Bernd Borchert. Univ. Tübingen WS 13/14. Vorlesung. Kryptographie. Teil
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- Leonard Brauer
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1 Bernd Borchert Univ. Tübingen WS 13/14 Vorlesung Kryptographie Teil
2 AES AES ist eine Blockchiffre in drei Varianten AES128, AES196 und AES256. Wichtigste Kennzahlen: Blocklänge bei allen drei Varianten: 128 bit ( 16 Byte) Schlüssellänge: 128, 196, oder 256 bit Plaintext 128 bit Schlüssel Ciphertext 128 bit
3 Grundstruktur AES256 Zuerst werden aus dem 256 bit Schlüssel 15 Rundenschlüssel R0 bis R14 mit jeweils 128 bit erzeugt. Dann werden die folgenden 15 Runden mit Exor (+) und der 128-bit Bijektion B (bzw. B last ) durchlaufen: + B + B Plaintext 128 bit Rundenschlüssel R0 Runde 0 Rundenschlüssel R1 Runde Rundenschlüssel R2 Runde 2 B + Rundenschlüssel R13 Runde 13 B last + Rundenschlüssel R14 Runde 14 Chiffretext
4 Entschlüsselung AES256 Allein durch die Grundstruktur von AES256 und der Bijektivität von B und B last ist garantiert, dass die Verschlüsselung bijektiv ist, mit der folgenden Entschlüsselung. Wie bei DES wird genutzt: (a + b) + b a. Plaintext + B -1 + Rundenschlüssel R0 Rundenschlüssel R1 Runde 14 Runde 13 + Rundenschlüssel R Runde 12 B -1 + Rundenschlüssel R13 Runde 1 + B last -1 Rundenschlüssel R14 Runde 0 + B -1 Chiffretext
5 Die Bijektion B B setzt sich zusammen aus drei hintereinander ausgeführten Bijektionen auf 128 bit Strings: SubBytes ShiftRows B MixColumns Die Umkehrfunktion B-1 von B ergibt sich durch umgekehrte Ausführung der drei jeweiligen Einzel-Umkehrfunktion. Bei B last fehlt die letzte Teilfunktion MixColumns.
6 Bijektion SubBytes Die 128 bits werden als 16 Bytes aufgefasst und dann wird auf jedes Byte ein monoalphabetische Substitution (Bijektion) S durchgeführt. Definition von S siehe nächste Seite. S S S S S S S S S S S S S S S S
7 Substitution S (Rijndael S-Box) Die Funktion S ist eine Bijektion von Bytes auf Bytes, also 8-bit Wörter auf 8-bit Wörter. Die hexadezimale Tabelle sieht so aus: a b c d e f c 77 7b f2 6b 6f c b fe d7 ab ca 82 c9 7d fa f0 ad d4 a2 af 9c a4 72 c0 20 b7 fd f f7 cc 34 a5 e5 f1 71 d c7 23 c a e2 eb 27 b c 1a 1b 6e 5a a0 52 3b d6 b3 29 e3 2f d1 00 ed 20 fc b1 5b 6a cb be 39 4a 4c 58 cf 60 d0 ef aa fb 43 4d f9 02 7f 50 3c 9f a a3 40 8f 92 9d 38 f5 bc b6 da ff f3 d2 80 cd 0c 13 ec 5f c4 a7 7e 3d 64 5d f dc 22 2a ee b8 14 de 5e 0b db a0 e0 32 3a 0a c c2 d3 ac e4 79 b0 e7 c8 37 6d 8d d5 4e a9 6c 56 f4 ea 65 7a ae 08 c0 ba e 1c a6 b4 c6 e8 dd 74 1f 4b bd 8b 8a d0 70 3e b f6 0e b9 86 c1 1d 9e e0 e1 f d9 8e 94 9b 1e 87 e9 ce df f0 8c a1 89 0d bf e d 0f b0 54 bb 16 Beispiel x2f wird durch S abgebildet auf 0x Wichtig ist eigentlich nur, dass S bijektiv ist. Das kann man daran erkennen, dass jedes Byte in der Tabelle genau einmal vorkommt. Daraus ergibt sich direkt auch schon die Umkehrfunktion S -1 als Tabelle.
8 S als algebraische Funktion Man hätte S als Bijektion auch würfeln können. Um jedoch S und S -1 schnell berechnen zu können (statt lookup), ist S algebraisch definiert: Zu einem Input finde das multiplikative Inverse x in GF(2 8 ) und berechne das Ergebnis der folgenden Matrizengleichung Beispiel. Das multiplikative Inverse von 0x11 is 0xb4. Eingesetzt in die Matrizengleichung ergibt das 0x82.
9 Inverse Subsitution S -1 S -1 wird durch folgende Matrizengleichung bestimmt. Danach noch das multiplikative Inverse suchen. Das ergibt die Tabelle unten rechts a b c d e f a d a5 38 bf 40 a3 9e 81 f3 d7 fb 10 7c e b 2f ff e c4 de e9 cb b a6 c2 23 3d ee 4c 95 0b 42 fa c3 4e e a d9 24 b2 76 5b a2 49 6d 8b d f8 f d4 a4 5c cc 5d 65 b c fd ed b9 da 5e a7 8d 9d d8 ab 00 8c bc d3 0a f7 e b8 b d0 2c 1e 8f ca 3f 0f 02 c1 af bd a 6b 80 3a f 67 dc ea 97 f2 cf ce f0 b4 e ac e7 ad e2 f9 37 e8 1c 75 df 6e a0 47 f1 1a 71 1d 29 c5 89 6f b7 62 0e aa 18 be 1b b0 fc 56 3e 4b c6 d a db c0 fe 78 cd 5a f4 c0 1f dd a c7 31 b ec 5f d f a9 19 b5 4a 0d 2d e5 7a 9f 93 c9 9c ef e0 a0 e0 3b 4d ae 2a f5 b0 c8 eb bb 3c f0 17 2b 04 7e ba 77 d6 26 e c 7d
10 Bijektion ShiftRows
11 Bijektion MixColumns a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 L (lin. Abb. in GF(2 8 ))
12 Lineare Bijektion L a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 L : b0 2a0 + 3a1 + a2 + a3 b1 a0 + 2a1 + 3a2 + a3 b2 a0 + a1 + 2a2 + 3a3 b3 3a0 + a1 + a2 + 2a3 Addition + ist bit-weises Exor Multiplikation 2a und 3a ist in GF(2 8 )
13 Multiplikation in GF(2 8 ) 2a 0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e, 0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e, 0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e, 0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e, 0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e, 0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe, 0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde, 0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe, 0x1b,0x19,0x1f,0x1d,0x13,0x11,0x17,0x15,0x0b,0x09,0x0f,0x0d,0x03,0x01,0x07,0x05, 0x3b,0x39,0x3f,0x3d,0x33,0x31,0x37,0x35,0x2b,0x29,0x2f,0x2d,0x23,0x21,0x27,0x25, 0x5b,0x59,0x5f,0x5d,0x53,0x51,0x57,0x55,0x4b,0x49,0x4f,0x4d,0x43,0x41,0x47,0x45, 0x7b,0x79,0x7f,0x7d,0x73,0x71,0x77,0x75,0x6b,0x69,0x6f,0x6d,0x63,0x61,0x67,0x65, 0x9b,0x99,0x9f,0x9d,0x93,0x91,0x97,0x95,0x8b,0x89,0x8f,0x8d,0x83,0x81,0x87,0x85, 0xbb,0xb9,0xbf,0xbd,0xb3,0xb1,0xb7,0xb5,0xab,0xa9,0xaf,0xad,0xa3,0xa1,0xa7,0xa5, 0xdb,0xd9,0xdf,0xdd,0xd3,0xd1,0xd7,0xd5,0xcb,0xc9,0xcf,0xcd,0xc3,0xc1,0xc7,0xc5, 0xfb,0xf9,0xff,0xfd,0xf3,0xf1,0xf7,0xf5,0xeb,0xe9,0xef,0xed,0xe3,0xe1,0xe7,0xe5 3a 0x00,0x03,0x06,0x05,0x0c,0x0f,0x0a,0x09,0x18,0x1b,0x1e,0x1d,0x14,0x17,0x12,0x11, 0x30,0x33,0x36,0x35,0x3c,0x3f,0x3a,0x39,0x28,0x2b,0x2e,0x2d,0x24,0x27,0x22,0x21, 0x60,0x63,0x66,0x65,0x6c,0x6f,0x6a,0x69,0x78,0x7b,0x7e,0x7d,0x74,0x77,0x72,0x71, 0x50,0x53,0x56,0x55,0x5c,0x5f,0x5a,0x59,0x48,0x4b,0x4e,0x4d,0x44,0x47,0x42,0x41, 0xc0,0xc3,0xc6,0xc5,0xcc,0xcf,0xca,0xc9,0xd8,0xdb,0xde,0xdd,0xd4,0xd7,0xd2,0xd1, 0xf0,0xf3,0xf6,0xf5,0xfc,0xff,0xfa,0xf9,0xe8,0xeb,0xee,0xed,0xe4,0xe7,0xe2,0xe1, 0xa0,0xa3,0xa6,0xa5,0xac,0xaf,0xaa,0xa9,0xb8,0xbb,0xbe,0xbd,0xb4,0xb7,0xb2,0xb1, 0x90,0x93,0x96,0x95,0x9c,0x9f,0x9a,0x99,0x88,0x8b,0x8e,0x8d,0x84,0x87,0x82,0x81, 0x9b,0x98,0x9d,0x9e,0x97,0x94,0x91,0x92,0x83,0x80,0x85,0x86,0x8f,0x8c,0x89,0x8a, 0xab,0xa8,0xad,0xae,0xa7,0xa4,0xa1,0xa2,0xb3,0xb0,0xb5,0xb6,0xbf,0xbc,0xb9,0xba, 0xfb,0xf8,0xfd,0xfe,0xf7,0xf4,0xf1,0xf2,0xe3,0xe0,0xe5,0xe6,0xef,0xec,0xe9,0xea, 0xcb,0xc8,0xcd,0xce,0xc7,0xc4,0xc1,0xc2,0xd3,0xd0,0xd5,0xd6,0xdf,0xdc,0xd9,0xda, 0x5b,0x58,0x5d,0x5e,0x57,0x54,0x51,0x52,0x43,0x40,0x45,0x46,0x4f,0x4c,0x49,0x4a, 0x6b,0x68,0x6d,0x6e,0x67,0x64,0x61,0x62,0x73,0x70,0x75,0x76,0x7f,0x7c,0x79,0x7a, 0x3b,0x38,0x3d,0x3e,0x37,0x34,0x31,0x32,0x23,0x20,0x25,0x26,0x2f,0x2c,0x29,0x2a, 0x0b,0x08,0x0d,0x0e,0x07,0x04,0x01,0x02,0x13,0x10,0x15,0x16,0x1f,0x1c,0x19,0x1a
14 Umkehrabbildung L -1 a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 L -1 : a0 14b0 + 11b1 + 13b2 + 9b3 a1 9b0 + 14b1 + 11b2 + 13b3 a2 13b0 + 9b1 + 14b2 + 11b3 a3 11b0 + 13b1 + 9b2 + 14b3 Addition + ist bit-weises Exor Multiplikationen 14b, 11b, 13b und 9b sind in GF(2 8 )
15 Multiplikation in GF(2 8 ) 14a 13a 9a 11a 0x00,0x09,0x12,0x1b,0x24,0x2d,0x36,0x3f,0x48,0x41,0x5a,0x53,0x6c,0x65,0x7e,0x77, 0x90,0x99,0x82,0x8b,0xb4,0xbd,0xa6,0xaf,0xd8,0xd1,0xca,0xc3,0xfc,0xf5,0xee,0xe7, 0x3b,0x32,0x29,0x20,0x1f,0x16,0x0d,0x04,0x73,0x7a,0x61,0x68,0x57,0x5e,0x45,0x4c, 0xab,0xa2,0xb9,0xb0,0x8f,0x86,0x9d,0x94,0xe3,0xea,0xf1,0xf8,0xc7,0xce,0xd5,0xdc, 0x76,0x7f,0x64,0x6d,0x52,0x5b,0x40,0x49,0x3e,0x37,0x2c,0x25,0x1a,0x13,0x08,0x01, 0xe6,0xef,0xf4,0xfd,0xc2,0xcb,0xd0,0xd9,0xae,0xa7,0xbc,0xb5,0x8a,0x83,0x98,0x91, 0x4d,0x44,0x5f,0x56,0x69,0x60,0x7b,0x72,0x05,0x0c,0x17,0x1e,0x21,0x28,0x33,0x3a, 0xdd,0xd4,0xcf,0xc6,0xf9,0xf0,0xeb,0xe2,0x95,0x9c,0x87,0x8e,0xb1,0xb8,0xa3,0xaa, 0xec,0xe5,0xfe,0xf7,0xc8,0xc1,0xda,0xd3,0xa4,0xad,0xb6,0xbf,0x80,0x89,0x92,0x9b, 0x7c,0x75,0x6e,0x67,0x58,0x51,0x4a,0x43,0x34,0x3d,0x26,0x2f,0x10,0x19,0x02,0x0b, 0xd7,0xde,0xc5,0xcc,0xf3,0xfa,0xe1,0xe8,0x9f,0x96,0x8d,0x84,0xbb,0xb2,0xa9,0xa0, 0x47,0x4e,0x55,0x5c,0x63,0x6a,0x71,0x78,0x0f,0x06,0x1d,0x14,0x2b,0x22,0x39,0x30, 0x9a,0x93,0x88,0x81,0xbe,0xb7,0xac,0xa5,0xd2,0xdb,0xc0,0xc9,0xf6,0xff,0xe4,0xed, 0x0a,0x03,0x18,0x11,0x2e,0x27,0x3c,0x35,0x42,0x4b,0x50,0x59,0x66,0x6f,0x74,0x7d, 0xa1,0xa8,0xb3,0xba,0x85,0x8c,0x97,0x9e,0xe9,0xe0,0xfb,0xf2,0xcd,0xc4,0xdf,0xd6, 0x31,0x38,0x23,0x2a,0x15,0x1c,0x07,0x0e,0x79,0x70,0x6b,0x62,0x5d,0x54,0x4f,0x46 0x00,0x0b,0x16,0x1d,0x2c,0x27,0x3a,0x31,0x58,0x53,0x4e,0x45,0x74,0x7f,0x62,0x69, 0xb0,0xbb,0xa6,0xad,0x9c,0x97,0x8a,0x81,0xe8,0xe3,0xfe,0xf5,0xc4,0xcf,0xd2,0xd9, 0x7b,0x70,0x6d,0x66,0x57,0x5c,0x41,0x4a,0x23,0x28,0x35,0x3e,0x0f,0x04,0x19,0x12, 0xcb,0xc0,0xdd,0xd6,0xe7,0xec,0xf1,0xfa,0x93,0x98,0x85,0x8e,0xbf,0xb4,0xa9,0xa2, 0xf6,0xfd,0xe0,0xeb,0xda,0xd1,0xcc,0xc7,0xae,0xa5,0xb8,0xb3,0x82,0x89,0x94,0x9f, 0x46,0x4d,0x50,0x5b,0x6a,0x61,0x7c,0x77,0x1e,0x15,0x08,0x03,0x32,0x39,0x24,0x2f, 0x8d,0x86,0x9b,0x90,0xa1,0xaa,0xb7,0xbc,0xd5,0xde,0xc3,0xc8,0xf9,0xf2,0xef,0xe4, 0x3d,0x36,0x2b,0x20,0x11,0x1a,0x07,0x0c,0x65,0x6e,0x73,0x78,0x49,0x42,0x5f,0x54, 0xf7,0xfc,0xe1,0xea,0xdb,0xd0,0xcd,0xc6,0xaf,0xa4,0xb9,0xb2,0x83,0x88,0x95,0x9e, 0x47,0x4c,0x51,0x5a,0x6b,0x60,0x7d,0x76,0x1f,0x14,0x09,0x02,0x33,0x38,0x25,0x2e, 0x8c,0x87,0x9a,0x91,0xa0,0xab,0xb6,0xbd,0xd4,0xdf,0xc2,0xc9,0xf8,0xf3,0xee,0xe5, 0x3c,0x37,0x2a,0x21,0x10,0x1b,0x06,0x0d,0x64,0x6f,0x72,0x79,0x48,0x43,0x5e,0x55, 0x01,0x0a,0x17,0x1c,0x2d,0x26,0x3b,0x30,0x59,0x52,0x4f,0x44,0x75,0x7e,0x63,0x68, 0xb1,0xba,0xa7,0xac,0x9d,0x96,0x8b,0x80,0xe9,0xe2,0xff,0xf4,0xc5,0xce,0xd3,0xd8, 0x7a,0x71,0x6c,0x67,0x56,0x5d,0x40,0x4b,0x22,0x29,0x34,0x3f,0x0e,0x05,0x18,0x13, 0xca,0xc1,0xdc,0xd7,0xe6,0xed,0xf0,0xfb,0x92,0x99,0x84,0x8f,0xbe,0xb5,0xa8,0xa3 0x00,0x0d,0x1a,0x17,0x34,0x39,0x2e,0x23,0x68,0x65,0x72,0x7f,0x5c,0x51,0x46,0x4b, 0xd0,0xdd,0xca,0xc7,0xe4,0xe9,0xfe,0xf3,0xb8,0xb5,0xa2,0xaf,0x8c,0x81,0x96,0x9b, 0xbb,0xb6,0xa1,0xac,0x8f,0x82,0x95,0x98,0xd3,0xde,0xc9,0xc4,0xe7,0xea,0xfd,0xf0, 0x6b,0x66,0x71,0x7c,0x5f,0x52,0x45,0x48,0x03,0x0e,0x19,0x14,0x37,0x3a,0x2d,0x20, 0x6d,0x60,0x77,0x7a,0x59,0x54,0x43,0x4e,0x05,0x08,0x1f,0x12,0x31,0x3c,0x2b,0x26, 0xbd,0xb0,0xa7,0xaa,0x89,0x84,0x93,0x9e,0xd5,0xd8,0xcf,0xc2,0xe1,0xec,0xfb,0xf6, 0xd6,0xdb,0xcc,0xc1,0xe2,0xef,0xf8,0xf5,0xbe,0xb3,0xa4,0xa9,0x8a,0x87,0x90,0x9d, 0x06,0x0b,0x1c,0x11,0x32,0x3f,0x28,0x25,0x6e,0x63,0x74,0x79,0x5a,0x57,0x40,0x4d, 0xda,0xd7,0xc0,0xcd,0xee,0xe3,0xf4,0xf9,0xb2,0xbf,0xa8,0xa5,0x86,0x8b,0x9c,0x91, 0x0a,0x07,0x10,0x1d,0x3e,0x33,0x24,0x29,0x62,0x6f,0x78,0x75,0x56,0x5b,0x4c,0x41, 0x61,0x6c,0x7b,0x76,0x55,0x58,0x4f,0x42,0x09,0x04,0x13,0x1e,0x3d,0x30,0x27,0x2a, 0xb1,0xbc,0xab,0xa6,0x85,0x88,0x9f,0x92,0xd9,0xd4,0xc3,0xce,0xed,0xe0,0xf7,0xfa, 0xb7,0xba,0xad,0xa0,0x83,0x8e,0x99,0x94,0xdf,0xd2,0xc5,0xc8,0xeb,0xe6,0xf1,0xfc, 0x67,0x6a,0x7d,0x70,0x53,0x5e,0x49,0x44,0x0f,0x02,0x15,0x18,0x3b,0x36,0x21,0x2c, 0x0c,0x01,0x16,0x1b,0x38,0x35,0x22,0x2f,0x64,0x69,0x7e,0x73,0x50,0x5d,0x4a,0x47, 0xdc,0xd1,0xc6,0xcb,0xe8,0xe5,0xf2,0xff,0xb4,0xb9,0xae,0xa3,0x80,0x8d,0x9a,0x97 0x00,0x0e,0x1c,0x12,0x38,0x36,0x24,0x2a,0x70,0x7e,0x6c,0x62,0x48,0x46,0x54,0x5a, 0xe0,0xee,0xfc,0xf2,0xd8,0xd6,0xc4,0xca,0x90,0x9e,0x8c,0x82,0xa8,0xa6,0xb4,0xba, 0xdb,0xd5,0xc7,0xc9,0xe3,0xed,0xff,0xf1,0xab,0xa5,0xb7,0xb9,0x93,0x9d,0x8f,0x81, 0x3b,0x35,0x27,0x29,0x03,0x0d,0x1f,0x11,0x4b,0x45,0x57,0x59,0x73,0x7d,0x6f,0x61, 0xad,0xa3,0xb1,0xbf,0x95,0x9b,0x89,0x87,0xdd,0xd3,0xc1,0xcf,0xe5,0xeb,0xf9,0xf7, 0x4d,0x43,0x51,0x5f,0x75,0x7b,0x69,0x67,0x3d,0x33,0x21,0x2f,0x05,0x0b,0x19,0x17, 0x76,0x78,0x6a,0x64,0x4e,0x40,0x52,0x5c,0x06,0x08,0x1a,0x14,0x3e,0x30,0x22,0x2c, 0x96,0x98,0x8a,0x84,0xae,0xa0,0xb2,0xbc,0xe6,0xe8,0xfa,0xf4,0xde,0xd0,0xc2,0xcc, 0x41,0x4f,0x5d,0x53,0x79,0x77,0x65,0x6b,0x31,0x3f,0x2d,0x23,0x09,0x07,0x15,0x1b, 0xa1,0xaf,0xbd,0xb3,0x99,0x97,0x85,0x8b,0xd1,0xdf,0xcd,0xc3,0xe9,0xe7,0xf5,0xfb, 0x9a,0x94,0x86,0x88,0xa2,0xac,0xbe,0xb0,0xea,0xe4,0xf6,0xf8,0xd2,0xdc,0xce,0xc0, 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16 Bijektivität a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 L : L -1 : b0 2a0 + 3a1 + a2 + a3 b1 a0 + 2a1 + 3a2 + a3 b2 a0 + a1 + 2a2 + 3a3 b3 3a0 + a1 + a2 + 2a3 a0 14b0 + 11b1 + 13b2 + 9b3 a1 9b0 + 14b1 + 11b2 + 13b3 a2 13b0 + 9b1 + 14b2 + 11b3 a3 11b0 + 13b1 + 9b2 + 14b3 Warum ist L bijektiv? Eigenschaft von GL(2 8 ). Das Inverse des Polynoms 3x 3 + x 2 + x 1 +2 ist das Polynom 11x x 2 + 9x
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Æ A BC A DC C C C C C A A BCBDECFE C F A C C F A A F C AC D A F C A F A AC F C C C C A C C AC C C C F F F C C F A C F F A C A C C F C F F C C A D F F C C C D F B A C C F C C F B C C F A A B A A A F A
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