Научная статья на тему 'Пропозициональное кодирование прямых и обратных раундовых преобразований в атаках на некоторые блочные шифры'

Пропозициональное кодирование прямых и обратных раундовых преобразований в атаках на некоторые блочные шифры Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
65
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЛОЧНЫЙ ШИФР / BLOCK CIPHER / ГОСТ 28147-89 / GOST 28147-89 / DES / PRESENT / КРИПТОАНАЛИЗ / ЗАДАЧА БУЛЕВОЙ ВЫПОЛНИМОСТИ / BOOLEAN SATISFIABILITY PROBLEM

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Отпущенников Илья Владимирович, Семёнов Александр Анатольевич, Заикин Олег Сергеевич

Описывается атака на блочные шифры, основанная на известной концепции «встреча посередине». В рамках предлагаемой атаки для решения уравнений криптоанализа используются алгоритмы решения проблемы булевой выполнимости. Основное нововведение заключается в том, что в пропозициональной кодировке шифра учитывается информация не только от прямых, но и от обратных раундовых преобразований. Для ряда сокращённых по числу раундов блочных шифров построены оценки трудоёмкости атак из класса «угадывай и определяй» с использованием нового принципа кодирования. В некоторых случаях новые атаки оказались в разы эффективнее аналогов, в которых используются стандартные методы кодирования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Отпущенников Илья Владимирович, Семёнов Александр Анатольевич, Заикин Олег Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Propositional encoding of direct and inverse round transformations in attacks on some block ciphers

We suggest an attack on block ciphers, which is based on the well-known meet-in-the-middle strategy. To solve the corresponding cryptanalysis equations, algorithms for solving the Boolean satisfiability problem (SAT) are used. The main know-how consists in the usage in the propositional encoding of the considered cipher not only information about direct round transformations, but also information about inverse round transformations. Using the suggested type of encodings, we have constructed runtime estimations of guess-and-determine attacks on several block ciphers with reduced number of rounds (6-round DES, 6-round PRESENT, 6-round and 8-round GOST 2814789). It turned out that in some cases these attacks are several times more effective than attacks, in which standard methods of propositional encodings are used.

Текст научной работы на тему «Пропозициональное кодирование прямых и обратных раундовых преобразований в атаках на некоторые блочные шифры»

показателей сильной нелинейности и совершенности (таблица). Во всех экспериментах полученные оценки совпали для каждого из рассмотренных блочных алгоритмов.

Оценки показателей сильной нелинейности и совершенности

n m expT(g) esn A epf A

8 3 4 3 7

15 5 4 3 7

16 5 7 4 8

32 9 7 4 8

33 11 4 3 6

Таким образом, при равноудалённом (или приблизительно равноудалённом) размещении обратных связей на регистре сдвига:

1) число раундов для достижения алгоритмом сильной нелинейности (esn A) близко к величине n/m;

2) число раундов для достижения алгоритмом совершенности (epf A) не меньше 7 и не больше 27, где 7 = 2 exp Г(g);

3) число раундов шифрования при синтезе шифров данного класса целесообразно установить не меньше 2expT(g).

ЛИТЕРАТУРА

1. Фомичёв В. М., Мельников Д. А. Криптографические методы защиты информации. Ч. 1.

Математические аспекты: учебник для академического бакалавриата. М.: Юрайт, 2016.

209 с.

2. Фомичев В. М. Оценки экспонентов примитивных графов // Прикладная дискретная математика. 2011. №2(12). С. 101-112.

УДК 519.7 DOI 10.17223/2226308X/11/24

ПРОПОЗИЦИОНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ РАУНДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В АТАКАХ НА НЕКОТОРЫЕ БЛОЧНЫЕ ШИФРЫ1

И. В. Отпущенников, А. А. Семёнов, О. С. Заикин

Описывается атака на блочные шифры, основанная на известной концепции «встреча посередине». В рамках предлагаемой атаки для решения уравнений криптоанализа используются алгоритмы решения проблемы булевой выполнимости. Основное нововведение заключается в том, что в пропозициональной кодировке шифра учитывается информация не только от прямых, но и от обратных раундовых преобразований. Для ряда сокращённых по числу раундов блочных шифров построены оценки трудоёмкости атак из класса «угадывай и определяй» с использованием нового принципа кодирования. В некоторых случаях новые атаки оказались в разы эффективнее аналогов, в которых используются стандартные методы кодирования.

Ключевые слова: блочный шифр, ГОСТ 28147-89, DES, PRESENT, криптоанализ, задача булевой выполнимости.

1 Работа поддержана грантом РНФ №16-11-10046. Дополнительно И. В. Отпущенников поддержан Ооветом по грантам при Президенте РФ (стипендия №СП-4751.2016.5).

Современные блочные шифры — это симметричные криптографические алгоритмы, преобразующие дискретную информацию посредством простых операций над битами. Основными такими операциями являются перестановки и подстановки (соответственно линейная и нелинейная компоненты шифрующего преобразования). Композиции этих (и некоторых других) операций объединяются в раунды. Каждый раунд можно считать базовым блоком алгоритма, поскольку два различных раунда устроены одинаково в смысле своей алгоритмической природы. Число раундов, обозначаемое далее через N, может существенно варьироваться от шифра к шифру (например, N = 16 для DES, N = 32 для ГОСТ 28147-89, N = 31 в случае PRESENT, N =10 в случае AES-128 и т.д.). Каждый раунд вносит свой вклад в обеспечение рассеивания и перемешивания информации, содержащейся в открытом тексте и секретном ключе. Если ключ выбран случайно (в соответствии с равномерным распределением на множестве возможных ключей), то результатом нескольких качественных раундовых преобразований будет криптограмма, статистически неотличимая от случайного слова.

Итак, пусть F — блочный шифр, состоящий из N раундов. Далее будем рассматривать представление F в виде, который назовём регистровой моделью данного шифра. Будем предполагать, что изначально открытый текст и секретный ключ записаны в два регистра (в виде двоичных слов) соответствующих длин. Регистр, в котором хранится секретный ключ, обозначим Rz. Для состояний второго регистра будем использовать обозначение Rl, i Е {0,1,... ,N}. Полагаем, что состояние R0 хранит открытый текст x, а состояние RN — криптограмму y. Для каждого i Е {1,... , N} имеет место

Ri = fi (zi,Ri-1) , (1)

где fi — шифрующее преобразование раунда с номером i (i-я раундовая функция), а Zi — некоторое подмножество бит регистра Rz (раундовый ключ). Будем рассматривать только такие шифры, в которых блок открытого текста и блок шифртекста имеют одинаковую длину n.

Пусть y — произвольная криптограмма. Процедуре её расшифрования соответствуют следующие соотношения:

RN-j = f--j+1 (ZN-j+1, RN-j+1) , j Е {1,..., N}. (2)

Функции вида f— , i Е {1,... , N}, совпадают с fi для фейстелевых шифров и отличны от fi для шифров, основанных на SP-сети.

Далее будем использовать для криптоанализа шифра F, относящегося к описанному классу, подход, основанный на алгоритмах решения проблемы булевой выполнимости (SAT) [1]. Более конкретно, речь пойдёт о поиске секретного ключа на основе одной или нескольких известных пар блоков открытых текстов и соответствующих криптограмм. Применение SAT-подхода для решения этой задачи на первом этапе предполагает пропозициональное кодирование алгоритма, задающего F. Для этой цели можно использовать автоматические трансляторы алгоритмов в SAT. В наших экспериментах использовался программный комплекс TRANSALO [2, 3]. Применительно к описанному классу шифров мы рассмотрели два способа сведения задач их криптоанализа к SAT. Первый способ, называемый далее стандартным, уже использовался ранее в целом ряде работ в рамках направления, известного как «SAT-based cryptanalysis» (см., например, [4-7] и др.). Этот способ подразумевает кодирование в КНФ последовательности раундовых преобразований вида (1). Затем в построенную формулу подставляются известные открытый текст и криптограмма. Если полученную SAT-задачу удаётся решить, то из найденного выполняющего набора можно эффективно выделить искомый

секретный ключ. Второй способ, кратко описанный далее, является, насколько нам известно, новым.

Представим N в виде N = N1 + N2, где N^N2 ^ 1 —натуральные числа. Пусть ЯМ1 — состояние второго регистра, которое хранит результат применения к открытому тексту х и секретному ключу г первых N1 раундов шифрования в соответствии с соотношениями (1). Двоичное слово, хранящееся в , — это значение дискретной функции вида

FNl : {0,1}п х {0,1}|г| ^ {0,1}п,

где через |г| обозначена длина секретного ключа. Построим КНФ С ), кодирующую алгоритм вычисления функции . Пусть {м1,...,мга} — булевы переменные в С ), которые кодируют выход . Теперь рассмотрим первые N2 шагов расшифрования криптограммы у в соответствии с соотношениями (2). По аналогии со сказанным выше имеем функцию

: {0,1}п х {0,1}|г| ^ {0,1}п

вы

и КНФ C (F—1), кодирующую алгоритм её вычисления. Пусть {vi,...,vn} — буле переменные, кодирующие выход C (F-^. Рассмотрим формулу

C (F ) = C (Fn ) Л C (F-D Л (ui = vi) Л ... Л = vn) , (3)

где через = обозначена логическая эквивалентность. Отталкиваясь от стандартных свойств процедур пропозиционального кодирования, несложно показать, что формула C (F ) выполнима, и из выполняющего её набора можно эффективно извлечь секретный ключ z, применение которого (в рамках шифрующего алгоритма F) к открытому тексту x даёт криптограмму y. При этом формула (3), в отличие от стандартной кодировки, содержит дополнительную информацию, порождённую кодированием процедуры расшифрования. Отметим, что при N1 = N2 задачу поиска набора, выполняющего формулу (3), можно рассматривать как «SAT-вариант метода встречи посередине» в применении к криптоанализу шифра F на основе известного текста и криптограммы.

Используя описанную процедуру кодирования в SAT как прямых, так и обратных раундовых преобразований, мы построили атаки из класса «угадывай и определяй» (guess and determine, [5]) для ряда урезанных по числу раундов блочных шифров. Конкретно, рассмотрены 6-раундовая версия шифра DES (DES-6), 6- и 8-раундо-вые версии шифра ГОСТ 28147-89 (ГОСТ-6, ГОСТ-8) и 6-раундовая версия шифра PRESENT (PRESENT-6). Для оценивания трудоёмкости атак был использован метод [8], который строит оценки трудоёмкости «SAT-разбиений» трудных вариантов SAT. Для этой цели применяется стохастическое оценивание каждого конкретного разбиения, а процедура поиска разбиения с хорошей оценкой трудоёмкости организована в виде процедуры оптимизации оценочной функции специального вида. Данная оценочная функция, как отмечено в [7], является конкретизацией понятия «UNSAT-иммунность», введённого Н. Куртуа в [6]. Для вычислительных расчётов использовались средства PDSAT [9] и ALIAS [10], которые запускались на кластере ИДСТУ СО РАН «Академик В.М. Матросов» (http://hpc.icc.ru/).

Таблица содержит оценки трудоёмкости (в секундах) для атак, использующих стандартную процедуру кодирования в SAT (отмечена как Standard) и процедуру, представленную в настоящей работе (отмечена как Middle).

Процедура DES-6 ГОСТ-6 ГОСТ-8 PRESENT-6

Standard 9,99 • 107 7,86 • 108 2,30 • 1026 8,72 • 1014

Middle 7,28 • 107 7,15 • 108 3,24 • 1024 2,16 • 1014

Комментарии. На первый взгляд, процедура кодирования обратных преобразований не даёт существенного выигрыша (за исключением, пожалуй, 8-раундовой версии шифра ГОСТ 28147-89, где выигрыш составил около 100 раз). Тем не менее описанный метод демонстрирует весьма интересный феномен. Множества угадываемых бит (guessed bits, [5]), которые построены для кодировки типа Middle, содержат не только переменные, кодирующие биты неизвестного секретного ключа, но и ряд вспомогательных переменных, вводимых при переходе от формулы (3) к КНФ. Авторам не известны другие атаки из класса «угадывай и определяй», для которых наблюдается данное свойство. В заключение отметим, что описанная атака на 6-раундовый вариант шифра PRESENT превосходит по эффективности лучшую из известных нам атак данного типа [11].

ЛИТЕРАТУРА

1. Biere A., Heule M., van Maaren H., and Walsh T. (eds.) Handbook of Satisfiability, Frontiers in Artificial Intelligence and Applications. V. 185. IOS Press, 2009.

2. Отпущенников ИВ., Семенов А. А. Технология трансляции комбинаторных проблем в булевы уравнения // Прикладная дискретная математика. 2011. №1. С. 96-115.

3. Otpuschennikov I., Semenov A., Gribanova I., et al. Encoding cryptographic functions to SAT using Transalg system // Frontiers in Artificial Intelligence and Applications. 2016. V. 285. P. 1594-1595.

4. Massacci F. and Marraro L. Logical cryptanalysis as a SAT problem //J. Automated Reasoning. 2000. V. 24(1/2). P. 165-203.

5. Bard G. V. Algebraic Cryptanalysis. Springer, 2009.

6. Courtois N. T., Gawinecki J. A, and Song G. Contradiction immunity and guess-then-determine attacks on GOST // Tatra Mountains Math. Publ. 2012. V.53(1). P. 2-13.

7. Semenov A., Zaikin O., Otpuschennikov I., et al. On cryptographic attacks using backdoors for SAT // Proc. AAAI Conf. 2018. P. 6641-6648.

8. Semenov A. and Zaikin O. Algorithm for finding partitionings of hard variants of Boolean satisfiability problem with application to inversion of some cryptographic functions // SpringerPlus. 2016. V.5(1). P. 1-16.

9. Заикин О. С., Семенов А. А. Применение метода Монте-Карло к прогнозированию параллельного времени решения проблемы булевой выполнимости // Вычислительные методы и программирование. 2014. Т. 15. С. 22-35.

10. Kochemazov S. and Zaikin O. ALIAS: A modular tool for finding backdoors for SAT // Proc. SAT Conf. 2018. (to be published)

11. Yeo S., Li Z., Khoo K., and Low Y. An enhanced binary characteristic set algorithm and its applications to algebraic cryptanalysis // LNCS. 2017. V. 10355. P. 518-536.

УДК 519.7 DOI 10.17223/2226308X/11/25

О НЕАБЕЛЕВЫХ ГРУППАХ НАЛОЖЕНИЯ КЛЮЧА И МАРКОВОСТИ АЛГОРИТМОВ БЛОЧНОГО ШИФРОВАНИЯ

Б. А. Погорелов, М. А. Пудовкина

Для абелевой группы наложения ключа (X, *) и разбиения W = {Wo,..., Wr-1} множества X ранее авторами рассматривались *w-марковские преобразования и

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.