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DES and 3DES

		INFO & KNOWLEGDE

Der Data Encryption Standard (DES) wurde Anfang der 70er Jahre von IBM unter dem Namen Lucifer entwickelt. IBM hatte mit ihrem patentierten Lucifer-Algorithmus den einzigen ernstzunehmenden Vorschlag für einen Standardalgorithmus, nach einem Aufruf des damaligen National Bureau of Standards, gemacht. In Zusammenarbeit mit der NSA wurde der Algorithmus überarbeitet, wobei vor allem die Schlüssellänge von 128 Bit auf 64 bzw. 56 gekürzt wurde. 1975 wurde der resultierende Algorithmus als Data Encryption Standard publiziert.

Der DES verschlüsselt 64 Bit große Klartextblöcke in 64 Bit große Chiffretextblöcke. Der Schlüssel ist ebenfalls 64 Bit lang, wobei jedes achte Bit als Prüfbit verwendet wird, sodass die effektive Länge 56 Bit beträgt. Der Algorithmus verwendet lediglich die einfachen Funktionen der Permutation, Substitution, sowie eine XOR-Verknüpfung. Die einzelnen Funktionen ermöglichen keine sichere Verschlüsselung, während durch geschickte Kombination und Wiederholung ein sicheres Verfahren realisiert wird.

Charakteristisch für den DES ist der Teil wo der Schlüssel in den Text eingeht. Dies geschieht in 16 Runden und wird jeweils nur auf 32 Bit des gesamten 64 Bit Blockes angewandt. Diese Form wird nach dem damaligen Chef-Kryptologen von IBM Dr. H. Feistel, heute auch Feistel-Chiffrierung genannt. Eine vollständige Erklärung kann im Nist-Standard FIPS-46-3 gefunden werden.

Data Encryption Standard Extended

DESX ist eine verstärkte Variante des DES. Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass in DESX der eingehende Klartext sowie der ausgehende Chiffretext, mit jeweils 64 von zusätzlichen Schlüsselbits, eine bitweise XOR Operation durchlaufen muss. Die Sicherheit von DESX wird damit gegenüber kryptanalytischen Techniken keineswegs erhöht, sondern ist als einfache Maßnahme gegen die vollständige Schlüsselsuche gedacht, die damit um einiges aufwendiger wird. Das DESX-Design geht auf Ron Rivest zurück.

Triple DES

Als größte Schwäche des DES wurde alsbald seine kurze Schlüssellänge erkannt. Eine Kaskade von mehreren DES – Chiffrierungen soll dazu Abhilfe schaffen. Da eine zweifache Kaskade mit einem „Meet-in-the-middle“-Angriff nur einen Sicherheitsgewinn von "einem Bit" also fast gleich schwer zu brechen ist wie eine einfache Verschlüsselung, ist zur "Verdoppelung der Schlüsselstärke" eine dreifache Kaskade notwendig.

Vom Triple-DES gibt es zwei Varianten im EDE-Modus. Mit zwei Schlüssel (K1,K2) erfolgt eine Chiffrierung der Form C= EK1(DK2(EK1(P))). Einer Verschlüsselung (Encryption) mit dem ersten Schlüssel folgt eine Entschlüsselung (Decryption) mit dem zweiten und wiederum eine Verschlüsselung mit dem ersten Schlüssel (EDE2). Bei drei unabhängigen Schlüssel (K1,K2,K3) wird mit C=EK1(DK2(EK3(P))) chiffriert (EDE3). Da es auf die 2-Schlüsselvariante einige kryptanalytische Angriffe gibt, sollte man, wenn es kein Problem mit der Speicherung eines längeren Schlüssels gibt, auf die 3-Schlüssel Variante setzen.

		PRACTICE

Schwache und halbschwache DES-Schlüssel

Eine Charakteristik von DES (und anderen Blockchiffre-Algorithmen) ist, dass er schwache und halbschwache Schlüssel besitzt. Der DES hat vier schwache Schlüssel, für die gilt, dass Ek(Ek(m)) = m. Es existieren ebenso 12 halbschwache Schlüssel, die als Paar (k1,k2) die Bedingung Ek1(Ek2(m)) = m erfüllen, wo also eine Verschlüsselung einem Schlüssel k1 der der Entschlüsselung mit dem Schlüssel k2 entspricht. Bei der Wahl eines DES-Schlüssel sollte man auf diese Schlüssel achten.

Schwache DES Schlüssel

0101010101010101	FEFEFEFEFEFEFEFE
1F1F1F1F0E0E0E0E	E0E0E0E0F1F1F1F1

Halbschwache DES Schlüssel

1. Schlüssel	2. Schlüssel
E001E001F101F101	01E001E001F101F1
FE1FFE1FFEOEFEOE	1FFE1FFEOEFEOEFE
E01FE01FF10EF10E	1FE01FEOOEF10EF1
01FE01FE01FE01FE	FE01FE01FE01FE01
011F011F010E010E	1F011F010E010E01
E0FEE0FEF1FEF1FE	FEE0FEE0FEF1FEF1

Sicherheit von DES

Abgesehen von der kurzen Schlüssellänge fand man erst in den frühen 90er Jahren kryptanalytische Techniken, wie differentielle oder lineare Kryptanalyse, die unter dem Aufwand einer vollständigen Schlüsselsuche waren. Für die Kaskadentechnik wurden schon früher die "Meet in the middle Attack" von Merkle und Hellman erkannt. Sie waren auch die ersten die eine Schwäche der 2 Schlüsselvariante des 3DES erkannten. Die beste Technik auf die 2-Schlüsselvariante fanden van Oorschot und Wiener (Oorschot Wiener Attack). Eine Diskussion über die Sicherheit ist in Helena Handschuh und Bart Preneels Über die Sicherheit von Doppel- und 2-Schlüssel-Dreifach-Verschlüsselungen [168 KB] zu finden

Da kryptanalytische Techniken eher weniger praktische Bedeutung besitzen, blieb die vollständige Schlüsselsuche für DES bei bekanntem Klar- und Chiffretext im Blickfeld, bis 1999 im Rahmen der dritten DES Challenge der RSA
DES Challenge III der Schlüssel in 22 Stunden 15 Minuten gefunden wurde - höchste Zeit für einen Nachfolger.

Linktipps

	DES Cracker der Electronic Frontier Foundation
	Richtlinie zur Implementierung und Verwendung von DES (FIPS PUB 74)
	Angewandte Kryptographie Bruce Schneier bei Amazon