Pentium II, Pentium III Rijndael 128 300 162,8 Gladman Pentium III Camellia 128 302 161,6 Aoki Pentium II, Pentium III MARS 128 306 160,0 Limpaa Pentium II, Pentium III Blowfish 64 158 154,4 Bosselaers Pentium RC5-32/16 64 199 122,8 Bosselaers Pentium CAST5 64 220 110,8 Bosselaers Pentium DES 64 340 72,0 Bosselaers Pentium IDEA 64 358 68,0 Limpaa Pentium MMX SAFER (S)K-128 64 418 58,4 Bosselaers Pentium SHARK 64 585 41,6 Bosselaers Pentium IDEA 64 590 41,2 Bosselaers Pentium 3DES 64 158 154,4 Bosselaers Pentium Преимущества и недостатки IDEA В программной реализации на Intel486SX по сравнению с DES IDEA в два раза быстрее, что является существенным повышением скорости, длина ключа у IDEA имеет размер 128 бит, против 56 бит у DES, что является хорошим улучшением против полного перебора ключей. Вероятность использования слабых ключей очень мала и составляет ${\displaystyle 1/2^{64}}$. IDEA быстрее алгоритма ГОСТ 28147-89 (в программной реализации на Intel486SX). Использование IDEA в параллельных режимах шифрования на процессорах Pentium III и Pentium MMX позволяет получать высокие скорости. По сравнению с финалистами AES, 4-way IDEA лишь слегка медленнее, чем RC6 и Rijndael на Pentium II, но быстрее, чем Twofish и MARS. На Pentium III 4-way IDEA даже быстрее RC6 и Rijndael. Преимуществом также является хорошая изученность и устойчивость к общеизвестным средствам криптоанализа. IDEA значительно медленнее, почти в два раза, чем Blowfish (в программной реализации на Intel486SX). IDEA не предусматривает увеличение длины ключа. Сравнение с некоторыми блочными шифрами в реализации PGP Таблица сравнения основных параметров блочных шифров в реализации PGP[2] Алгоритм Ключ, бит Блок, бит Примечания Triple-DES 168 64 Сеть Фейстеля; имеет пространство полуслабых и слабых ключей. AES (Rijndael) 256 128 Основан на операциях с таблицами массивов данных; принят в качестве гос. стандарта в США; обладает высокой криптостойкостью. CAST6 128 64 Сеть Фейстеля; не имеет слабых ключей;устойчив к криптоанализу. IDEA 128 64 Основан на смешении операций из разных алгебраических групп; имеет пространство слабых ключей; не все работы по криптоанализу были опубликованы. Twofish 256 128 Сеть Фейстеля; быстр при шифровании, медленная установка ключа; устроен сравнительно сложно, что затрудняет анализ; имеет большой запас прочности. Blowfish max 448 64 Сеть Фейстеля; быстр при шифровании, медленная установка ключа; сравнительно прост; имеет небольшое пространство слабых ключей; имеет большой запас прочности. Применение IDEA В прошлом алгоритм был запатентован во многих странах, а само название «IDEA» было зарегистрированной торговой маркой. Однако последний связанный с алгоритмом патент истёк в 2012, и теперь сам алгоритм может быть свободно использован в любых целях. В 2005 году MediaCrypt AG (лицензиат IDEA) официально представила новый шифр IDEA NXT (первоначальное название FOX), призванный заменить IDEA. Типичные области применения IDEA: шифрование аудио и видео данных для кабельного телевидения, видеоконференций, дистанционного обучения, VoIP защита коммерческой и финансовой информации, отражающей конъюнктурные колебания линии связи через модем, роутер или ATM линию, GSM технологию смарт-карты общедоступный пакет конфиденциальной версии электронной почты PGP v2.0[3] и (опционально) в OpenPGP Регистрация алгоритма IDEA в стандартах ISO 9979/0002: ISO Register of Cryptographic Algorithms — регистрация криптографических алгоритмов в ISO UN/EDIFACT (англ. United Nations/Electronic Data Interchange For Administration, Commerce, and Transport — ООН/обмен электронными данными для управления, коммерции и транспорта): EDIFACT Security Implementation Guidelines — рекомендации по обеспечению безопасности ITU-T Recommendation H.233: Confidentiality System for Audiovisual Services — рекомендация H.233: конфиденциальная система для аудиовизуальных служб IETF (англ. Internet Engineering Task Force — специальная комиссия интернет разработок) RFC 3058: Использование алгоритма шифрования IDEA в CMS TBSS: Telematic Base Security Services — базовая безопасность службы дистанционной обработки данных OpenSSL — криптографический пакет с открытым исходным кодом для работы с SSL/TLS WAP (англ. Wireless Application Protocol — протокол беспроводного доступа) WTLS (англ. Wireless Transport Layer Security — безопасность транспортного уровня беспроводной передачи данных) NESSIE (англ. New European Schemes for Signature, Integrity, and Encryption — новые европейские проекты по цифровой подписи, целостности и шифрования) Источники Xuejia Lai and James Massey. Предложение нового блочного стандарта шифрования = A Proposal for a New Block Encryption Standard, EUROCRYPT 1990. — Springer-Verlag, 1991. — P. 389—404. — ISBN 3-540-53587-X. Menezes A. J., van Oorschot P., Vanstone S. A. Handbook of Applied Cryptography (англ.) — Boca Raton: CRC Press, 1996. — 816 p. — (Discrete Mathematics and Its Applications) — ISBN 978-0-8493-8523-0 Hseyin Demirci, Erkan Tre, Ali Aydin Seluk. A New Meet in the Middle Attack on The IDEA Block Cipher : Материалы конф. / 10th Annual Workshop on Selected Areas in Cryptography, 2003. Примечания Menezes, Oorschot, Vanstone, 1996, pp. 263. Сравнительный обзор алгоритмов PGP  (рус.). Дата обращения: 10 ноября 2008. Архивировано 13 мая 2012 года. Криптостойкость E. Biham, personal communication, 1993 Biham E., Biryukov A., Shamir A. Miss in the Middle Attacks on IDEA and Khufu (англ.) // Fast Software Encryption: 6th International Workshop, FSE’99 Rome, Italy, March 24–26, 1999 Proceedings / L. R. Knudsen — Berlin, Heidelberg, New York City, London: Springer Berlin Heidelberg, 1999. — P. 124—138. — (Lecture Notes in Computer Science; Vol. 1636) — ISBN 978-3-540-66226-6 — ISSN 0302-9743; 1611-3349 — doi:10.1007/3-540-48519-8_10 Аппаратная реализация R. Zimmermann, A. Curiger, H. Bonnenberg, H. Kaeslin, N. Felber, and W. Fichtner. A 177Mb/sec VLSI implementation of the international data encryption algorithm // IEEE Journal of Solid-State Circuits. — March 1994. — Т. 29. — С. 303—307. S. L. C. Salomao, V. C. Alves, and E. M. C. Filho. HiPCrypto: A high-performance VLSI cryptographic chip // Работа комиссии на одиннадцатой ежегодной конференции IEEE по ASIC = Proceedings of the Eleventh Annual IEEE ASIC Conference. — Rochester, NY, USA: IEEE Computer Society, 13-16 Sep 1998. — P. 7—11. — ISBN 0-7803-4980-6. O. Mencer, M. Morf, and M. J. Flynn. Hardware software tri-design of encryption for mobile communication units // Работа комиссии IEEE на международной конференции по обработке акустики, речи и сигналов = Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing. — Seattle, Washington, USA: IEEE Computer Society, 12-15 May 1998. — P. 3045—3048. — ISBN 0-7803-4428-6. Ascom, IDEACrypt Kernel Data Sheet, 1999. Ascom, IDEACrypt Coprocessor Data Sheet, 1999. M. P. Leong, O. Y. H. Cheung, K. H. Tsoi and P. H. W. Leong. A Bit-Serial Implementation of the International Data Encryption Algorithm IDEA // Работа комиссии IEEE на симпозиуме 2000 по программируемым в условиях эксплуатации специализированным вычислительным машинам = Proceedings of the 2000 IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines. — Seattle, Washington, USA: IEEE Computer Society, 2000. — P. 122—131. — ISBN 0-7695-0871-5. O. Y. H. Cheung, K. H. Tsoi, P. H. W. Leong and M. P. Leong. Tradeoffs in Parallel and Serial Implementations of the International Data Encryption Algorithm IDEA // Криптографические аппаратные и встроенные системы 2001 = CHES 2001 : cryptographic hardware and embedded systems. — INIST-CNRS, Cote INIST : 16343, 35400009702003.0270: Springer, Berlin, ALLEMAGNE ETATS-UNIS (2001) (Monographie), 2001. — P. 333—347. — ISBN 3-540-42521-7. S. C. Goldstein, H. Schmit, M. Budiu, M. Moe, and R. R. Taylor. Piperench: A recongurable architecture and compiler // Computer. — April 2000. — Т. 33, № 4. — С. 70—77. Стандарты ISO 10116: Information Processing — Modes of Operation for an n-bit block cipher algorithm. ISO 9797: Data cryptographic techniques — Data integrity mechanism using a cryptographic check function employing a block cipher algorithm. ISO 9798-2: Information technology — Security technicues — Entity authentication mechanisms — Part 2: Entity authentication using symmetric techniques. ISO 10118-2: Information technology — Security technicues — Hash-functions — Part 2: Hash-functions using an n-bit block cipher algorithm. ISO 11770-2: Information technology — Security technicues — Key management — Part 2: Key management mechanisms using symmetric techniques. Ссылки Аппаратный синтез криптоалгоритма IDEA Реализации IDEA in 448 bytes of 80x86 (англ.). — реализации IDEA на языке программирования Ассемблер. Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано 28 января 2012 года. Русские Часто задаваемые вопросы по симметричным шифрам  (рус.). — по материалам конференции fido7.ru.crypt. Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано из оригинала 22 августа 2011 года. Симметричные блочные шифры  (рус.). — Анализ надежности блочных шифров в реализации PGP. Дата обращения: 6 ноября 2008. Зарубежные RSA FAQ on Block Ciphers (англ.). Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано 19 октября 2004 года. SCAN entry for IDEA (англ.). Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано 28 января 2012 года. IDEA Applet (нем.). Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано 1 февраля 2012 года. Erluterung und Schaubild zum Verfahren (нем.). Дата обращения: 6 ноября 2008. Архивировано 28 января 2012 года.