密码学系列之:blowfish对称密钥分组算法

简介

Blowfish是由Bruce Schneier在1993年发明的对称密钥分组加密算法 类似的DES和AES都是分组加密算法 Blowfish是用来替代DES算法出现的 并且Blowfish是没有商用限制的 任何人都可以自由使用。

对比而言 虽然AES也是一种密码强度很高的对称密码算法 但是如果需要商用的话要向NIST支付授权费用。

blowfish详解

blowfish和DES一样 使用的是feistel密码来进行分组加密。blowfish的分组块大小是64bits,可变密钥长度可以从32bits到448bits不等。

blowfish需要进行16轮的feistel加密操作 我们先从下图大致感受一下blowfish算法的加密流程

大概的流程就是将P(原始数据)分成左右两部分 先拿左边的部分和Kr 做异或操作 得出的结果调用F函数 最后将F函数的输出结果和右半部分进行异或操作。

调换左右部分的位置 继续进行这样的操作 总共进行16轮就得到了最终的加密结果。

大家可以看到整个加密过程中最重要的两个变量就是Kr 和 F函数。

接下来我们会详细进行讲解。

密钥数组和S-box密钥数组

从图上我们可以看到 Kr 的范围是从K1 到 K18 。总共有18个密钥组成的数组。 每个密钥的长度是32位。

我们来看一下密钥数组是怎么生成的。

首先我们使用随机数来对密钥数组进行初始化。怎么才能生成一个足够随机的32位数字呢

一个很常用的方法就是使用常量π的小数部分 将其转换成为16净值 如下所示

K1 0x76a301d3

K2 0xbc452aef

…

K18 0xd7acc4a5

还记得blowfish的可变密钥的长度吗 是从32bits到448bits 也就是从1到14个32位的数字。我们用Pi来表示,那么就是从P1到P14总共14个可变密钥。

接下来我们需要使用K和P进行操作 从而生成最终的K数组。

我们使用K1和P1进行异或操作 K2和P2进行异或操作 一直到K14和P14。

因为P只有14个值 而K有18个值 所以接下来我们需要重复使用P的值 也就是K15和P1进行异或 K16和P2进行异或 直到K18和P4。

将异或之后的值作为新的K数组的值。

现在我们获得了一个新的K数组。

注意 这个K数组并不是最终的数组 我们接下来看。

S-box

在生成最终的P数组之前 我们还要介绍一个概念叫做S-box。

在密码学中 s-box的全称是substitution-box 也就是一个替换盒子 可以将输入替换成不同的输出。

S-box 接收 n个bits的输入 然后将其转换成m个bits的输出。

这里n和m可以是不等的。

我们看一下DES中S-box的例子

上面的S-box将6-bits的输入转换成为4-bits的输出。

S-box可以是固定的 也可以是动态的。比如 在DES中S-box就是静态的 而在Blowfish和Twofish中S-box就是动态生成的。

Blowfish算法中的F函数需要用到4个S-box F函数的输入是32bits 首先将32bits分成4份 也就是4个8bits。

S-box的作用就是将8bits转换成为32bits。

我们再详细看一下F函数的工作流程

S-box生成的值会进行相加 然后进行异或操作。最终得到最终的32bits。

S-box的初始值也可以跟K数组一样 使用常量π的小数部分来初始化。

生成最终的K数组

在上面两节 我们生成了初始化的K数组和S-box。

blowfish认为这样还不够安全 不够随机。

我们还需要进行一些操作来生成最终的K数组。

首先我们取一个全为0的64bits 然后K数组和S-box 应用blowfish算法 生成一个64bits。

将这个64bits分成两部分 分别作为新的K1 和 K2。

然后将这个64bits作为输入 再次调用blowfish算法 作为新的K3 和 K4。

依次类推 最终生成所有K数组中的元素。

4个S-box的数组也按照上面的流程来进行生成。从而得到最终的S-box。

blowfish

有了最终的K数组和S-box 我们就可以真正的对要加密的文件进行加密操作了。

用个伪代码来表示整个流程

uint32_t P[18];
uint32_t S[4][256];
uint32_t f (uint32_t x) {
 uint32_t h S[0][x 24] S[1][x 16 0xff];
 return ( h ^ S[2][x 8 0xff] ) S[3][x 0xff];
void encrypt (uint32_t L, uint32_t R) {
 for (int i i i 2) {
 L ^ P[i];
 R ^ f(L);
 R ^ P[i 
 L ^ f(R);
 L ^ P[16];
 R ^ P[17];
 swap (L, R);
void decrypt (uint32_t L, uint32_t R) {
 for (int i 16 ; i i - 2) {
 L ^ P[i 
 R ^ f(L);
 R ^ P[i];
 L ^ f(R);
 L ^ P[1];
 R ^ P[0];
 swap (L, R);
 // ...
 // initializing the P-array and S-boxes with values derived from pi; omitted in the example
 // ...
 for (int i i i)
 P[i] ^ key[i % keylen];
 uint32_t L 0, R 
 for (int i i i 2) {
 encrypt (L, R);
 P[i] P[i 1] 
 for (int i i i)
 for (int j j j 2) {
 encrypt (L, R);
 S[i][j] S[i][j 1] 
}

blowfish的应用

从上面的流程可以看出 blowfish在生成最终的K数组和S-box需要耗费一定的时间 但是一旦生成完毕 或者说密钥不变的情况下 blowfish还是很快速的一种分组加密方法。

每个新的密钥都需要进行大概4 KB文本的预处理 和其他分组密码算法相比 这个会很慢。

那么慢有没有好处呢

当然有 因为对于一个正常应用来说 是不会经常更换密钥的。所以预处理只会生成一次。在后面使用的时候就会很快了。

而对于恶意攻击者来说 每次尝试新的密钥都需要进行漫长的预处理 所以对攻击者来说要破解blowfish算法是非常不划算的。所以blowfish是可以抵御字典攻击的。

因为blowfish没有任何专利限制 任何人都可以免费使用。这种好处促进了它在密码软件中的普及。

比如使用blowfish的bcrypt算法 我们会在后面的文章中进行讲解。

blowfish的缺点

Blowfish使用64位块大小 与AES的128位块大小相比 使它容易受到生日攻击 特别是在HTTPS这样的环境中。 2016年 SWEET32攻击演示了如何利用生日攻击对64位块大小的密码执行纯文本恢复 即解密密文 。

因为blowfish的块只有64bits 比较小 所以GnuPG项目建议不要使用Blowfish来加密大于4 GB的文件。

除此之外 Blowfish如果只进行一轮加密的话 容易受到反射性弱键的已知明文攻击。 但是我们的实现中使用的是16轮加密 所以不容易受到这种攻击。但是Blowfish的发明人布鲁斯·施耐尔 Bruce Schneier 还是建议大家迁移到Blowfish的继承者Twofish去。

本文已收录于 http://www.flydean.com/blowfish/

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