Chiffrement par bloc

Un chiffrement par blocs se compose de deux algorithmes appariés, l'un pour le chiffrement, ${\displaystyle E}$, et l'autre pour le déchiffrement, ${\displaystyle D}$[1]. Les deux algorithmes acceptent deux entrées : un bloc d'entrée de taille ${\displaystyle n}$ bits et une clé de taille ${\displaystyle k}$ bits ; et tous deux donnent un bloc de sortie de ${\displaystyle n}$ bits. L'algorithme de décryptage ${\displaystyle D}$ est défini comme étant la fonction inverse du cryptage, c'est-à-dire, ${\displaystyle D}$ = ${\displaystyle E}$^-1. Plus formellement, un chiffrement par bloc est spécifié par une fonction de chiffrement

${\displaystyle E_{K}(P):=E(K,P):\{0,1\}^{k}\times \{0,1\}^{n}\rightarrow \{0,1\}^{n},}$

qui prend en entrée une clé ${\displaystyle K}$ de longueur binaire ${\displaystyle k}$, appelée taille de la clé, et une chaîne de bits ${\displaystyle P}$ de longueur ${\displaystyle n}$, appelée "taille du bloc", et renvoie une chaîne ${\displaystyle C}$ de bits ${\displaystyle n}$. ${\displaystyle P}$ est appelée texte en clair, et ${\displaystyle C}$ est appelée texte chiffré. Pour chaque ${\displaystyle K}$, la fonction ${\displaystyle E}$_{${\displaystyle K}$}(${\displaystyle P}$) doit être une cartographie inversible sur {0,1}^{${\displaystyle n}$}. L'inverse pour ${\displaystyle E}$ est défini comme une fonction

${\displaystyle E_{K}^{-1}(C):=D_{K}(C)=D(K,C):\{0,1\}^{k}\times \{0,1\}^{n}\rightarrow \{0,1\}^{n},}$

en prenant une clé ${\displaystyle K}$ et un texte chiffré ${\displaystyle C}$ pour renvoyer une valeur en clair ${\displaystyle P}$, de sorte que

${\displaystyle \forall K:D_{K}(E_{K}(P))=P.}$

Par exemple, un algorithme de chiffrement par bloc peut prendre un bloc de 128 bits de texte en clair comme entrée, et produire un bloc de 128 bits de texte chiffré correspondant. La transformation exacte est contrôlée à l'aide d'une deuxième entrée - la clé secrète. Le décryptage est similaire : l'algorithme de décryptage prend, dans cet exemple, un bloc de 128 bits de texte chiffré avec la clé secrète, et donne le bloc de 128 bits de texte en clair d'origine[2].

Pour chaque clé K, E_K est une permutation. (un bijective mapping) sur l'ensemble des blocs d'entrée. Chaque touche sélectionne une permutation dans l'ensemble des ${\displaystyle (2^{n})!}$ permutations possibles.[3]

Un chiffrement par blocs ne permet de chiffrer qu'un seul bloc de données de la longueur du bloc de chiffrement. Pour un message de longueur variable, les données doivent d'abord être divisées en blocs de chiffres séparés. Dans le cas le plus simple, connu sous le nom de mode "livre de code électronique" (ECB), un message est d'abord divisé en blocs séparés de la taille du bloc de chiffrement (en étendant éventuellement le dernier bloc avec des bits de remplissage), puis chaque bloc est chiffré et déchiffré indépendamment. Cependant, une méthode aussi naïve est généralement peu sûre car des blocs de texte en clair identiques génèrent toujours des blocs de texte chiffré identiques (pour la même clé), de sorte que les motifs du message en texte en clair deviennent évidents dans la sortie du texte chiffré.

Pour surmonter cette limitation, plusieurs modes de fonctionnement de chiffrement par blocs ont été conçus et spécifiés dans des recommandations nationales telles que NIST 800-38A et BSI TR-02102 et des normes internationales telles que ISO/IEC 10116. Le concept général est d'utiliser la randomisation des données en texte clair sur la base d'une valeur d'entrée supplémentaire, souvent appelée vecteur d'initialisation, pour créer ce que l'on appelle un chiffrement probabiliste. Dans le mode CBC (Cipher Block Chaining), pour que le cryptage soit sûr, le vecteur d'initialisation transmis avec le message en clair doit être une valeur aléatoire ou pseudo-aléatoire, qui est ajoutée de manière exclusive au premier bloc de texte en clair avant qu'il ne soit crypté. Le bloc de texte chiffré qui en résulte est ensuite utilisé comme nouveau vecteur d'initialisation pour le bloc de texte en clair suivant. Dans le mode de retour de chiffrement (CFB), qui émule un chiffrement de flux autosynchronisé, le vecteur d'initialisation est d'abord chiffré puis ajouté au bloc de texte en clair. Le mode de retour de sortie (OFB) crypte de manière répétée le vecteur d'initialisation pour créer un flux de clés pour l'émulation d'un chiffrement à flux synchrone. Le nouveau mode de compteur (CTR) crée de la même manière un flux de clés, mais il a l'avantage de ne nécessiter que des valeurs uniques et non (pseudo-)aléatoires comme vecteurs d'initialisation ; le caractère aléatoire nécessaire est dérivé en interne en utilisant le vecteur d'initialisation comme compteur de blocs et en cryptant ce compteur pour chaque bloc.

Du point de vue de la théorie de la sécurité, les modes de fonctionnement doivent assurer ce que l'on appelle la sécurité sémantique[28]. Officieusement, cela signifie qu'étant donné un certain texte chiffré sous une clé inconnue, on ne peut pratiquement tirer aucune information du texte chiffré (autre que la longueur du message) sur ce que l'on aurait su sans voir le texte chiffré. Il a été démontré que tous les modes examinés ci-dessus, à l'exception du mode BCE, fournissent cette propriété dans le cadre d'attaques dites de texte en clair choisi.