1. IT346 Information System Security
Week 3-1: Symmetric-Key Cryptography
อ.พงษ์ศกดิ์ ไผ่แดง
ั
Faculty of Information Technology
Page
1

2. Cryptography
 Cryptography หมายถึงวิทยาการรหัสลับ มาจากคาว่า crypto ที่แปลว่า
ซ่อน และคาว่า graph ที่แปลว่าการเขี ยนCryptography จึงมีความหมาย
ว่า “การเขี ยนเพื่อซ่อนข้อมูล”
 Cryptography ใช้ในการปองกันข้อมูลและสารสนเทศ โดยประกอบด้วย
้
3 เทคโนโลยีหลัก
‣ Symmetric Key Cryptography หรือ Secret Key Cryptographyคือการเข้ารหัส
ข้อมูลแบบ “สมมาตร”
‣ Asymmetric Key Cryptography หรือ Public Key Cryptographyคือการ
เข้ารหัสข้อมูลแบบ “อสมมาตร”
‣ Hash Function คือการสร้างตัวแทนข้อมูล
Faculty of Information Technology
Page

3. Cryptography
 Cryptanalysis หมายถึ งการพยายามวิเคราะห์เพื่อศึ กษาประเด็ นต่างๆที่
เกี่ยวข้องกับ Cryptography
 Sensitive Data หมายถึ งข้อมูลสาคัญที่ถือว่าเป็ นความลับไม่สามารถ
แพร่งพรายออกสู่ภายนอกได้
Faculty of Information Technology
Page

4. Symmetric-Key Cryptography
 Plaintext –ข้อมูลต้นฉบับ
 Encryption algorithm –ดาเนิ นการแทนที่ (substitutions) หรือ แปลงข้อมูล




(transformations) บน plaintext
Secret Key –ควบคุมการ substitutions/transformationsที่เกิดขึ้นใน
กระบวนการ encryption
Ciphertext – ข้อมูลที่ถกแปลงด้วย substitutions/transformationsแล้ว
ู
Decryption – กระบวนการย้อนกลับของ encryption
ความแข็งแกร่งของ encryption อยู่ที่การรักษาความลับของ keyที่ใช้
Plaintext
Key
Encryption
E(P,K)  C
Faculty of Information Technology
Key
Ciphertext
Plaintext
Decryption
D(C,K)  P
Page

5. อัลกอริทึมมาตรฐานสาหรับการเข้ารหัส
 อัลกอริทึม DES (Data Encryption Standard)
‣ Key size 56 bits
 อัลกอริทึม 3-DES (Triple-DES)
‣ Key size 112 bits
 อัลกอริทึม IDEA (International Data Encryption Algorithm)
‣ Key size 128 bits
 อัลกอริทึม AES (Advanced Encryption Standard)
‣ Key size 128, 192, 256 bits
Faculty of Information Technology
Page
5

6. DES Algorithm
 DES ย่อมาจาก Data Encryption Standard เป็ นการเข้ารหัส แบบบล็ อค
(Block cipher) ที่พฒนามาจากอัลกอริทึม Lucifer ของ IBM โดย
ั
Lucifer ได้รบการพัฒนาเพิ่มความสามารถและเปลี่ยนชื่อเป็ น DES แล้ว
ั
ได้รบการนาเสนอต่อ US NIST (US National Institute of Standards
ั
and Technology) ให้กลายเป็ นมาตรฐานการเข้ารหัส
 DES เป็ นอัลกอริทึมแบบบล็ อก (Block Cipher) ใช้ Key ขนาดความยาว
56 bits ดาเนิ นการบนบล็ อคข้อมูล (Data Block) ขนาด 64 bits
Faculty of Information Technology
Page
6

7. DES Overview
64-bit Plaintext
…
64-bit Key
Initial Permutation
PC1
64 bit
Round 0
64 bit
Round 1
…
K1
48 bit
K2
48 bit
56 bit
PC2
PC2
Left Circular Shift
56 bit
64 bit
Round 15
56-bit Key
56-bit Key
Left Circular Shift
56-bit Key
K16
48 bit
PC2
56 bit
Left Circular Shift
64 bit
32-bit Swap
64 bit
Inverse Initial Permutation
…
64-bit Ciphertext
Faculty of Information Technology
Page
7

8. DES Overview
 ขันตอนการทางานของ DES Algorithm บน Data Block โดยสังเขป
้
1) Data Block ขนาด 64 bits จะถูกสลับตาแหน่ ง (สลับบิต)เรียกขันตอนนี้ ว่า
้
Initial Permutation (IP)
2) Data Block ถูกดาเนิ นการอีก 16 รอบ แต่ละรอบมีการแทนที่บิต
(substitution) และการสลับบิต (permutation) โดยใช้ key ขนาด 48 bits
3) Data Block ถูกสลับครึ่งแรกของบล็อคกับครึ่งหลังของบล็ อค
4) Data Block ถูกสลับบิตแบบกลับทิศทางกับขันตอนแรก เรียกว่า Inverse
้
Initial Permutation
 ขันตอนการทางานของ DES Algorithm บน Key Block โดยสังเขป
้
a) Key Block ขนาด 64 bits จะถูกสลับบิตเรียกขันตอนนี้ ว่า Permutation
้
Choice 1 (PC1) โดยเลือก 56 bits ออกมาจาก 64 bits แล้วแบ่งครึ่งเป็ น
ครึ่งละ 28 bits
b) Key Block ถูกดาเนิ นการอีก 16 รอบ แต่ละรอบมีการวนบิตไปทางซ้ายแบบ
เป็ นวงกลม (Left Circular Shift) และการสลับบิต (permutation) เพื่อสร้าง
key ขนาด 48 bits สาหรับการดาเนิ นการบน Data Block ขัน 2)
้
Faculty of Information Technology
Page
8

9. รอบการทางานบน Data Block
 การดาเนิ นงานบน Data Block แต่ละรอบใน 16 รอบ เป็ นดังนี้
64-bit
Round 0
L0 (32 bits)
R0 (32 bits)
f
K1
XOR
Round 1
L1=R0
R1=(L0 XOR f(R0,K1))
f
K2
XOR
L2=R3
Faculty of Information Technology
R2=(L1 XOR f(R1,K2))
Page
9

10. รอบการทางานบน Data Block
แต่ละรอบของการทางาน (Round 0 – 15)
 ข้อมูลในส่วนทางขวา (Ri) 32 bits และคียย่อย K ของรอบนันๆ จะถูก
์
้
นามาดาเนิ นการผ่านฟั งก์ชน f ได้ผลลัพธ์เป็ น f(Ri,Ki-1)
ั่
 ผลลัพธ์ท่ีได้จากทังส่วนทางซ้าย (Li) และขวา f(Ri,Ki-1) จะถูกนามา
้
รวมกันแบบ XOR
 ผลลัพธ์ที่ได้จากการ XOR จะถูกใช้เป็ นข้อมูลส่วนทางขวาของรอบใหม่
(Ri+1) และข้อมูลของส่วนทางขวาเดิม (Ri) ก็จะกลายเป็ นข้อมูลส่วนซ้าย
ของวงรอบใหม่ (Li+1)
Faculty of Information Technology
Page
10

11. รอบการทางานบน Data Block
ฟั งก์ชน f ทาหน้าที่ดงนี้
ั่
ั
 ฟั งก์ชน f ทาการขยายข้อมูลในส่วนทางขวา (Ri) 32 bitsให้กลายเป็ น
ั่
ข้อมูลขนาด 48 bits พร้อมทังเลื่ อนบิตของ Key ซึ่งมีเพียง 48 bits (จาก
้
เดิม 56 bits) จากนันจึงนาข้อมูลมารวมกับ key ด้วยการ XOR
้
 ผลลัพธ์ขนาด 48 bits ที่ได้จากการรวม จะถูกนาไปทาการแทนที่
(substitution) อีก 8 ครัง ผลลัพธ์จากการแทนที่จะเหลื อข้อมูลเพียง 32
้
bits เท่านัน
้
 ผลลัพธ์จากการแทนที่จะถูกสลับตาแหน่ ง (Permutation) อีกครัง
้
 หนึ่ งรอบของการทาฟั งก์ชน f จะประกอบด้วยขบวนการข้างต้นทังหมด 4
ั่
้
ครัง
้
Faculty of Information Technology
Page
11

12. รอบการทางานบน Data Block
 โครงสร้างของฟั งก์ชน f ในรอบการทางาน
ั่
การทางานของฟั งก์ชน f ประกอบด้วย S-box ทังหมด
ั่
้
8 กล่อง แต่ละกล่องทาหน้าที่ map ข้อมูล 6 bits ไป
เป็ น 4 bits เช่น S(18 09 12 3d 11 17 38 39) =
5fd25e03
Faculty of Information Technology
Page
12

13. ภาพรวม
รอบการทางานบน
Data Block
Faculty of Information Technology
Page
13

14. รอบการทางานบน Key Block
 อี กด้านหนึ่ งของการทางานใน DES คือการสร้าง subkeys เพื่อใช้ในแต่ละ
รอบ ซึ่งประกอบด้วยขันตอน ต่อไปนี้
้
‣ การสลับบิตของ key ในขันต้น เรียกว่าเป็ น initial permutation
้
(Permutation Choice 1, PC1) ซึ่งทาการเลือก 56bits โดยแบ่งครึ่งเป็ น 2
ส่วน ครึ่งละ 28bit
‣ รอบ 16 รอบประกอบด้วย:
• หมุนส่วน 28 bit แต่ละส่วนโดยเลื่ อนบิตไป 1 หรื อ 2 ตาแหน่ ง ขึ้ นกับ key
rotation schedule
• เลื อก 24 bits จากแต่ละครึ่ ง แล้วสลับบิตด้วย PC2 จากนันจึ งนาไปใช้
้
ดาเนิ นการกับ data block ในรอบนันๆ
้
Faculty of Information Technology
Page
14

15. DES Decryption
 โดยปกติแล้วการถอดรหัส (decryption) สาหรับ Block Cipher จะเป็ น
การย้อนการทางานของการเข้ารหัส (encryption)
 แต่ DES ถูกออกแบบมาอย่างดี ทาให้อลกอริทึมการถอดรหัส
ั
(decryption) เป็ นอัลกอริทึมเดียวกับการเข้ารหัส (encryption) มีลาดับ
การทางานเหมือนกัน เพียงแต่ใช้ subkeys (K1 … K16) ในลาดับกลับกัน
เท่านัน
้
 ดังนันในการ decryption เราสามารถใช้ Hardware ชุดเดียวกันกับการ
้
Encryption ได้โดยปอน subkeys ตามลาดับ K16 … K1
้
‣ สะดวกต่อการใช้งาน และประหยัดค่าใช้จ่าย
Faculty of Information Technology
Page
15

16. DES Decryption
 DES decryption สามารถหักล้าง DES Encryption ได้ดงนี้
ั
‣ ขันตอน Initial Permutation ซึ่งเป็ นขันตอนแรกของการ decryption ลบล้าง
้
้
ขันตอน Inverse Initial Permutation ซึ่งเป็ นขันตอนสุดท้ายของการ
้
้
encryption
‣ Round 0 โดยใช้ K16 เป็ นการลบล้าง Round 15 ของ encryption
‣ ….
‣ Round 15 โดยใช้ K1 เป็ นการลบล้าง Round 0 ของ encryption
‣ ขันตอน Inverse Initial Permutation ซึ่งเป็ นขันตอนสุดท้ายของการ
้
้
decryption ลบล้างขันตอน Initial Permutation ซึ่งเป็ นขันตอนแรกของการ
้
้
encryption
‣ สุดท้าย จะได้ plaintext ขนาด 64 bits กลับคืนมา
Faculty of Information Technology
Page
16

17. Avalanche Effect
 Avalanche Effect เป็ นคุณสมบัติท่ีเป็ นที่ตองการ สาหรับ encryption
้
algorithm
 เมื่อเปลี่ ยน input หรือ key ไปเพียง 1 bit ก็จะเปลี่ ยน bits ของ output
ไปประมาณครึ่งหนึ่ ง
 DES ให้ Avalanche Effect ที่ดี
Faculty of Information Technology
Page
17

18. Strength of DES – Key Size
 Key ขนาด 56-bit ให้ค่าที่เป็ นไปได้ทงหมด 256 = 7.2 x 1016 ค่า
ั้
 การโจมตีแบบ brute force search เป็ นไปได้ยาก
 อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบว่า การทา brute force search บน key ของ
DES Algorithm เป็ นไปได้
‣ ปี 1997 บริษท Distribution.net ใช้ระบบบน Internet สามารถทาได้ภายใน
ั
เวลา 41 วัน
‣ ปี 1998 บริษท EFF สร้าง hardware เฉพาะสาหรับแก้ปัญหานี้ ทาได้ภายใน
ั
่
เวลา 56 ชัวโมง
‣ ปี 1999 Distribution.net และบริษท EFF ก็จบมือกันและใช้คอมพิวเตอร์กว่า
ั
ั
่
่
100,000 เครื่องทัวโลกสามารถแคร็ก DES ได้ใน 22 ชัวโมง 15 นาที
 จึงต้องหาทางเลื อกในการ encryption ที่แข็ งแกร่งกว่า DES
Faculty of Information Technology
Page
18

19. ทางเลือกที่แข็ งแกร่งกว่า DES
 การขยาย Key ของ DES จาก 64 bits ให้เป็ น 128 bits เพื่อจะได้ใช้เวลา
ในการ crack นานขึ้น
‣ ปั จจุบน DES แบ่งออกเป็ น DES 64 Bit และ DES 128 Bit
ั
 แต่ถึงแม้ว่าจะใช้ 128 bit ก็ตาม DES ก็ยงสามารถถูก crack ได้ จึงได้มี
ั
การพัฒนาให้มี Triple-DES (3DES) ที่มีความแข็ งแกร่งมากขึ้ น
Faculty of Information Technology
Page
19

20. Triple-DES (3DES) with Two-Keys
 Triple-DES เป็ นการเข้ารหัสที่ถกสร้างมาเพื่อแก้ปัญหาความอ่อนแอของ
ู
DES โดย Triple-DES จะช่วยเสริมความปลอดภัยให้การเข้ารหัสมี
ปลอดภัยมากขึ้น
 ใช้อลกอริทึม DES เป็ นจานวน 3 ครังเพื่อทาการเข้ารหัส
ั
้
 ใช้ key เพียง 2 คียในการทา Encryption ด้วยลาดับ Encrypt-Decrypt์
Encrypt
C = EK1(DK2(EK1(P)))
‣ หาก K1 = K2 จะกลายเป็ น DES ธรรมดา
 ความแข็ งแกร่งนี้ จึงทาให้ Triple-DES เป็ นอี กหนึ่ งในมาตรฐานในการ
เข้ารหัสในปั จจุบน
ั
Faculty of Information Technology
Page
20

21. Triple-DES (3DES) with Two-Keys
 กระบวนการ Encryption แบบ 3DES อาจใช้ Key เพียง 2 คีย ์
64-bit Plaintext
DES Encryption
Key 1
DES Decryption
Key 2
DES Encryption
Key 1
64-bit Ciphertext
Faculty of Information Technology
Page
21

22. AES (Advance Encryption Standard)
 AES (Advance Encryption Standard) เป็ นการเข้ารหัสที่พฒนาขึ้ นมาเพื่อ
ั




ใช้ทดแทน DES หลังจากที่ DES ถูก break ได้ โครงการพัฒนา AES ได้
เริ่มต้นเมื่อปี 1997 โดย NIST
่
ในปี 1998 NIST ก็ให้นกวิทยาการหัสลับทัวโลกส่งอัลกอริทึมเข้ามาเพื่อ
ั
คัดเลือกโดยกาหนดให้ใช้ data block ขนาด 128 bit เป็ นมาตรฐาน
อัลกอริทึมต่างถูกคัดเลือกเข้ามาทังสิ้ น 15 อัลกอริทึม และมีอยู่ 5
้
อัลกอริทึมที่ผ่านเข้ารอบชิง
อัลกอริทึมของ Rijndael ชนะการคัดเลื อก เนื่ องจากเป็ นอัลกอริทึมที่เร็ว
กว่าและซับซ้อนน้อยกว่า แต่ได้ความปลอดภัยเท่ากัน
Rijndael Algorithm กลายเป็ น RFC 3826 และเมื่อปี 2004 ข้อกาหนดใน
มาตรฐานล่าสุดอนุญาตให้ใช้ AES เข้ารหัสข้อมูลโดยใช้ Key ทีมขนาดต่าง
่ ี
ๆ ได้ ซึ่งได้แก่ 128 Bit, 192 Bit และ 256 Bit
Faculty of Information Technology
Page
22

23. การทางานของ AES
 AES เป็ นการดาเนิ นการบน Bytes จึงทาให้ง่ายในการพัฒนาระบบ และมี
ความรวดเร็วในการเข้าและถอดรหัส
 Data Block ขนาด 128 bits = 16 bytes
‣ มอง Data Block 16 bytes เป็ นตารางขนาด 4 x 4
‣ สถานะปั จจุบนของ bytes ในตาราง เรียกว่าเป็ น Current State
ั
‣ Current State (สถานะของตาราง bytes) จะถูกดาเนิ นการทังหมด 10 รอบ
้
ทาให้ค่าให้ตารางเปลี่ยนไป เมื่อสิ้นสุดการทางานตาราง Current State จะเก็บ
ciphertext ที่ได้จากการ encryption
in0 in4 in8 in12
s0,0 s0,1 s0,2 s0,3
s0,0 s0,1 s0,2 s0,3
out0 out4 out8 out12
in1 in5 in9 in13
s10 s1,1 s1,2 s1,3
s10 s1,1 s1,2 s1,3
out1 out5 out9 out13
in2 in6 in10 in14
s2,0 s2,1 s2,2 s2,3
s2,0 s2,1 s2,2 s2,3
out2 out6 out10 out14
in3 in7 in11 in15
s3,0 s3,1 s3,2 s3,3
s3,0 s3,1 s3,2 s3,3
out3 out7 out11 out15
input
Faculty of Information Technology
State Array
output
Page
23

24. การทางานของ AES
 Key Block ขนาด 128 bits = 16 bytes
‣ มอง Key Block 16 bytes เป็ นตาราง
ขนาด 4 x 4
‣ Key จะถูกขยาย (Key Expansion)
ให้เป็ นอาร์เรย์ของ word ขนาด 44 words
(1 word = 32 bits = 4 bytes)
k0
k4
k8 k12
k1
k5
k9 k13
k2
k6 k10 k14
k3
k7 k11 k15
w0 w1 w2 w3
แต่ละรอบของ
Key Expansion
f
+ + + +
w4 w5 w6 w7
Key Expansion
k0
k4
k8 k12
k1
k5
k9 k13
k2
k6 k10 k14
k3
k7 k11 k15
Faculty of Information Technology
w0 w1
…
w43
Page
24

25. การทางานของ AES
วงรอบการทางานของ AES แบ่งเป็ น 3 ส่วนหลักได้แก่
 รอบเริ่มต้น (Initial Round)
‣ ประกอบด้วยขันตอน AddRoundKey
้
 รอบระหว่างกลาง (Rounds) รวม 9 รอบ
‣ ประกอบด้วยขันตอน SubBytes, ShiftRows, MixColumns และ AddRoundKey
้
 รอบสุดท้าย (Final Rounds)
‣ ประกอบด้วยขันตอน SubBytes, ShiftRows และ AddRoundKey (ไม่มี
้
MixColumns)
 ทุกรอบมีการใช้ round key (sub-key จาก key expansion) ขนาด 4
words รวม 11 รอบ ใช้ทงหมด 11 sub-keys รวม 44 words
ั้
Faculty of Information Technology
Page
25

26. AES
รอบเริ่มต้น
(Initial Round)
รอบระหว่างกลาง (Rounds)
รอบสุดท้าย (Final Round)
ไม่มี Mix Columns
Faculty of Information Technology
Page
26

27. การทางานของ AES
 กระบวนการ AddRoundKey
‣ เป็ นการเอาข้อมูลมา XOR กับ key
‣ ขันตอนนี้ มีอยู่ในทุก round ของการทางาน
้
ข้อมูล
Key ขนาด 4 words
= 16 bytes
w
Faculty of Information Technology
Page
27

28. การทางานของ AES
 กระบวนการ SubBytes
‣ เป็ น non-linear substitution ซึ่งแต่ละไบต์จะถูกแทนที่ดวยไบต์ท่ีได้จาก
้
lookup table
‣ ขันตอนนี้ มีอยู่ในรอบระหว่างกลาง และรอบสุดท้ายของการทางาน
้
ข้อมูล
Faculty of Information Technology
Page
28

29. การทางานของ AES
 กระบวนการ ShiftRows
‣ เป็ นการเลื่อนไบต์ในแต่ละแถว ซึ่งจะทาเฉพาะแถวที่ 2, 3 และ 4
‣ ขันตอนนี้ มีอยู่ในรอบระหว่างกลาง และรอบสุดท้ายของการทางาน
้
ข้อมูล
Faculty of Information Technology
Page
29

30. การทางานของ AES
 กระบวนการ MixColumns
‣ เป็ นการผสมรวม 4 ไบต์ภายในคอลัมน์ ผ่านการคูณเมตริกต์
‣ ขันตอนนี้ มีอยู่ในรอบระหว่างกลางของการทางาน เท่านัน
้
้
ข้อมูล
Faculty of Information Technology
Page
30