Blowfish

Blowfish
Feistelnetzwerk von Blowfish
Entwickler	Bruce Schneier
Veröffentlicht	1993
Schlüssellänge	32-448 Bit (Standard 128 Bit)
Blockgröße	64 Bit
Struktur	Feistelchiffre
Runden	16
Beste bekannte Kryptoanalyse
• vier Runden von Blowfish sind anfällig für eine Differentielle Kryptoanalyse • 14 Runden sind, für eine Klasse von schwachen Schlüsseln, anfällig für eine Pseudozufalls-Permutation

Blowfish ist ein symmetrischer Blockverschlüsselungsalgorithmus, der 1993 von Bruce Schneier entworfen und erstmals im April 1994 in Doctor Dobb's Journal publiziert wurde. Er wurde als „public domain“ veröffentlicht und kann frei verwendet werden.

Blowfish hat als Blockchiffre eine fixe Blocklänge von 64 Bit, basiert auf einem Feistelnetzwerk, das die Umkehrbarkeit zwischen Verschlüsselung und Entschlüsselung garantiert und besitzt schlüsselabhängige S-Boxen. Die Schlüssellänge kann zwischen 32 Bit und 448 Bit betragen. Aus diesen Schlüsselbits werden vor Beginn der Ver- oder Entschlüsselung die so genannten Rundenschlüssel P₁ bis P₁₈ und die Einträge in den S-Boxen erzeugt, insgesamt 4168 Byte.

Funktionsweise

Die Abbildung zeigt den internen Aufbau von Blowfish. Der 64 Bit breite Klartextblock wird in zwei Hälften L₁ und R₁ geteilt. In jeder sogenannten Runde – es gibt insgesamt 16 Runden – wird die linke Hälfte des Datenblocks mit einem vorab berechneten 32 Bit breiten Rundenschlüssel P₁ bis P₁₆ XOR-verknüpft, dann wird das Ergebnis in die Rundenfunktion F eingegeben und deren Ausgabe mit der rechten Hälfte XOR-verknüpft und die Hälften anschließend vertauscht. Am Ende werden noch die beiden Hälften mit den Rundenschlüsseln P₁₇ und P₁₈ XOR-verknüpft:

$R_{i+1} = L_i \oplus P_i,$

$L_{i+1} = R_i \oplus F(R_{i+1}) \quad (i \; \text{von} \; 1 \; \text{bis} \; 16)$

$R_{18} = L_{17} \oplus P_{17}, \; L_{18} = R_{17} \oplus P_{18}$

L₁₈ und R₁₈ bilden dann den Schlüsseltextblock. Die Entschlüsselung läuft exakt gleich ab, nur werden dabei alle Rundenschlüssel P₁ bis P₁₈ in umgekehrter Reihenfolge verwendet. Das beruht auf der Vertauschbarkeit der XOR-Verknüpfungen. XOR ist sowohl kommutativ als auch assoziativ. Es ist gleich, ob man eine Hälfte des Datenblocks erst mit einem Rundenschlüssel und dann mit der Ausgabe der Funktion F verknüpft oder umgekehrt.

In der Funktion F kommen die schlüsselabhängigen S-Boxen zum Einsatz. Der Eingabewert wird in vier Byte geteilt, mit denen jeweils ein Wert aus einer von vier 8 x 32 Bit S-Boxen ausgelesen wird. Diese Werte werden mittels XOR und Addition modulo 2³² verknüpft:

$F(x) = \lbrace \lbrack \, S_1(x_{24..31}) \; + \; S_2(x_{16..23}) \, \rbrack \; \oplus \; S_3(x_{8..15}) \, \rbrace \; + \; S_4(x_{0..7})$.

Dabei steht $x_{a..b}\!\,$ für die Bits an den Positionen a bis b aus der Binärdarstellung des Wertes x.

Schlüsseleinteilung

Blowfish verwendet 18 Rundenschlüssel P mit je 32 Bit, und vier S-Boxen mit je 256 = 2⁸ Einträgen von je 32 Bit. Die Initialisierung der P-Werte und der vier S-Boxen erfolgt mit einer fixen Zahlenfolge, die aus der hexadezimalen Ziffernfolge der Kreiszahl π abgeleitet wird. Davon ausgehend werden sowohl die P₁ bis P₁₈ als auch alle S-Boxen, S₁ bis S₄, in ihren Werten schlüsselabhängig verändert.

Dazu wird zuerst der Schlüssel in 32-Bit-Blöcke aufgeteilt. Danach wird jeder P-Wert mit den 32-Bit-Blöcken des Schlüssels XOR-verknüpft. Dabei wechseln sich die Blöcke des Schlüssels nacheinander ab. Danach wird ein Block mit 64 Nullbits verschlüsselt, unter Verwendung der aktuellen P-Werte und der wie oben initialisierten S-Boxen. Die linke und rechte Hälfte des entstandenen Schlüsseltextes ersetzen dann den ersten und zweiten Eintrag der P-Box. Dann wird mit dem aktuellen Stand der P-Werte der Geheimtext aus dem letzten Schritt nochmals verschlüsselt, und der dritte und vierte Eintrag der P-Box wird ersetzt. Nachdem auf diese Weise alle P-Werte ersetzt wurden, kommen die Einträge der S-Boxen an die Reihe, wobei die jeweils nächste Verschlüsselung mit dem aktuellen Stand der S-Boxen gemacht wird. Es werden also insgesamt 521 Verschlüsselungen durchgeführt, bis die 18 P-Werte und die 1024 S-Box-Einträge ersetzt sind.

Danach bleiben die P-Werte und die Werte in den S-Boxen so lange konstant, bis ein neuer Schlüssel gewählt wird.

Als C++-Code geschrieben:

 uint32_t P[18];       // Rundenschlüssel
 uint32_t S[4][0x100]; // S-Boxen
 
 uint32_t f (uint32_t x) {
    uint32_t h = S[0][x >> 24] + S[1][x >> 16 & 0xff];
    return ( h ^ S[2][x >> 8 & 0xff] ) + S[3][x & 0xff];
 }
 
 void encrypt (uint32_t & L, uint32_t & R) {
    for (int i=0 ; i<16 ; i += 2) {
       L ^= P[i];
       R ^= f(L);
       R ^= P[i+1];
       L ^= f(R);
    }
    L ^= P[16];
    R ^= P[17];
    swap (L, R);
 }
 
 void decrypt (uint32_t & L, uint32_t & R) {
    for (int i=16 ; i > 0 ; i -= 2) {
       L ^= P[i+1];
       R ^= f(L);
       R ^= P[i];
       L ^= f(R);
    }
    L ^= P[1];
    R ^= P[0];
    swap (L, R);
 }
 
 void key_schedule (uint32_t key[], int keylen) {
    // ...
    // Initialisiere P[] und S[][] mittels der Kreiszahl Pi; hier ausgelassen
    // ...
    for (int i=0 ; i<18 ; ++i)
       P[i] ^= key[i % keylen];
    uint32_t L = 0, R = 0;
    for (int i=0 ; i<18 ; i+=2) {
       encrypt (L, R);
       P[i] = L; P[i+1] = R;
    }
    for (int i=0 ; i<4 ; ++i)
       for (int j=0 ; j<0x100 ; j+=2) {
          encrypt (L, R);
          S[i][j] = L; S[i][j+1] = R;
       }
 }

Kryptoanalyse

Bis heute (Stand 2008) ist kein effizienter Angriff auf die Blowfish-Verschlüsselung mit voller Rundenzahl öffentlich bekannt. Ein so genannter Sign-Extension-Bug wurde in einer Veröffentlichung des C-Codes gefunden.^[1]

Serge Vaudenay fand 1996 einen Known-Plaintext-Angriff, der zum Brechen der Verschlüsselung 2^{8r + 1} bekannte Paare von Klartext und Schlüsseltext benötigt. Der Parameter r bezeichnet die Anzahl der Runden. Zudem entdeckte er eine Klasse von schwachen Schlüsseln, die erkannt und mit nur 2^{4r + 1} Klartext-Paaren gebrochen werden können. Dieser Angriff kann jedoch nicht gegen regulären Blowfish eingesetzt werden, da er die Kenntnis der schlüsselabhängigen S-Boxen voraussetzt.

Vincent Rijmen stellt in seiner Doktorarbeit einen differenziellen Angriff zweiter Ordnung vor, der Blowfish mit höchstens 4 Runden brechen kann. Außer der Brute-Force-Methode ist kein Weg bekannt, den Algorithmus mit 16 Runden zu brechen. ^[2]

Bruce Schneier merkt an, dass er den neueren Twofish-Algorithmus empfiehlt, obwohl Blowfish noch in breiter Verwendung ist. ^[3]

Beispiele

Im GNU Privacy Guard sind Blowfish und Twofish implementiert und können auf Wunsch aktiviert werden. Das Crypto File System (CFS) ist ein auf NFS aufsetzendes verschlüsseltes Dateisystem für UNIX und unterstützt ebenfalls Blowfish. Ein quelloffenes Windows-Programm zum Verschlüsseln von Dateien mittels Blowfish und Twofish ist Blowfish Advanced CS. Auch im OpenDocument-Datenformat ist Blowfish als Verschlüsselungsmethode aufgeführt. Ab PHP 5.3 ist Blowfish Bestandteil der crypt-Funktion.

Referenzen

1. ↑ Mike Morgan: Blowfish can be cracked! (Fix included...). Veröffentlichung in der Newsgroup sci.crypt
2. ↑ Serge Vaudenay (23. August 2006): On the Weak Keys of Blowfish (PostScript). Abgerufen am 31. Dezember 2007.
3. ↑ Dahna McConnachie (27. Dezember 2007): Bruce Almighty: Schneier preaches security to Linux faithful. Computerworld S. 3. Abgerufen am 31. Dezember 2007. „At this point, though, I'm amazed it's still being used. If people ask, I recommend Twofish instead.“

• Vincent Rijmen: Cryptanalysis and design of iterated block ciphers, doctoral dissertation, October 1997.
• Bruce Schneier: Description of a New Variable-Length Key, 64-bit Block Cipher (Blowfish). Fast Software Encryption 1993: 191-204 [1].
• Bruce Schneier: The Blowfish Encryption Algorithm -- One Year Later, Dr. Dobb's Journal, 20(9), p. 137, September 1995 [2].
• Serge Vaudenay: On the weak keys of Blowfish Fast Software Encryption (FSE'96), LNCS 1039, D. Gollmann, Ed., Springer-Verlag, 1996, pp. 27--32.

Siehe auch

• Twofish, Nachfolger von Blowfish
• Puffy, the blowfish, Maskottchen der OpenSSH

Weblinks

• Bruce Schneiers Beschreibung des Algorithmus incl etlicher Sourcecodes
• S-Box und P-Box
• – Perl Blowfish encryption module
• Blowfish PHP-Implementierung
• Online Blowfish-Verschlüsselung (PHP oder JavaScript)
• Blowfish JavaScript-Implementierung
• Blowfish Tcl-Implementierung, auch in der Tcllib enthalten
• Blowfish LabVIEW-Implementierung
• Standard Cryptographic Algorithm Naming zu Blowfish