Keccak — это семейство криптографических хеш-функций, которые могут генерировать хеш фиксированной длины (например, 224, 256, 384 или 512 бит) из входных данных произвольной длины. Хеш-функции используются для создания уникального "отпечатка" данных, который применяется в криптографии для обеспечения целостности, аутентификации и защиты данных. Keccak также поддерживает другие режимы работы, такие как генерация случайных чисел, создание кодов аутентификации сообщений (MAC) и шифрование.
Keccak был выбран для SHA-3, но стандарт SHA-3 немного отличается от оригинального Keccak из-за изменений, внесённых NIST (например, в способе обработки входных данных). Однако основа алгоритма осталась той же.
Основные характеристики Keccak
- Губчатая конструкция (Sponge Construction): Keccak использует уникальный подход, отличающийся от традиционных конструкций Меркла-Дамгора, используемых в SHA-1 и SHA-2. Губчатая конструкция позволяет обрабатывать данные переменной длины и выдавать выход произвольной длины, что делает Keccak универсальным.
- Высокая криптографическая стойкость: Keccak устойчив к основным видам атак, таким как атаки на коллизии, атаки на предобраз и атаки второго предобраза.
- Гибкость: Keccak поддерживает различные длины выходных хешей и может использоваться в разных криптографических приложениях, включая хеширование, цифровые подписи, генерацию ключей и др.
- Эффективность: Keccak оптимизирован для работы на различных платформах, включая аппаратные и программные реализации, и демонстрирует хорошую производительность даже на устройствах с ограниченными ресурсами.
Как работает Keccak?
Keccak основан на губчатой конструкции, которая состоит из двух основных фаз: поглощение (absorbing) и выжимание (squeezing). Вот пошаговое объяснение:
Губчатая конструкция
Губчатая конструкция делит внутреннее состояние алгоритма на две части:
- r (bitrate): Часть состояния, которая взаимодействует с входными данными.
- c (capacity): Часть состояния, которая обеспечивает криптографическую стойкость и не взаимодействует напрямую с входными данными.
Общий размер состояния — это сумма , которая обычно составляет 1600 бит (25 слов по 64 бита).
Этапы работы
- Инициализация:
- Внутреннее состояние (массив из 1600 бит) инициализируется нулями.
- Входные данные разбиваются на блоки размером бит.
- Фаза поглощения (Absorbing):
- Входные данные разделяются на блоки фиксированной длины (равной ).
- Каждый блок XOR’ится с частью состояния, после чего применяется функция перестановки (Keccak-f).
- Этот процесс повторяется, пока все входные данные не будут обработаны.
- Фаза выжимания (Squeezing):
- После обработки всех входных данных алгоритм начинает выдавать выходные данные.
- Выходные биты извлекаются из части состояния размером .
- Если требуется больше выходных данных, чем , применяется дополнительная перестановка Keccak-f, чтобы "выжать" следующие биты.
Функция перестановки Keccak-f
Keccak-f — это основная функция, которая преобразует внутреннее состояние. Она состоит из нескольких раундов (обычно 24 для состояния 1600 бит), каждый из которых включает пять шагов:
- θ (тета): Линейное преобразование, которое добавляет диффузию между битами.
- ρ (ро): Циклический сдвиг битов для повышения диффузии.
- π (пи): Перестановка битов для изменения их позиций.
- χ (хи): Нелинейное преобразование, которое добавляет криптографическую стойкость.
- ι (йота): Добавление константы для предотвращения симметрии.
Эти шаги повторяются в каждом раунде, обеспечивая высокую степень перемешивания и безопасности.
Параметры Keccak
Keccak поддерживает различные конфигурации, определяемые параметрами (bitrate) и (capacity). Например:
- Для SHA-3-256: , , выход 256 бит.
- Для SHA-3-512: , , выход 512 бит.
Чем больше , тем выше криптографическая стойкость, но тем меньше пропускная способность (так как уменьшается).
Применение Keccak
Keccak используется в различных областях криптографии:
- Хеширование данных: Создание контрольных сумм для проверки целостности данных (например, в блокчейнах).
- Цифровые подписи: Обеспечение аутентичности и целостности сообщений.
- Генерация случайных чисел: Используется в криптографически безопасных генераторах псевдослучайных чисел.
- Коды аутентификации сообщений (MAC): Например, в алгоритмах типа KMAC (Keccak Message Authentication Code).
- Блокчейн: Keccak используется в Ethereum как хеш-функция (называемая Keccak-256).
- Шифрование и другие приложения: Благодаря губчатой конструкции, Keccak может использоваться в потоковых шифрах и других криптографических примитивах.
Преимущества Keccak
- Устойчивость к атакам: Keccak разработан с учётом современных криптографических атак, таких как дифференциальный и линейный криптоанализ.
- Гибкость: Поддерживает выходные данные произвольной длины, что делает его универсальным для различных приложений.
- Простота реализации: Алгоритм относительно прост для реализации на аппаратном и программном уровне.
- Высокая производительность: Оптимизирован для параллельных вычислений и работы на современных процессорах.
Отличия Keccak от SHA-3
Хотя Keccak стал основой для SHA-3, NIST внёс несколько изменений в алгоритм:
- Дополнение входных данных (padding): SHA-3 использует другой метод дополнения (padding), чтобы улучшить совместимость и безопасность.
- Ограничение функциональности: SHA-3 ограничен хеш-функциями фиксированной длины, тогда как Keccak поддерживает более широкий спектр применений (например, XOF — eXtendable Output Functions, такие как SHAKE128 и SHAKE256).
- Параметры: Некоторые параметры были уточнены для соответствия стандартам NIST.
Keccak в сравнении с SHA-1 и SHA-2
- Конструкция: SHA-1 и SHA-2 используют конструкцию Меркла-Дамгора, тогда как Keccak использует губчатую конструкцию, что делает его более устойчивым к определённым атакам (например, атакам на основе длины сообщения).
- Безопасность: SHA-1 считается устаревшим из-за уязвимостей к атакам на коллизии. SHA-2 всё ещё считается безопасным, но Keccak (SHA-3) предлагает дополнительный уровень защиты и гибкости.
- Производительность: Keccak может быть медленнее на некоторых платформах по сравнению с SHA-2, но его оптимизация для аппаратных реализаций делает его конкурентоспособным.
Интересные факты
- Конкурс NIST: Keccak победил в конкурсе SHA-3, обойдя 63 других кандидата, благодаря своей безопасности и универсальности.
- Ethereum: Keccak-256 широко используется в блокчейне Ethereum для хеширования транзакций, адресов и других данных.
- SHAKE: Keccak включает функции с расширяемым выходом (SHAKE128 и SHAKE256), которые позволяют генерировать хеш произвольной длины, что делает их уникальными по сравнению с традиционными хеш-функциями.
Заключение
Keccak — это мощная и универсальная криптографическая хеш-функция, которая лежит в основе стандарта SHA-3 и используется во многих современных криптографических системах. Её губчатая конструкция обеспечивает гибкость, высокую криптографическую стойкость и эффективность. Keccak подходит как для традиционных задач хеширования, так и для более сложных криптографических приложений, таких как блокчейны, цифровые подписи и генерация случайных чисел. |