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K_r 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K_r 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，K_r 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P_i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=0 ; i<16 ; i += 2) {
      L ^= P[i];
      R ^= f(L);
      R ^= P[i+1];
      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 > 0 ; i -= 2) {
      L ^= P[i+1];
      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=0 ; i<18 ; ++i)
      P[i] ^= key[i % keylen];
   uint32_t L = 0, R = 0;
   for (int i=0 ; i<18 ; i+=2) {
      encrypt (L, R);
      P[i] = L; P[i+1] = R;
   }
   for (int i=0 ; i<4 ; ++i)
      for (int j=0 ; j<256; j+=2) {
         encrypt (L, R);
         S[i][j] = L; S[i][j+1] = R;
      }
}

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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