DES डिज़ाइन और Lucifer सिफ़र

1971 में IBM Research के हॉर्स्ट फ़िस्टेल ने लंदन के Lloyd's के लिए बैंकिंग सुरक्षा परियोजना के अंतर्गत Lucifer नामक कूटलेख विकसित किया। Lucifer शुरुआती आधुनिक ब्लॉक कूटलेखों में से एक था, जिसमें 128-बिट कुंजी और 128-बिट ब्लॉक का उपयोग होता था।

Lucifer ने प्रदर्शित किया कि फ़िस्टेल संरचना का उपयोग करके एक मजबूत ब्लॉक कूटलेख बनाया जा सकता है: आधे-ब्लॉक पर प्रतिस्थापन और क्रमचय के क्रमिक राउंड लागू किए जाते हैं। यह DES का प्रत्यक्ष पूर्वज था।

DES 64-बिट ब्लॉक पर फ़िस्टेल संरचना के 16 राउंड लागू करता है। प्रत्येक राउंड में 64-बिट ब्लॉक को 32-बिट के दो हिस्सों में बाँटा जाता है। दाएँ हिस्से को 48 बिट तक विस्तारित किया जाता है, 48-बिट सबकी के साथ एक्सओआर किया जाता है, S-बॉक्स से गुज़ारा जाता है, क्रमचय किया जाता है और बाएँ हिस्से के साथ एक्सओआर किया जाता है।

इसके बाद दोनों हिस्सों की अदला-बदली होती है और प्रक्रिया दोहराई जाती है। 16 राउंड के बाद अंतिम क्रमचय 64-बिट सिफरटेक्स्ट उत्पन्न करता है। डिक्रिप्शन में यही संरचना उपयोग होती है, लेकिन सबकी उलटे क्रम में ली जाती हैं।

DES डेटा को 64-बिट (8-बाइट) ब्लॉक में एन्क्रिप्ट करता है। 1977 के हार्डवेयर के लिए यह निश्चित ब्लॉक आकार उपयुक्त था, लेकिन अब यह सुरक्षा की कमजोरी बन गया है। पर्याप्त डेटा होने पर बर्थडे पैराडॉक्स के कारण टक्कर की संभावना बढ़ जाती है।

64-बिट ब्लॉक में लगभग 2^32 ब्लॉक के बाद (एक ही कुंजी से एन्क्रिप्ट किए गए लगभग ~32GB डेटा के बाद) सांख्यिकीय पैटर्न उभरने लगते हैं। इस स्वीट32 हमले ने HTTPS जैसे अधिक मात्रा वाले ट्रैफ़िक के लिए 3DES को असुरक्षित बना दिया।

DES 64-बिट कुंजी का उपयोग करता है, लेकिन इनमें से 8 बिट समता बिट होते हैं, जिनका उपयोग त्रुटि का पता लगाने के लिए होता है, एन्क्रिप्शन के लिए नहीं। इसलिए प्रभावी कुंजी लंबाई केवल 56 बिट है।

इसका अर्थ है कि DES की केवल 2^56 (लगभग 72 क्वाड्रिलियन) संभावित कुंजियाँ हैं। 1977 के मानकों के अनुसार इसे पर्याप्त माना जाता था। 1997 तक यह सिद्ध हो चुका था कि दृढ़ निश्चयी हमलावर इसे तोड़ सकता है।

DES की शुरुआत एक प्रारंभिक क्रमचय (IP) से होती है, जो प्लेनटेक्स्ट ब्लॉक के 64 बिट को पुनर्व्यवस्थित करता है, और अंत एक अंतिम क्रमचय (IP^-1) से होता है, जो उसका ठीक उलटा होता है। ये क्रमचय कोई क्रिप्टोग्राफ़िक मजबूती नहीं जोड़ते।

इन्हें 1970 के दशक की विशिष्ट चिप संरचनाओं पर हार्डवेयर दक्षता के लिए अभिकल्पित किया गया था, ताकि बिट को रजिस्टर में तेज़ी से लोड किया जा सके। आधुनिक विश्लेषण पुष्टि करता है कि इनका सुरक्षा में कोई योगदान नहीं है।

आठ S-बॉक्स (सब्स्टिट्यूशन बॉक्स) DES की गैर-रैखिकता का केंद्र हैं। प्रत्येक S-बॉक्स 6 बिट का इनपुट लेता है और निश्चित लुकअप तालिका का उपयोग करके 4 बिट का आउटपुट देता है। बाहरी 2 बिट पंक्ति चुनते हैं और भीतरी 4 बिट कॉलम चुनते हैं।

S-बॉक्स द्वारा प्रदान की गई गैर-रैखिकता के बिना DES पूरी तरह रैखिक कूटलेख होता, जिसे रैखिक बीजगणित से आसानी से तोड़ा जा सकता था। DES के S-बॉक्स का विशिष्ट अभिकल्प विभेदक क्रिप्टविश्लेषण का प्रतिरोध करता है।

S-बॉक्स के बाद DES P-बॉक्स क्रमचय लागू करता है, जो S-बॉक्स से प्राप्त 32 आउटपुट बिट को पुनर्व्यवस्थित करता है। इससे विसरण मिलता है और प्रत्येक S-बॉक्स का आउटपुट अगले राउंड में कई S-बॉक्स को प्रभावित करता है।

P-बॉक्स को विसरण अधिकतम करने के लिए सावधानीपूर्वक अभिकल्पित किया गया था: एक S-बॉक्स का प्रत्येक आउटपुट बिट अगले राउंड में कम-से-कम दो अलग-अलग S-बॉक्स को प्रभावित करता है, जिससे तेज़ एवलॉन्च प्रभाव सुनिश्चित होता है।

DES 56-बिट की मुख्य कुंजी से 16 अलग-अलग 48-बिट उपकुंजियाँ बनाता है, प्रत्येक चक्र के लिए एक। कुंजी अनुसूची की शुरुआत समता बिट हटाने और कुंजी बिटों को पुनः क्रमित करने के लिए क्रमचय चयन (पीसी-1) लागू करने से होती है।

56 बिटों को दो 28-बिट अर्धांशों में बाँटा जाता है, जिन्हें प्रत्येक चक्र में 1 या 2 स्थान बाईं ओर घुमाया जाता है। इसके बाद क्रमचय चयन (पीसी-2) 56 बिटों में से 48 बिट चुनकर प्रत्येक चक्र की उपकुंजी बनाता है।

DES के विकास के दौरान NSA ने IBM के साथ काम किया और कुंजी की लंबाई लूसिफ़र के 128 बिटों से घटाकर 56 बिट कर दी तथा S-बॉक्स की रचनाओं में बदलाव किए। इससे यह विवाद कई दशकों तक चला कि क्या गुप्त प्रवेश-द्वार जोड़े गए थे।

1990 के दशक में NSA के अधिकारियों ने पुष्टि की कि उन्होंने S-बॉक्स को विभेदी कूटविश्लेषण के विरुद्ध अधिक मजबूत बनाया था। यह वह तकनीक थी जिसे IBM ने 1974 में खोजा था। NSA को शैक्षणिक जगत से कई वर्ष पहले ही विभेदी कूटविश्लेषण का ज्ञान था, जिससे संकेत मिलता है कि उन्होंने DES को कमजोर नहीं, बल्कि अधिक प्रतिरोधी बनाया था।

प्रतिस्पर्धी मूल्यांकन प्रक्रिया के बाद जनवरी 1977 में DES को संघीय सूचना प्रसंस्करण मानक 46 के रूप में अपनाया गया। यह अवर्गीकृत सरकारी डेटा के लिए मानक कूटलेख बन गया और बैंकिंग तथा उद्योग जगत ने भी इसे व्यापक रूप से अपनाया।

DES का मानकीकरण ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण था: यह सार्वजनिक रूप से उपलब्ध और सरकार द्वारा समर्थित पहला कूटलेखन एल्गोरिदम था। इससे हार्डवेयर कार्यान्वयन का विकास हुआ और भविष्य की कूटलेख मानकीकरण प्रक्रियाओं के लिए एक आदर्श स्थापित हुआ।

DES स्वयं एक खंड कूटलेख है, जो एक बार में ठीक 64 बिट कूटबद्ध करता है। वास्तविक संदेश इससे लंबे होते हैं, इसलिए संचालन की विधियाँ यह निर्धारित करती हैं कि कूटलेख को कई खंडों पर कैसे लागू किया जाए। सामान्य विधियों में ECB (प्रत्येक खंड को स्वतंत्र रूप से कूटबद्ध करना), CBC (कूटबद्ध करने से पहले प्रत्येक खंड को पिछले कूटपाठ के साथ XOR करना), CFB, OFB और CTR शामिल हैं।

ECB सबसे कमजोर विधि है: समान सादे-पाठ खंडों से समान कूटपाठ खंड बनते हैं, जिससे दिखाई देने वाले प्रतिरूप बन जाते हैं। CBC और CTR विधियाँ इस कमजोरी को दूर करती हैं और व्यावहारिक DES तथा ट्रिपल DES उपयोग के लिए अधिक पसंद की जाती हैं।

DES IBM के लूसिफ़र कूटलेख से विकसित होकर 64-बिट खंडों और 56-बिट प्रभावी कुंजियों वाला 16-चक्र का फ़ाइस्टल कूटलेख बना। इसकी सुरक्षा भ्रम उत्पन्न करने वाले 8 अरेखीय S-बॉक्स, प्रसरण प्रदान करने वाले P-बॉक्स और हिमस्खलन प्रभाव को बढ़ाने वाले 16 चक्रों से आती है।

S-बॉक्स की रचना में NSA की भागीदारी विवादास्पद थी, लेकिन इससे विभेदी कूटविश्लेषण के विरुद्ध प्रतिरोध अंततः बेहतर हुआ। 1977 के हार्डवेयर के लिए बनाई गई DES की 56-बिट कुंजी 1990 के दशक के अंत तक अपर्याप्त सिद्ध हुई।