Розробка та дослідження нового алгоритму хешування, заснованого на блочному шифрі

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252060

Ключові слова:

хеш-функція, хеш-дайджест, блоковий шифр, безпека хеш-функції, зіткнення

Анотація

У даній роботі пропонується новий алгоритм хешування HBC-256 (хешування на основі блокового шифру), заснований на симетричному блоковому шифрі CF (функція стиснення). Алгоритм заснований на конструкції wipe-pipe, модифікованій версії конструкції Меркла-Дамгарда. Для перетворення блокового шифру CF у функцію одностороннього стиснення використовується схема Девіса-Мейера, яка, за результатами досліджень, визнана надійною та безпечною схемою побудови хеш-функцій на основі блокових шифрів. Використовуваний алгоритм на основі симетричного блокового шифру CF складається з трьох перетворень (Етап 1, Етап 2 І Етап 3), що включають додавання за модулем два, циклічний зсув і блок підстановки (чотирьохбітові S-блоки). Чотири блоки підстановки обрані із "золотого" набору S-блоків, що мають ідеальні криптографічні властивості.

Розроблено схему HBC-256 для забезпечення ефективного балансу між обчислювальною швидкістю та захистом від атаки знаходження прообразу. В якості внутрішнього перетворення алгоритм CF використовує AES-подібний примітив.

Хеш-образ був перевірений на випадковість з використанням набору статистичних тестів NIST (Національний інститут стандартів і технологій США), результати були досліджені на наявність лавинного ефекту в алгоритмі шифрування CF та самому алгоритмі хешування HBC-256. Практично перевірена стійкість HBC-256 до близьких зіткнень.

Оскільки класичні алгоритми розширення ключа блокового шифру уповільнюють хеш-функцію, запропонований алгоритм адаптований для апаратної та програмної реалізації із застосуванням паралельних обчислень. Розроблено алгоритм хешування, що має досить велику свободу вибору розмірів вхідних блоків і вихідного хеш-дайджесту. Це дозволить створити практично універсальний алгоритм хешування та використовувати його у будь-яких криптографічних протоколах та алгоритмах електронного цифрового підпису

Біографії авторів

Kairat Sakan, Al-Farabi Kazakh National University; Institute of Information and Computational Technologies

PhD Student

Faculty of Information Technology

Information Security Laboratory

Saule Nyssanbayeva, Institute of Information and Computational Technologies

Doctor of Technical Sciences, Professor

Information Security Laboratory

Nursulu Kapalova, Institute of Information and Computational Technologies

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Information Security Laboratory

Kunbolat Algazy, Institute of Information and Computational Technologies

PhD

Information Security Laboratory

Ardabek Khompysh, Al-Farabi Kazakh National University; Institute of Information and Computational Technologies

PhD

Faculty of Information Technology

Information Security Laboratory

Dilmukhanbet Dyusenbayev, Institute of Information and Computational Technologies

Software Engineer

Information Security Laboratory

Посилання

  1. Teeluck, R., Durjan, S., Bassoo, V. (2020). Blockchain Technology and Emerging Communications Applications. Security and Privacy Applications for Smart City Development, 207–256. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-53149-2_11
  2. Chen, J., Gan, W., Hu, M., Chen, C.-M. (2021). On the construction of a post-quantum blockchain for smart city. Journal of Information Security and Applications, 58, 102780. doi: https://doi.org/10.1016/j.jisa.2021.102780
  3. Dworkin, M. J. (2015). SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions. NIST. doi: https://doi.org/10.6028/nist.fips.202
  4. X 5057-2：2003 (ISO/IEC 10118-2：2000). Available at: http://kikakurui.com/x5/X5057-2-2003-01.html
  5. The SM3 Cryptographic Hash Function. Available at: https://tools.ietf.org/id/draft-oscca-cfrg-sm3-02.html
  6. DSTU 7564:2014. Information Technologies. Cryptographic Data Security. Hash function. Available at: http://online.budstandart.com/ru/catalog/doc-page?id_doc=66229
  7. Kim, D.-C., Hong, D., Lee, J.-K., Kim, W.-H., Kwon, D. (2015). LSH: A New Fast Secure Hash Function Family. Lecture Notes in Computer Science, 286–313. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-15943-0_18
  8. GOST 34.11-2018. Information technology. Cryptographic data security. Hash-function. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200161707
  9. STB 34.101.77-2020. Informatsionnye tekhnologii i bezopasnost'. Kriptograficheskie algoritmy na osnove sponge-funktsii. Vzamen STB 34.101.77-2016. Available at: http://www.apmi.bsu.by/assets/files/std/bash-spec24.pdf
  10. Zou, J., Dong, L. (2018). Cryptanalysis of the Round-Reduced Kupyna. Journal of Information Science and Engineering, 34 (3), 733–748. doi: https://do.org/10.6688/JISE.201805_34(3).0010
  11. Chowdhury, A. R., Chatterjee, T., DasBit, S. (2014). LOCHA: A Light-weight One-way Cryptographic Hash Algorithm for Wireless Sensor Network. Procedia Computer Science, 32, 497–504. doi: https://doi.org/10.1016/j.procs.2014.05.453
  12. Tchórzewski, J., Jakóbik, A., Iacono, M. (2021). An ANN-based scalable hashing algorithm for computational clouds with schedulers. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, 31 (4), 697–712. doi: https://doi.org/10.34768/amcs-2021-0048
  13. Mondal, A., Mitra, S. (2016). TDHA: A Timestamp Defined Hash Algorithm for Secure Data Dissemination in VANET. Procedia Computer Science, 85, 190–197. doi: https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.05.210
  14. Bao, Z., Dinur, I., Guo, J., Leurent, G., Wang, L. (2020). Generic Attacks on Hash Combiners. Journal of Cryptology, 33 (3), 742–823. doi: https://doi.org/10.1007/s00145-019-09328-w
  15. Andreeva, E., Mennink, B., Preneel, B. (2015). Open problems in hash function security. Designs, Codes and Cryptography, 77 (2-3), 611–631. doi: https://doi.org/10.1007/s10623-015-0096-0
  16. Naito, Y. (2012). Blockcipher-Based Double-Length Hash Functions for Pseudorandom Oracles. Lecture Notes in Computer Science, 338–355. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-28496-0_20
  17. Bao, Z., Ding, L., Guo, J., Wang, H., Zhang, W. (2020). Improved Meet-in-the-Middle Preimage Attacks against AES Hashing Modes. IACR Transactions on Symmetric Cryptology, 318–347. doi: https://doi.org/10.46586/tosc.v2019.i4.318-347
  18. Nandi, M., Paul, S. (2010). Speeding Up the Wide-Pipe: Secure and Fast Hashing. Lecture Notes in Computer Science, 144–162. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-17401-8_12
  19. A study on hash functions for cryptography (2002). SANS Institute. Available at: https://www.giac.org/paper/gsec/3294/study-hash-functions-cryptography/105433
  20. Al-Kuwari, S., Davenport, J., Bradford, R. (2011). Cryptographic Hash Functions: Recent Design Trends and Security Notions. IACR. Available at: https://eprint.iacr.org/2011/565.pdf
  21. Denton, B., Adhami, R. (2012). Modern Hash Function Construction. Available at: https://www.researchgate.net/publication/267298547_Modern_Hash_Function_Construction
  22. Hosoyamada, A., Yasuda, K. (2018). Building Quantum-One-Way Functions from Block Ciphers: Davies-Meyer and Merkle-Damgård Constructions. Advances in Cryptology – ASIACRYPT 2018, 275–304. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-03326-2_10
  23. Preneel, B., Govaerts, R., Vandewalle, J. (1993). Hash functions based on block ciphers: a synthetic approach. Lecture Notes in Computer Science, 368–378. doi: https://doi.org/10.1007/3-540-48329-2_31
  24. Manuel, S., Sendrier, N. (2007). XOR-Hash: A Hash Function Based on XOR. In WEWRC ’07.
  25. Vergili, I., Yucel, M. D. (2001). Avalanche and Bit Independence Properties for the Ensembles of Randomly Chosen n×x S-Boxes. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 9 (2), 137–145. Available at: https://journals.tubitak.gov.tr/elektrik/issues/elk-01-9-2/elk-9-2-3-0008-1.pdf
  26. Mulyarchik, K. S. (2013). Lavinnyy effekt v algoritmakh shifrovaniya na osnove diskretnykh khaoticheskikh otobrazheniy. Doklady BGUIR, 6 (76), 86–91. Available at: https://libeldoc.bsuir.by/bitstream/123456789/1592/1/Mulyarchik_Lavinniy.PDF
  27. Dobrovolsky, Y., Prokhorov, G., Hanzhelo, M., Hanzhelo, D., Trembach, D. (2021). Development of a hash algorithm based on cellular automata and chaos theory. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (9 (113)), 48–55. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.242849
  28. Kapalova, N., Khompysh, A., Arici, M., Algazy, K. (2020). A block encryption algorithm based on exponentiation transform. Cogent Engineering, 7 (1), 1788292. doi: https://doi.org/10.1080/23311916.2020.1788292
  29. Algazy, K. T., Babenko, L. K., Biyashev, R. G., Ishchukova, E. A., Kapalova, N. A., Nysynbaeva, S. E., Smolarz, A. (2020). Differential Cryptanalysis of New Qamal Encryption Algorithm. International Journal of Electronics and Telecommunications, 4, 647–653. doi: https://doi.org/10.24425/ijet.2020.134023
  30. Lamberger, M., Mendel, F., Rijmen, V., Simoens, K. (2011). Memoryless near-collisions via coding theory. Designs, Codes and Cryptography, 62 (1), 1–18. doi: https://doi.org/10.1007/s10623-011-9484-2
  31. Maram, B., Gnanasekar, J. M. (2016). Evaluation of Key Dependent S-Box Based Data Security Algorithm using Hamming Distance and Balanced Output. TEM Journal, 5 (1), 67–75. doi: https://dx.doi.org/10.18421/TEM51-11
  32. Biyashev, R. G., Kalimoldayev, M. N., Nyssanbayeva, S. E., Kapalova, N. A., Dyusenbayev, D. S., Algazy, K. T. (2018). Development and analysis of the encryption algorithm in nonpositional polynomial notations. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 6 (2), 19–33. doi: https://doi.org/10.32523/2306-6172-2018-6-2-19-33
  33. Saarinen, M.-J. O. (2012). Cryptographic Analysis of All 4 × 4-Bit S-Boxes. Lecture Notes in Computer Science, 118–133. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-28496-0_7
  34. Kosta, B. P., Sanyasi, P. (2021). Design and Implementation of a Strong and Secure Lightweight Cryptographic Hash Algorithm using Elliptic Curve Concept: SSLHA-160. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 12 (2). doi: https://doi.org/10.14569/ijacsa.2021.0120279
  35. Kapalova, N. A., Nysanbaeva, S. E. (2008). Analiz statisticheskikh svoystv algoritma generatsii psevdosluchaynykh posledovatel'nostey. Mater. X Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Informatsionnaya bezopasnost'. Ch. 2. Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 169–172.
  36. Ivanov, M. A. Khesh-funktsii. Teoriya, primenenie i novye standarty (chast' 1). Available at: https://docplayer.com/28902735-Hesh-funkcii-teoriya-primenenie-i-novye-standarty-chast-1.html
  37. Kumar, M., Dey, D., Pal, S. K., Panigrahi, A. (2017). HeW: AHash Function based on Lightweight Block Cipher FeW. Defence Science Journal, 67 (6), 636. doi: https://doi.org/10.14429/dsj.67.10791
  38. Bussi, K., Dey, D., Mishra, P. R., Dass, B. K. (2019). MGR Hash Functions. Cryptologia, 43 (5), 372–390. doi: https://doi.org/10.1080/01611194.2019.1596995

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-04-30

Як цитувати

Sakan, K., Nyssanbayeva, S., Kapalova, N., Algazy, K., Khompysh, A., & Dyusenbayev, D. (2022). Розробка та дослідження нового алгоритму хешування, заснованого на блочному шифрі . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(9 (116), 60–73. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252060

Номер

Том 2 № 9 (116) (2022): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Kairat Sakan, Saule Nyssanbayeva, Nursuly Kapalova, Kunbolat Algazy, Ardabek Khompysh, Dilmukhanbet Dyusenbayev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.