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- mémoire
- mélange de oux, d'addition et de soustraction
- cast
- classe d'algorithmes de chiffrement
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- opération oux au bit
- description de l'algorithme de chifffrement et de programmation des clés
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- algorithmes
RFC2144
Groupe de travail Réseau Request for Comments : 2144 Catégorie : Information
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Adams
C. Adams, Entrust Technologies mai 1997 Traduction Claude Brière de L'Isle
Algorithme de chiffrement CAST-128
Statut de ce mémoire Le présent mémoire apporte des informations pour la communauté de l'Internet. Le présent mémoire ne spécifie aucune sorte de norme de l'Internet. La distribution du présent mémoire n'est soumise à aucune restriction.
Résumé Il existe dans la communauté de l'Internet le besoin d'un algorithme de chiffrement qui ne s'encombre pas d'une gamme de tailles de clés et qui puisse fournir la sécurité à diverses applications et protocoles de chiffrement.
Le présent document décrit un algorithme existant qui peut être utilisé pour satisfaire cette exigence. Il comporte une description de l'algorithme de chifffrement et de programmation des clés (Section 2) les s-boxes (Appendice A), et un ensemble de vecteurs d'essai (Appendice B).
Table des matières
1. Introduction............................................................................................................................................................................1 2. Description de l'algorithme....................................................................................................................................................1 2.1 Paires de clés de tour......................................................................................................................................................2 2.2 Tours non identiques......................................................................................................................................................2 2.3 Boîtes de substitution......................................................................................................................................................2 2.4 Programmation de clé.....................................................................................................................................................2 2.5 Taille de clé variable.......................................................................................................................................................4 2.6 Identifiants d'objet CAST5.............................................................................................................................................4 2.7 Discussion.......................................................................................................................................................................5 3. Considérations de propriéte intellectuelle..............................................................................................................................5 4. Considérations pour la sécurité..............................................................................................................................................5 5. Références..............................................................................................................................................................................5 6. Adresse de l'auteur.................................................................................................................................................................6 Appendice A S-Boxes................................................................................................................................................................6 Appendice B. Vecteurs d'essai...................................................................................................................................................9 B.1 Ensemble uniques de texte en clair – clé - texte chiffré.................................................................................................9 B.2 Essai complet de maintenance.......................................................................................................................................9
1.
Introduction
Le présent document décrit l'algorithme de chiffrement CAST-128, un système de chiffrement de style DES à substitution/permutation de réseau (SPN,Substitution-Permutation Network) qui paraît avoir une bonne résistance à la cryptanalyse différentielle, à la cryptanalyse linéaire, et à la cryptanalyse de relations de clés. Ce chiffrement possède aussi un certain nombre d'autres propriétés cryptographiques désirables, y compris les propriétés d'avalanche, de critère strict d'avalanche (SAC,Strict Avalanche Criterion), de critère d'indépendance de bit (BIC,Bit Independence Criterion), de non complémentarité, et une absence de clés faibles et semi faibles. Il paraît donc être un bon candidat pour une utilisation tout venant dans la communauté de l'Internet chaque fois qu'est exigé un algorithme de chiffrement cryptographiquement fort, librement disponible.
Le document de référence [Adams] expose la procédure du concept de CAST plus en détails ; des analyses peuvent aussi être obtenues en ligne (voir, par exemple, les références [Web1] ou [Web2]).
2.
Description de l'algorithme
CAST-128 appartient à la classe d'algorithmes de chiffrement connus sous le nom de chiffrements de Feistel ; son
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Adams
fonctionnempent global est donc similaire à celui de la norme de chiffrement des données (DES,Data Encryption Standard). L'algorithme de chiffrement complet est donné dans les quatre étapes suivantes.
ENTRÉE : texte en clair m1...m64 ; clé K = k1...k128. SORTIE : texte chiffré c1...c64.
1. 2.
3.
4.
(programmation de clé) Calculer 16 paires de sous-clés {Kmi, Kri} à partir de K (voir les paragraphes 2.1 et 2.4). (L0,R0) <-- (m1...m64). (partage le texte en clair en moitié gauche et droite de 32 bits L0 = m1...m32 et R0 = m33...m64.) (16 tours) pour i de 1 à 16, calculer Li et Ri comme suit : Li = Ri-1 ; Ri = Li-1 ^ f(Ri-1,Kmi,Kri) u* f est défini au paragraphe 2.2 (f est de Type 1, Type 2, ou Type 3, selon i). c1...c64 <-- (R16,L16). (Échanger les blocs L16, R16 et enchaîner pour former le texte chiffré.)
L'algorithme de déchiffrement est identique à celui du chiffrement donné ci-dessus, excepté que les tours (et donc les paires de sous-clés) sont utilisées dans l'ordre inverse pour calculer (L0,R0) à partir de (R16,L16).
Voir à l'Appendice B les vecteurs d'essai qui peuvent être utilisés pour vérifier la justesse d'une mise en œuvre de cet algorithme.
2.1
Paires de clés de tour
CAST-128 utilise une paire de sous-clés par tour : une quantité Km de 32 bits est utilisée comme clé de "masquage" et une quantité Kr de 5 bits est utilisée comme clé de "rotation".
2.2
Tours non identiques
Trois fonctions de tour différentes sont utilisés dans CAST-128. Les tours sont comme suit (avec "D" qui est l'entrée de données dans la fonction f et "Ia" - "Id" qui sont respectivement des octets de poids fort aux octets de moindre poids de I). Noter que "+" et "-" sont l'addition et la soustraction modulo 2**32, "^" est l'opération OUX au bit près, et "<<<" est l'opération décalage circulaire à gauche. Type 1 : I = ((Kmi + D) <<< Kri) f = ((S1[Ia] ^ S2[Ib]) - S3[Ic]) + S4[Id] Type 2 : I = ((Kmi ^ D) <<< Kri) f = ((S1[Ia] - S2[Ib]) + S3[Ic]) ^ S4[Id] Type 3 : I = ((Kmi - D) <<< Kri) f = ((S1[Ia] + S2[Ib]) ^ S3[Ic]) - S4[Id] Les tours 1, 4, 7, 10, 13, et 16 utilisent la fonction f de type 1. Les tours 2, 5, 8, 11, et 14 utilisent la fonction f de type 2. Les tours 3, 6, 9, 12, et 15 utilisent la fonction f de type 3.
2.3
Boîtes de substitution
CAST-128 utilise huit boîtes de substitution : les s-boxes S1, S2, S3, et S4 sont les s-boxes de fonction circulaire ; S5, S6, S7, et S8 sont les s-boxes de programmation de clé. Bien que 8 s-boxes exige un total de 8 koctets de mémoire, noter que seuls 4 koctets sont requis durant le chiffrement / déchiffrement réel car la génération des sous-clés est normalement faite avant toute entrée de données. Voir à l'Appendice A le contenu des s-boxes S1 à S8.
2.4
Programmation de clé
Disons que la clé de 128 bits est x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF, où x0 représente l'octet de poids fort et xF représente l'octet de moindre poids.
Soient z0...zF les octets intermédiaires (temporaires).
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Soit Si[] qui représente la s-box i et soit "^" qui représente l'addition OUX.
Les sous-clés sont formées comme suit à partir de la clé x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF :
z0z1z2z3 z4z5z6z7 z8z9zAzB zCzDzEzF K1 K2 K3 K4 x0x1x2x3 x4x5x6x7 x8x9xAxB xCxDxExF K5 K6 K7 K8 z0z1z2z3 z4z5z6z7 z8z9zAzB zCzDzEzF K9 K10 K11 K12 x0x1x2x3 x4x5x6x7 x8x9xAxB xCxDxExF K13 K14 K15 K16
= x0x1x2x3 ^ S5[xD] ^ S6[xF] ^ S7[xC] ^ S8[xE] ^ S7[x8] = x8x9xAxB ^ S5[z0] ^ S6[z2] ^ S7[z1] ^ S8[z3] ^ S8[xA] = xCxDxExF ^ S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S5[x9] = x4x5x6x7 ^ S5[zA] ^ S6[z9] ^ S7[zB] ^ S8[z8] ^ S6[xB] = S5[z8] ^ S6[z9] ^ S7[z7] ^ S8[z6] ^ S5[z2] = S5[zA] ^ S6[zB] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S6[z6] = S5[zC] ^ S6[zD] ^ S7[z3] ^ S8[z2] ^ S7[z9] = S5[zE] ^ S6[zF] ^ S7[z1] ^ S8[z0] ^ S8[zC] = z8z9zAzB ^ S5[z5] ^ S6[z7] ^ S7[z4] ^ S8[z6] ^ S7[z0] = z0z1z2z3 ^ S5[x0] ^ S6[x2] ^ S7[x1] ^ S8[x3] ^ S8[z2] = z4z5z6z7 ^ S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S5[z1] = zCzDzEzF ^ S5[xA] ^ S6[x9] ^ S7[xB] ^ S8[x8] ^ S6[z3] = S5[x3] ^ S6[x2] ^ S7[xC] ^ S8[xD] ^ S5[x8] = S5[x1] ^ S6[x0] ^ S7[xE] ^ S8[xF] ^ S6[xD] = S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x8] ^ S8[x9] ^ S7[x3] = S5[x5] ^ S6[x4] ^ S7[xA] ^ S8[xB] ^ S8[x7] = x0x1x2x3 ^ S5[xD] ^ S6[xF] ^ S7[xC] ^ S8[xE] ^ S7[x8] = x8x9xAxB ^ S5[z0] ^ S6[z2] ^ S7[z1] ^ S8[z3] ^ S8[xA] = xCxDxExF ^ S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S5[x9] = x4x5x6x7 ^ S5[zA] ^ S6[z9] ^ S7[zB] ^ S8[z8] ^ S6[xB] = S5[z3] ^ S6[z2] ^ S7[zC] ^ S8[zD] ^ S5[z9] = S5[z1] ^ S6[z0] ^ S7[zE] ^ S8[zF] ^ S6[zC] = S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z8] ^ S8[z9] ^ S7[z2] = S5[z5] ^ S6[z4] ^ S7[zA] ^ S8[zB] ^ S8[z6] = z8z9zAzB ^ S5[z5] ^ S6[z7] ^ S7[z4] ^ S8[z6] ^ S7[z0] = z0z1z2z3 ^ S5[x0] ^ S6[x2] ^ S7[x1] ^ S8[x3] ^ S8[z2] = z4z5z6z7 ^ S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S5[z1] = zCzDzEzF ^ S5[xA] ^ S6[x9] ^ S7[xB] ^ S8[x8] ^ S6[z3] = S5[x8] ^ S6[x9] ^ S7[x7] ^ S8[x6] ^ S5[x3] = S5[xA] ^ S6[xB] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S6[x7] = S5[xC] ^ S6[xD] ^ S7[x3] ^ S8[x2] ^ S7[x8] = S5[xE] ^ S6[xF] ^ S7[x1] ^ S8[x0] ^ S8[xD]
Adams
[La moitié restante est identique à ce qui est donné ci-dessus, portant des x0...xF créées en dernier pour générer les clés de K17 à K32.]
z0z1z2z3 z4z5z6z7 z8z9zAzB zCzDzEzF K17 K18 K19 K20 x0x1x2x3 x4x5x6x7 x8x9xAxB xCxDxExF K21 K22 K23 z0z1z2z3 z4z5z6z7 z8z9zAzB zCzDzEzF K25 K26 K27 K28
= x0x1x2x3 ^ S5[xD] ^ S6[xF] ^ S7[xC] ^ S8[xE] ^ S7[x8] = x8x9xAxB ^ S5[z0] ^ S6[z2] ^ S7[z1] ^ S8[z3] ^ S8[xA] = xCxDxExF ^ S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S5[x9] = x4x5x6x7 ^ S5[zA] ^ S6[z9] ^ S7[zB] ^ S8[z8] ^ S6[xB] = S5[z8] ^ S6[z9] ^ S7[z7] ^ S8[z6] ^ S5[z2] = S5[zA] ^ S6[zB] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S6[z6] = S5[zC] ^ S6[zD] ^ S7[z3] ^ S8[z2] ^ S7[z9] = S5[zE] ^ S6[zF] ^ S7[z1] ^ S8[z0] ^ S8[zC] = z8z9zAzB ^ S5[z5] ^ S6[z7] ^ S7[z4] ^ S8[z6] ^ S7[z0] = z0z1z2z3 ^ S5[x0] ^ S6[x2] ^ S7[x1] ^ S8[x3] ^ S8[z2] = z4z5z6z7 ^ S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S5[z1] = zCzDzEzF ^ S5[xA] ^ S6[x9] ^ S7[xB] ^ S8[x8] ^ S6[z3] = S5[x3] ^ S6[x2] ^ S7[xC] ^ S8[xD] ^ S5[x8] = S5[x1] ^ S6[x0] ^ S7[xE] ^ S8[xF] ^ S6[xD] = S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x8] ^ S8[x9] ^ S7[x3]K24 = S5[x5] ^ S6[x4] ^ S7[xA] ^ S8[xB] ^ S8[x7] = x0x1x2x3 ^ S5[xD] ^ S6[xF] ^ S7[xC] ^ S8[xE] ^ S7[x8] = x8x9xAxB ^ S5[z0] ^ S6[z2] ^ S7[z1] ^ S8[z3] ^ S8[xA] = xCxDxExF ^ S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z5] ^ S8[z4] ^ S5[x9] = x4x5x6x7 ^ S5[zA] ^ S6[z9] ^ S7[zB] ^ S8[z8] ^ S6[xB] = S5[z3] ^ S6[z2] ^ S7[zC] ^ S8[zD] ^ S5[z9] = S5[z1] ^ S6[z0] ^ S7[zE] ^ S8[zF] ^ S6[zC] = S5[z7] ^ S6[z6] ^ S7[z8] ^ S8[z9] ^ S7[z2] = S5[z5] ^ S6[z4] ^ S7[zA] ^ S8[zB] ^ S8[z6]
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x0x1x2x3 x4x5x6x7 x8x9xAxB xCxDxExF K29 K30 K31 K32
2.4.1
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= z8z9zAzB ^ S5[z5] ^ S6[z7] ^ S7[z4] ^ S8[z6] ^ S7[z0] = z0z1z2z3 ^ S5[x0] ^ S6[x2] ^ S7[x1] ^ S8[x3] ^ S8[z2] = z4z5z6z7 ^ S5[x7] ^ S6[x6] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S5[z1] = zCzDzEzF ^ S5[xA] ^ S6[x9] ^ S7[xB] ^ S8[x8] ^ S6[z3] = S5[x8] ^ S6[x9] ^ S7[x7] ^ S8[x6] ^ S5[x3] = S5[xA] ^ S6[xB] ^ S7[x5] ^ S8[x4] ^ S6[x7] = S5[xC] ^ S6[xD] ^ S7[x3] ^ S8[x2] ^ S7[x8] = S5[xE] ^ S6[xF] ^ S7[x1] ^ S8[x0] ^ S8[xD]
Sous-clés de masquage et sous-clés de rotation
Adams
Soient Km1 à Km16 les clés de masquage de 32 bits (une par tour). Soient Kr1 à Kr16 les clés de rotation de 32 bits (une par tour) ; seuls les 5 bits de moindre poids sont utilisés à chaque tour :
2.5
pour (i=1; i ≤ 16 ; i++) { Kmi = Ki; Kri = K16+i; }
Taille de clé variable
L'algorithme de chiffrement CAST-128 a été conçu pour permettre une taille de clé qui puisse varier de 40 bits à 128 bits, en incréments de 8 bits (c'est-à-dire que les tailles de clé admissibles sont 40, 48, 56, 64, ..., 112, 120, et 128 bits. Pour le fonctionnement de la taille de clé variable, la spécification est la suivante :
1) Pour les tailles de clé jusque et y compris 80 bits (c'est-à-dire, 40, 48, 56, 64, 72, et 80 bits) l'algorithme est exactement comme spécifié mais utilise 12 tours au lieu de 16 ;
2) Pour les tailles de clé supérieures à 80 bits, l'algorithme utilise tous les 16 tours ;
3) Pour les tailles de clés de moins de 128 bits, la clé est bourrée avec des octets à zéro (dans les positions les plus à droite, ou de moindre poids) jusqu'à 128 bits (car la programmation de clé CAST-128 suppose une clé d'entrée de 128 bits).
Noter que bien que CAST-128 puisse prendre en charge toutes les douze tailles de clé énumérées ci-dessus, 40 bits, 64 bits, 80 bits, et 128 bits sont les tailles qui trouvent leur utilisté dans les environnements normaux. Donc, cela sera vraisemblablement suffisant pour que la plupart des mises en œuvre prennent en charge un sous ensemble de ces seules quatre tailles.
Afin d'éviter toute confusion lorsque est utilisé un fonctionnement en taille de clé variable, le nom CAST-128 est à considérer comme synonyme du nom CAST5 ; cela permet d'ajouter une taille de clé sans ambiguïté. Donc, par exemple, CAST-128 avec une clé de 40 bits sera désigné comme CAST5-40 ; lorsque on vise explicitement une taille de clé de 128 bits, on devrait utiliser le nom CAST5-128.
2.6
Identifiants d'objet CAST5
Pour ceux qui pourraient utiliser CAST dans des négociations d'algorithme au sein d'un protocole, ou dans tout autre contexte qui peut exiger l'utilisation d'un identifiant d'objet (OID,Object Identifer) les OID suivants ont été définis.
algorithmesd'IDENTIFIANT D'OBJET ::= { iso(1) memberBody(2) usa(840) nt(113533) nsn(7) algorithms(66) }
IDENTIFIANT D'OBJET cast5CBC ::= { algorithmes cast5CBC(10) }
Paramètres ::= SEQUENCE { iv CHAINE D'OCTETS DEFAUT 0, keyLength ENTIER }
-- Vecteur d'initialisation -- Longueur de clé, en bits
Note : Le iv est facultatif et par défaut se met tout à zéro. Du côté du codage, si un iv tout à zéro est utilisé, il devrait alors être absent des paramètres. Du côté décodage, un iv absent devrait être interprété comme signifiant tout à zéro.
Voici le chiffrement et déchiffrement en mode CBC utilisant l'algorithme de chiffrement à bloc symétrique.
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IDENTIFIANT D'OBJET cast5MAC ::= { algorithmes cast5MAC(11) }
Paramètres ::= SEQUENCE { macLength ENTIER, keyLength ENTIER }
-- Longueur de MAC, en bits -- Longueur de clé, en bits
C'est une authentification de message qui utilise l'algorithme de chiffrement de bloc symétrique CAST-128.
IDENTIFIANT D'OBJET pbeWithMD5AndCast5CBC ::= { algorithmes pbeWithMD5AndCAST5-CBC(12) }
Paramètres ::= SEQUENCE { salt CHAINE D'OCTETS, iterationCount ENTIER, keyLength ENTIER }
-- Nombre total d'itérations de hachage -- Longueur de clé, en bits
Note : Le IV est déduit de la procédure de hachage et n'a donc pas besoin d'être inclus dans les paramètres.
Adams
C'est un chiffrement et déchiffrement fondé sur le mot de passe en mode CBC qui utilise MD5 et le chiffrement de bloc symérique CAST-128. Voir dans PKCS n° 5 (qui utilise le chiffrement DES) les détails du calcul de PBE.
2.7
Discussion
CAST-128 est un chiffrement de Feistel à 12 ou 16 tours qui a une taille de bloc de 64 bits et une taille de clé allant jusqu'à 128 bits ; il utilise la rotation pour assurer une immunité intrinsèque aux attaques linéaires et différencielles ; il utilise un mélange de OUX, d'addition et de soustraction (modulo 2**32) dans la fonction circulaire, et il utilise trois variations de la fonction circulaire elle-même dans le chiffrement. Finalement, les s-boxes 8x32 utilisées dans la fonction circulaire ont chacune une non linéarité minimum de 74 et une entrée maximum de 2 dans le tableau de distribution de différence.
Ce chiffrement montre une force cryptographique en accord avec sa taille de clé (128 bits) et a de très bonnes performances de chiffrement/déchiffrement : 3,3 Moctets/s sur un processeur pentium à 150 MHz.
3.
Considérations de propriéte intellectuelle
Le chiffrement CAST-128 décrit dans le présent document est disponible dans le monde entier sans redevance pour les utilisations commerciales et non commerciales.
4.
Considérations pour la sécurité
La totalité du présent mémoire est consacrée à la sécurité car il décrit un algorithme qui est spécifiquement destiné aux besoins de chiffrement.
5.
[Adams]
[Web1]
[Web2]
Références
Adams, C., "Constructing Symmetric Ciphers using the CAST Design Procedure", Designs, Codes, and Cryptography (à paraître).
"Constructing Symmetric Ciphers using the CAST Design Procedure" (identique à [Adams] mais disponible en ligne) et "CAST Design Procedure Addendum",http://www.entrust.com/library.htm.
"CAST Encryption Algorithm Related Publications",http://adonis.ee.queensu.ca:8000/cast/cast.html.
RFC2144
6.
Adresse de l'auteur
Carlisle Adams Entrust Technologies 750 Heron Road, Ottawa, Canada, K1V 1A7 USA mél : cadams@entrust.com téléphone : +1.613.763.9008
Appendice A
S-Boxes
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Adams
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RFC2144
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RFC2144
page - 9 -
Adams
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Appendice B. Vecteurs d'essai
Cet appendice donne les vecteurs d'essai pour le chiffrement CAST-128 décrit dans le présent document.
B.1
Ensemble uniques de texte en clair – clé - texte chiffré
Afin de s'assurer que l'algorithme est correctement mis en œuvre, les vecteurs d'essai suivants peuvent être utilisés aux fins de vérification (les valeurs sont données en notation hexadécimale). clé de 128 bits = 01 23 45 67 12 34 56 78 23 45 67 89 34 56 78 9A texte en clair = 01 23 45 67 89 AB CD EF texte chiffré = 23 8B 4F E5 84 7E 44 B2 clé de 80 bits = 01 23 45 67 12 34 56 78 23 45 = 01 23 45 67 12 34 56 78 23 45 00 00 00 00 00 00 texte en clair = 01 23 45 67 89 AB CD EF texte chiffré = EB 6A 71 1A 2C 02 27 1B clé de 40 bits = 01 23 45 67 12 = 01 23 45 67 12 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 texte en clair = 01 23 45 67 89 AB CD EF texte chiffré = 7A C8 16 D1 6E 9B 30 2E
B.2
Essai complet de maintenance
Un essai de maintenance a été défini pour CAST-128 pour vérifier la justesse de la mise en œuvre. Il est défini ci-après en pseudo-code, dans lequel a et b sont des vecteurs de 128 bits, aL et aR sont les moitiés respectivement gauche et droite de a, bL et bR sont les moitiés respectivement gauche et droite de b, et encrypt(d,k) est le chiffrement en mode ECB du bloc d avec la clé k.
Initial a = 01 23 45 67 12 34 56 78 23 45 67 89 34 56 78 9A (hex) Initial b = 01 23 45 67 12 34 56 78 23 45 67 89 34 56 78 9A (hex)
faire 1 000 000 de fois { aL = encrypt(aL,b) aR = encrypt(aR,b) bL = encrypt(bL,a) bR = encrypt(bR,a) }
Vérifier que a == EE A9 D0 A2 49 FD 3B A6 B3 43 6F B8 9D 6D CA 92 (hex) Vérifier que b == B2 C9 5E B0 0C 31 AD 71 80 AC 05 B8 E8 3D 69 6E (hex)
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