Blowfish: a szimmetrikus blokkrejtjelező algoritmus definíciója és működése

A digitális világban az adatbiztonság sosem volt még ennyire kiemelkedő fontosságú. A személyes adatoktól kezdve a pénzügyi tranzakciókon át a nemzetbiztonsági információkig, mindenhol kritikus, hogy az adatok védve legyenek a jogosulatlan hozzáféréstől. Ennek a védelemnek az egyik alappillére a kriptográfia, és azon belül is a szimmetrikus blokkrejtjelező algoritmusok. Ezen algoritmusok között a Blowfish egy különleges helyet foglal el, melyet Bruce Schneier, neves kriptográfus tervezett 1993-ban, válaszul az akkori ipari szabvány, a DES (Data Encryption Standard) korlátaira és a szabadalmaztatott algoritmusok aggályaira.

A Blowfish nem csupán egy történelmi érdekesség; tervezésekor a sebesség, a biztonság és a szabad felhasználhatóság volt a fő szempont. Célja az volt, hogy egy gyors, hatékony és mindenki számára hozzáférhető alternatívát kínáljon a meglévő titkosítási módszerekkel szemben. Ez a cikk részletesen bemutatja a Blowfish algoritmus definícióját, belső működését, erősségeit és gyengeségeit, valamint azt, hogy milyen szerepet játszott és játszik ma is a kriptográfia világában.

A szimmetrikus kriptográfia alapjai és a blokkrejtjelezők

Mielőtt mélyebben belemerülnénk a Blowfish rejtelmeibe, érdemes tisztázni a szimmetrikus kriptográfia alapjait. A szimmetrikus algoritmusok, más néven titkos kulcsú algoritmusok, ugyanazt a kulcsot használják az adatok titkosítására és visszafejtésére. Ez azt jelenti, hogy a kommunikáló feleknek előzetesen meg kell állapodniuk egy közös, titkos kulcsban. Ez a megközelítés eltér az aszimmetrikus (nyilvános kulcsú) kriptográfiától, ahol külön kulcsok szolgálnak a titkosításra és a visszafejtésre.

A szimmetrikus algoritmusok két fő kategóriába sorolhatók: a folyamrejtjelezők (stream ciphers) és a blokkrejtjelezők (block ciphers). A folyamrejtjelezők bitről bitre vagy bájtról bájtra titkosítják az adatfolyamot, míg a blokkrejtjelezők az adatokat fix méretű blokkokra bontják, és minden blokkot külön-külön titkosítanak. A Blowfish ez utóbbi kategóriába tartozik, ami azt jelenti, hogy a bemeneti adatokat 64 bites blokkokra osztja, és minden blokkot önállóan dolgoz fel.

A blokkrejtjelezők működési elve általában egy iteratív folyamaton alapul, ahol a bemeneti blokk több fordulón keresztül megy át különböző transzformációkon, amelyek során a titkos kulcsból származó részkulcsokat (subkeys) is felhasználják. Ez a többszörös körön átívelő transzformáció biztosítja a titkosítás erősségét és az adatok komplexitását, megnehezítve a visszafejtést a kulcs ismerete nélkül.

A Blowfish születése és céljai

A Blowfish algoritmust Bruce Schneier, az egyik legelismertebb kriptográfiai szakértő mutatta be 1993-ban. A tervezés idején a DES szabvány már több mint két évtizede létezett, és kezdtek megjelenni a sebezhetőségi aggályok, különösen a viszonylag rövid, 56 bites kulcshossza miatt. Emellett a DES licencköteles volt, ami korlátozta a szabad felhasználását és innovációt.

Schneier célja egy olyan algoritmus létrehozása volt, amely a következő kulcsfontosságú kritériumoknak felel meg:

• Gyorsaság: Kiemelkedően gyors titkosítási és visszafejtési sebesség.
• Kompakt méret: Kisméretű kód, amely elfér viszonylag kis memóriával rendelkező eszközökön is.
• Biztonság: Erős ellenállás a modern kriptoanalitikai támadásokkal szemben.
• Egyszerűség: Könnyen érthető és implementálható design.
• Szabad felhasználhatóság: Teljesen ingyenes és szabadon felhasználható, szabadalmi korlátozások nélkül.

A Blowfish ezeket a célokat nagyrészt elérte, és gyorsan népszerűvé vált számos alkalmazásban, különösen a nyílt forráskódú szoftverek körében, ahol a szabad licenc kritikus szempont volt.

A Blowfish algoritmus definíciója és főbb jellemzői

A Blowfish egy 64 bites blokkrejtjelező, ami azt jelenti, hogy 64 bites adatblokkokat titkosít és fejt vissza. A legfontosabb jellemzője a változtatható kulcshossz, amely 32 bittől egészen 448 bitig terjedhet. Ez a rugalmasság lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy a biztonsági igényeiknek megfelelően válasszanak kulcshosszúságot.

Az algoritmus egy Feistel hálózati struktúrát alkalmaz, amely 16 fordulóból áll. A Feistel hálózatok egy olyan speciális konstrukciót képviselnek, ahol a titkosítás és a visszafejtés algoritmusa szinte azonos, csak a kulcsok felhasználási sorrendje tér el. Ez leegyszerűsíti az implementációt és csökkenti a hibalehetőségeket.

A Blowfish két fő részre osztható:

1. Kulcsgenerálás (Key Schedule): Ez a folyamat a felhasználó által megadott kulcsból generálja a titkosítási és visszafejtési folyamat során használt összes részkulcsot. Ez a lépés meglehetősen számításigényes, és hozzájárul a Blowfish biztonságához.
2. Adat titkosítás/visszafejtés: Ez az a rész, ahol a tényleges adattranszformáció történik a Feistel hálózat segítségével, a generált részkulcsok felhasználásával.

A Blowfish tervezésekor nagy hangsúlyt fektettek az egyszerű, de robusztus matematikai műveletekre, mint például az XOR (kizáró vagy) műveletek és az addíciók, amelyeket S-dobozok (Substitution Boxes) egészítenek ki a nemlinearitás és a diffúzió biztosítása érdekében. Ez a kombináció teszi az algoritmust ellenállóvá a különböző kriptoanalitikai támadásokkal szemben.

A Feistel hálózat és a Blowfish szerkezete

A Feistel hálózat egy olyan szimmetrikus blokkrejtjelező architektúra, amelyet Horst Feistel fejlesztett ki az IBM-nél. Ez a struktúra rendkívül népszerű, és számos modern blokkrejtjelező alapjául szolgál, beleértve a DES-t és a Blowfish-t is. A Feistel hálózat egyik nagy előnye, hogy a visszafejtési algoritmus szinte megegyezik a titkosításival, csak a részkulcsok alkalmazási sorrendje fordított.

A Blowfish esetében egy 64 bites adatblokkot titkosítunk 16 fordulón keresztül. Minden fordulóban a következő lépések zajlanak:

1. A 64 bites bemeneti blokkot két 32 bites félre osztjuk: bal (L) és jobb (R).
2. A jobb oldali felet (R) XOR-oljuk egy P-doboz (P-array) elemmel.
3. Az eredményt bemenetként adjuk egy F-függvénynek.
4. Az F-függvény kimenetét XOR-oljuk a bal oldali féllel (L).
5. A bal és jobb felet felcseréljük a következő fordulóhoz.

Ez a folyamat 16-szor ismétlődik. Az utolsó forduló után a bal és jobb felet nem cserélik fel, hanem XOR-olják a maradék két P-doboz elemmel, majd összefűzik, így kapva meg a 64 bites titkosított blokkot.

A Feistel hálózat lényege, hogy a titkosítási folyamat során a két fél adat egymástól függővé válik, és minden fordulóban információ cserélődik közöttük. Ez biztosítja az összezavarást (confusion) és a diffúziót (diffusion), amelyek a modern kriptográfia alappillérei. Az összezavarás elrejti a kulcs és a titkosított szöveg közötti kapcsolatot, míg a diffúzió eloszlatja a bemeneti szövegben lévő statisztikai mintákat a titkosított szövegben.

A kulcsgenerálás (key schedule) részletes bemutatása

A Blowfish kulcsgenerálása az algoritmus egyik legjellegzetesebb és leginkább számításigényes része. Ez a folyamat biztosítja, hogy a felhasználó által megadott kulcsból elegendő mennyiségű és kellőképpen véletlenszerűnek tűnő részkulcs álljon rendelkezésre a 16 fordulóhoz, valamint az F-függvényben használt S-dobozokhoz.

A Blowfish két fő kulcsfüggő tömböt használ:

1. P-dobozok (P-array): Ez egy 18 elemből álló, 32 bites tömb (P1, P2, …, P18). Ezek az elemek minden fordulóban felhasználásra kerülnek.
2. S-dobozok (S-boxes): Négy darab 256 elemből álló, 32 bites tömb (S1, S2, S3, S4). Ezeket az F-függvény használja a bemeneti adatok helyettesítésére és keverésére.

A kulcsgenerálás lépései a következők:

1. Inicializálás: Először is, a P-dobozokat és az S-dobozokat is inicializálják egy fix, előre meghatározott értékekkel. Ezek az értékek általában a pi (π) szám decimális jegyeiből származnak, ami biztosítja, hogy az inicializálás mindig azonos és reprodukálható legyen. Ez a lépés kritikus, mivel a későbbi kulcsfüggő transzformációk ezen az alapon épülnek fel.

   Az inicializáláskor a 18 P-doboz elemet és a 4×256 S-doboz elemet (összesen 1044 db 32 bites érték) feltöltik a pi szám hexadecimális jegyeivel. Például, a P1 lehet 0x243F6A88, P2 0x85A308D3, és így tovább.

2. Kulcs XOR-olása a P-dobozokkal: A felhasználó által megadott kulcsot (amely 32 bittől 448 bitig terjedhet) felosztják 32 bites blokkokra. Ezeket a kulcsblokkokat sorban XOR-olják a P-doboz elemekkel. Ha a kulcs rövidebb, mint a P-dobozok száma (18 * 32 bit), akkor a kulcsblokkok ismétlődnek. Ez a lépés a felhasználói kulcsot bevezeti az algoritmus belső állapotába.

   Például, ha a kulcs K1, K2, …, Kn blokkokból áll, akkor a P-dobozok a következőképpen módosulnak:

   • P1 = P1 XOR K1
   • P2 = P2 XOR K2
   • …
   • P18 = P18 XOR K(n mod 18 + 1)

3. Iteratív titkosítás és generálás: Ez a legbonyolultabb és legidőigényesebb része a kulcsgenerálásnak. A P-dobozok és S-dobozok végső értékeit az algoritmus saját titkosítási folyamatának felhasználásával generálják.

   • Először egy 64 bites nullákból álló blokkot titkosítanak a módosított P-dobozokkal.
   • Az ebből kapott 64 bites kimenetet (ciphertext) felhasználják a P1 és P2 értékek frissítésére. A titkosított blokk bal felét (32 bit) P1-nek, jobb felét (32 bit) P2-nek állítják be.
   • Ezután az előző titkosított blokkot (ami most már P1 és P2 frissített értékét tartalmazza) újra titkosítják, és a kapott kimenetből frissítik P3 és P4 értékét.
   • Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg az összes 18 P-doboz elem frissítésre nem kerül (összesen 9 titkosítási kör).
   • Miután az összes P-doboz frissült, ugyanezt a módszert alkalmazzák az S-dobozok elemeinek frissítésére is. A frissített P-dobozokkal titkosítanak egy nullákból álló blokkot, és a kapott 64 bites kimenetből frissítik az S1[0] és S1[1] értékét.
   • Ezt a folyamatot folytatják, amíg az összes 4×256 S-doboz elem frissítésre nem kerül. Ez összesen 512 titkosítási kör (4 * 256 / 2 = 512), mivel minden titkosítás két 32 bites S-doboz elemet generál.

Ez az iteratív, önmagára hivatkozó kulcsgenerálási folyamat rendkívül lassú. Összesen (18/2) + (4 * 256 / 2) = 9 + 512 = 521 titkosítási körre van szükség a kulcsgenerálás befejezéséhez. Ez a számításigényes kulcsgenerálás a Blowfish egyik legfontosabb biztonsági jellemzője. Megnehezíti a nyers erővel történő kulcskeresést, mivel minden egyes kulcs kipróbálása jelentős időt vesz igénybe a kulcsgenerálás miatt. Emiatt a Blowfish (vagy annak egy változata, a bcrypt) különösen alkalmas jelszó-hash-elésre, ahol a lassúság kívánatos tulajdonság a brute-force támadások ellen.

Az F-függvény (F-function) és az S-dobozok működése

A Blowfish F-függvénye a Feistel hálózat szívét képezi, felelős a bemeneti adatok alapos összekeveréséért és a nemlinearitás bevezetéséért. Ez a függvény minden egyes fordulóban meghívásra kerül, és a jobb oldali 32 bites adatblokkot (R) veszi bemenetül, majd egy 32 bites kimenetet állít elő.

Az F-függvény a következőképpen működik:

1. Bemenet felosztása: A 32 bites bemenetet négy darab 8 bites részre bontják. Ezeket a részeket általában a, b, c, d-vel jelölik. Például, ha a bemenet 0x12345678, akkor a=0x12, b=0x34, c=0x56, d=0x78.

2. S-doboz keresés: Mind a négy 8 bites rész a megfelelő S-doboz indexeként szolgál. A Blowfish négy S-dobozt használ (S1, S2, S3, S4), mindegyik 256 elemből áll, és minden elem egy 32 bites érték.

   • Az ‘a’ érték az S1[a] indexére mutat.
   • A ‘b’ érték az S2[b] indexére mutat.
   • A ‘c’ érték az S3[c] indexére mutat.
   • A ‘d’ érték az S4[d] indexére mutat.

   Az S-dobozok szerepe kulcsfontosságú. Ezek biztosítják az algoritmus nemlinearitását. Ha az algoritmus teljesen lineáris lenne, akkor sokkal könnyebben visszafejthető lenne matematikai módszerekkel. Az S-dobozok bevezetnek egyfajta „véletlenszerűséget” és komplexitást a transzformációba, amely elrejti a bemenet és a kimenet közötti egyszerű matematikai kapcsolatokat. Az S-dobozok tartalma a kulcsgenerálási folyamat során jön létre, így az S-dobozok kulcsfüggőek.

3. Kombinálás: Az S-dobozokból kiolvasott négy 32 bites értéket egy specifikus sorrendben kombinálják XOR és addíciós műveletekkel (modulo 2^32).

   A képlet a következő:

   F(R) = ((S1[a] + S2[b]) XOR S3[c]) + S4[d]

   A zárójelek a műveletek sorrendjét jelölik. Először az S1[a] és S2[b] összegeződik, majd az eredményt XOR-olják S3[c]-vel, végül ehhez az eredményhez hozzáadják S4[d]-t. Minden művelet 32 bites egészeken történik, és a túlcsordulás figyelmen kívül marad (moduló 2^32).

Az F-függvény kimenete egy 32 bites érték, amelyet aztán XOR-olnak a bal oldali adatblokkal (L) a Feistel hálózatban. Az S-dobozok és az F-függvény ezen kombinációja biztosítja a Blowfish erős diffúzióját és konfúzióját. Egyetlen bit megváltozása a bemeneti blokkban vagy a kulcsban gyorsan elterjed az egész titkosított blokkban, ami megnehezíti a mintaalapú támadásokat.

„A kriptográfia nem arról szól, hogy lehetetlenné tegyük, hanem arról, hogy gazdaságilag megvalósíthatatlanná tegyük a feltörést.”

Bruce Schneier

A titkosítási és visszafejtési folyamat

A Blowfish titkosítási és visszafejtési folyamata, mint minden Feistel hálózatot használó blokkrejtjelező esetében, rendkívül hasonló. A kulcsgenerálás során előállított P-dobozok és S-dobozok felhasználásával történik.

Titkosítás

Egy 64 bites nyílt szövegblokk titkosítása a következőképpen zajlik:

1. Bemenet felosztása és kezdeti XOR: A 64 bites bemeneti blokkot két 32 bites félre osztjuk: L0 (bal) és R0 (jobb). Ezután ezeket a feleket XOR-oljuk a P-doboz első két elemével:

   • L0 = L0 XOR P1
   • R0 = R0 XOR P2

   Ez a kezdeti XOR lépés a bemeneti adatokat a kulcsfüggő P-dobozokkal keveri.

2. 16 forduló (Feistel hálózat): A módosított L0 és R0 blokkokon 16 ismétlődő fordulót hajtunk végre. Minden i-edik fordulóban (ahol i 1-től 16-ig terjed):

   • L_i = R_{i-1} (a bal oldali fél a jobb oldali előző fordulóbeli értékét veszi fel).
   • R_i = L_{i-1} XOR F(R_{i-1}, P_{i+2}) (a jobb oldali fél az előző bal oldali fél XOR-olásával jön létre az F-függvény kimenetével, amely az előző jobb oldali félből és a megfelelő P-doboz elemből számítódik).

   Fontos megjegyezni, hogy az F-függvény a kulcsgenerálás során előállított S-dobozokat használja. A P_{i+2} azt jelenti, hogy a 3. P-doboz elemtől (P3) kezdődően használjuk a P-dobozokat a 18. P-doboz elemig (P18). Az első két P-doboz (P1, P2) a kezdeti XOR-hoz, a P17 és P18 pedig a végső XOR-hoz van fenntartva.

3. Utolsó csere nélküli lépés: A 16. forduló után a bal és jobb felet nem cserélik fel. Ehelyett a következő XOR műveleteket hajtják végre:

   • L17 = R16 XOR P17
   • R17 = L16 XOR P18

   Ez a lépés biztosítja, hogy az összes P-doboz elem felhasználásra kerüljön a titkosítás során.

4. Kimenet összefűzése: A végső L17 és R17 blokkokat összefűzik, így alkotva a 64 bites titkosított szövegblokkot.

Visszafejtés

A visszafejtés folyamata szinte teljesen megegyezik a titkosítással, de a P-doboz elemeket fordított sorrendben használják fel. Ez a Feistel hálózatok elegáns tulajdonsága.

Egy 64 bites titkosított szövegblokk visszafejtése a következőképpen zajlik:

1. Bemenet felosztása és kezdeti XOR: A 64 bites titkosított blokkot két 32 bites félre osztjuk: L0 (bal) és R0 (jobb). Ezután ezeket a feleket XOR-oljuk a P-doboz utolsó két elemével (P18 és P17):

   • L0 = L0 XOR P18
   • R0 = R0 XOR P17

   Ez a lépés az utolsó titkosítási lépés fordítottja.

2. 16 forduló (Feistel hálózat): A módosított L0 és R0 blokkokon 16 ismétlődő fordulót hajtunk végre. Minden i-edik fordulóban (ahol i 1-től 16-ig terjed):

   • L_i = R_{i-1} (a bal oldali fél a jobb oldali előző fordulóbeli értékét veszi fel).
   • R_i = L_{i-1} XOR F(R_{i-1}, P_{18 - (i+1)}) (a jobb oldali fél az előző bal oldali fél XOR-olásával jön létre az F-függvény kimenetével, amely az előző jobb oldali félből és a megfelelő P-doboz elemből számítódik).

   Látható, hogy a P-dobozok indexelése itt fordított: P16, P15, …, P3. Az F-függvény természetesen ugyanazokat az S-dobozokat használja, mint a titkosítás során.

3. Utolsó csere nélküli lépés: A 16. forduló után a bal és jobb felet nem cserélik fel. Ehelyett a következő XOR műveleteket hajtják végre:

   • L17 = R16 XOR P2
   • R17 = L16 XOR P1

   Ez a lépés az első titkosítási lépés fordítottja.

4. Kimenet összefűzése: A végső L17 és R17 blokkokat összefűzik, így alkotva a 64 bites nyílt szövegblokkot.

A fenti leírásból jól látszik a Feistel hálózat eleganciája és hatékonysága. Az algoritmus alapvető műveletei (XOR, addíció, S-doboz keresés) gyorsak és könnyen implementálhatók mind szoftverben, mind hardverben.

A Blowfish biztonsági elemzése és ismert sebezhetőségei

A Blowfish algoritmust megjelenésekor alaposan elemezték, és hosszú ideig az egyik legbiztonságosabb és legmegbízhatóbb blokkrejtjelezőnek tartották. Bruce Schneier maga is kihívást intézett a kriptoanalitikusokhoz, hogy törjék fel az algoritmust.

Erősségek

1. Változtatható kulcshossz: A 32 bittől 448 bitig terjedő kulcshossz rugalmasságot biztosít. Bár a 32 bites kulcs ma már nyilvánvalóan gyenge, a 128 bit feletti kulcsok még ma is megfelelő biztonságot nyújtanak a nyers erővel történő támadások ellen.

2. Erős ellenállás a differenciális és lineáris kriptoanalízissel szemben: A Blowfish F-függvénye és az S-dobozok kulcsfüggő generálása robusztussá teszi az algoritmust ezekkel a gyakori támadási módszerekkel szemben. Nincs ismert hatékony differenciális vagy lineáris támadás a teljes 16 fordulós Blowfish ellen.

3. Számításigényes kulcsgenerálás: Bár ez bizonyos alkalmazásokban hátrányt jelent, a kulcsgenerálás lassúsága rendkívül előnyös a jelszó-hash-elésben. Megnehezíti a brute-force támadásokat, mivel minden egyes kulcs kipróbálása jelentős időt vesz igénybe.

4. Nincs ismert hatékony támadás a teljes algoritmus ellen: Annak ellenére, hogy több mint 30 éve létezik, a teljes 16 fordulós Blowfish ellen nincs ismert, gyakorlatban is megvalósítható támadás, amely kevesebb erőforrást igényelne, mint a nyers erő.

Gyengeségek és megfontolások

1. Kis blokkméret (64 bit): Ez a Blowfish legnagyobb és legkritikusabb gyengesége a modern kriptográfiai környezetben. A 64 bites blokkméret sebezhetővé teszi az algoritmust az úgynevezett születésnapi támadásokkal (birthday attacks) szemben, különösen akkor, ha nagy mennyiségű adatot titkosítanak ugyanazzal a kulccsal és üzemmóddal (pl. CBC mód). Ha egy adott kulccsal titkosított adatok mennyisége meghaladja a 2³² blokkot (azaz körülbelül 32 GB-ot), a születésnapi paradoxon miatt statisztikailag nagy az esélye annak, hogy két azonos nyílt szövegblokk ugyanarra a titkosított blokkra fog leképződni. Ez információt szivárogtathat a támadóknak, és potenciálisan lehetővé teheti a nyílt szöveg blokkok azonosítását. Ezt a sebezhetőséget a Sweet32 támadás demonstrálta 2016-ban a 64 bites blokkrejtjelezők ellen.

   „A 64 bites blokkméret ma már nem elegendő az általános célú titkosításhoz. A modern alkalmazásoknak legalább 128 bites blokkméretű algoritmusokat kell használniuk.”

   Kriptográfiai ajánlás

2. Nagy memóriafogyasztás a kulcsgenerálás során: A P-dobozok és S-dobozok összesen több mint 4KB memóriát igényelnek (18 * 4 bájt + 4 * 256 * 4 bájt = 72 + 4096 = 4168 bájt). Bár ez a mai rendszerekben elhanyagolható mennyiségnek tűnik, a Blowfish tervezésekor, a 90-es években, ez jelentős korlátot jelentett bizonyos beágyazott rendszerek vagy erőforrás-korlátozott környezetek számára.

3. Nincs beépített integritás vagy autentikáció: Mint a legtöbb blokkrejtjelező, a Blowfish is csak bizalmasságot (confidentiality) biztosít. Ez azt jelenti, hogy megvédi az adatokat a jogosulatlan olvasástól, de nem garantálja azok integritását (integrity) (azaz, hogy nem módosították őket) vagy autentikációját (authenticity) (azaz, hogy a feladó az, akinek mondja magát). Ezen tulajdonságok biztosításához a Blowfish-t más kriptográfiai primitívekkel, például üzenet-hitelesítő kódokkal (MAC) vagy digitális aláírásokkal kell kombinálni.

Összességében a Blowfish egy erős és jól megtervezett algoritmus, amely hosszú ideig ellenállt a kriptoanalitikai támadásoknak. Azonban a 64 bites blokkméret ma már komoly korlátot jelent, és a modern alkalmazások számára általában az AES használata javasolt, amely 128 bites blokkmérettel rendelkezik.

Teljesítmény és implementáció

A Blowfish tervezésének egyik fő célja a sebesség volt, és ezen a téren az algoritmus valóban jól teljesít, miután a kulcsgenerálási fázis befejeződött.

Sebesség

A Blowfish rendkívül gyors titkosítási és visszafejtési sebességet mutat a legtöbb modern processzoron. Ez a sebesség annak köszönhető, hogy az algoritmus alapvető műveletei (XOR, addíció, S-doboz keresés) nagyon hatékonyan hajthatók végre a mai CPU architektúrákon. Különösen jól optimalizálható 32 bites processzorokon, mivel az összes belső művelet 32 bites szavakon történik.

A sebesség azonban kétfázisú:

1. Kulcsgenerálási fázis: Ez a fázis, mint már említettük, viszonylag lassú. A 521 titkosítási kör miatt a kulcsgenerálás akár több száz vagy ezer processzorciklust is igénybe vehet. Ezért a Blowfish nem ideális olyan alkalmazásokhoz, ahol a kulcsokat gyakran kell cserélni.

2. Titkosítási/visszafejtési fázis: Amint a kulcsgenerálás befejeződött, és a P- és S-dobozok készen állnak, a tényleges titkosítás és visszafejtés rendkívül gyorsan történik. Egy 64 bites blokk titkosítása mindössze 16 egyszerű fordulóból áll, amelyek mindegyike néhány alapvető aritmetikai és logikai műveletet tartalmaz.

Memóriaigény

A Blowfish viszonylag nagy memóriaterületet igényel a P-dobozok és S-dobozok tárolására, összesen körülbelül 4KB-ot. Bár ez a mai rendszerekben már nem jelent problémát, a 90-es években, amikor az algoritmust tervezték, ez egy fontos szempont volt, különösen beágyazott rendszerek vagy okoskártyák esetében, ahol a memória erőforrások szűkösek voltak.

Implementációs szempontok

A Blowfish viszonylag egyszerű felépítésű, ami megkönnyíti a helyes implementációt. Ez csökkenti a hibalehetőséget, ami kritikus a kriptográfiai algoritmusoknál, hiszen egy apró hiba is kompromittálhatja az egész rendszert. Számos programozási nyelven és platformon elérhetőek Blowfish implementációk, mind nyílt forráskódú, mind kereskedelmi szoftverekben.

A helyes implementáció azonban nem merül ki az algoritmus kódolásában. Fontos a megfelelő üzemmód (mode of operation) kiválasztása is. A blokkrejtjelezők önmagukban csak egyetlen blokk titkosítására alkalmasak. Nagyobb adatmennyiségek titkosításához üzemmódokra van szükség, mint például:

• CBC (Cipher Block Chaining): A leggyakrabban használt mód, ahol minden blokk titkosítása függ az előző blokk titkosított szövegétől. Kezdeti vektor (IV) használata szükséges.
• CTR (Counter Mode): Ezt a módot gyakran használják, mert lehetővé teszi a párhuzamosítást és a közvetlen hozzáférést a titkosított adatokhoz.
• GCM (Galois/Counter Mode): Ez egy autentikált titkosítási mód, amely nemcsak bizalmasságot, hanem integritást és autentikációt is biztosít. A modern alkalmazásokban ez a preferált mód.

A 64 bites blokkméret miatt Blowfish-el történő titkosításkor, különösen CBC módban, fokozottan ügyelni kell a Sweet32 támadás elkerülésére. Ennek egyik módja, hogy nem titkosítanak túl sok adatot ugyanazzal a kulccsal és IV-vel, vagy gyakran cserélik a kulcsot/IV-t. Azonban a legjobb megoldás a 128 bites blokkméretű algoritmusok használata.

Összehasonlítás más blokkrejtjelezőkkel: DES és AES

A Blowfish helyét a kriptográfiai térképen jobban megérthetjük, ha összehasonlítjuk a két legfontosabb szimmetrikus blokkrejtjelezővel: a DES-sel, amelynek utódjának szánták, és az AES-sel, amely a mai ipari szabvány.

Blowfish vs. DES (Data Encryption Standard)

A DES-t 1977-ben adta ki az amerikai NIST, és hosszú ideig a de facto szabvány volt. A Blowfish-t részben a DES korlátai miatt fejlesztették ki.

A Blowfish egyértelműen felülmúlta a DES-t a kulcshossz tekintetében, és ellenállóbbnak bizonyult a differenciális kriptoanalízissel szemben. Azonban mindkét algoritmus ugyanazzal a 64 bites blokkméret korláttal küzd, ami a modern környezetben sebezhetővé teszi őket.

Blowfish vs. AES (Advanced Encryption Standard)

Az AES (Rijndael) lett a DES utódja 2001-ben, és ma a legelterjedtebb és leginkább ajánlott szimmetrikus blokkrejtjelező.

Az AES egyértelműen felülmúlja a Blowfish-t a blokkméret, a kulcsgenerálás sebessége és a hardveres implementáció hatékonysága terén. A 128 bites blokkméret kiküszöböli a születésnapi támadásokkal kapcsolatos aggodalmakat. Bár a Blowfish továbbra is biztonságosnak tekinthető a legtöbb kulcshossz esetén, az AES a modern alkalmazások preferált választása a nagyobb blokkmérete és a széles körű hardveres támogatása miatt.

Alkalmazási területek és a Blowfish öröksége

A Blowfish algoritmus a 90-es években és a 2000-es évek elején rendkívül népszerű volt, különösen a nyílt forráskódú szoftverek és a szabad felhasználhatóságot igénylő projektek körében. Számos területen alkalmazták, mielőtt az AES széles körben elterjedt volna.

Főbb alkalmazási területek

1. Fájl- és lemez titkosítás: A Blowfish-t gyakran használták fájlok és teljes lemezek titkosítására. Például, a népszerű TrueCrypt és VeraCrypt diszk titkosító szoftverek is támogatták a Blowfish-t, bár általában nem ez volt az alapértelmezett algoritmus.

2. Jelszó-hash-elés: A Blowfish egyik legjelentősebb és leginkább tartós alkalmazási területe a jelszó-hash-elés. A lassú kulcsgenerálási folyamata ideálissá teszi a jelszavak tárolására. A bcrypt, egy széles körben használt jelszó-hash függvény, a Blowfish egy adaptált változatát használja. A bcrypt szándékosan lassú, és lehetővé teszi a „kerekek” számának konfigurálását, hogy ellenálljon a gyorsuló hardveres brute-force támadásoknak. Ez az alkalmazás továbbra is rendkívül releváns és ajánlott a mai napig.

3. Biztonságos kommunikáció: Bár az AES ma már domináns, a Blowfish-t korábban használták biztonságos kommunikációs protokollokban, például az SSH (Secure Shell) implementációkban, vagy VPN (Virtual Private Network) megoldásokban. Azonban a 64 bites blokkméret korlátai miatt a legtöbb modern implementáció áttért az AES-re.

4. E-mail titkosítás: Néhány e-mail titkosító alkalmazás és kiegészítő is támogatta a Blowfish-t, mint választható titkosítási algoritmust.

A Blowfish öröksége

Bár a Blowfish a 64 bites blokkmérete miatt már nem ajánlott általános célú titkosításra nagy adatmennyiségek esetén, öröksége jelentős:

• A szabad és nyílt forráskódú kriptográfia úttörője: A Blowfish az egyik első olyan erős kriptográfiai algoritmus volt, amelyet Bruce Schneier szabadon és szabadalmi korlátozások nélkül bocsátott a nyilvánosság rendelkezésére. Ez jelentős mértékben hozzájárult a nyílt forráskódú kriptográfiai közösség fejlődéséhez és a bizalom növeléséhez, mivel bárki ellenőrizhette az algoritmus belső működését.

• Jelszó-hash-elés standardja: A bcrypt révén a Blowfish alapvető szerepet játszik a mai napig a jelszavak biztonságos tárolásában. Az algoritmus kulcsgenerálási tulajdonságai ideálissá teszik ezt a feladatot.

• Kriptográfiai tervezési elvek demonstrációja: A Blowfish egy kiváló példa arra, hogyan lehet egy viszonylag egyszerű konstrukcióval (Feistel hálózat, S-dobozok, XOR, addíció) rendkívül erős és hatékony blokkrejtjelezőt létrehozni. Tervezése befolyásolta Schneier későbbi algoritmusait is, mint például a Twofish, amely az AES verseny egyik döntőse volt.

A Blowfish tehát egy fontos mérföldkő a kriptográfia történetében. Bár a technológia és az igények fejlődtek, és az AES vált az új szabvánnyá, a Blowfish továbbra is releváns marad bizonyos niche alkalmazásokban, különösen a jelszó-hash-elés területén, és emlékeztet minket a szabad és nyílt kriptográfia értékére.

Modern ajánlások és a jövő

A Blowfish egy kiváló algoritmus volt a maga idejében, és bizonyos kontextusokban ma is megállja a helyét. Azonban a kriptográfia folyamatosan fejlődik, és az új támadási módszerek, valamint a megnövekedett számítási teljesítmény folyamatosan felülvizsgálatra késztetik a korábbi ajánlásokat.

Mikor használható még a Blowfish?

Ahogy már említettük, a Blowfish kiemelkedően alkalmas jelszó-hash-elésre, különösen a bcrypt formájában. A bcrypt-et továbbra is széles körben ajánlják a jelszavak biztonságos tárolására, mivel a Blowfish lassú kulcsgenerálása ellenáll a gyors nyers erővel történő támadásoknak.

Mikor érdemes elkerülni a Blowfish-t?

A Blowfish használata nem ajánlott új alkalmazásokban általános célú adat titkosításra, különösen nagy adatmennyiségek esetén. Ennek fő oka a már tárgyalt 64 bites blokkméret, amely sebezhetővé teszi a születésnapi támadásokkal (pl. Sweet32) szemben. Ha egy alkalmazásnak milliárdnyi blokkot kell titkosítania ugyanazzal a kulccsal, akkor a 64 bites blokkméret kritikus kockázatot jelenthet.

Melyek a modern alternatívák?

A legtöbb modern alkalmazás számára az AES (Advanced Encryption Standard) a preferált választás. Az AES 128 bites blokkmérettel rendelkezik, ami kiküszöböli a születésnapi támadások kockázatát a gyakorlatban. Emellett az AES-t széles körben auditálták, és sok processzorban hardveres gyorsítással is rendelkezik (pl. AES-NI utasításkészlet), ami rendkívül gyorssá és hatékonnyá teszi.

Az AES-t általában valamilyen autentikált titkosítási üzemmóddal együtt érdemes használni, mint például az AES-GCM (Galois/Counter Mode). Ez az üzemmód nemcsak bizalmasságot, hanem integritást és autentikációt is biztosít, ami elengedhetetlen a modern adatbiztonsághoz.

A kriptográfia dinamikus terület, ahol a „legjobb” algoritmusok folyamatosan változnak a technológiai fejlődés és az új támadási módszerek megjelenésével. A Blowfish egykoron a legmodernebb algoritmusok közé tartozott, és jelentős hatást gyakorolt a kriptográfia fejlődésére. Bár ma már vannak fejlettebb és biztonságosabb alternatívák az általános célú titkosításra, a Blowfish továbbra is fontos része a digitális biztonság eszköztárának, különösen a jelszóvédelem terén.

A kulcsfontosságú tanulság, hogy a biztonságos rendszerek tervezésekor mindig a legfrissebb kriptográfiai ajánlásokat és a legnagyobb blokkméretű algoritmusokat kell előnyben részesíteni. A Blowfish, mint a szimmetrikus blokkrejtjelező algoritmusok egyik kiemelkedő képviselője, emlékeztet minket arra, hogy a kriptográfia területén a folyamatos tanulás és alkalmazkodás elengedhetetlen.