Twofish

Twofish — это симметричный блочный шифр, разработанный в 1998 году командой криптографов под руководством Брюса Шнайера (Bruce Schneier), в которую также входили Джон Келси, Дуг Уитинг, Дэвид Вагнер, Крис Холл и Нильс Фергюсон. Он был одним из пяти финалистов конкурса Advanced Encryption Standard (AES), организованного Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST), но в итоге уступил алгоритму Rijndael, который стал стандартом AES. Twofish до сих пор считается безопасным и широко используется в различных криптографических приложениях благодаря своей гибкости, скорости и высокому уровню безопасности.

Основные характеристики Twofish

1. Тип шифра: Симметричный блочный шифр. Это означает, что он использует один и тот же ключ для шифрования и расшифрования данных, а данные обрабатываются фиксированными блоками.
2. Размер блока: 128 бит (16 байт). Это стандартный размер блока для многих современных шифров.
3. Длина ключа: Поддерживает ключи длиной 128, 192 или 256 бит. Это делает Twofish гибким, так как он может адаптироваться к различным требованиям безопасности.
4. Структура: Twofish основан на сети Фейстеля (Feistel network), но с некоторыми уникальными модификациями, которые повышают его криптографическую стойкость.
5. Раунды шифрования: Алгоритм выполняет 16 раундов преобразований для каждого блока данных, что обеспечивает высокую степень перемешивания и усложняет атаки.
6. Скорость: Twofish оптимизирован для работы как на аппаратном, так и на программном уровне, что делает его эффективным для различных платформ, включая 32-битные процессоры, смарт-карты и встроенные системы.

Структура алгоритма

Twofish использует сеть Фейстеля — классическую структуру для блочных шифров, где блок данных делится на две половины, и каждая половина обрабатывается с использованием функции, зависящей от ключа. Однако Twofish вносит несколько инноваций:

1. F-функция: Это основная функция преобразования в каждом раунде. Она включает:
   • S-боксы (подстановочные таблицы): Four key-dependent 8x8-bit S-boxes, которые обеспечивают нелинейное преобразование данных. S-боксы генерируются на основе ключа, что усложняет атаки.
   • MDS-матрица (Maximum Distance Separable): Линейное преобразование, которое обеспечивает диффузию (распределение изменений в данных).
   • PHT (Pseudo-Hadamard Transform): Дополнительное преобразование для усиления диффузии между двумя 32-битными словами.
2. Ключевой расписание (Key Schedule): Twofish генерирует подключи для каждого раунда из основного ключа. Это сложный процесс, включающий использование S-боксов и других операций для создания зависимых от ключа подстановок, что повышает устойчивость к атакам на ключ.
3. Отбеливание (Whitening): Перед первым и после последнего раунда данные подвергаются операции побитового исключающего ИЛИ (XOR) с дополнительными подключами, что увеличивает защиту от атак, таких как атаки на основе открытого текста.
4. Четыре 32-битных слова: Входной 128-битный блок делится на четыре 32-битных слова, которые обрабатываются параллельно в каждом раунде.

Этапы работы Twofish

1. Входное отбеливание: Блок данных XOR-ится с подключами, сгенерированными из ключа.
2. Раунды шифрования: 16 раундов, в каждом из которых:
   • Половина данных проходит через F-функцию, зависящую от ключа.
   • Данные перемешиваются с использованием операций XOR и PHT.
   • Половины данных меняются местами для следующего раунда.
3. Выходное отбеливание: Финальный блок XOR-ится с дополнительными подключами.
4. Вывод: Зашифрованный блок передается на выход.

Расшифрование выполняется в обратном порядке с использованием тех же ключей, но с инвертированными операциями.

Преимущества Twofish

• Безопасность: На 2025 год Twofish не имеет известных практических атак, которые могли бы его скомпрометировать при использовании ключей достаточной длины. Даже атаки, такие как дифференциальный или линейный криптоанализ, требуют огромных объемов данных и вычислительных ресурсов.
• Гибкость: Поддержка ключей разной длины (128, 192, 256 бит) позволяет использовать Twofish в различных сценариях, от легковесных приложений до высокозащищенных систем.
• Эффективность: Алгоритм оптимизирован для работы на различных устройствах, включая ограниченные по ресурсам системы, такие как смарт-карты.
• Открытость: Twofish является открытым алгоритмом, что позволяет сообществу криптографов анализировать и улучшать его.

Недостатки

• Скорость по сравнению с AES: Хотя Twofish быстр, на некоторых платформах он может быть немного медленнее AES, особенно в аппаратных реализациях, из-за более сложной структуры ключевого расписания.
• Не стал стандартом AES: Проигрыш Rijndael в конкурсе AES ограничил популярность Twofish, хотя он по-прежнему используется в нишевых приложениях.
• Сложность реализации: Twofish сложнее в реализации, чем некоторые другие шифры, из-за ключезависимых S-боксов и сложного ключевого расписания.

Применение Twofish

Twofish используется в различных криптографических системах, включая:

• Программное обеспечение для шифрования: Например, в TrueCrypt/VeraCrypt для шифрования дисков.
• VPN и сетевые протоколы: Для защиты данных в сетях.
• Встроенные системы: Благодаря своей эффективности на ограниченных ресурсах.
• Криптографические библиотеки: Такие как OpenSSL и GnuPG, поддерживают Twofish.

Безопасность и криптоанализ

Twofish был тщательно проанализирован криптографическим сообществом. Основные атаки, которые изучались:

• Дифференциальный криптоанализ: Требует нереалистично большого количества пар открытого/зашифрованного текста.
• Атака на основе связанных ключей: Успешна только для упрощенных версий Twofish с меньшим числом раундов.
• Атака "невозможного дифференциала": В 2016 году была предложена атака на 8 раундов Twofish, но она не применима к полной версии с 16 раундами.

На октябрь 2023 года (последние данные, доступные в моем наборе знаний) Twofish остается устойчивым к практическим атакам при правильной реализации и использовании ключей длиной 256 бит.

Сравнение с AES

• Скорость: AES часто быстрее на современных процессорах благодаря аппаратной поддержке (например, инструкции AES-NI в процессорах Intel).
• Популярность: AES является стандартом и более широко используется.
• Гибкость: Twofish поддерживает больше вариантов длины ключа.
• Безопасность: Оба алгоритма считаются безопасными, но Twofish имеет более сложную структуру, что может быть преимуществом или недостатком в зависимости от контекста.

Интересные факты

• Название "Twofish" отсылает к предыдущему шифру Брюса Шнайера — Blowfish. "Two" указывает на развитие и улучшение концепции.
• Twofish был разработан с учетом возможности реализации на 8-битных процессорах, что делает его подходящим для устройств с низкой вычислительной мощностью.
• Алгоритм находится в общественном достоянии, что позволяет использовать его без лицензионных ограничений.

Заключение

Twofish — это мощный, гибкий и безопасный блочный шифр, который, несмотря на проигрыш в конкурсе AES, остается популярным выбором для многих приложений. Его сложная структура, ключезависимые S-боксы и высокая степень диффузии делают его устойчивым к большинству известных атак. Если вы ищете надежный шифр для защиты данных, Twofish — отличный выбор, особенно для систем, где требуется гибкость и производительность на различных платформах.