Keccak: Le nouveau SHA-3 Cryptage standards

Après des années d'essais et d'analyse, le gouvernement américain sélectionné l'algorithme Keccak être la nouvelle norme de cryptage SHA-3. 

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Voici comment il fonctionne et comment l'utiliser.

Route vers SHA-3

Pour être considéré pour la norme SHA-3, les fonctions de hachage candidats devaient répondre à quatre conditions fixées par le NIST. Si un candidat ne répond pas à ces conditions, il a été disqualifié:

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La fonction de hachage candidat devait bien performer indépendamment de la mise en œuvre. 

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Il faut consacrer des ressources minimales, même lors du hachage de grandes quantités de texte du message. Beaucoup de candidats proposés étaient effectivement incapables de répondre à cette exigence.

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La fonction de candidat devait être prudent sur la sécurité. Il doit résister aux attaques connues, tout en conservant un facteur de sécurité. Il devrait émettre les mêmes quatre tailles de hachage que SHA-2 (224-, 256-, 384 ou 512 bits de large), mais être en mesure de fournir plus de tailles de hachage si besoin est.

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La fonction de candidat doit être soumis à la cryptanalyse. Le code source et les résultats d'analyse ont été rendus publics pour des tierces parties intéressées à examiner et à commenter. Les faiblesses constatées lors de l'analyse devaient être adressées, par tweaks ou par refonte.

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La fonction de candidat devait exercer la diversité de code. Il ne pouvait pas utiliser le moteur Merkle-Damgard pour produire le message de hachage.

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Le concours SHA-3 a vu 51 fonctions candidats entrent dans le premier cycle d'évaluations. Sur ceux-ci, 14 ont réussi à passer au deuxième tour. Round trois ont vu les candidats réduit à cinq. Et à partir de ces cinq, Keccak a été déclaré vainqueur.

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Présentation de Keccak

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L'algorithme Keccak (prononcé «ket-chak") est l'œuvre de Guido Bertoni, Joan Daemen, Michael Peters, et Giles Van Assche. Il a été présenté en tant que candidat SHA-3 en Octobre 2008.

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Keccak utilise un «moteur d'éponge" innovant pour hacher le texte du message. Il est rapide, avec une vitesse moyenne déclarée de 12,5 cycles par octet sur un processeur Intel Core 2. Son design simple prête bien à la mise en œuvre du matériel.

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Keccak peut résiste à des attaques connues avec une complexité minimale de 2n, où n est la taille de hachage. Il dispose d'une large marge de sécurité. À ce jour, la cryptanalyse tiers n'a montré aucun de graves lacunes dans Keccak. Néanmoins, les créateurs de Keccak ont ​​commencé le Crypto concours Crunchy, contestant les autres à trouver et signaler les attaques réussies et vérifiables sur Keccak.

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Creuser dans Keccak

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Au moment de l'écriture, le NIST n'a pas encore de publier le document officiel pour SHA-3 (FIPS 180-5). 

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Ainsi, les informations suivantes sont tirées de document de référence de Keccak et de sources tierces.

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Il y a trois parties à l'algorithme Keccak (Figure 1).

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Figure 1: blocs de base de la fonction de hachage Keccak.

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La fonction de hachage () sert la fonction d'entrée. Il faut quatre arguments d'entrée: la taille de hachage (n) dans les bits, le texte du message (M) et sa taille (N) en bits, et une variable de hachage (H). La variable de hachage doit être créée en utilisant la fonction de bibliothèque malloc () comme suit:

1 2 3 4 5 6

HashReturn E; char *H; n = 224; H = (char *)malloc(sizeof(char) * n / 8); //... E = Hash(n, M, N, H);

La fonction Init () prépare l'état interne (S) pour la taille de hachage donnée. La fonction de mise à jour () commence la compression ou absorber phase. 

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Ceci est où le texte du message est associé à l'état interne, puis permuté. La fonction finale () commence la phase d'extraction ou squeeze. Ceci est le cas des bits de l'état interne sont extraits et assemblés pour former la valeur de hachage. 

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Les premiers n bits du hachage assemblé sert alors que le message de hachage. Les quatre fonctions renvoient un résultat d'erreur. Un résultat zéro une fonction terminé sa tâche sans erreurs.

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La figure 2 montre la structure de données de l'état interne S. Ce C struct, nommé spongeState, contient huit champs, dont deux sont des tableaux alignés (marqué en rouge). Le champ d'état [] détient les octets réels de l'Etat, alors que le champ dataqueue [] contient le message d'octets à combiner et permuté.

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Figure 2: La struct tenant l'état interne de la fonction de hachage Keccak.

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Le champ de capacité est la capacité de hachage (c). Sa valeur est fixée à deux fois la taille de hachage (2 * n). Le champ de taux est le nombre de bits de message traitées par tour. Il est mis à la valeur de 1600-C. Le champ bitsInQueue est le nombre de bits de message laissé dans le domaine dataqueue []. Keccak, Le nouveau, SHA-3, Cryptage standards, Encryption standards, Sha-3, ios, mac, xcode, KECCAK, c, objective-c, 

Le champ fixedOutputlength est la taille de hachage souhaitée (n). Le champ compression est un drapeau de mode. Lorsqu'il est réglé à zéro, Keccak est en mode compression. 

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Lorsqu'il est réglé sur 1, Keccak est en mode d'extraction. Et le bitsAvailableForSqueezing de champ contient le nombre de bits d'état qui peuvent être assemblés dans le message final de hachage.

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Keccak utilise 24 tours de permutation pour réduire le texte du message dans un hachage. Chaque tour invoque cinq modules en succession comme le montre la figure 3.

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Figure 3: Les modules invoqués à chaque tour de permutation.
Le module de thêta rend l'état interne en une matrice 5 x 5 éléments de 64 bits. Il calcule les parités de chaque colonne et les combine avec un (XOR) opérateur ou exclusif. Ensuite, il XORs la parité résultant à chaque bit d'état comme suit:

S[i][j][k] ^= parity(S[0...4][j-1][k]) 
 ^ parity(S[0...4][j+1][k-1])

where i = 0...4; j = 0...4; k = 0...63

Le module de rho tourne chaque élément 64 bits par un nombre triangulaire. Cependant, elle ne comprend pas l'élément S [0] [0] de rotation. Le module de phi permute les éléments 64 bits. Keccak, Le nouveau, SHA-3, Cryptage standards, Encryption standards, Sha-3, ios, mac, xcode, KECCAK, c, objective-c, 

Permutation suit l'attribution de motif fixe illustré ci-dessous:Keccak, Le nouveau, SHA-3, Cryptage standards, Encryption standards, Sha-3, ios, mac, xcode, KECCAK, c, objective-c, 

S[j][2*i + 3*j] = S[i][j]

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Le module de chi ajoute un aspect non-linéaire à la ronde de permutation. Keccak, Le nouveau, SHA-3, Cryptage standards, Encryption standards, Sha-3, ios, mac, xcode, KECCAK, c, objective-c, 

Il combine les éléments de ligne en utilisant seulement trois opérateurs binaires: AND, NOT et XOR. Puis il écrit le résultat au tableau d'état comme suit:Keccak, Le nouveau, SHA-3, Cryptage standards, Encryption standards, Sha-3, ios, mac, xcode, KECCAK, c, objective-c, 

S[i][j][k] ^= ~S[i][j + 1][k] & S[i][j + 2][k]

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Le module iota décompose aucune symétrie provoquée par les autres modules. Ce qu'il fait par XOR l'un des éléments du tableau à une constante ronde. Le module dispose de 24 constantes rondes à choisir. Ces constantes sont définies en interne par Keccak.

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le Keccak code source en C est, cependant, trop grand pour être énumérés ici dans son intégralité.

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Évaluation SHA-3

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Alors, comment SHA-3 comparer à ses prédécesseurs SHA1 et SHA-2? Pour répondre à cette question, IS les trois fonctions de hachage à quatre tests séparés subjective:

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Le premier test est le test de collisions. Ici, je me préparer un ensemble de textes de message et les fonctions de hachage traitent chaque texte. Une fonction de hachage bien conçu doit émettre un hachage unique pour chaque texte, même si les deux textes diffèrent par un simple caractère. Si une collision se produit, il doit être rare, avec une complexité d'au moins 2n.

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Le second test est un test run-bit. Ce test révèle la façon dont les bits sont répartis sur la valeur de hachage. Idéalement, une valeur de hachage devrait avoir un nombre équilibré de 1 et de 0. 

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Si nous divisons le hachage par deux et compter le nombre de 1 sur chaque moitié, nous devrions obtenir un nombre égal. Si la moitié a plus de 1s que l'autre, cela signifie un biais potentiel, ce qui pourrait se traduire par une collision possible.

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Le prochain test est le test d'avalanche ou en cascade. Celui-ci mesure la capacité d'une fonction de hachage à réagir aux changements dans un message texte. 

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Idéalement, un changement dans un octet de message devrait provoquer environ la moitié des octets de hachage pour changer; et les changements devraient se produire uniformément le long de la table de hachage. 

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Trop petit ou trop grand changement pourrait être le signe d'une collision.

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Mon test final est un test de synchronisation. Cette mesure utile à quelle vitesse une fonction de hachage peut traiter le texte du message. 

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Une bonne fonction de hachage ne devrait pas prendre plus d'une demi-seconde pour traiter un grand texte du message. Longer fois hachage sont indésirables, surtout si la fonction doit être utilisée dans le cadre d'un service à fort trafic.

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Le tableau 1 montre comment SHA-3 comparer avec ses deux prédécesseurs. 

La machine de test est un MacBook d'Apple avec un 2 GHz Intel Core 2 Duo et 2 Go de RAM DDR2. Le système d'exploitation MacOS X est 10.6.7. Le message de test est un extrait de pièce Hamlet de William Shakespeare - soliloque "Etre ou ne pas être», composé de 33 lignes de texte pour un total de 261 mots. Parce que SHA-1 peut émettre seulement hashes 160 bits, les sorties pour les deux SHA-2 et SHA-3 sont limités à 224 bits, le plus proche taille comparable qu'elles émettent.

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Tableau 1: Comparaison SHA-3 avec ses prédécesseurs.

Cliquer sur le lien pour télécharger le code Demo: SHA-3 Cryptage standards