DES Tasarımı ve Lucifer Şifresi

1971'de IBM Araştırma Merkezi'nden Horst Feistel, Lloyd's of London için yürütülen bir bankacılık güvenliği projesinin parçası olarak Lucifer adlı bir şifre geliştirdi. Lucifer, 128 bitlik anahtar ve 128 bitlik bloklar kullanan ilk modern blok şifrelerinden biriydi.

Lucifer, yarım bloklara uygulanan yerine koyma ve permütasyon turlarının dönüşümlü olarak kullanıldığı Feistel yapısıyla güçlü bir blok şifresi oluşturulabileceğini gösterdi. Lucifer, DES'in doğrudan atasıydı.

DES, 64 bitlik bloklara Feistel yapısının 16 turunu uygular. Her turda 64 bitlik blok, 32 bitlik iki yarıya ayrılır. Sağ yarı 48 bite genişletilir, 48 bitlik alt anahtarla XOR işleminden geçirilir, S kutularından geçirilir, permütasyona uğratılır ve sol yarıyla XOR işleminden geçirilir.

Ardından yarılar yer değiştirilir ve işlem yinelenir. 16 turun ardından son permütasyon, 64 bitlik şifreli metni üretir. Şifre çözme işlemi, alt anahtarların ters sırada kullanıldığı aynı yapıyla gerçekleştirilir.

DES, verileri 64 bitlik (8 baytlık) bloklarda şifreler. Bu sabit blok boyutu 1977 donanımı için uygundu, ancak zamanla bir güvenlik sorunu hâline geldi. Yeterli miktarda veriyle doğum günü paradoksu nedeniyle çakışmalar olası hâle gelir.

64 bitlik bloklarda, yaklaşık 2^32 bloktan sonra istatistiksel örüntüler ortaya çıkar (aynı anahtarla şifrelenmiş yaklaşık 32 GB veri). Bu Sweet32 saldırısı, 3DES'i HTTPS gibi yüksek hacimli trafik için güvensiz hâle getirdi.

DES, 64 bitlik bir anahtar kullanır, ancak bu bitlerin 8'i şifreleme için değil, hata tespiti için kullanılan eşlik bitleridir. Bu nedenle etkin anahtar uzunluğu yalnızca 56 bittir.

Bu, yalnızca 2^56 (yaklaşık 72 katrilyon) olası DES anahtarı olduğu anlamına gelir. 1977 standartlarına göre bu sayı yeterli kabul ediliyordu. 1997'ye gelindiğinde ise kararlı bir saldırgan tarafından kırılabileceği açıkça gösterilmişti.

DES, düz metin bloğunun 64 bitini yeniden düzenleyen bir başlangıç permütasyonuyla (IP) başlar ve bunun tam tersi olan bir son permütasyonla (IP^-1) biter. Bu permütasyonlar kriptografik güç katmaz.

Bu permütasyonlar, belirli 1970'ler yonga mimarilerinde donanım verimliliği sağlamak ve bitlerin yazmaçlara daha hızlı yüklenmesine olanak tanımak için tasarlanmıştı. Modern analizler bunların güvenliğe hiçbir katkı sağlamadığını doğrulamaktadır.

Sekiz S kutusu (Yerine Koyma kutusu), DES'in doğrusal olmayan yapısının temelidir. Her S kutusu 6 bitlik bir girdi alır ve sabit bir arama tablosu kullanarak 4 bitlik bir çıktı üretir. Dıştaki 2 bit satırı, içteki 4 bit ise sütunu seçer.

S kutularının sağladığı doğrusal olmayan yapı olmasaydı DES, doğrusal cebir kullanılarak kolayca kırılabilen tamamen doğrusal bir şifre olurdu. DES'in S kutularının özel tasarımı, diferansiyel kriptanalize karşı direnç gösterir.

DES, S kutularından sonra bu kutuların ürettiği 32 çıktı bitini yeniden düzenleyen bir P kutusu permütasyonu uygular. Bu işlem yayılım sağlar; her S kutusunun çıktısını bir sonraki turda birden çok S kutusunu etkileyecek şekilde dağıtır.

P kutusu yayılımı en üst düzeye çıkaracak şekilde dikkatle tasarlanmıştır: bir S kutusunun her çıktı biti, sonraki turda en az iki farklı S kutusunu etkiler ve hızlı bir çığ etkisi sağlar.

DES, her tur için bir tane olmak üzere 56 bitlik ana anahtardan 16 farklı 48 bitlik alt anahtar türetir. Anahtar planlaması, eşlik bitlerini kaldırmak ve anahtar bitlerini yeniden sıralamak için permütasyon seçiminin (PC-1) uygulanmasıyla başlar.

56 bit, her turda 1 veya 2 konum sola döndürülen iki adet 28 bitlik yarıya ayrılır. Ardından permütasyon seçimi (PC-2), her turun alt anahtarını oluşturmak üzere 56 bitten 48 tanesini seçer.

NSA, DES'in geliştirilmesi sırasında IBM ile birlikte çalışarak anahtar uzunluğunu Lucifer'in 128 bitinden 56 bite düşürdü ve S kutusu tasarımlarında değişiklikler yaptı. Bu durum, arka kapıların eklenip eklenmediği konusunda onlarca yıl süren tartışmaları başlattı.

1990'larda NSA yetkilileri, 1974'te IBM'in keşfettiği bir teknik olan diferansiyel kriptanalize karşı S kutularını güçlendirdiklerini doğruladı. NSA'nın diferansiyel kriptanaliz hakkında akademik çevrelerden yıllar önce bilgi sahibi olması, DES'i zayıflatmak yerine saldırılara karşı daha dayanıklı hâle getirdiklerini düşündürüyordu.

DES, rekabetçi bir değerlendirme sürecinin ardından Ocak 1977'de Federal Bilgi İşleme Standardı 46 olarak kabul edildi. Gizli olmayan devlet verileri için standart şifreleme algoritması hâline geldi ve bankacılık ile sanayi alanlarında yaygın biçimde benimsendi.

DES'in standartlaştırılması tarihsel açıdan önemliydi: DES, kamuya açık ve devlet tarafından desteklenen ilk kriptografik algoritmaydı. Donanım uygulamalarının geliştirilmesini teşvik etti ve gelecekteki şifreleme algoritması standartlaştırma süreçleri için bir şablon oluşturdu.

DES'in kendisi, her seferinde tam olarak 64 bit şifreleyen bir blok şifresidir. Gerçek iletiler daha uzun olduğundan çalışma kipleri, şifrenin birden çok bloğa nasıl uygulanacağını tanımlar. Yaygın kipler arasında ECB (her bloğu bağımsız olarak şifreleme), CBC (şifrelemeden önce her bloğu önceki şifreli metinle XOR'lama), CFB, OFB ve CTR bulunur.

ECB en zayıf kiptir: aynı açık metin blokları aynı şifreli metin bloklarını üretir ve görünür örüntüler oluşturur. CBC ve CTR kipleri bu zayıflığı ortadan kaldırır ve pratik DES ile 3DES kullanımı için tercih edilir.

DES tasarım parametreleri hakkındaki bilginizi sınayın.

DES, IBM'in Lucifer şifresinden 64 bitlik bloklara ve etkin olarak 56 bitlik anahtarlara sahip, 16 turlu bir Feistel şifresine dönüştü. Güvenliği, karmaşıklık sağlayan doğrusal olmayan 8 S kutusundan, yayılım sağlayan P kutusundan ve çığ etkisini güçlendiren 16 turdan kaynaklanır.

NSA'nın S kutusu tasarımına katılımı tartışmalıydı; ancak sonuçta diferansiyel kriptanalize karşı direnci artırdı. 1977 donanımı için tasarlanan DES'in 56 bitlik anahtarı, 1990'ların sonlarına gelindiğinde yetersiz kaldı.