Blowfish

Blowfish — это симметричный блочный шифр, разработанный Брюсом Шнайером в 1993 году. Он предназначен для обеспечения высокой безопасности и эффективности в шифровании данных.

Основные характеристики Blowfish

1. Тип шифра: Симметричный блочный шифр. Это означает, что один и тот же ключ используется как для шифрования, так и для расшифрования данных.
2. Размер блока: Blowfish работает с блоками данных фиксированной длины — 64 бита (8 байт).
3. Длина ключа: Поддерживает ключи переменной длины от 32 до 448 бит (обычно используется 128 бит). Переменная длина ключа делает Blowfish гибким для различных требований безопасности.
4. Количество раундов: Алгоритм выполняет 16 раундов преобразований для каждого блока данных, что обеспечивает высокий уровень безопасности.
5. Скорость: Blowfish оптимизирован для аппаратного и программного обеспечения, особенно на 32-битных процессорах. Он быстрее, чем многие другие шифры, такие как DES, при аналогичном уровне безопасности.
6. Открытость: Алгоритм находится в общественном достоянии, что позволяет использовать его бесплатно без лицензионных ограничений.

Как работает Blowfish?

Blowfish использует структуру Фейстеля, которая разделяет входной блок данных на две части и многократно преобразует их с использованием ключа. Основные компоненты алгоритма:

1. Ключевой массив (P-боксы): Состоит из 18 32-битных подключа (P1, P2, ..., P18), которые генерируются из исходного ключа.
2. S-боксы: Четыре таблицы подстановок (S-box), каждая из которых содержит 256 32-битных значений. Они используются для нелинейного преобразования данных.
3. Функция F: Ключевая часть алгоритма, которая комбинирует данные с S-боксами и выполняет операции сложения и побитового исключающего ИЛИ (XOR).

Процесс шифрования

1. Инициализация:
   • Исходный ключ расширяется и используется для генерации P-боксов и S-боксов. Это делается с помощью констант, основанных на числе π (пи), чтобы обеспечить случайность.
   • Например, P-боксы инициализируются значениями, производными от ключа, а S-боксы — фиксированными значениями, которые затем модифицируются ключом.
2. Разделение блока: 64-битный входной блок делится на две 32-битные части: левую (L) и правую (R).
3. Раунды Фейстеля:
   • На каждом из 16 раундов:
     • Левая часть (L) комбинируется с P-боксом (через XOR).
     • Результат подается в функцию F, которая использует S-боксы для нелинейного преобразования.
     • Выход функции F комбинируется (через XOR) с правой частью (R).
     • Части L и R меняются местами.
   • После 16 раундов выполняется финальный обмен L и R, а затем добавляются последние P17 и P18.
4. Выход: Полученный зашифрованный 64-битный блок.

Расшифрование

Расшифрование выполняется аналогично шифрованию, но P-боксы применяются в обратном порядке (P18, P17, ..., P1). Это свойство структуры Фейстеля позволяет использовать одну и ту же функцию для шифрования и расшифрования.

Преимущества Blowfish

• Безопасность: На момент создания и до сих пор Blowfish считается устойчивым к большинству атак, если используется ключ достаточной длины (например, 128 бит и выше). Нет известных практических атак на полную 16-раундовую версию.
• Скорость: Алгоритм оптимизирован для быстрого выполнения, особенно в программной реализации.
• Гибкость: Переменная длина ключа делает его подходящим для различных сценариев.
• Компактность: Blowfish требует относительно мало памяти для хранения S-боксов и P-боксов (около 4 КБ), что делает его подходящим для устройств с ограниченными ресурсами.

Недостатки

• Размер блока: 64-битный блок считается небольшим по современным стандартам (AES использует 128 бит). Это делает Blowfish уязвимым для некоторых атак, таких как атака "дней рождения", при шифровании больших объемов данных.
• Сложность инициализации: Генерация P-боксов и S-боксов требует времени, что может быть недостатком в приложениях, где ключ часто меняется.
• Устаревание: Хотя Blowfish остается безопасным, современные алгоритмы, такие как AES, предпочтительнее для новых приложений из-за большего размера блока и поддержки аппаратного ускорения.

Применение Blowfish

Blowfish широко используется в различных областях, особенно там, где требуется высокая производительность и безопасность:

• Программное обеспечение: Используется в таких продуктах, как OpenSSL, GnuPG, и некоторых VPN-протоколах (например, OpenVPN).
• Шифрование файлов: Применяется в утилитах для шифрования дисков и файлов, таких как TrueCrypt (в более ранних версиях).
• Сетевые протоколы: Используется в SSH и других протоколах для защиты данных.
• Встраиваемые системы: Благодаря компактности, Blowfish подходит для устройств с ограниченными ресурсами, таких как смарт-карты.

Blowfish и современные стандарты

С появлением AES (Advanced Encryption Standard) в 2001 году Blowfish стал менее популярным для новых систем, так как AES предлагает больший размер блока (128 бит) и аппаратное ускорение на современных процессорах. Однако Blowfish продолжает использоваться в устаревших системах и там, где 64-битный блок не является ограничением.

Наследие: Twofish

Брюс Шнайер позже разработал алгоритм Twofish, который был одним из финалистов конкурса AES. Twofish устраняет некоторые недостатки Blowfish, такие как маленький размер блока (использует 128 бит), но сохраняет схожую философию дизайна.

Интересные факты

• Blowfish назван в честь ядовитой рыбы фугу (blowfish), что отражает его "опасность" для злоумышленников.
• Алгоритм был разработан как альтернатива DES, который в 1990-х годах уже считался уязвимым из-за короткого ключа (56 бит).
• Blowfish часто используется в образовательных целях для изучения блочных шифров благодаря своей простоте и прозрачности.

Заключение

Blowfish — это надежный и эффективный блочный шифр, который, несмотря на возраст, остается актуальным в определенных сценариях. Его простота, высокая скорость и открытость сделали его популярным в 1990-х и 2000-х годах. Однако для новых приложений рекомендуется использовать современные алгоритмы, такие как AES, из-за их соответствия текущим стандартам безопасности.