XSL-атака

XSL-атака (, алгебраическая атака) — это метод криптографического анализа, основанный на алгебраических свойствах шифра. Метод предполагает решение особой системы уравнений.

Данный метод был предложен в 2001 году Николя Куртуа (Nicolas T. Courtois) и Юзефом Пепшиком (Josef Pieprzyk).

XSL-атаки ранее считались невозможными, однако 26 мая 2006 года Куртуа продемонстрировал возможность XSL-атаки против модели одного шифра, сходного по своей структуре с шифром  AES.

Как говорил один из создателей шифра Rijndael в частной переписке: «XSL — это не атака, это всего лишь мечтательный сон». «Этот сон может превратиться в кошмар», — отвечал Николя Куртуа.

Если XSL атаки действительно работают, они взломают все существующие на данный момент шифры. Спасти шифр от взлома может лишь чистая случайность. С другой стороны вполне возможно (а с нашей точки зрения и наиболее вероятно), что XSL атаки не применимы на практике или же применимы только к небольшому числу высокоструктурированных шифров

История создания 
В 2001 году Нильс Фергюсон, Ричард Шроппель (R. Schroeppel) и Даг Вайтинг (D. Whiting) опубликовали статью, в которой смогли представить запись шифра Rijndael в виде алгебраической формулы, используя представления линейных частей шифра и нелинейных S-блоков в виде уравнений высокого порядка . Они пришли к выводу, что все симметричные блочные шифры могут быть приведены к многомерному уравнению над некоторым конечным полем. Они же задались вопросом, поможет ли знание об алгебраической форме помочь взломать шифр. Если в функции, выражающей S-блоки, не учитывать аргументы в степени -1, тогда шифр становится аффинным и легко взламывается другими способами, не требующими линеаризации. Если же приравнять эти аргументы  к , то уравнение получается полиномиально сложным. 

В те годы появлялось множество атак на открытые ключи: атака на систему Мацумото-Имаи, атака на HFE. Эти атаки завершались успехом сразу после раскрытия факта (теоретического или экспериментального) существования дополнительных уравнений многих переменных, которые не очевидны и не были предусмотрены разработчиками оригинального шифра.

Ади Шамир в 1998 показал, что квадратные уравнения многих переменных (MQ) — NP-полная задача. Её сложность заметно снижается, когда уравнения становятся переопределены. В первом исследовании Николя Куртуа и Юзеф Пепшик показывают, что получаемые MQ — разрежены и имеют регулярную структуру. 

2 декабря 2002 года на ASIACRYPT-2002 Николя Куртуа и Юзеф Пепшик выступили со статьёй "Cryptanalysis of block ciphers with overdefined systems of equations", где впервые представили две вариации метода XSL-атаки. Выводом из этой работы служит то, что стойкость AES опирается только на невозможность на данный момент решить систему уравнений, описывающую алгебраическую структуру шифра.

XSL-шифр 
Обобщая класс SP-шифров, которые состоят из S-блоков и функций перемешивания бит (permutation of bits), Куртуа и Пепчик обозначили новый класс SA-шифров, который состоит из S-блоков и аффинных функций. Согласно исследованию Ади Шамира и Алекса Бирюкова атаки на SA-шифры не зависят от свойств определенного S-блока. После в статье был введён XSL-шифр класса SA, который описывает структуру типового блочного шифра, для которого метод может быть применён.

Структура шифрования состоит из раундов:

  в раунде  проводится операция  открытого текста с сессионым ключом 
  Результат разделяется на блоки по  бит. Каждый такой блок параллельно поступает на вход некоторого числа B биективных S-блоков.
  потом применяем линейный рассеивающий слой.
  применяем операцию  к следующему сессионному ключу 
 если  прерываем цикл, в противном случае переходим к следующей итерации по   и возвращаемся к шагу .

Математические основы 
S-блоки шифров Rijndael и Serpent могут быть представлены в виде некоторой функции многих переменных высоких степеней, метод Куртуа понижает степень функции до некоторого числа , где  обычно выбирается равным 2, с помощью расширения пространства аргументов. Особый интерес имеет количество таких функций . Если , такие уравнения достаточно описывают S-блок. Если же , тогда говорим, что система переопределена.

Существует два типа XSL-атак. Первый (общий) оперирует с XSL-шифрами, независимо от алгоритма расписания ключей (см. key schedule). Тогда алгоритм требует такое число шифротекстов, сколько внутри шифра существует S-блоков. Второй вариант XSL-атаки учитывает, что известен алгоритм расписания ключей, поэтому требует всего один шифротекст.

Алгоритм первого варианта XSL-атаки 
Каждый раунд работы S-блока записывается в виде уравнения:

 

где - биты на входе - ого S-блока, - биты на выходе - ого S-блока.

Далее выбирается критический параметр атаки . Во время атаки уравнение каждого S-блока будет умножаться на все возможные одночлены подмножества  оставшихся S-блоков. Причем при изменении числа раундов шифра параметр  должен возрастать не сильно, как показали эксперименты Куртуа и Пепшика.

Далее для нахождения системы, для которой существует единственное решение, записывается новое уравнение:

Цель всех этих преобразований — привести систему уравнений к линейной переопределенной системе, в которой нет очевидных линейно зависимых уравнений.

Мнение научного сообщества 
Метод алгебраических атак показался многообещающим для криптоанализа, так как не требовал большого числа шифротекстов в теории и предлагал взлом наиболее используемого стандарта шифрования (AES). В течение пяти лет вышло много исследований на тему работоспособности XSL-атак. 

Так, в работе Карлоса Сида (Carlos Cid) и Г. Лорен (Ga¨etan Leurent) был разобран второй вариант XSL-атаки из оригинальной статьи — compact XSL — на AES-128. В статье были разобраны примеры, при которых данный алгоритм рушится в так называемом T-блоке, который используется для расширения пространства переменных. Однако учёные сделали вывод, что XSL подход — первая попытка найти уязвимость в структурной части AES-шифра.

Например, в работе Chu-Wee Lim и Khoongming Khoo  исследуется попытка взлома приложения BES (Big Encryption System) к AES. Это расширение переводит все вычисления в поле , что, соответственно, должно уменьшать количество операций. Однако теоретические расчёты показали, что сложность алгоритма для BES-шифра повышается. Сложность для вариантов BES:

 BES-128: 
 BES-192: 
 BES-256: 

Было установлено, что XSL-атака не эффективна против BES-шифров.

Примечания

Литература 
 
 
 
 
 

Криптографические атаки