Blok şifreleme

Çoğu blok şifre tekrarlaran blok şifreler olarak sınıflandırılır, yani şifresiz metin sabit boyutta bloklara bölünerek aynı boyuttaki şifreli metin bloklarına dönüştürülür, ve bu tekrarlanan tersi alınabilir dönüşüme raund fonksiyonu adı verilirken, her bir tekrara da "raund" denir.[7]

Raund fonksiyonu R genellikle ikinci girdi olarak orijinal anahtardan üretilen raund anahtarı K_i alır:

${\displaystyle M_{i}=R_{K_{i}}(M_{i-1}),}$

ve burada r raund sayısı olmak üzere ${\displaystyle M_{0}}$ şifresiz metin ve ${\displaystyle M_{r}}$ ise şifreli metindir.

Buna ek olarak anahtar beyazlatma sık olarak kullanılır. Başta ve sonda veri anahtar malzemesi ile modifiye edilir (genellikle XOR kullanılır, ama toplama ve çıkarma gibi basit aritmetik işlemleri de kullanılabilir):

${\displaystyle M_{0}=M\oplus K_{0}}$

${\displaystyle M_{i}=R_{K_{i}}(M_{i-1})\;;\;i=1\dots r}$

${\displaystyle C=M_{r}\oplus K_{r+1}}$

16-bit şifresiz metnin 16-bit şifreli metine dönüştürüldüğü 3 raundluk substitüsyon-permutasyon ağı krokisi. S-kutuları S_i, P-kutuları P, ve raund anahtarları K_i’dır.

Diğer bir önemli tekrarlanan blok şifre türüyse substitüsyon-permutasyon ağıdır. Burada şifreli metin bloğu ve anahtar girdi olarak alınır, ve birbirlerini izleyen raundlarda substitüsyon aşaması ve ardından permutasyon aşamasıyla her bloğa ait şifreli metinler üretilir.[8] Lineer olmayan substitüsyon aşamasında şifresiz metin bitleri anahtar bitleri ile karıştırılarak Shannon'un karışıklığı elde edilir. Lineer olan permutasyon aşamasında ise bitler dağıtılarak diffüzyon sağlanır.[9][10]

Substitüsyon kutusu (S-kutusu) kullanılarak girdi olarak alınan ufak bit bloklarından çıktı olarak başka bit blokları elde edilir. Tersinin olması için substitüsyon birebir olmalıdır. Güvenli bir S-kutusunda bir girdi biti değiştirilirse çıktı bitlerinin ortalama yarısı değişmelidir, yani her çıktı biti tüm girdi bitlerine bağlıdır.[11]

Permutasyon kutusu (P-kutusu) tüm bitlerin yer değiştirmesidir: bir raunddaki tüm S-kutularının çıktılarını alıp bitlerin yerleri değiştirir ve bir sonraki raunddaki S-kutularına girdi olarak verir. İyi bir P-kutusu herhangi bir S-kutusunun çıktısını mümkün olduğunca fazla S-kutusuna dağıtabilmelidir.

Her raundda ana anahtardan üretilen raund anahtarları bazı grup operasyonları kullanılarak işleme dahil edilir. Burada genellikle XOR işlemi kullanılır.

Şifreyi çözme ise tüm bu işlemleri tersten yapılmasıyla kolayca yapılır.

DES ve Blowfish gibi birçok blok şifrede Fiestel ağ yapısı kullanılmıştır.

Feistel ağında, şifrelenecek olan şifresiz metin bloğu iki eşit uzunluktaki parçaya ayrılır. Alt anahtar kullanılarak raund fonksiyonu bu yarımlardan birine uygulandıktan sonra öteki yarı ile XOR'lanır. Ardından iki yarı yer değiştirir.

${\displaystyle {\rm {F}}}$ raund fonksiyonu olsun, ve ${\displaystyle 0,1,\ldots ,n}$ için sırasıyla ${\displaystyle K_{0},K_{1},\ldots ,K_{n}}$ alt anahtarlar olsun.

Basit işleyiş şu şekildedir:

Şifresiz metin bloğu iki eşit uzunluktaki parçaya ayrılır, (${\displaystyle L_{0}}$, ${\displaystyle R_{0}}$)

${\displaystyle i=0,1,\dots ,n}$ numaralı her raund için

${\displaystyle L_{i+1}=R_{i}\,}$

${\displaystyle R_{i+1}=L_{i}\oplus {\rm {F}}(R_{i},K_{i})}$

hesapla.

Sonrasında ${\displaystyle (R_{n+1},L_{n+1})}$ şifreli metindir.

${\displaystyle (R_{n+1},L_{n+1})}$ şifreli metnini çözme işlemi, ${\displaystyle i=n,n-1,\ldots ,0}$ için sırasıyla

${\displaystyle R_{i}=L_{i+1}\,}$

${\displaystyle L_{i}=R_{i+1}\oplus {\rm {F}}(L_{i+1},K_{i})}$

hesaplanmasıyla elde edilir.

Ardından ${\displaystyle (L_{0},R_{0})}$ şifresiz metindir.

Feistel ağının subtitüsyon-permutasyon ağına göre bir avantajı ise ${\displaystyle {\rm {F}}}$ raund fonksiyonun tersinin olma zorunluluğunun olmamasıdır.

Blok şifrelemenin tersine çevrilebilir fonksiyonundan dolayı, doğumgünü problemi kullanılarak blok şifre çıktısının zamanla gerçek rastgeledizilerden ayırt edilebileceğini söyleyebiliriz. Bu özellikten ötürü sistemin güvenliği blok uzunluğunun karekökü ile orantılıdır. Blok uzunluğunu çok büyük seçmek ise performans kaybına sebep olacaktır, bu yüzden aradaki dengeyi korumak gerek. Eski blok şifrelerden DES 64-bit blok uzunluğu kullanıyorken, yeni olan AES ise 128-bit kullanmaktadır.