Дипломная работа: Устройство аппаратного шифрования данных с интерфейсом USB

c = m^e mod n (1.9)

Чтобы расшифровать полученный шифротекст, необходимо выполнить:

m = c^d mod n (1.10)

Пока не найдены эффективные методы разложения чисел на множители, невозможно факторизовав n получить p и q, а, следовательно, и показатель закрытого ключа d. Таким образом, надежность криптосистемы RSA базируется на трудноразрешимой задаче разложения n на множители. Несмотря на фактическую сложность разложения больших чисел на множители, научно не доказано, что факторизация является трудной, или NP-полной, задачей. Доказательств обратного тоже никто не представил.

1.4.3 Выбор алгоритма шифрования

Выбирая алгоритм шифрования, который будет использоваться в создаваемой криптосистеме, прежде всего, необходимо обратить внимание на следующие характеристики алгоритмов:

· Криптостойкость. Алгоритм должен быть тщательно проанализирован мировым криптографическим сообществом в течение длительного времени (не менее пяти лет лет) [1] и признан криптостойким к различным видам атак;

· Длина ключа. Ключ, используемый в алгоритме шифрования, должен быть не короче 256 бит для алгоритмов симметричного шифрования и 2048 бит для алгоритмов с открытым ключом. Это сделано для того, чтобы шифр невозможно было вскрыть методом прямого перебора (грубой силой) в ХХI веке;

· Скорость шифрования. Предполагается взаимодействие устройства с компьютером через полноскоростной интерфейс USB2.0.(12 Мбит/сек). Поэтому скорость шифрования данных по выбранному алгоритму должна быть настолько высокой, чтобы не возникало простоев при передаче данных на максимальной скорости.

· Ресурсоемкость. Алгоритм должен быть оптимизирован для аппаратной реализации. Количество оперативной памяти и необходимая производительность микропроцессора, должны находиться в рамках, которые ограничивают микроконтроллеры общего применения.

Выбор осуществлялся из следующего набора алгоритмов: RC6, Rijndael(Рэндал), Serpent и Twofish, потоковые шифры RC4 и WAKE, алгоритм Blowfish, разработанный известным криптоаналитиком Брюсом Шнайером, а также алгоритм с открытым ключом – RSA.

Все вышеперечисленные алгоритмы в различной степени отвечают предъявляемым к ним требованиям. Для реализации RSA, необходимы операции (возведение в степень) над большими числами, для быстрого выполнения которых в проекте придется применять специализированные микросхемы. Алгоритмы с открытым ключом не применимы из-за низкой скорости. Потоковые шифры лучше не использовать. Они лучше подходят для шифрования потока информации. Например, пакетов информации в компьютерных сетях, либо разговоров по телефонной линии.

Поскольку разрабатываемое устройство предназначено для шифрования файлов, необходимо использовать блочный шифр, а не потоковый. Два кандидата на эту роль – Rijndael и Blowfish. Создатель Blowfish, Брюс Шнайер рекомендует этот шифр для использования в системах, построенных на основе микроконтроллера. Длина ключа используемого в Blowfish переменная, с верхним пределом 448 бит (в Rijndael максимум – 256 бит). К тому же на алгоритм Blowfish отсутствует лицензия и его можно свободно использовать. Поэтому в устройстве будет реализован алгоритм Blowfish.

1.5 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: