Chapter 2Symmetric Encryption and Message Confidentiality

Slides by H. Johnson & S. Malladi- Modified & Translated by Sukchatri P.Slides by H. Johnson & S. Malladi- Modified & Translated by Sukchatri P.ICT, University of Phayao, ThailandICT, University of Phayao, Thailand

Overview•Conventional Encryption Principles

•Conventional Encryption Algorithms

•Cipher Block Modes of Operation

•Location of Encryption Devices•Key Distribution

2Network Security

Encryption

•เครื่��องมื�ออตโนมืต ที่��สำ��คญที่��สำ�ดสำ��หรื่บก�รื่รื่กษ�คว�มืปลอดภัยเครื่�อข่ �ยและก�รื่สำ��อสำ�รื่ค�อก�รื่เข่#�รื่หสำ

•รื่$ปแบบข่องก�รื่เข่#�รื่หสำสำ วนใหญ เป&นแบบ :•conventional or symmetric encryption •public-key or asymmetric encryption.

3Network Security

Conventional Encryption Conventional Encryption PPrinciplesrinciples•รู�ปแบบการูเข้ารูหั�สมี�ด้วยก�น 5 ส�วนคื�อ

▫Plain text▫Encryption algorithms▫Public and private keys▫Cipher text▫Decryption algorithm

•Private keys จะมี�แหัล่�งก�าเน�ด้ที่� เป!นเจาข้อง

•Public keys จะถู�กใช้แล่ะเก%บอย��ที่� ส�วนกล่าง

•การูรู�กษาคืวามีปล่อด้ภั�ยข้()นอย��ก�บคืวามีล่�บข้อง key ไมี�ใช้� algorithm

4Network Security

Conventional or symmetric Encryption

Algorithm Components•Plain Text- original data or input•Encryption Algorithm- performs

substitutions or transformations on the plaintext

•Public and Private Keys- also input determines the substitutions/transpositions

•Cipher Text- scrambled message or output•Decryption Algorithm- encryption algorithm

run backward, taking the cipher text and producing the plain text.

5Network Security

Conventional Encryption Conventional Encryption PrinciplesPrinciples

6Network Security

Network Security 7Conventional or symmetric Encryption

• More rigorous definition (ข้อก�าหันด้ที่� เข้มีงวด้เพิ่� มีเติ�มี)

• Five components to the algorithm– A Plaintext message space, M

– A family of enciphering transformations, EK:M C, where KK

– A key space, K– A ciphertext message space, C

– A family of deciphering transformations, DK: C M, where KK

Network Security 8Conventional or symmetric Encryption

M EK DK MC

EK defined by an encrypting algorithm EDK defined by an decrypting algorithm D

For given K, DK is the inverse of EK, i.e., DK(EK(M))=M

for every plain text message M

CryptographyCryptography ( (การูอ�านรูหั�ส)

•Classified according to three independent dimensions:▫The type of operations used for transforming

plaintext to ciphertext (ปรูะเภัที่ข้องการูที่�างานส�าหัรู�บในการูเปล่� ยน plaintext ไปเป!น ciphertext)

▫The number of keys used (จ�านวนข้องคื�ย-ที่� ใช้) symmetric (single key or secret- key or private-key) asymmetric (two-keys, or public-key encryption)

▫The way in which the plaintext is processed (ว�ธี�การูที่� plaintext ถู�กปรูะมีวล่ผล่)

9Network Security

Cryptanalysis•Process of attempting to discover the plaintext or

key (ข้�)นติอนคืวามีพิ่ยายามีที่� จะคืนพิ่บ plaintext or key)

•รู�ปแบบการูเข้ารูหั�สเป!น computationallySecure ซึ่( งใหั ciphertext ติรูงติามีเกณฑ์-อย�างใด้อย�างหัน( ง

•cost of breaking the cipher exceeds the value of the information (มี�คื�าใช้จ�ายในการูเป3ด้เผยรูหั�สส�งกว�าคื�าข้องข้อมี�ล่)

• time requires to break the cipher exceeds the useful lifetime of the information (ติองใช้เวล่าในการูเป3ด้เผย ciphertext เก�นอาย4การูใช้งานข้องข้อมี�ล่)

10Network Security

Network Security 11

Cryptanalysis• The process of attempting to discover

the plaintext or key Alan Turing broke the Enigma Code in WWII

Cryptanalysis

•A brute force approach involves trying every possible key until the translation is obtained.

(ใช้ว�ธี�การู brute force ในการูพิ่ยายามีที่4กคื�ย-ที่� เป!นไปได้จนกว�าจะพิ่บ)

•Some new low cost chips have made this approach more reasonable. (chips รู4 �นใหัมี�รูาคืาถู�กได้บรูรูจ4ว�ธี�การูน�)ไวด้วยแล่ว)

•Greatest security problem is maintaining the security of the key (ป5ญหัาด้านคืวามีปล่อด้ภั�ยมีากที่� ส4ด้คื�อการูรู�กษาคืวามีปล่อด้ภั�ยข้องคื�ย-)

•See types of attacks in Stallings pp.31-32 summarized on next slide.

12Network Security

Types of Attacks

13Network Security

Computationally Secure

An encryption scheme is said to be computationally secure if: (รู�ปแบบการูเข้ารูหั�สจะกล่�าวจะได้ว�ามี�นเป!น computationally Secure ถูา)

•The cost of breaking the cipher exceeds the value of the encrypted information or (คื�าใช้จ�ายข้องการูที่�าล่าย Cipher ส�งกว�าคื�าข้องการูเข้ารูหั�สข้อมี�ล่หัรู�อ)

•The time required to break the cipher exceeds the useful lifetime of the information. (รูะยะเวล่าที่� ที่�าล่าย cipher เก�นกว�าอาย4การูใช้งานข้องข้อมี�ล่)

14Network Security

Average time required for exhaustiveAverage time required for exhaustive key key searchsearch

15

2.15 milliseconds232 = 4.3 x 10932

5.9 x 1030 years2168 = 3.7 x 1050168

5.4 x 1018 years2128 = 3.4 x 1038128

10 hours256 = 7.2 x 101656

Time required at 106 Decryption/µs

Number of Alternative Keys

Key Size (bits)

Network Security

Enigma

16

The Enigma was a wooden box with a keyboard and a bank of lettered lights corresponding to the keys. To encrypt a message, a plaintext character was typed in, and after scrambling, the appropriate light was turned on to give the ciphertext character. See

http://www.vectorsite.net/ttcodep.html#m9

Network Security

Classical ciphers (is an algorithm for performing encryption or decryption)

•Substitution- “units” of plain text are replaced with cipher text (" units "ข้อง plain text จะถู�กแที่นที่� ด้วย ciphertext)▫Polyalphabetic substitution- different for each

character•Transposition- “unit” of plaintext are

rearranged, usually in complex order (" units "ข้อง plain text จะถู�กจ�ด้เรู�ยงใหัมี�โด้ยปกติ�แล่วจะอย��ในรู�ปแบบที่� ซึ่�บซึ่อน)

•See (http://en.wikipedia.org/wiki/Cipher)

17Network Security

Network Security 18

Caesar Cipher

cipher: PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWBplain: MEET ME AFTER THE TOGA PARTY

plain: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

key: defghijklmnopqrstuvwxyzabc

“Rail-Fence” Cipher

Network Security 19

DISGRUNTLED EMPLOYEE

D R L E O

I G U T E M L Y E

S N D P E

DRLEOIGUTE MLYESNDPE

Simple Cipher Examples

•Substitution ciphers - Caesar (การูแที่นที่� )http://starbase.trincoll.edu/~crypto/historical/caesar.html

•Transposition ciphers – Rail Fence (การูเปล่� ยนยายติ�าแหัน�ง)http://starbase.trincoll.edu/~crypto/historical/railfence.html

•Codes and Ciphers Primer http://www.vectorsite.net/ttcodep.html

20Network Security

Feistel Cipher StructureFeistel Cipher Structure•Virtually all conventional block

encryption algorithms, including DES have a structure first described by Horst Feistel of IBM in 1973

•The realization of a Feistel Network depends on the choice of the following parameters and design features:

(see next slide)

21

Network Security

Feistel Cipher StructureFeistel Cipher Structure•Block size: larger block sizes mean greater

security (ข้นาด้ข้องบล่%อกที่� ใหัญ�หัมีายถู(งการูรู�กษาคืวามีปล่อด้ภั�ยที่� มีากข้()น)

•Key Size: larger key size means greater security•Number of rounds: multiple rounds offer

increasing security•Subkey generation algorithm: greater

complexity will lead to greater difficulty of cryptanalysis. (คืวามีซึ่�บซึ่อนมีากข้()นจะน�าไปส��คืวามียากล่�าบากมีากข้()น cryptanalysis)

•Fast software encryption/decryption: the speed of execution of the algorithm becomes a concern (คืวามีเรู%วข้องการูที่�างานข้อง algorithm จะกล่ายเป!นคืวามีก�งวล่)

22Network Security

Feistel CipherFeistel Cipher

• The plain text block is divided into two halves Lo and Ro (บล่%อกข้อคืวามีธีรูรูมีด้าแบ�งออกเป!นคืรู( งออกเป!นสองส�วน Ro แล่ะ Lo)

• The two halves pass through n rounds of processing and then combine to produce the cipher text block. (แบ�งเป!นสองส�วนเที่�า ๆ ก�นผ�านการูปรูะมีวล่ผล่ n รูอบ แล่วน�ามีารูวมีก�นเป!นบล่%อกข้อคืวามี cipher)

• At each round a substitution is performed on the left half of the data by applying a round function F to the right half of the data and then XORing it with the left half (ในแติ�ล่ะรูอบการูแที่นที่� จะถู�กที่�าในคืรู( งซึ่ายข้องข้อมี�ล่โด้ยการูใช้รูอบฟั5งก-ช้� น F ไปย�งคืรู( งข้วาข้องข้อมี�ล่แล่ว XOR(exclusive-OR) ก�บคืรู( งซึ่าย)

23Network Security

24Network Security

Conventional Symmetric Encryption Conventional Symmetric Encryption AlgorithmsAlgorithms

•Data Encryption Standard (DES)▫The most widely used encryption scheme▫The algorithm is reffered to the Data

Encryption Algorithm (DEA)▫DES is a block cipher▫The plaintext is processed in 64-bit blocks▫The key is 56-bits in length▫No longer used for government transmissions

25Network Security

26Network Security

27

Network Security

Data Encrytion Standard Data Encrytion Standard (DES)(DES)•The overall processing at each

iteration:

▫Li = Ri-1

▫Ri = Li-1 F(Ri-1, Ki)•Concerns about:

▫The algorithm and the key length (56-bits)

28Network Security

Time to break a code Time to break a code (10(1066 decryptions/µs) decryptions/µs)

29Network Security

Triple DEATriple DEA

•Use three keys and three executions of the DES algorithm (encrypt-decrypt-encrypt)

C = ciphertext P = Plaintext EK[X] = encryption of X using key K DK[Y] = decryption of Y using key K

•Effective key length of 168 bits

30

C = EK3[DK2[EK1[P]]]

Network Security

Triple DEATriple DEA

31Network Security

Other Symmetric Block Other Symmetric Block CiphersCiphers• International Data Encryption

Algorithm (IDEA)▫128-bit key▫Used in PGP

•Blowfish▫Easy to implement▫High execution speed ▫Run in less than 5K of memory

32Network Security

Other Symmetric Block Other Symmetric Block CiphersCiphers• RC5 (algorithm) (is a block cipher notable for its

simplicity. Designed by Ronald Rivest in 1994)▫ Suitable for hardware and software▫ Fast, simple▫ Adaptable to processors of different word lengths▫ Variable number of rounds▫ Variable-length key▫ Low memory requirement▫ High security▫ Data-dependent rotations

• Cast-128 (by Carlisle Adams and Stafford Tavares in1996)▫ Key size from 40 to 128 bits▫ The round function differs from round to round

33Network Security

Cipher Block Modes of Cipher Block Modes of OperationOperation

•Cipher Block Chaining Mode (CBC)▫The input to the encryption algorithm is the XOR

of the current plaintext block and the preceding ciphertext block. (ป:อนข้อมี�ล่เข้าส�� encryption algorithm เป!น XOR ข้อง current plaintext block แล่ะ ciphertext block ก�อนหันาน�))

▫Repeating pattern of 64-bits are not exposed (รู�ปแบบการูที่�าซึ่�)าข้อง 64 บ�ติ แติ�จะไมี�มี�การูเป3ด้เผย)

34

ii1i1iiK1i

i1iiK

i1iKKiK

i1iki

PPCC][CDC

)P(C][CD

)]P(C[ED][CD

]P[CEC

Network Security

35Network Security

Location of Encryption Location of Encryption DeviceDevice

•Link encryption:▫A lot of encryption devices▫High level of security▫Decrypt each packet at every switch

•End-to-end encryption▫The source encrypt and the receiver decrypts▫Payload encrypted (สามีารูถูจ4รูหั�สได้มีาก)▫Header in the clear (มี�ส�วนหั�วที่� ช้�ด้เจน)

•High Security: Both link and end-to-end encryption are needed

36Network Security

37Network Security

Key DistributionKey Distribution• A key could be selected by A and physically delivered

to B. (Key ถู�กเล่�อกโด้ย A แล่ะส�งมีอบถู(ง B โด้ยติรูง)• A third party could select the key and physically

deliver it to A and B. (บ4คืคืล่ที่� สามีสามีารูถูเล่�อก key แล่ะส�งไปย�ง A แล่ะ Bได้)

• If A and B have previously used a key, one party could transmit the new key to the other, encrypted using the old key. (ถูา A แล่ะ B ได้ใช้ key ก�อนหันาน�)แล่ว หัน( งในน�)นติองส�ง key ใหัมี�ใหัก�บบ4คืคืล่อ� นติ�อไปโด้ยใช้การูเข้ารูหั�สจากคื�ย-เด้�มี)

• If A and B each have an encrypted connection to a third party C, C could deliver a key on the encrypted links to A and B. (ถูา A แล่ะ B มี�การูเช้� อมีติ�อที่� เข้ารูหั�สแติ�ล่ะช้น�ด้ก�น ถู(งบ4คืคืล่ที่� สามี C, C ก%สามีารูถูส�งก4ญแจในการูเข้ารูหั�สล่�บการูเช้� อมีโยงไปย�ง A แล่ะ Bได้)

38Network Security

Key Distribution Key Distribution (See Figure 2.10)(See Figure 2.10)•Session key: (is a single-use symmetric key used

for encrypting all messages in one communication session or traffic encryption key or TEK)▫Data encrypted with a one-time session key. At the

conclusion of the session the key is destroyed (ข้อมี�ล่ที่� เข้ารูหั�สด้วยคื�ย-เซึ่สช้� นแล่วคืรู�)งเด้�ยว ในที่� ส4ด้ก%จะถู�กที่�าล่าย)

•Permanent key:▫Used between entities for the purpose of

distributing session keys (การูใช้รูะหัว�างหัน�วยงานกเพิ่� อว�ติถู4ปรูะสงคื-ในการูกรูะจาย ก4ญแจเซึ่สช้� น)

39Network Security

40Network Security

Recommended ReadingRecommended Reading

• Stallings, W. Cryptography and Network Security: Principles and Practice, 2nd edition. Prentice Hall, 1999

• Scneier, B. Applied Cryptography, New York: Wiley, 1996

• Mel, H.X. Baker, D. Cryptography Decrypted. Addison Wesley, 2001

41Network Security