(Translated by https://www.hiragana.jp/)
Data Encryption Standard - Wikipedia

Data Encryption Standard

データ暗号あんごうのためのアルゴリズム

Data Encryption Standard(データ暗号あんごう標準ひょうじゅん)、りゃくしてDESデス、ディーイーエス[よう出典しゅってん])は、アメリカ合衆国あめりかがっしゅうこくきゅう国家こっか暗号あんごう規格きかく、もしくはその規格きかく規格きかくされている共通きょうつうかぎ暗号あんごうである。ブロック暗号あんごう一種いっしゅであり、1976ねん国立こくりつ標準ひょうじゅんきょく (NBS) がアメリカ合衆国あめりかがっしゅうこく公式こうしき連邦れんぽう情報処理じょうほうしょり標準ひょうじゅん (FIPS) として採用さいようし、その国際こくさいてきひろ使つかわれた。56ビットかぎ使つかった共通きょうつうかぎ暗号あんごう基盤きばんとしている。そのアルゴリズムは、機密きみつ設計せっけい要素ようそ比較的ひかくてきみじかかぎちょうアメリカ国家こっか安全あんぜん保障ほしょうきょく (NSA) がバックドアもうけたのではないかといううたがいなどで、当初とうしょ物議ぶつぎをかもしていた。結果けっかとしてDESは、現代げんだいブロック暗号あんごうとその暗号あんごう解読かいどく理解りかいもとづいて学究がっきゅうてき徹底てっていした精査せいさけた。

data encryption standard
DESのファイステル関数かんすう(F関数かんすう
一般いっぱん
設計せっけいしゃ IBM
初版しょはん発行はっこう 1977ねん標準ひょうじゅんは1979ねん1がつ
派生はせいもと Lucifer
後継こうけい トリプルDES, GDES, DES-X, LOKI89英語えいごばん, ICE英語えいごばん
暗号あんごう詳細しょうさい
かぎちょう 56ビット
ブロックちょう 64ビット
構造こうぞう 均衡きんこうがたFeistel構造こうぞう
ラウンドすう 16
最良さいりょう暗号あんごう解読かいどくほう
DESはいまではそうあた攻撃こうげき解読かいどく可能かのうであるため、安全あんぜんではない。2008ねん現在げんざい最良さいりょう攻撃こうげきほう線形せんけい解読かいどくほうで、243既知きち平文へいぶん必要ひつようとし、時間じかん計算けいさんりょうは239–43である(Junod, 2001)。選択せんたく平文へいぶん前提ぜんていとすれば、データ計算けいさんりょうは4ぶんの1にげんじることができる(Knudsen and Mathiassen, 2000)。

DESはいまではおおくの用途ようとにおいて安全あんぜんではないとなされている。これはおもに56ビットというかぎちょうみじかすぎることに起因きいんする。1999ねん1がつdistributed.net電子でんしフロンティア財団ざいだん共同きょうどうで、22あいだ15ふんでDESのかぎやぶったことを公表こうひょうした。この暗号あんごう理論りろんじょうよわさをしめした解析かいせき結果けっかもあるが、そのようなよわさを実際じっさい利用りようすることが可能かのうというわけではない。アルゴリズム自体じたい実用じつようじょう安全あんぜんであるとされ、トリプルDESというかたち使つかわれているが、理論りろんてき攻撃こうげき方法ほうほう存在そんざいする。近年きんねんAdvanced Encryption Standard (AES)にってわられた。

なお、標準ひょうじゅんとしてのDESとアルゴリズムを区別くべつすることがあり、アルゴリズムを Data Encryption Algorithm (DEA)としょうすることがある。

DESが制定せいていされるまでの経緯けいい

編集へんしゅう

DESの起源きげん1970年代ねんだいはじめにさかのぼる。1972ねん、アメリカ政府せいふコンピュータセキュリティ重要じゅうようであるという研究けんきゅう結果けっかた。そこでNBS(National Bureau of Standard。合衆国がっしゅうこく標準ひょうじゅんきょく現在げんざいNIST(アメリカ国立こくりつ標準ひょうじゅん技術ぎじゅつ研究所けんきゅうじょ)が、政府せいふ全体ぜんたい機密きみつ情報じょうほう暗号あんごうするための標準ひょうじゅん規格きかく必要ひつようだと判断はんだんした[1]。それにおうじて1973ねん5がつ15にちNSA相談そうだんうえ、NBSがきびしい設計せっけい基準きじゅんたした暗号あんごう公募こうぼした。しかし応募おうぼのいずれも条件じょうけんたしていなかったため、1974ねん8がつ27にちに2かい公募こうぼおこなった。今回こんかいIBM応募おうぼしたあん条件じょうけんたしているとおもわれた。それは、以前いぜんからあったアルゴリズムにもとづき1973ねんから1974ねん開発かいはつされたホルスト・ファイステルLucifer暗号あんごうだった。IBMでこの暗号あんごう設計せっけい解析かいせきおこなったチームにはファイステルのほかに、ウォルト・タックマン (Walt Tuchman)、ドン・コッパースミス (Don Coppersmith)、アラン・コンハイム (Alan Konheim)、カール・メイヤー (Carl Meyer)、マイク・マーチャーシュ (Mike Matyas)、ロイ・アドラー (Roy Adler)、エドナ・グロスマン (Edna Grossman)、ビル・ノッツ (Bill Notz)、リン・スミス (Lynn Smith)、ブライアント・タッカーマン (Bryant Tuckerman) らがいた。

Lucifer・DESはホルスト・ファイステルらのかんがえたFeistel構造こうぞうばれる構造こうぞうをなしている。このこと共通きょうつうかぎ暗号あんごう研究けんきゅう多大ただい影響えいきょうあたえ、のち提案ていあんされたおおくの共通きょうつうかぎ暗号あんごう方式ほうしきがFeistel構造こうぞうもとづいて設計せっけいされた。

NSAの設計せっけいへの関与かんよ

編集へんしゅう

1975ねん3がつ17にち規格きかくあんとしてのDESが Federal Register発表はっぴょうされた。そしてコメントが募集ぼしゅうされ、翌年よくねんには2かいワークショップを開催かいさいしてこの規格きかくあんについて議論ぎろんした。各所かくしょから様々さまざま批判ひはんせられた。なかには公開こうかいかぎ暗号あんごう先駆せんくしゃであるマーティン・ヘルマンホイットフィールド・ディフィー批判ひはんがあり、かぎちょうみじかいというてんなぞめいた「Sボックス」がNSAによる不適切ふてきせつ干渉かんしょう意味いみしているのではないかと指摘してきした。それは、このアルゴリズムを諜報ちょうほう機関きかんひそかによわめ、その諜報ちょうほう機関きかんだけが暗号あんごうされたメッセージを容易ようい解読かいどくできるようにしたのではないかといううたがいがたれたのである[2]。アラン・コンハイム(DES設計せっけいしゃ1人ひとり)はそれについて「我々われわれはSボックスをワシントンにおくった。もどってきたものはおくったものとはまったことなっていた」とべた[3]アメリカ合衆国あめりかがっしゅうこく上院じょういん諜報ちょうほう特別とくべつ委員いいんかいがNSAの行為こうい不適切ふてきせつ干渉かんしょうがあったかどうかを調査ちょうさした。調査ちょうさ結果けっか公開こうかいされた要約ようやくにはつぎのようにかれている。

「DESの開発かいはつにおいて、NSAはIBMたいしてかぎちょうみじかくても大丈夫だいじょうぶだと納得なっとくさせ、Sボックスの開発かいはつ間接かんせつてき支援しえんし、最終さいしゅうてきなDESアルゴリズムが統計とうけい学的がくてきにも数学すうがくてきにもかんがえられる最高さいこうのものだと保証ほしょうした」[4]

しかし、同時どうじつぎのようなことも判明はんめいしている。

「NSAはいかなるかたちでもアルゴリズムの設計せっけい改変かいへんしていない。IBMはこのアルゴリズムを発明はつめい設計せっけいし、関連かんれんする設計せっけいじょう意思いし決定けっていすべてIBMがおこない、かぎちょうもDESのあらゆる商用しょうよう用途ようとにとって十分じゅうぶんながさとして決定けっていした」[5]

DES設計せっけいチームのウォルト・タックマンは「我々われわれはIBMないでIBMの人員じんいんだけでDESアルゴリズム全体ぜんたい開発かいはつした。NSAにめいじられて変更へんこうした部分ぶぶんは1つもない」とべた[6]一方いっぽう機密きみつ解除かいじょされたNSAの暗号あんごうかんするほんにはつぎのようにかれている。

「1973ねん、NBSはDESを民間みんかん企業きぎょうもとめた。最初さいしょ応募おうぼあん満足まんぞくのいくものではなかったため、NSAは独自どくじにアルゴリズムの研究けんきゅうはじめた。そして、工学こうがく研究けんきゅう部門ぶもん代表だいひょうであるハワード・ローゼンブラムは、IBMのウォルト・タックマンがLuciferを汎用はんようする修正しゅうせいおこなっていることにづいた。NSAはタックマンに人物じんぶつ証明しょうめいあたえ、当局とうきょくともにLuciferを修正しゅうせいする作業さぎょうおこなわせた」[7]

Sボックスにかんする嫌疑けんぎ一部いちぶは1990ねんしずめられることになった。同年どうねんエリ・ビハムアディ・シャミアRSAのS)が差分さぶん解読かいどくほう独自どくじ発見はっけんして公表こうひょうした。差分さぶん解読かいどくほうはブロック暗号あんごうやぶ汎用はんよう技法ぎほうである。DESのSボックスは無作為むさくいえらばれた場合ばあいよりもこの攻撃こうげきほうにずっと抵抗ていこうりょくがあり、IBMが1970年代ねんだいにこの攻撃こうげきほうっていたことをつよ示唆しさしていた。1994ねん、ドン・コッパースミスがSボックスの元々もともと設計せっけい基準きじゅんについて一部いちぶ公表こうひょうしたことで、それが裏付うらづけられた[8]スティーブン・レビーによれば、IBMでは1974ねん差分さぶん解読かいどくほう発見はっけんしていたが、NSAがそれを秘密ひみつにするよう要請ようせいしていたという[9]。コッパースミスはIBMの方針ほうしんについて「(差分さぶん解読かいどくほう)は非常ひじょう強力きょうりょくなツールであり、様々さまざま方式ほうしき応用おうようでき、これをおおやけにすると国家こっか安全あんぜんわる影響えいきょうおよぼすことが懸念けねんされた」とべている。レビーはタックマンの言葉ことばとして「かれらは我々われわれのあらゆる文書ぶんしょ極秘ごくひというスタンプをさせようとした…それらは合衆国がっしゅうこく政府せいふ機密きみつなされたので、我々われわれ実際じっさいにそれらに番号ばんごうり、金庫きんこれた。かれらがそうしろとったから、そうしたまでだ」といている[9]

標準ひょうじゅん暗号あんごうとしてのDES

編集へんしゅう

批判ひはんはあったがDESは1976ねん11月連邦れんぽう規格きかくとして承認しょうにんされ、1977ねん1がつ15にちには FIPS PUB 46 として公表こうひょうされ、機密きみつ政府せいふ通信つうしんでの利用りよう承認しょうにんされた。さらに1981ねんANSIとして制定せいていされ、民間みんかん標準ひょうじゅん規格きかくにもなった。1983ねん、1988ねんFIPS-46-1更新こうしん)、1993ねん (FIPS-46-2)、1999ねん (FIPS-46-3) とさい承認しょうにんされ、最後さいごにはトリプルDESさだめられた。2002ねん5がつ26にち、DESは公開こうかいのコンペティションでえらばれた Advanced Encryption Standard (AES) でえられた。2005ねん5がつ19にち、FIPS 46-3は公式こうしき廃止はいしとなったが、NISTトリプルDESについては政府せいふ重要じゅうよう情報じょうほうよう使つかうことを2030ねんまで承認しょうにんしている[10]

このアルゴリズムは ANSI X3.92[11]、NIST SP 800-67[10]、ISO/IEC 18033-3[12] でも指定していされている(TDEA要素ようそとして)。

もう1つの理論りろんてき攻撃こうげきほうである線形せんけい解読かいどくほうは1994ねん公表こうひょうされた。1998ねんにはそうあた攻撃こうげき実用じつようてき時間じかんでDESをれることが実証じっしょうされ、アルゴリズムの更新こうしん必要ひつようせいたかまった。これら攻撃こうげきほうについてはふし詳述しょうじゅつする。

DESの登場とうじょう暗号あんごう研究けんきゅうとく暗号あんごう解読かいどくほう研究けんきゅう活発かっぱつさせる触媒しょくばい役割やくわりたした。NISTはのちにDESについてつぎのようにべている。

DESは暗号あんごうアルゴリズムの軍事ぐんじてき研究けんきゅう開発かいはつを「ジャンプスタート」させたとえる。1970年代ねんだい暗号あんごう学者がくしゃ軍隊ぐんたい諜報ちょうほう機関きかん以外いがいにはほとんどおらず、暗号あんごう学問がくもんてき研究けんきゅう限定げんていてきだった。いまでは多数たすう学者がくしゃ暗号あんごう研究けんきゅうし、数学すうがく関係かんけい学科がっか暗号あんごうおしえ、情報じょうほうセキュリティ企業きぎょうやコンサルタントが商売しょうばいをしている。暗号あんごう解読かいどくしゃはDESアルゴリズムを解析かいせきすることで経験けいけんんだ。暗号あんごう研究けんきゅうしゃブルース・シュナイアーは「DESは暗号あんごう解読かいどくというフィールドをおおいに活気かっきけた。いまでは研究けんきゅうすべきアルゴリズムのひとつだ」とべている[13]。1970年代ねんだいから1980年代ねんだいにかけて、暗号あんごうかんするおおくの書籍しょせきがDESをあつかっており、共通きょうつうかぎ暗号あんごう比較ひかくするさい基準きじゅんとなっている[14]

年表ねんぴょう

編集へんしゅう
日付ひづけ 出来事できごと
1973ねん5がつ15にち NBSが標準ひょうじゅん暗号あんごうアルゴリズムの要求ようきゅう仕様しよう公開こうかい(1かい)。
1974ねん8がつ27にち NBSが標準ひょうじゅん暗号あんごうアルゴリズムの要求ようきゅう仕様しよう公開こうかい(2かい)。
1975ねん3がつ17にち コメントをもとめるため、DESが Federal Register公表こうひょうされた。
1976ねん8がつ DESにかんする最初さいしょのワークショップ開催かいさい
1976ねん9がつ 2かいのワークショップ。DESの数学すうがくてき基盤きばんについて議論ぎろん
1976ねん11月 DESを標準ひょうじゅんとして承認しょうにん
1977ねん1がつ15にち DESを FIPS PUB 46 として公表こうひょう
1983ねん DESについて、1かいさい承認しょうにん実施じっし
1986ねん HBOがDESをベースとした衛星えいせいテレビ放送ほうそうのスクランブリングシステム Videocipher II実用じつよう
1988ねん1がつ22にち DES について2かいさい承認しょうにんおこない、FIPS PUB 46 をえる FIPS 46-1 を制定せいてい
1990ねん7がつ ビハムとシャミアが差分さぶん解読かいどくほうさい発見はっけんし、DESにた15ラウンドの暗号あんごう適用てきよう
1992ねん ビハムとシャミアがそうあた攻撃こうげきよりも計算けいさんりょうすくない理論りろんじょう攻撃こうげきほう差分さぶん解読かいどくほう)があることを発表はっぴょう。ただし、必要ひつようとする選択せんたく平文へいぶんすう現実げんじつてきな247だった。
1993ねん12月30にち DES について3かい承認しょうにんおこない、FIPS 46-2 とした。
1994ねん 線形せんけい解読かいどくほうもちいた既知きち平文へいぶん攻撃こうげきによって、DESの解読かいどくはじめて実際じっさいおこなわれた (松井まついたかし)。平文へいぶん暗号あんごうぶんくみすうは、243だった。
1997ねん6がつ DESCHALL英語えいごばんによりDESで暗号あんごうされたメッセージの解読かいどくおこなわれ、はじめて一般いっぱん公表こうひょう
1998ねん7がつ 電子でんしフロンティア財団ざいだんDESクラッカー英語えいごばんが56あいだでDESのかぎやぶった。
1999ねん1がつ Deep Crackdistributed.net共同きょうどうで22あいだ15ふんでDESのかぎやぶった。
1999ねん10がつ25にち DESについて4かい承認しょうにんおこない FIPS 46-3としたが、トリプルDES使用しよう推奨すいしょうし、シングルDESはふるいシステムでのみ使用しようすることとした。
2001ねん11月26にち Advanced Encryption Standard (AES) FIPS 197として公表こうひょう
2002ねん5がつ26にち AES規格きかく発効はっこう
2004ねん7がつ26にち FIPS 46-3(および関連かんれんする規格きかくぐん)の廃止はいしFederal Register提案ていあんされた[15]
2005ねん5がつ19にち NISTがFIPS 46-3を廃止はいし[16]
2006ねん4がつ ルール大学だいがくボーフムキール大学だいがくFPGA使つかった並列へいれつマシンCOPACOBANA開発かいはつし、1まんドルのハードウェアコストで9日間にちかんをかけてDESをやぶった[17]。 その1ねん以内いないにソフトウェアを改良かいりょうし、平均へいきんで6.4にちれるようになった。

詳細しょうさい

編集へんしゅう
 
1— DESのFeistel構造こうぞう全体ぜんたい
 
2— DESのFeistel関数かんすう(F-関数かんすう
 
3— DESのかぎスケジュール

DESは原型げんけいともいうべきブロック暗号あんごうであり、固定こていビットちょう平文へいぶん入力にゅうりょくとし、一連いちれん複雑ふくざつ操作そうさによっておなながさの暗号あんごうぶん出力しゅつりょくするアルゴリズムである。DESの場合ばあい、ブロックちょうは64ビットである。また、変換へんかんをカスタマイズするかぎ使つかうため、暗号あんごう使つかったかぎっているものだけが復号ふくごうできる。かぎは64ビットだが、そのうち8ビットはパリティチェックに使つかうため、アルゴリズムじょう実際じっさいかぎながさは56ビットである。

のブロック暗号あんごう同様どうよう、DES自体じたい暗号あんごう安全あんぜん手段しゅだんではなく、暗号あんごう利用りようモード使つか必要ひつようがある。FIPS-81 はDESようのいくつかのモードをしめしている[18]。そののDESの利用りようほうについては FIPS-74 にくわしい[19]

全体ぜんたい構造こうぞう

編集へんしゅう

アルゴリズムの全体ぜんたい構造こうぞう1にしめす。16の処理しょり工程こうていがあり、それらを「ラウンド」とぶ。また、最初さいしょ最後さいごなら処理しょりがあり、それぞれ IP および FPぶ。IPFP はちょうどぎゃく処理しょりおこなう。IPFP暗号あんごうにはほとんど関係かんけいないが、1970年代ねんだいハードウェアでブロックの入出力にゅうしゅつりょくおこな部分ぶぶんとしてふくまれており、同時どうじにそれによってソフトウェアによるDESの処理しょりおそくなる原因げんいんにもなっている。

ラウンドでの処理しょりまえにブロックは半分はんぶん(32ビット)ずつにけられ、それぞれことなる処理しょりほどこされる。この十字じゅうじ交差こうさ構造こうぞうFeistel構造こうぞうぶ。Feistel構造こうぞう使つかうと、暗号あんごう復号ふくごう非常ひじょう処理しょりになる。ちがいは、復号ふくごうではラウンドかぎぎゃく順序じゅんじょ適用てきようするというてんだけであり、アルゴリズムは同一どういつである。このため実装じっそう単純たんじゅんでき、とくにハードウェアで実装じっそうする場合ばあい両者りょうしゃ別々べつべつ実装じっそうする必要ひつようい。

⊕ という記号きごう排他はいたてき論理ろんり (XOR) を意味いみする。F-関数かんすうはブロックの半分はんぶんなんらかのかぎでかきぜる。F-関数かんすう出力しゅつりょくをブロックののこ半分はんぶん結合けつごうし、つぎのラウンドにまえにその半分はんぶん同士どうしえる。最後さいごのラウンドののちにはえはおこなわない。これは、暗号あんごう復号ふくごうたプロセスでおこなうFeistel構造こうぞう特徴とくちょうである。

Feistel(F)関数かんすう

編集へんしゅう

2にあるF-関数かんすうはブロックの半分はんぶん(32ビット)をいち処理しょりする。以下いかの4段階だんかいがある。

  1. Expansion - expansion permutationばれる方式ほうしきで32ビットを48ビットに拡張かくちょうする。では Eしめされている部分ぶぶんである。入力にゅうりょくのうち半分はんぶんのビットの複製ふくせい16ビットぶん出力しゅつりょくビット列びっとれつ追加ついかする。その出力しゅつりょくは8の6ビットの部分ぶぶんからなり、それら6ビットのうちの中央ちゅうおう4ビットは入力にゅうりょく対応たいおうする4ビットの部分ぶぶんおなじで、りょうはしの1ビットずつは入力にゅうりょくじょう隣接りんせつする部分ぶぶんのビットの複製ふくせいである。
  2. Key mixing - ラウンドかぎうえ出力しゅつりょく結果けっかをXOR操作そうさ結合けつごうする。ラウンドかぎは48ビットで、もともとのかぎから「かぎスケジュール」(後述こうじゅつ)によって16のラウンドかぎ生成せいせいされる。
  3. Substitution - ラウンドかぎぜたのち、6ビットずつにけてSボックス (substitution box) に入力にゅうりょくする。8のSボックスは入力にゅうりょくの6ビットから4ビットの出力しゅつりょく生成せいせいし、このときルックアップテーブルかたち提供ていきょうされる非線形ひせんけい変換へんかんおこなう。SボックスがDESの安全あんぜんせい根幹こんかんであり、これがかったならば暗号あんごう処理しょり線形せんけいであり容易よういやぶることができることになる。
  4. Permutation - Sボックスぐん出力しゅつりょくである32ビットに固定こていならほどこす。では Pしめした部分ぶぶんである。このとき、かくSボックスの出力しゅつりょくつぎのラウンドでSボックスに展開てんかいされるとき、6ことなるSボックスに分散ぶんさんするようならえる。

Sボックスでの置換ちかんとPボックスでのならえとEでの拡張かくちょう交互こうごおこなうことで、クロード・シャノン安全あんぜん実用じつようてき暗号あんごう必要ひつよう条件じょうけんとした「拡散かくさんとかくらん」を提供ていきょうする。

かぎスケジュール

編集へんしゅう

3は暗号あんごうでの「かぎスケジュール」、すなわちラウンドかぎ生成せいせいするアルゴリズムをしめしている。まず64ビットの入力にゅうりょくから56ビットを選択せんたくしてならえをおこなPermuted Choice 1 (PC-1) がある。えらばれなかった8ビットはたんててもよいし、パリティビットとしてかぎのチェックに使つかってもよい。その56ビットは2つの28ビットに分割ぶんかつされ、その別々べつべつ処理しょりされる。ラウンドをつぎすすめるさいにそれぞれをひだりに1ビットか2ビットローテートする(ラウンドによってローテートするビットすうことなる)。そして、それらを Permuted Choice 2 (PC-2) に入力にゅうりょくして48ビットのラウンドかぎ出力しゅつりょくする。このときそれぞれの半分はんぶん(28ビット)から24ビットずつをえらび、ならえも左右さゆう別々べつべつおこなう。ローテートをおこなうことでラウンドごとに選択せんたくするビットが変化へんかする(PC-2自体じたい固定こていであり、毎回まいかいおな位置いちのビットをえらんでおな順序じゅんじょならえる)。かくビットは16ラウンドのうち、だいたい14かい使つかわれる。

復号ふくごうさいかぎスケジュールもほぼ同様どうようである。ラウンドかぎ暗号あんごうのときとは逆順ぎゃくじゅん適用てきようされる。そのてんのぞけば暗号あんごうまったおな工程こうてい処理しょりされる。

DESにわるアルゴリズム

編集へんしゅう

DESについては安全あんぜんせいソフトウェアによる処理しょり相対そうたいてきおそてん懸念けねんされ、1980年代ねんだいすえから1990年代ねんだいはじめごろから研究けんきゅうしゃらが様々さまざまブロック暗号あんごう代替だいたいあんとして提案ていあんしてきた。たとえば、RC5BlowfishIDEANewDESSAFERCAST5FEALなどがある。そのおおくはDESとおなじ64ビットのブロックちょうで、そのまま代替だいたいとして使つかえるようになっているが、かぎには64ビットか128ビットを使つかっているものがおおい。ソビエト連邦れんぽうではGOSTアルゴリズムが導入どうにゅうされた。これはブロックちょう64ビットで256ビットのかぎ使つかっており、のちロシアでも使つかわれた。

DES自身じしんをもっと安全あんぜんかたちにしてさい利用りようすることもできる。かつてDESを使つかっていたところでは、DESの特許とっきょけん保持ほじしゃ1人ひとり考案こうあんしたトリプルDES (TDES) を使つかっている(FIPS Pub 46-3 参照さんしょう)。この方式ほうしきでは2つ (2TDES) ないし3つ (3TDES) のかぎもちいて、暗号あんごう復号ふくごう暗号あんごうじゅんでDESを3かいおこなうこと暗号あんごうする。TDESは十分じゅうぶん安全あんぜんだが、きわめて時間じかんがかかる。それほど計算けいさんりょうえない代替だいたい方式ほうしきとしてDES-Xがあり、かぎちょうながくしてDESの処理しょり前後ぜんご外部がいぶかぎをXORする。GDESはDESの暗号あんごう処理しょり高速こうそくにする方式ほうしきだが、差分さぶん解読かいどくほうよわいことがかっている。

そのNISTがDESにわる米国べいこく標準ひょうじゅん暗号あんごう方式ほうしき Advanced Encryption Standard (AES) を公募こうぼした。そして2000ねん10がつ、ベルギーのホァン・ダーメン英語えいごばんフィンセント・ライメンにより提案ていあんされたRijndael(ラインデール)があたらしい米国べいこく標準ひょうじゅん暗号あんごう方式ほうしきAESえらばれた。トリプルDESのようなad-hoc方法ほうほう設計せっけいされた暗号あんごう方式ほうしきとはことなり、AESはSPN構造こうぞうばれるより整備せいびされた構造こうぞう暗号あんごう方式ほうしきである。公募こうぼにはRC6SerpentMARSTwofish応募おうぼしたがどれもえらばれなかった。AESは2001ねん11月に FIPS 197 として正式せいしき公表こうひょうされた。

セキュリティと解読かいどく

編集へんしゅう

DESの解読かいどくほうについてはのブロック暗号あんごうよりも多数たすう情報じょうほうがあるが、いまもっと実用じつようてき攻撃こうげきほうそうあた攻撃こうげきである。暗号あんごう解読かいどくじょう各種かくしゅ特性とくせいられており、3種類しゅるい理論りろんじょう攻撃こうげき方法ほうほうられている。それらはそうあた攻撃こうげきよりも理論りろんじょう計算けいさんりょうすくないが、現実げんじつてきりょう既知きち平文へいぶん選択せんたく平文へいぶん必要ひつようとし、実用じつようはされていない。

そうあた攻撃こうげき

編集へんしゅう
 
The EFFが25まんドルで製作せいさくしたDES解読かいどく。1,856のカスタムチップで構成こうせいされ、DESのかぎそうあたりで数日すうじつあいだやぶることができる。写真しゃしんは Deap Crack チップをいくつか装備そうびしたDES解読かいどくよう回路かいろ基板きばん

どんな暗号あんごうについても、もっと基本きほんとなる攻撃こうげきほうそうあた攻撃こうげき、すなわちかぎのとりうるすべため方法ほうほうである。かぎながさがかぎのとりうる個数こすう直接ちょくせつ関係かんけいしてくるため、そうあたりが現実げんじつてきかどうかもかぎながさでまる。DESについては標準ひょうじゅんとして採用さいようされる以前いぜんからかぎみじかさが懸念けねんされていた。NSAをふく外部がいぶコンサルタントをまじえた議論ぎろん結果けっか、1つのチップで暗号あんごうできるようかぎながさを128ビットから56ビットにらすことになった[20]

学界がっかいでは様々さまざまなDES解読かいどく提案ていあんされてきた。1977ねん、ディフィーとヘルマンは1にちでDESのかぎつけることができるマシンのコストを2000まんドルと見積みつもった。1993ねんになると、ウィーナーは7あいだかぎつけることができる機械きかいのコストを100まんドルと見積みつもった。しかし、そのような初期しょき提案ていあんもとづいて実際じっさい解読かいどく製作せいさくしたれいはないし、すくなくともそのような実例じつれい公表こうひょうされたことはなかった。DESの脆弱ぜいじゃくせい実際じっさいしめされたのは1990年代ねんだい後半こうはんのことである。1997ねんRSAセキュリティ一連いちれんのコンテストを主催しゅさいし、DESで暗号あんごうされたメッセージを最初さいしょ解読かいどくしたチームに1まんドルを賞金しょうきんとして提示ていじした。このコンテストで優勝ゆうしょうしたのは、Rocke Verser、Matt Curtin、Justin Dolske が主導しゅどうする DESCHALL Project で、インターネットじょうすうせんだいのコンピュータのアイドル時間じかんなにもしていない時間じかん)を利用りようしたプロジェクトだった。1998ねんには電子でんしフロンティア財団ざいだん (EFF) がやく25まんドルをかけてDES解読かいどく製作せいさくした。EFFの意図いとは、DESを理論りろんじょうだけでなく実際じっさいやぶることができることをしめすことであり、「おおくの人々ひとびと実際じっさい自分じぶんるまで真実しんじつしんじようとしない。DESを数日すうじつあいだやぶることができるマシンを実際じっさいしめすことで、DESによるセキュリティが信用しんようできないことをあきらかにできる」とべている。この機械きかいは2にちきょうかけてそうあた攻撃こうげきかぎつけることができる。1999ねん1がつおこなわれた3かいのコンテストでは、22あいだdistributed.netによりDESが解読かいどくされた[21]。この解読かいどくにはEFFのDES解読かいどくとインターネット経由けいゆ募集ぼしゅうされた10まんだい計算けいさんもちいられた。

もう1つのDES解読かいどくとしてCOPACOBANA(cost-optimized parallel code breaker のりゃく)が2006ねんドイツルール大学だいがくボーフムキール大学だいがくのチームで開発かいはつされた。EFFの解読かいどくとはことなり、COPACOBANAは一般いっぱん入手にゅうしゅ可能かのう部品ぶひん集積しゅうせき回路かいろ)のみを使つかっている。20のDIMMモジュールで構成こうせいされ、それぞれに6FPGAXILINX Spartan3-1000)を装備そうびし、それらが並列へいれつ動作どうさする。FPGAを使つかっているため、DES以外いがい暗号あんごう解読かいどくにも応用おうよう可能かのうである。COPACOBANAの重要じゅうよう特徴とくちょうはそのていコストであり、1だいやく1まんドルで製作せいさくできる。EFFのDES解読かいどくくらべてやく25ぶんの1であり、8年間ねんかん物価ぶっか上昇じょうしょうりつ考慮こうりょすればやく30ぶんの1ということができる。

そうあた攻撃こうげきよりも高速こうそく攻撃こうげきほう

編集へんしゅう

そうあた攻撃こうげきよりもすくない計算けいさんりょうで16ラウンドのDESをやぶることができる攻撃こうげきほうが3種類しゅるいられている。差分さぶん解読かいどくほう (DC)、線形せんけい解読かいどくほう (LC)、Davies' attack である。しかし、これらの攻撃こうげきほう理論りろんじょうのものであって、実際じっさい応用おうようするのは現実げんじつてきではない。これらを certificational weaknesses とぶこともある。

差分さぶん解読かいどくほう
1980年代ねんだいすえエリ・ビハムアディ・シャミアさい発見はっけんした。IBMとNSAにはそれ以前いぜんからられていたが、秘密ひみつにされていた。16ラウンドのDESをやぶるには、247選択せんたく平文へいぶん必要ひつようとする。DESはDCへのたいせい考慮こうりょして設計せっけいされている。
線形せんけい解読かいどくほう
1993ねん松井まついたかし発見はっけん。243既知きち平文へいぶん必要ひつようとする。これを実際じっさい実装じっそうして(Matsui, 1994)、DESの解読かいどく実験じっけんおこなわれている。DESがこの解読かいどくほうへのたいせい考慮こうりょして設計せっけいされたという証拠しょうこはない。1994ねんには、これを拡張かくちょうした multiple linear cryptanalysis (Kaliski and Robshaw) が提案ていあんされ、その改良かいりょうが Biryukov らによっておこなわれている。研究けんきゅうによると、複数ふくすう線形せんけい近似きんじもちいることで必要ひつようなデータりょうが4ぶんの1になる(つまり、243を241らせる)ことが示唆しさされている。また、選択せんたく平文へいぶん使つかった線形せんけい解読かいどくほうでも同様どうようにデータりょう削減さくげんできる (Knudsen and Mathiassen, 2000)。Junod (2001) は実験じっけんによって線形せんけい解読かいどくほう時間じかん計算けいさんりょう測定そくていし、DESの解読かいどく予想よそうよりも時間じかんがかからず 239 から 241 になるとした。
Davies' attack
差分さぶん解読かいどくほう線形せんけい解読かいどくほうもDESだけにかぎらずに任意にんい暗号あんごう解読かいどくにも使つかえるが、Davies' attack はDES専用せんよう解読かいどくほうであり、ドナルド・デービスが1980年代ねんだい提案ていあんして、ビハムとBiryukov (1997) が改良かいりょうほどこした。もっと強力きょうりょく形式けいしき攻撃こうげきには 250既知きち平文へいぶん必要ひつようとし、計算けいさんりょうも 250成功せいこうりつは51%である。

ラウンドすうらした暗号あんごう(DESの16ラウンドをらしたもの)への攻撃こうげきほう提案ていあんされている。そのような研究けんきゅうによってラウンドすうがどれだけあれば安全あんぜんかという考察こうさつおこなわれている。また、16ラウンドのDESにどれだけ安全あんぜんマージンがあるかも研究けんきゅうされてきた。1994ねんにはラングフォードとヘルマンが差分さぶん解読かいどくほう線形せんけい解読かいどくほうわせた差分さぶん線形せんけい解読かいどくほう提案ていあんした。改良かいりょうばん解読かいどくほうでは、9ラウンドのDESを 215.8既知きち平文へいぶん使つかって 229.2時間じかん計算けいさんりょうやぶることができる (Biham et al., 2002)。

その暗号あんごう解読かいどくじょう特性とくせい

編集へんしゅう

DESには相補そうほせいがある。すなわちつぎつ。

Ek(P) = C ⇔ EK(P) = C

ここで    のビットごと反転はんてんである。 かぎ  使つかった暗号あんごう意味いみする。 平文へいぶん 暗号あんごうブロックれつである。相補そうほせいがあるということは、そうあた攻撃こうげき必要ひつよう試行しこう回数かいすうは2ぶんの1でむことを意味いみする。

DESには4つのいわゆる「よわかぎ」がある。暗号あんごう (E) と復号ふくごう (D) でよわかぎ使つかうと、どちらもおな効果こうかがある。

  または  

また、6くみの「ややよわかぎ」もある。よわかぎの1つ  使つかった暗号あんごうは、ペアのもう一方いっぽう 使つかった復号ふくごう等価とうかである。

  または  

よわかぎやややよわかぎ実装じっそう使つかわないようにするのは容易よういである。もともと作為さくいかぎえらんでも、それらをえらかくりつきわめてひくい。それらのかぎ理論りろんじょうかぎよりよわいわけではなく、攻撃こうげきさいしてもとく利用りようできるわけでもない。

DESはぐんにならないことが証明しょうめいされている。つまり、集合しゅうごう  かぎ   がとりうるすべての集合しゅうごう)は関数かんすう合成ごうせいにおいてぐんではないし、1つのぐんじていない (Campbell and Wiener, 1992)。これがもしぐんであるならば、DESは容易よういやぶることができ、トリプルDESにしても安全あんぜんせい向上こうじょうしなかったとされている。

DESの暗号あんごうがくてき安全あんぜんせい最大さいだいでもやく64ビットである。たとえば、個々ここのラウンドかぎもとの1つのかぎから生成せいせいせずそれぞれ独立どくりつ供給きょうきゅうすれば、安全あんぜんせいは768ビットになりそうなものだが、この限界げんかいによりそうならないことがられている。

関連かんれん項目こうもく

編集へんしゅう

脚注きゃくちゅう出典しゅってん

編集へんしゅう
  1. ^ Walter Tuchman (1997). "A brief history of the data encryption standard". Internet besieged:countering cyberspace scofflaws. ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co. New York, NY, USA. pp. 275–280.
  2. ^ RSA Laboratories. “Has DES been broken?”. 2009ねん5がつ27にち閲覧えつらん
  3. ^ Schneier. Applied Cryptography (2nd ed.). p. 280 
  4. ^ Davies, D.W.; W.L. Price (1989). Security for computer networks, 2nd ed.. John Wiley & Sons 
  5. ^ Robert Sugarman (editor) (July 1979). “On foiling computer crime”. IEEE Spectrum (IEEE). 
  6. ^ P. Kinnucan (October 1978). “Data Encryption Gurus:Tuchman and Meyer”. Cryptologia 2 (4): 371. doi:10.1080/0161-117891853270. 
  7. ^ Thomas R. Johnson. “American Cryptology during the Cold War, 1945-1989.Book III:Retrenchment and Reform, 1972-1980”. United States Cryptologic History 5 (3). 
  8. ^ Konheim. Computer Security and Cryptography. p. 301 
  9. ^ a b Levy, Crypto, p. 55
  10. ^ a b NIST Special Publication 800-67 Recommendation for the Triple Data Encryption Algorithm (TDEA) Block Cipher, Version 1.1” (PDF) (English). National Institute of Standards and Technology. p. 6. 2016ねん10がつ9にち閲覧えつらん
  11. ^ American National Standards Institute, ANSI X3.92-1981 American National Standard, Data Encryption Algorithm
  12. ^ ISO/IEC 18033-3:2005 Information technology — Security techniques — Encryption algorithms — Part 3:Block ciphers”. Iso.org (2008ねん10がつ15にち). 2009ねん6がつ2にち閲覧えつらん
  13. ^ Bruce Schneier, Applied Cryptography, Protocols, Algorithms, and Source Code in C, Second edition, John Wiley and Sons, New York (1996) p. 267
  14. ^ William E. Burr, "Data Encryption Standard", in NIST's anthology "A Century of Excellence in Measurements, Standards, and Technology:A Chronicle of Selected NBS/NIST Publications, 1901–2000. HTML PDF
  15. ^ FR Doc 04-16894”. Edocket.access.gpo.gov. 2009ねん6がつ2にち閲覧えつらん
  16. ^ Federal Register vol 70, number 96” (PDF) (English). Office of the Federal Register, National Archives and Records Administration (2005ねん5がつ19にち). 2016ねん10がつ9にち閲覧えつらん
  17. ^ S. Kumar, C. Paar, J. Pelzl, G. Pfeiffer, A. Rupp, M. Schimmler, "How to Break DES for Euro 8,980". 2nd Workshop on Special-purpose Hardware for Attacking Cryptographic Systems — SHARCS 2006, Cologne, Germany, April 3-4, 2006.
  18. ^ FIPS 81 - Des Modes of Operation”. Itl.nist.gov. 2016ねん10がつ9にち閲覧えつらん
  19. ^ FIPS 74 - Guidelines for Implementing and Using the NBS Data”. Itl.nist.gov. 2014ねん1がつ3にち時点じてんオリジナルよりアーカイブ。2016ねん10がつ9にち閲覧えつらん
  20. ^ Stallings, W. Cryptography and network security:principles and practice. Prentice Hall, 2006. p. 73
  21. ^ US GOVERNMENT'S ENCRYPTION STANDARD BROKEN IN LESS THAN A DAY” (PDF) (English). distributed.net (1999ねん1がつ19にち). 2016ねん10がつ9にち閲覧えつらん

参考さんこう文献ぶんけん

編集へんしゅう

外部がいぶリンク

編集へんしゅう