صندوق S
في علم التشفير ، يُعدّ صندوق الاستبدال ( S -box ) عنصرًا أساسيًا في خوارزميات المفتاح المتناظر ، حيث يقوم بعملية الاستبدال. في تشفير الكتل ، يُستخدم عادةً لإخفاء العلاقة بين المفتاح والنص المشفر ، مما يضمن خاصية التشويش لشانون . رياضيًا، صندوق الاستبدال هو دالة منطقية متجهة غير خطية [ 1 ] . [ 2 ]
بشكل عام، تأخذ وحدة الاستبدال (S-box) عددًا من بتات الإدخال ، m ، وتحولها إلى عدد من بتات الإخراج، n ، حيث لا يشترط أن يكون n مساويًا لـ m . [ 3 ] يمكن تنفيذ وحدة الاستبدال m × n كجدول بحث يحتوي على 2m كلمة ، كل كلمة منها n بت. تُستخدم عادةً جداول ثابتة، كما هو الحال في معيار تشفير البيانات (DES)، ولكن في بعض خوارزميات التشفير، تُولّد الجداول ديناميكيًا من المفتاح (مثل خوارزميتي تشفير Blowfish و Twofish ).
مثال
أحد الأمثلة الجيدة على الجداول الثابتة هو صندوق الاستبدال (S-box) من خوارزمية DES (S 5 )، الذي يقوم بتحويل مدخلات 6 بت إلى مخرجات 4 بت:
| S 5 | البتات الأربعة الوسطى من المدخلات | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0000 | ٠٠٠١ | 0010 | 0011 | 0100 | 0101 | 0110 | 0111 | 1000 | 1001 | 1010 | 1011 | 1100 | 1101 | 1110 | 1111 | ||
| الأجزاء الخارجية | ٠٠ | 0010 | 1100 | 0100 | ٠٠٠١ | 0111 | 1010 | 1011 | 0110 | 1000 | 0101 | 0011 | 1111 | 1101 | 0000 | 1110 | 1001 |
| 01 | 1110 | 1011 | 0010 | 1100 | 0100 | 0111 | 1101 | ٠٠٠١ | 0101 | 0000 | 1111 | 1010 | 0011 | 1001 | 1000 | 0110 | |
| 10 | 0100 | 0010 | ٠٠٠١ | 1011 | 1010 | 1101 | 0111 | 1000 | 1111 | 1001 | 1100 | 0101 | 0110 | 0011 | 0000 | 1110 | |
| 11 | 1011 | 1000 | 1100 | 0111 | ٠٠٠١ | 1110 | 0010 | 1101 | 0110 | 1111 | 0000 | 1001 | 1010 | 0100 | 0101 | 0011 | |
عند إدخال بيانات مكونة من 6 بتات، يتم الحصول على الناتج المكون من 4 بتات باختيار الصف باستخدام البتتين الخارجيتين (البتتين الأولى والأخيرة)، والعمود باستخدام البتات الأربع الداخلية. على سبيل المثال، المدخل " 0 1101 1 " له بتات خارجية " 01 " وبتات داخلية "1101"؛ سيكون الناتج المقابل "1001". [ 4 ]
التحليل والخصائص
عندما نُشرت خوارزمية DES لأول مرة عام 1977، حُفظت معايير تصميم صناديق الاستبدال (S-boxes) سريةً لتجنب المساس بتقنية التحليل التفاضلي للتشفير (التي لم تكن معروفة للعامة آنذاك). ونتيجةً لذلك، كان البحث في خصائص صناديق الاستبدال الجيدة محدودًا في ذلك الوقت. بل على العكس، خضعت صناديق الاستبدال الثمانية في DES لدراسة مكثفة لسنوات عديدة خشية وجود ثغرة أمنية ( لا يعرفها إلا مصمموها) في الخوارزمية. ولأن صناديق الاستبدال هي الجزء غير الخطي الوحيد في الخوارزمية، فإن اختراقها سيؤدي إلى اختراق الخوارزمية بأكملها. [ 5 ]
نُشرت معايير تصميم صندوق الاستبدال (S-box) في نهاية المطاف (في كتاب كوبرسميث، 1994 ) بعد إعادة اكتشاف التحليل التفاضلي للتشفير، مما أظهر أنها صُممت بعناية لزيادة مقاومتها لهذا الهجوم تحديدًا بحيث لا تتجاوز فعاليته فعالية الهجوم الشامل . وقد وجد بيهام وشامير أن حتى التعديلات الطفيفة على صندوق الاستبدال (S-box) يمكن أن تُضعف خوارزمية التشفير التفاضلي (DES) بشكل ملحوظ. [ 6 ]
يُطلق على أي صندوق استبدال (S-box) يتم فيه إنتاج أي تركيبة خطية من بتات الإخراج بواسطة دالة منحنية لبتات الإدخال اسم صندوق استبدال مثالي (Perfect S-box ) . [ 7 ]
يمكن تحليل صناديق الاستبدال (S-boxes) باستخدام التحليل التشفيري الخطي والتحليل التشفيري التفاضلي، وذلك في شكل جدول تقريب خطي (LAT) أو تحويل والش وجدول توزيع الفرق (DDT) أو جدول الارتباط الذاتي والطيف. ويمكن تلخيص قوتها من خلال اللاخطية (منحنية، شبه منحنية) والانتظام التفاضلي (لاخطية تمامًا، شبه لاخطية تمامًا). [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 2 ]
انظر أيضاً
مراجع
- ^ دايمن وريجمن 2013 ، ص. 22.
- 1 2 كارليت، كلود (2010)، "الدوال البوليانية المتجهة للتشفير" ، في هامر، بيتر ل.؛ كراما، إيف (محرران)، النماذج والأساليب البوليانية في الرياضيات وعلوم الحاسوب والهندسة ، موسوعة الرياضيات وتطبيقاتها، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، ص 398-470 ، ISBN 978-0-521-84752-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 أبريل 2021
- ↑ تشاندراسيكاران، ج.؛ وآخرون (2011). "نهج قائم على الفوضى لتحسين اللاخطية في تصميم صندوق الاستبدال لأنظمة التشفير ذات المفتاح المتناظر" . في ميغاناثان، ن.؛ وآخرون (محررون). التطورات في الشبكات والاتصالات: المؤتمر الدولي الأول لعلوم الحاسوب وتكنولوجيا المعلومات، CCSIT 2011، بنغالور، الهند، 2-4 يناير 2011. وقائع، الجزء 2. سبرينغر. ص 516. ISBN 978-3-642-17877-1.
- ↑ بوخمان، يوهانس أ. (2001). "5. DES". مقدمة في علم التشفير (الطبعة الثانية المنقحة). نيويورك، نيويورك [ua]: سبرينغر. ص 119-120 . ISBN 978-0-387-95034-1.
- ↑ كوبرسميث، د. (مايو 1994). "معيار تشفير البيانات (DES) وقوته في مواجهة الهجمات" . مجلة IBM للبحوث والتطوير . 38 (3): 243-250 . doi : 10.1147/rd.383.0243 . ISSN 0018-8646 .
- ↑ غارغيولو "تعديلات صندوق S وتأثيرها في أنظمة التشفير الشبيهة بـ DES" مؤرشفة في 2012-05-20 في Wayback Machine ص. 9.
- ↑ RFC 4086. القسم 5.3 "استخدام صناديق الاستبدال للمزج"
- ↑ هيز، هوارد م. "دليل تعليمي حول التحليل الخطي والتفاضلي للتشفير" (PDF) .
- ↑ "صناديق الاستبدال وتمثيلاتها الجبرية - دليل مرجعي لبرنامج Sage 9.2: التشفير" . doc.sagemath.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 أبريل 2021 .
- ↑ سارينين، ماركو-يوهاني أو. (2012). "التحليل التشفيري لجميع صناديق الاستبدال (S-Boxes) ذات 4 × 4 بت". في: ميري، علي؛ فودناي، سيرج (محرران). مجالات مختارة في التشفير . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 7118. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر. الصفحات 118-133 . doi : 10.1007/978-3-642-28496-0_7 . ISBN 978-3-642-28496-0.
للمزيد من القراءة
- كايسا نيبرغ (1991). صناديق الاستبدال غير الخطية المثالية . التطورات في علم التشفير - يورو كريبت 91. برايتون . الصفحات 378-386 . doi : 10.1007/3-540-46416-6_32 .
- إس. ميستر وسي. آدامز (1996). تصميم صندوق الاستبدال العملي . ورشة عمل حول مجالات مختارة في علم التشفير (SAC '96). سجل ورشة العمل. جامعة كوينز . الصفحات 61-76 . CiteSeerX 10.1.1.40.7715 .
- شناير، بروس (1996). التشفير التطبيقي، الطبعة الثانية . جون وايلي وأولاده . الصفحات 296-298 ، 349. ISBN 978-0-471-11709-4.
- تشاك إيستوم (2018). "منهجية معممة لتصميم العناصر غير الخطية في العناصر التشفيرية المتناظرة". ورشة عمل ومؤتمر الحوسبة والاتصالات السنوي الثامن لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لعام 2018 (CCWC) . الصفحات 444-449 . doi : 10.1109/CCWC.2018.8301643 . ISBN 978-1-5386-4649-6. S2CID 3659645 .
مصادر
- دايمين، جوان؛ ريجمان، فنسنت (9 مارس 2013). "وظائف البناء". تصميم ريجندايل: معيار التشفير المتقدم (AES) (ملف PDF) . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. الصفحات 22-23 . ISBN 978-3-662-04722-4. OCLC 1259405449 .
روابط خارجية
- صندوق S
- الخوارزميات التشفيرية