Eine S-Box () ist eine Komponente von kryptografischen Algorithmen. Sie ersetzt (substituiert) eine Bitfolge durch eine andere.
Eine a×b S-Box ist eine – in der Regel nichtlineare – Substitutionsoperation, bei der eine a-stellige Binärzahl (a-Tupel von Bits) durch eine b-stellige Binärzahl ersetzt wird. Je nach Anwendung kann es notwendig sein, dass diese Abbildung invertierbar (bijektiv) ist.
Verwendung S-Boxen werden vor allem in Blockverschlüsselungen wie beispielsweise DES und Blowfish eingesetzt, um die Beziehung zwischen Klar- und Geheimtext zu verwischen (in der kryptologischen Fachsprache Konfusion genannt). Eine S-Box trägt auch zur Diffusion bei, da ein eingegebenes Bit im Allgemeinen alle Ausgabebits beeinflusst.
Der DES-Algorithmus verwendet acht verschiedene stark nichtlineare S-Boxen, die für Widerstandsfähigkeit gegen die Differentielle Kryptoanalyse optimiert sind. Auch die Diffusion wird hier vor allem von den S-Boxen erzeugt: Die Änderung eines Input-Bits ändert mindestens 2 Output-Bits, welche dann durch Bitpermutation in der nächsten Runde in verschiedene S-Boxen eingegeben werden.
Anforderungen Eine S-Box sollte die folgenden Anforderungen erfüllen: Vollständigkeit: Jedes Ausgangsbit ist von jedem Eingangsbit abhängig. Avalanche: Die Änderung eines Eingangsbits zieht im Mittel die Änderung der Hälfte aller Ausgangsbits nach sich. Nichtlinearität: Kein Ausgangsbit ist linear oder affin von einem Eingangsbit abhängig. Dies sollte auch nicht näherungsweise der Fall sein. Korrelationsimmunität: Solange nur ein Teil der Eingangsbits bekannt ist, können keine Rückschlüsse auf die Ausgangsbits gezogen werden. Und umgekehrt.
S-Boxen werden meist sorgfältig entworfen, um einer Kryptoanalyse, insbesondere der linearen und der differentiellen Kryptoanalyse, bestmöglich zu widerstehen.
Statisch oder Dynamisch Man unterscheidet zwischen statischen und dynamischen S-Boxen: Während viele Blockchiffren wie DES oder AES festgelegte (statische) S-Boxen verwenden, initialisieren beispielsweise RC4 und Twofish aus dem Schlüssel die S-Box dynamisch (sogenannte: key-dependent S-box). Statische S-Boxen haben Vorteile bei der Implementierung in Hardware hinsichtlich Geschwindigkeit und Speicherbedarf; dynamische S-Boxen können die Kryptoanalyse erheblich erschweren.
Implementierung Naheliegend ist die Realisierung als Array mit Elementen, deren jedes eine b Bit lange Ausgabe enthält. Die a Eingabebits werden als Zahl interpretiert, die das Array-Element mit der zugehörigen Ausgabe bezeichnet.
Die S-Box kann auch mit booleschen Operationen verwirklicht werden. Die Eingabebits stehen in a Datenwörtern jeweils an der gleichen Bitposition, und die b Ausgabebits werden durch Verknüpfen dieser Datenwörter mit bitweisen Operatoren berechnet. Bei einer Wortbreite von w Bit erfolgen dadurch w Substitutionen parallel. Serpent ist eine Blockverschlüsselung, die für diese Methode ausgelegt ist.
Beispiel Ein Beispiel ist diese statische 6×4-Bit S-Box (S5) von DES: S5 Mittlere 4 Bits des Eingabewertes 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Äußere Bits 00 0010 1100 0100 0001 0111 1010 1011 0110 1000 0101 0011 1111 1101 0000 1110 1001 01 1110 1011 0010 1100 0100 0111 1101 0001 0101 0000 1111 1010 0011 1001 1000 0110 10 0100 0010 0001 1011 1010 1101 0111 1000 1111 1001 1100 0101 0110 0011 0000 1110 11 1011 1000 1100 0111 0001 1110 0010 1101 0110 1111 0000 1001 1010 0100 0101 0011
Der Eingabewert ist 6 Bit lang. Der 4-Bit-Ausgabewert steht in der Zeile mit den beiden äußeren Bits und der Spalte mit den 4 inneren Bits des Eingabewertes. Im Beispiel hat der Eingabewert "011011" die äußeren Bits "01" und die inneren Bits "1101". Der zugehörige Ausgabewert ist demnach "1001".
Siehe auch Lawineneffekt (Kryptographie).
Einzelnachweise
Kategorie:Symmetrisches Kryptosystem