Blowfish

32bit環境に最適化されている ワード長32bit

Internet Draft (失効?)

間違い多め

Internet draft

Blowfish 暗号の説明

1. はじめに

Blowfish は、キーのセットアップ時間を短縮する必要があるアプリケーション (たとえば、迅速なキー変更を必要とする多重化システム) や、十分なテーブル サイズがない実装 (たとえば、スマート カード) には適していません。これは、Intel Pentium や Motorola PowerPC などの大型 CPU 上のデータの一括暗号化に最適です。Blowfish は、xxx MHz Pentium Pro 上で xxx メガバイト/秒でデータを暗号化できます。

Blowfish は、既存の暗号化アルゴリズムに代わる高速で無料の方法として、1993 年に Bruce Schneier によって設計されました。それ以来、Blowfish は多くの分析が行われ、強力な暗号化アルゴリズムとして徐々に受け入れられつつあります。Blowfish は特許もライセンスも取得しておらず、あらゆる用途に自由に使用できます。

2. 説明

Blowfish 暗号はワード指向で、64 ビットのブロックを 2 つの 32 ビット ワードに分割して動作し、キー テーブルは 18+1024 ワードです。すべてのデータ ユニットは 32 ビットのビッグ エンディアン ワードです。

3. 表記法と基本操作

Blowfish では、次の基本操作が使用されます:

1. 2 の補数によるワードの加算 ("+" で表されます)。逆操作である減算は "-" で表されます。

2. ビット単位の排他的論理和 ("^" で表されます)。

3. ビット単位の論理積 ("&" で表されます)。

4. ビット単位の論理和 ("|" で表されます)。

5. ワードのシフト。ワード x を y だけ左にシフトすることは、"x << y" で表されます。逆操作である右シフトは、"x >> y" で表されます。

これらの操作は、ほとんどのプロセッサで直接かつ効率的にサポートされています。

さらに、32 ビット ワードから 8 ビット バイトを抽出するために使用される操作が 4 つあります。 ext1() は最初の (最上位) バイトを抽出し、ext2() と ext3() は次のバイトを抽出し、ext4() は最下位バイトを抽出します。通常、これはワード内のデータを適切な量だけシフトし、必要な 8 ビット以外のすべてをマスクすることによって行われます。たとえば、ext2() はデータを 16 ビットシフトし、上位 24 ビットをマスクして、8 ビットの値を残します。

3. Blowfish アルゴリズム

Blowfish は、キー拡張アルゴリズム、暗号化アルゴリズム、復号化アルゴリズムの 3 つのコンポーネントで構成されています。

3.1. キー拡張

キー拡張ルーチンの目的は、ユーザーのキー K を拡張して P 配列 P と S ボックス S を埋めることです。これにより、P と S は、ユーザーの秘密キー K によって決定されるランダムなバイナリ ワードの配列に似たものになります。

3.1.1. P 配列と S ボックスの初期化

Blowfish は、こ​​のドキュメントの付録 A に Blowfish での使用に適した形式で記載されている、円周率の 16 進数から導出された初期 P 配列と S ボックスを使用します。付録 A のデータから P 配列と S ボックスを初期化するには、次の操作を行います。

code:initialise

for i = 0 to 17 do

for i = 0 to 255 do

for i = 0 to 255 do

for i = 0 to 255 do

for i = 0 to 255 do

3.1.2. P 配列の設定

P 配列の設定の最初のフェーズでは、秘密キー K が P 配列に周期的に XOR されます。これは、連続する 32 ビットの K の値 (キーの末尾に達した場合は先頭に折り返します) を取得し、P 配列の要素と XOR することで行われます。

code:first phase

keyIndex = 0

for i = 0 to 16 + 2 - 1 do

value = 0

for j = 0 to 32/8 do // 0 to 3 が正解

keyIndex %= length( K )

第 2 フェーズでは、最初にすべてゼロに設定された 64 ビット データ ブロック「data」が繰り返し暗号化され (最初の P 配列が暗黙的に使用されます)、最終的な P 配列が生成されます:

code:second phase

data = 0 // 64bit 32bit x2 なので { 0, 0 } などで実装

for i = 0 to 16 + 2 - 1 step 2 do

encrypt( data )

3.1.3 S ボックスの設定

2 番目のフェーズで使用したP 配列初期化のプロセスが、S ボックスを初期化するために繰り返されます:

code:initialise the S-boxes

for i = 0 to 255 step 2 do

encrypt( data )

for i = 0 to 255 step 2 do

encrypt( data )

for i = 0 to 255 step 2 do

encrypt( data )

for i = 0 to 255 step 2 do

encrypt( data )

high32() は先頭32bit, low32() は後方32bit か

3.2 Blowfish の f 関数とラウンド関数

Blowfish の核となるのは f 関数です。これは、4 つの S ボックス 'S1...4' を使用して 32 ビット ワード 'data' を暗号化するために使用されます。f 関数 'f(data, S1, S2, S3, S4)'は次のように定義されます。

code:f

奇数ラウンドの暗号化ラウンド 'oddRoundEncrypt( roundNo, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )' は次のように定義されます:

code:oddRoundEncrypt

R ^= f( L, S1, S2, S3, S4 )

偶数ラウンドの暗号化ラウンド 'evenRoundEncrypt( roundNo, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )' は次のように定義されます:

code:evenRoundEncrypt

L ^= f( R, S1, S2, S3, S4 )

奇数ラウンドの復号ラウンド 'oddRoundDecrypt( roundNo, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )' は次のように定義されます:

code:oddRoundDecrypt

R ^= f( L, S1, S2, S3, S4 )

偶数ラウンドの復号ラウンド 'evenRoundDecrypt( roundNo, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )' は次のように定義されます:

code:evenRoundDecrypt

L ^= f( R, S1, S2, S3, S4 )

3.3 暗号化

暗号は 16 ラウンドで構成され、その後に P 配列の最後の要素との 2 つの最終 XOR が続きます。以前に定義したラウンド関数を使用すると、次のようになります:

code:Encryption

oddRoundEncrypt( 1, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 2, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 3, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 4, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 5, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 6, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 7, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 8, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 9, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 10, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 11, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 12, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 13, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 14, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

oddRoundEncrypt( 15, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

evenRoundEncrypt( 16, L, R, P, S1, S2, S3, S4 )

最後P配列の最後の要素との排他的論理和は次の通り:

code:final

訳注: 最後にLとRを入れ換える処理が抜けている

3.4 復号化

復号化操作は、暗号化操作の逆の操作です。

訳注:どこかでLとRの入れ換えが必要かも

code:Decryption

evenRoundDecrypt( 16, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 15, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 14, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 13, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 12, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 11, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 10, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 9, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 8, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 7, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 6, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 5, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 4, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 3, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

evenRoundDecrypt( 2, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

oddRoundDecrypt( 1, L, R, P, S1, S2, S3, S4 );

P 配列の最初の要素との最終的な XOR は次のようになります。

code:final

4. Test Vectors

次の ECB テスト ベクトルは、Blowfish 実装の正確性をテストするために使用できます。

code:Test Vectors

Key Plaintext Ciphertext

0000000000000000 0000000000000000 4EF997456198DD78

FFFFFFFFFFFFFFFF FFFFFFFFFFFFFFFF 51866FD5B85ECB8A

3000000000000000 1000000000000001 7D856F9A613063F2

1111111111111111 1111111111111111 2466DD878B963C9D

0123456789ABCDEF 1111111111111111 61F9C3802281B096

1111111111111111 0123456789ABCDEF 7D0CC630AFDA1EC7

0000000000000000 0000000000000000 4EF997456198DD78

FEDCBA9876543210 0123456789ABCDEF 0ACEAB0FC6A0A28D

7CA110454A1A6E57 01A1D6D039776742 59C68245EB05282B

0131D9619DC1376E 5CD54CA83DEF57DA B1B8CC0B250F09A0

07A1133E4A0B2686 0248D43806F67172 1730E5778BEA1DA4

3849674C2602319E 51454B582DDF440A A25E7856CF2651EB

04B915BA43FEB5B6 42FD443059577FA2 353882B109CE8F1A

0113B970FD34F2CE 059B5E0851CF143A 48F4D0884C379918

0170F175468FB5E6 0756D8E0774761D2 432193B78951FC98

43297FAD38E373FE 762514B829BF486A 13F04154D69D1AE5

07A7137045DA2A16 3BDD119049372802 2EEDDA93FFD39C79

04689104C2FD3B2F 26955F6835AF609A D887E0393C2DA6E3

37D06BB516CB7546 164D5E404F275232 5F99D04F5B163969

1F08260D1AC2465E 6B056E18759F5CCA 4A057A3B24D3977B

584023641ABA6176 004BD6EF09176062 452031C1E4FADA8E

025816164629B007 480D39006EE762F2 7555AE39F59B87BD

49793EBC79B3258F 437540C8698F3CFA 53C55F9CB49FC019

4FB05E1515AB73A7 072D43A077075292 7A8E7BFA937E89A3

49E95D6D4CA229BF 02FE55778117F12A CF9C5D7A4986ADB5

018310DC409B26D6 1D9D5C5018F728C2 D1ABB290658BC778

1C587F1C13924FEF 305532286D6F295A 55CB3774D13EF201

0101010101010101 0123456789ABCDEF FA34EC4847B268B2

1F1F1F1F0E0E0E0E 0123456789ABCDEF A790795108EA3CAE

E0FEE0FEF1FEF1FE 0123456789ABCDEF C39E072D9FAC631D

0000000000000000 FFFFFFFFFFFFFFFF 014933E0CDAFF6E4

FFFFFFFFFFFFFFFF 0000000000000000 F21E9A77B71C49BC

0123456789ABCDEF 0000000000000000 245946885754369A

FEDCBA9876543210 FFFFFFFFFFFFFFFF 6B5C5A9C5D9E0A5A

5. ASN.1 構造とオブジェクト識別子

Blowfish には次の ASN.1 定義があります:

code:ASN.1

blowfishECB ALGORITHM PARAMETER NULL ::=

{iso(1) org(3) dod(6) internet(1) private(4) enterprise(1)

dds(3029) symmetric-encryption(1) 1}

blowfishCBC ALGORITHM PARAMETER CBCParameter ::=

{iso(1) org(3) dod(6) internet(1) private(4) enterprise(1)

dds(3029) symmetric-encryption(1) 2}

blowfishCFB ALGORITHM PARAMETER FBParameter ::=

{iso(1) org(3) dod(6) internet(1) private(4) enterprise(1)

dds(3029) symmetric-encryption(1) 3}

blowfishOFB ALGORITHM PARAMETER FBParameter ::=

{iso(1) org(3) dod(6) internet(1) private(4) enterprise(1)

dds(3029) symmetric-encryption(1) 4}

code:parameters

CBCParameter ::= IV

FBParameter ::= SEQUENCE {

iv IV,

numberOfBits NumberOfBits

}

IV ::= OCTET STRING -- 8 octets

NumberOfBits ::= INTEGER

Blowfish で使用する場合、NumberOfBits は常に 64 にする必要があります。

6. セキュリティ

Blowfish は 1994 年に初めて広く公開されましたが、それ以降、このアルゴリズムに対する成功した攻撃は知られていません。

多くの暗号学者が Blowfish を研究してきましたが、公開された結果はほとんどありません。Serge Vaudenay は Blowfish の弱いキーを調査しました。14 ラウンド以下の Blowfish バリアントでは、検出できるものの破られないキーのクラスがあります。4 ラウンドの Blowfish バリアントに対する未公開の選択平文攻撃があり、その作成者は攻撃を 6 ラウンドに拡張したいと考えています。

Blowfish は、差分暗号解読、線形暗号解読、および関連キー暗号解読 (従来型と差分型の両方) に耐性があることが示されています。

付録 A: Blowfish P 配列と S ボックス定数

Blowfish キーの初期化には、円周率の桁の次の値を使用できます。

code: P-array and S-box

unsigned long sBox0[] = {

0xD1310BA6L, 0x98DFB5ACL, 0x2FFD72DBL, 0xD01ADFB7L,

0xB8E1AFEDL, 0x6A267E96L, 0xBA7C9045L, 0xF12C7F99L,

0x24A19947L, 0xB3916CF7L, 0x0801F2E2L, 0x858EFC16L,

0x636920D8L, 0x71574E69L, 0xA458FEA3L, 0xF4933D7EL,

0x0D95748FL, 0x728EB658L, 0x718BCD58L, 0x82154AEEL,

0x7B54A41DL, 0xC25A59B5L, 0x9C30D539L, 0x2AF26013L,

0xC5D1B023L, 0x286085F0L, 0xCA417918L, 0xB8DB38EFL,

0x8E79DCB0L, 0x603A180EL, 0x6C9E0E8BL, 0xB01E8A3EL,

0xD71577C1L, 0xBD314B27L, 0x78AF2FDAL, 0x55605C60L,

0xE65525F3L, 0xAA55AB94L, 0x57489862L, 0x63E81440L,

0x55CA396AL, 0x2AAB10B6L, 0xB4CC5C34L, 0x1141E8CEL,

0xA15486AFL, 0x7C72E993L, 0xB3EE1411L, 0x636FBC2AL,

0x2BA9C55DL, 0x741831F6L, 0xCE5C3E16L, 0x9B87931EL,

0xAFD6BA33L, 0x6C24CF5CL, 0x7A325381L, 0x28958677L,

0x3B8F4898L, 0x6B4BB9AFL, 0xC4BFE81BL, 0x66282193L,

0x61D809CCL, 0xFB21A991L, 0x487CAC60L, 0x5DEC8032L,

0xEF845D5DL, 0xE98575B1L, 0xDC262302L, 0xEB651B88L,

0x23893E81L, 0xD396ACC5L, 0x0F6D6FF3L, 0x83F44239L,

0x2E0B4482L, 0xA4842004L, 0x69C8F04AL, 0x9E1F9B5EL,

0x21C66842L, 0xF6E96C9AL, 0x670C9C61L, 0xABD388F0L,

0x6A51A0D2L, 0xD8542F68L, 0x960FA728L, 0xAB5133A3L,

0x6EEF0B6CL, 0x137A3BE4L, 0xBA3BF050L, 0x7EFB2A98L,

0xA1F1651DL, 0x39AF0176L, 0x66CA593EL, 0x82430E88L,

0x8CEE8619L, 0x456F9FB4L, 0x7D84A5C3L, 0x3B8B5EBEL,

0xE06F75D8L, 0x85C12073L, 0x401A449FL, 0x56C16AA6L,

0x4ED3AA62L, 0x363F7706L, 0x1BFEDF72L, 0x429B023DL,

0x37D0D724L, 0xD00A1248L, 0xDB0FEAD3L, 0x49F1C09BL,

0x075372C9L, 0x80991B7BL, 0x25D479D8L, 0xF6E8DEF7L,

0xE3FE501AL, 0xB6794C3BL, 0x976CE0BDL, 0x04C006BAL,

0xC1A94FB6L, 0x409F60C4L, 0x5E5C9EC2L, 0x196A2463L,

0x68FB6FAFL, 0x3E6C53B5L, 0x1339B2EBL, 0x3B52EC6FL,

0x6DFC511FL, 0x9B30952CL, 0xCC814544L, 0xAF5EBD09L,

0xBEE3D004L, 0xDE334AFDL, 0x660F2807L, 0x192E4BB3L,

0xC0CBA857L, 0x45C8740FL, 0xD20B5F39L, 0xB9D3FBDBL,

0x5579C0BDL, 0x1A60320AL, 0xD6A100C6L, 0x402C7279L,

0x679F25FEL, 0xFB1FA3CCL, 0x8EA5E9F8L, 0xDB3222F8L,

0x3C7516DFL, 0xFD616B15L, 0x2F501EC8L, 0xAD0552ABL,

0x323DB5FAL, 0xFD238760L, 0x53317B48L, 0x3E00DF82L,

0x9E5C57BBL, 0xCA6F8CA0L, 0x1A87562EL, 0xDF1769DBL,

0xD542A8F6L, 0x287EFFC3L, 0xAC6732C6L, 0x8C4F5573L,

0x695B27B0L, 0xBBCA58C8L, 0xE1FFA35DL, 0xB8F011A0L,

0x10FA3D98L, 0xFD2183B8L, 0x4AFCB56CL, 0x2DD1D35BL,

0x9A53E479L, 0xB6F84565L, 0xD28E49BCL, 0x4BFB9790L,

0xE1DDF2DAL, 0xA4CB7E33L, 0x62FB1341L, 0xCEE4C6E8L,

0xEF20CADAL, 0x36774C01L, 0xD07E9EFEL, 0x2BF11FB4L,

0x95DBDA4DL, 0xAE909198L, 0xEAAD8E71L, 0x6B93D5A0L,

0xD08ED1D0L, 0xAFC725E0L, 0x8E3C5B2FL, 0x8E7594B7L,

0x8FF6E2FBL, 0xF2122B64L, 0x8888B812L, 0x900DF01CL,

0x4FAD5EA0L, 0x688FC31CL, 0xD1CFF191L, 0xB3A8C1ADL,

0x2F2F2218L, 0xBE0E1777L, 0xEA752DFEL, 0x8B021FA1L,

0xE5A0CC0FL, 0xB56F74E8L, 0x18ACF3D6L, 0xCE89E299L,

0xB4A84FE0L, 0xFD13E0B7L, 0x7CC43B81L, 0xD2ADA8D9L,

0x165FA266L, 0x80957705L, 0x93CC7314L, 0x211A1477L,

0xE6AD2065L, 0x77B5FA86L, 0xC75442F5L, 0xFB9D35CFL,

0xEBCDAF0CL, 0x7B3E89A0L, 0xD6411BD3L, 0xAE1E7E49L,

0x00250E2DL, 0x2071B35EL, 0x226800BBL, 0x57B8E0AFL,

0x2464369BL, 0xF009B91EL, 0x5563911DL, 0x59DFA6AAL,

0x78C14389L, 0xD95A537FL, 0x207D5BA2L, 0x02E5B9C5L,

0x83260376L, 0x6295CFA9L, 0x11C81968L, 0x4E734A41L,

0xB3472DCAL, 0x7B14A94AL, 0x1B510052L, 0x9A532915L,

0xD60F573FL, 0xBC9BC6E4L, 0x2B60A476L, 0x81E67400L,

0x08BA6FB5L, 0x571BE91FL, 0xF296EC6BL, 0x2A0DD915L,

0xB6636521L, 0xE7B9F9B6L, 0xFF34052EL, 0xC5855664L,

0x53B02D5DL, 0xA99F8FA1L, 0x08BA4799L, 0x6E85076AL

};

unsigned long sBox1[] = {

0x4B7A70E9L, 0xB5B32944L, 0xDB75092EL, 0xC4192623L,

0xAD6EA6B0L, 0x49A7DF7DL, 0x9CEE60B8L, 0x8FEDB266L,

0xECAA8C71L, 0x699A17FFL, 0x5664526CL, 0xC2B19EE1L,

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