Уровень алгоритма

Метод встречи посередине

Материал из Алговики
Перейти к: навигация, поиск

Автор описания (разделы 1, 2.4, 2.7): А.В.Батарина



Метод встречи посередине
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]O(\sqrt n\log(n))[/math]
Объём входных данных [math]O(\log(n))[/math]
Объём выходных данных [math]\log(n)[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы [math]O(1)[/math]
Ширина ярусно-параллельной формы [math]O(n)[/math]


1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Криптоанализом назвают науку восстановления (дешифрования) открытого (нешифрованного) текста без доступа к ключу. Попытка криптоанализа называется "атакой".

Метод "Встреча посередине" криптоанализа блочных шифров был впервые предложен в 1977 году Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом [1]. Встреча посередине используется для ускорения перебора ключей шифра за счёт увеличения требуемой памяти. Метод применим в случае каскадного построения сложного шифра из нескольких простых, другими словами, в случае последовательного применения шифрующих преобразований на разных ключах к блокам открытого текста.

В качестве примера шифра, поддающегося атаке "встреча посередине" можно привести криптоалгоритм 2DES, являющийся модификацией шифра DES. В 2DES открытый текст шифруется дважды алгоритмом DES на двух разных 56-битных ключах. Однако из-за атаки "встреча посередине" сложность перебора двойного ключа (112 бит) шифра 2DES составляет [math]2^{57}[/math] вместо ожидаемых [math]2^{112}[/math].

1.2 Математическое описание алгоритма

Исходные данные: открытый текст [math]x[/math], шифртекст [math]y[/math].

Алгоритм зашифрования — композиция двух преобразований: [math]T_1(x,k_1)[/math] и [math]T_2(x,k_2)[/math], т.е. [math]y=T_2(T_1(x,k_1),k_2)[/math].

Алгоритм расшифрования: [math]y=T_1^{-1}(T_2^{-1}(x,k_2),k_1)[/math].

Вычисляемые данные: ключи шифрования [math]k_1 \in K_1[/math], [math]k_2 \in K_2[/math], где [math]K_1, K_2[/math] — множества возможных ключей.

Трудоёмкость полного перебора всех возможных пар [math]k_1,k_2[/math] составляет в среднем [math]|K_1||K_2|/2[/math], а в худшем случае [math]|K_1||K_2|[/math]. Однако используя дополнительную память, можно сократить перебор.

Предположим, что открытый текст [math]x[/math] и шифртекст [math]y[/math] однозначно определяют ключи [math]k_1,k_2[/math]. Составим две таблицы:

[math] \begin{align} z_1 & =T_1(x,k_1^1) & z_1^′ &=T_2^{-1}(x,k_2^1)\\ z_2 & =T_1(x,k_1^2) & z_2^′ & =T_2^{-1}(x,k_2^2)\\ & ......... & & ......... \\ z_{|K_1|} & =T_1(x,k_1^{|K_1|}) & z_{|K_1|}^′ & =T_2^{-1}(x,k_2^{|K_1|}) \end{align} [/math]

Для всех [math]k_1^i \in K_1[/math], [math]k_2^j \in K_2[/math]. Далее таблицы объединяются и сортируются по значениям [math]z_i,z_j^′[/math]. Индексы [math]i,j[/math], при которых [math]z_i=z_j^′[/math], однозначно определяют искомую пару ключей [math]k_1=k_1^i,k_2=k_2^j[/math]. Для нахождения такой пары достаточно просмотреть отсортированную таблицу один раз.

Если же пара открытый текст/шифртекст определяет ключ не единственном образом, то выходом алгоритма будет некоторое множество пар [math]k_1,k_2[/math], одна из которых является истинным ключом. Для выбора истинного ключа достаточно проверить ключи из полученного множества на других парах открытый текст/шифртекст.

1.2.1 Оптимизации

1. От генерации второй таблицы со значениями [math]z_j^′[/math] можно отказаться, перебирая ключи [math]k_2^j[/math] до того момента, когда значение [math]z_j^′[/math] совпадёт с одним из значений [math]z_i[/math]. В таком случае опробование ключей [math]k_2^j[/math] в среднем сократится вдвое. Также вдвое сократится объём используемой памяти. Для нахождения совпадающего значения в отсортированном массиве можно применить бинарный поиск.

2. Вместо сортировки таблицы со значениями [math]z_i[/math] и последующего бинарного поиска можно использовать хэш-таблицу.

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

В случае использования хэш-таблицы достаточно большого размера основную сложность алгоритма составляет опробование ключей [math]k_1,k_2[/math]. Одним из самых трудоёмких шагов также оказывается сортировка таблицы.

1.4 Макроструктура алгоритма

Как видно из описания, атака "встреча посередине" использует (или может использовать в качестве оптимизации) следующие алгоритмы:

1. Алгоритм зашифрования/расшифрования

2. Алгоритм сортировки

3. Алгоритмы поиска, вставки в хэш-таблицу

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

Далее приводится последовательность действий для варианта алгоритма с генерацией одной таблицы значений [math]z_i[/math].

1. Вычислить таблицу [math]z_i[/math], записывая значения в порядке вычисления или используя хэш-таблицу

2. В случае записи значений в порядке вычисления отсортировать массив

3. Опробовать ключи [math]k_2^j[/math], выполняя поиск совпадения с таблицей значений [math]z_j^′[/math]. Для нахождения совпадения использовать поиск по хэш-таблице (если она есть) или бинарный поиск

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Всюду далее считаем, что алгоритм не прекращает работу при нахождении первого совпадения, а ищет все совпадения.

1. Сложность вычисления таблиц значений [math]z_i,z_j^′[/math] составит [math]O(|K_1|+|K_2|)[/math] операций опробования

2. Объединение таблиц и их сортировка будет иметь сложность [math]O((|K_1|+|K_2|)\log(|K_1|+|K_2|))[/math] (например, при сортировке слиянием).

3. Сложность бинарного поиска в отсортированном массиве — [math]O(\log_2(|K_1|))[/math] для каждого поиска

4. Сложность поиска в достаточно большой хэш-таблице составит [math]O(1)[/math] для каждого поиска

Итого: асимптотическая сложность алгоритма:

1. С генерацией двух таблиц — [math]O(|K_1|+|K_2|) + O((|K_1|+|K_2|)\log(|K_1|+|K_2|)) + O(|K_1|+|K_2|)=O((|K_1|+|K_2|)\log(|K_1|+|K_2|))[/math]

2. C генерацией одной таблицы, сортировкой и бинарным поиском — [math]O(|K_1|) + O((|K_1|)\log(|K_1|)) + O(|K_2|\log_2(|K_1|))=O(\max(|K_1|,|K_2|)\log(|K_1|))[/math]

3. C генерацией одной (достаточно большой) хэш-таблицы — [math]O(|K_1|) + O(|K_2|)=O(|K_1|+|K_2|)[/math]

Пусть [math]n[/math] - количество всевозможных пар [math]k_1,k_2[/math] и пусть [math]|K_1|=|K_2|[/math]. В этом случае [math]|K_1|=|K_2|=\sqrt n[/math].

Тогда сложность алгоритма в первых двух пунктах составляет [math]O(\sqrt n\log(n))[/math], в третьем — [math]O(\sqrt n)[/math].

1.7 Информационный граф

Опишем информационный граф алгоритма. На вход подаётся открытый (Open) и закрытый (Close), т.е. зашифрованный, текст. Далее открытый текст шифруется (Enc) на ключах [math]k_1^i[/math], а зашифрованный расшифровывается (Dec) на ключах [math]k_2^j[/math]. Далее полученные криптограммы сравниваются (Cmp) и все ключи, на которых они совпали, являются выходом алгоритма.

Рисунок 1. Граф алгоритма c отображением входных и выходных данных. Open — открытый текст, Close — шифртекст, Enc — операция зашифрования, Dec — операция расшифрования, Cmp — операция сравнения, Keys — вычисленные ключи

1.8 Ресурс параллелизма алгоритма

Как видно из информационного графа, для реализации атаки "встреча посередине" в параллельном варианте потребуются выполнение следующих двух ярусов (в предположении, что [math]|K_1|=|K_2|[/math]):

1. [math]\sqrt n[/math] зашифрований и столько же расшифрований

2. [math]n[/math] сравнений

Таким образом, высота ЯПФ составляет 2, ширина - [math]n[/math].

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

Вход: На вход подаётся открытый текст [math]x[/math] и шифртекст [math]y[/math], а также алгоритм зашифрования/расшифрования. В случае блочного шифра открытым текстом и шифртекстом является последовательность блоков. Для атаки "встреча посередине", как правило, берётся один блок для максимального ускорения операций зашифрования и расшифрования.

Выход: Результатом работы алгоритма является множество пар [math]k_1^i,k_2^j[/math], для которых нашлись совпадения. Только одна из пар является настоящим ключом. Чтобы отсеять лишние, необходимо проверить все пары на блоках открытого и шифрованного текста, которые в алгоритме не использовались.

1.10 Свойства алгоритма

Соотношением последовательной и параллельной сложности алгоритма является [math]O(\sqrt n\log(n))[/math].

Будем считать, что размер входных данных (открытый текст и шифртекст) совпадает с размером ключа (на практике это сравнимые величины), а сортировка слиянием делит массивы пополам. Тогда вычислительная мощность алгоритма — [math]O(\sqrt n)[/math].

Дуги информационного графа, исходящие из вершин зашифрования и расшифрования, образуют пучки мощности [math]\sqrt n[/math], т.е. из каждой такой вершины выходит [math]\sqrt n[/math] дуг. Длинных дуг в алгоритме нет. В случае поиска всех пар ключей с совпадающими криптограммами алгоритм полностью детерминирован.

2 Программная реализация алгоритма

2.1 Особенности реализации последовательного алгоритма

2.2 Локальность данных и вычислений

2.3 Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

2.4 Масштабируемость алгоритма и его реализации

Исследование масштабируемости реализации алгоритма проводилось на суперкомпьютере "Ломоносов"[2] Суперкомпьютерного комплекса Московского университета. Изменяемые параметры запуска:

  • Размер ключа – от 8 до 20 бит с шагом 1
  • Число ядер – от 1 до 8 (значения являются степенью числа 2)

Ниже представлен график зависимости производительности от числа ядер и размера ключа (размер задачи – экспоненциальная функция от размера ключа). Для измерения производительности в качестве базовой операции используется операция опробования ключа и время в секундах. Количество арифметических операций, содержащихся в операции опробования, может быть разным в зависимости от используемого алгоритма шифрования.

Рисунок 2. Масштабируемость реализации алгоритма

Как видно из графика, производительность почти не изменяется в зависимости от размера задачи и возрастает в зависимости от числа ядер. Росту производительности способствует то, что алгоритм содержит большое количество независимых операций опробования ключа, синхронизация между параллельно выполняющимися опробованиями не требуется.

Исследованная параллельная реализация на языке C

2.5 Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

2.6 Выводы для классов архитектур

2.7 Существующие реализации алгоритма

Одна из реализаций атаки "встреча посередине" с использованием хэш-таблицы представлена в свободном доступе по ссылке github

В свободном доступе существуют коды для метода "встречи посередине" с использованием шифрования Blowfish и хэш-таблиц на C, а также с использованием шифрования 2DES на питоне.

3 Литература

  1. Diffie Whitfield, Hellman Martin E. Exhaustive Cryptanalysis of the NBS Data Encryption Standard. - Journal Computer vol.10 pp.74–84 - June 1977
  2. Воеводин Вл., Жуматий С., Соболев С., Антонов А., Брызгалов П., Никитенко Д., Стефанов К., Воеводин Вад. Практика суперкомпьютера «Ломоносов» // Открытые системы, 2012, N 7, С. 36-39.