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EFF DES破解機

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電子前哨基金會這台價值250,000美元的DES破解機包含1,856個特別客製化的專用集成電路，能在短短幾天之內暴力破解DES的金鑰。圖中展示了機器的雙面電路板，安裝了64個「深譯」晶片

EFF DES破解機（英語：EFF DES cracker）是電子前哨基金會（EFF）在1998年建造的機器，用於暴力破解美國政府的數據加密標準，即DES加密演算法，暱稱「深譯」（英語：Deep Crack）。這台機器能夠對DES金鑰空間中所有的金鑰逐一進行嘗試，從而將密文破解，其目的在於證明DES的金鑰長度不足，不能保證安全。

本機器的相關技術資料，包括原理圖、電路圖、晶片VHDL原始碼、模擬器原始碼，均被電子前哨基金會公開發表在《破解DES》一書中，並使用了公有領域許可協定，允許任何人複製、使用與修改。為了避開美國政府的出口管制，原始碼是以書本形式而不是電子形式發佈的。書中的原始碼含有機器可讀的元數據，方便讀者使用OCR將原始碼錄入電腦。[1]

背景

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金鑰長度爭議

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DES是最早的電腦加密演算法之一，它在政府、金融、網絡等許多領域都得到了廣泛應用。並且，該加密演算法是美國聯邦政府的一項標準，美國政府鼓勵使用DES加密除了國家機密之外的任何敏感資訊。[2]

DES加密演算法的金鑰長度為56位[3]，這意味着加密時存在256個金鑰可供選擇，即7.2萬萬億（72,057,594,037,927,936）種可能性。但是，DES依然長期面臨「金鑰長度過短、安全性不足」的批評。

早在1975年演算法公開之初，著名的史丹福大學密碼學家馬丁·赫爾曼與惠特菲爾德·迪菲就批評DES演算法易被暴力破解，因此不安全，惟有將金鑰長度提升到至少128位元才能保證安全。[4]二人還構想了一台可在一天內測試所有金鑰的機器，需要的成本為2000萬美元，並指出這對於美國國家安全域（NSA）等情報機構而言並非是一筆很大的開銷，並認為成本在10年後還會進一步下降到20萬美元。[5]

在隨後的20年間，晶片的價格確實不斷下降、效能不斷提升，使電子前哨基金會這樣的小型非營利組織也具有了破解DES的能力。[6]

對密碼學的管制

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參見：密碼戰爭

在20世紀，以NSA為首的美國政府以及盟友為了維護自身的利益，對密碼學進行嚴格管制，限制密碼學的傳播並降低現有系統的安全性，甚至加入後門。[7]例如，一位在1980年代曾參與過GSM研發的專家表示，為保護手機通話不被竊聽，原計劃採用128位元加密進行保護。但隨後遭到英國政府方面的施壓，使最終的A5/1加密演算法被迫削弱為54位元，團隊中的許多專家對此十分憤怒。[8]時至90年代末，隨着互聯網與電子商務的興起，使用密碼學保護公民私隱與商業資訊的訴求，與美國政府管制政策之間的矛盾逐漸升溫。[9]媒體與公眾將這段歷史時期統稱為密碼戰爭。[7]

直到1998年DES已被兩次破解後，美國聯邦調查局局長路易斯·弗里（英語：Louis Freeh）依然堅持對密碼學的嚴格管制，始終不承認DES並不安全：

DES挑戰賽

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由於上述原因，RSA安全公司（英語：RSA Security）希望以實際行動向公眾展示DES的金鑰長度過短，時下已不能保證安全性，因此在1997年舉辦了首屆DES挑戰賽，成功者可獲得一萬美元的獎金[11]。第一屆大賽被來自科羅拉多州洛夫蘭的洛克·沃瑟所帶領的團隊破解成功，耗時96天[12][13][14]。接着，RSA安全公司隨後舉辦了第二屆挑戰賽[15]，其中的初賽由互聯網最早的分散式計算平台distributed.net（英語：distributed.net）的22,000名志願者們挑戰成功。他們使用自己的個人電腦參與計算，共歷時39天，於1998年2月成功破解密文，[16][17]解密後得到「機密資訊為：人多好辦事」（The secret message is: Many hands make light work）的文字。

電子前哨基金會「深譯」使用的客製化微晶片

即使在DES已被兩次破解以後，聯邦調查局局長路易斯·弗里依然以「破譯時間過長，沒有意義」為理由，拒絕承認DES已不安全。因此，RSA再次發起了第二次挑戰賽的複賽。[10]1998年，電子前哨基金會建造了「深譯」（名字來自IBM的「深藍」國際象棋電腦），總共花費不超過250,000美元。[18]為了響應第二屆DES挑戰賽的號召，「深譯」加入了1998年7月15日舉行的複賽，僅用56小時成功破解了DES加密的訊息，獲得了10,000美元獎金。破譯後得到「機密資訊為：是時候讓128位元，192位與256位金鑰登場了」（The secret message is: It's time for those 128-, 192-, and 256-bit keys）的文字。[19][20][21]此次暴力破解攻擊展現了破解DES是非常可行的計劃，多數政府和大型企業完全有能力建造一台類似「深譯」的機器。[22]

六個月之後，電子前哨基金會響應了RSA安全公司舉辦的第三屆挑戰賽[23][24][25][26]，並與distributed.net團隊合作破譯了另一則DES加密的訊息，再次獲得了10,000美元。這次的整個破譯過程不到一天，僅用22小時15分，於1999年1月19日完成破解。[27][28][29][30][31]

同年10月，美國政府宣佈DES標準不會被廢除，但推薦使用其增強版三重DES替代。[32]然而，這需要將DES反覆執行三次，使計算速度更加緩慢。而且與直覺相反，由於中途相遇攻擊的存在，三重DES的安全性僅僅是原金鑰長度的兩倍（2112），並非三倍（2168）。[33]可見三重DES的安全性只有112位元，離密碼學界所推薦的128位元仍有一定差距，而且還需要高昂的計算成本，將其應用於互聯網時不能令人滿意。[34]

2002年5月26日，進階加密標準（即AES）正式取代了DES數據加密標準成為了新的聯邦政府標準。[35]不同於DES，AES不僅將金鑰長度提升至128位元與256位，還大幅提升了計算速度，[36]並廣泛應用於今日的互聯網。[37][38]

技術

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「深譯」由密碼學研究公司（英語：Cryptography Research）、先進無線科技公司（Advanced Wireless Technologies）與電子前哨基金會聯合設計，總設計師是密碼學研究公司的主席保羅·科奇（英語：Paul Kocher）。先進無線科技公司製造了1856片客製化晶片（代號「深譯」，型號AWT-4500），分別組裝在29塊電路板上，每塊電路板64片。這些電路板再被分別放入6個模組，然後安裝在一台改裝過的Sun-4/470工作站（英語：Sun-4）的機箱中。[1]為了協助金鑰的搜尋工作，另外還使用了一台執行Linux作業系統的個人電腦負責控制機器。[6][1]整台機器每秒鐘能嘗試900億個金鑰，共需要9天時間對所有可能的金鑰進行完整的搜尋，但實際使用時，破解出正確的金鑰往往只需要花費一半的時間。[20]

本機器的相關技術資料，包括原理圖、電路圖、晶片VHDL原始碼、模擬器原始碼，均被電子前哨基金會公開發表在《破解DES》一書中，並使用了公有領域許可協定，允許任何人複製、使用與修改。為了避開美國政府的出口管制，原始碼是以書本而不是電子形式發佈的。書中的原始碼含有機器可讀的元數據，方便讀者使用OCR將原始碼錄入電腦。[1]

2006年，又一台客製化硬件攻擊（英語：custom hardware attack）DES加密的機器問世，名為COPACOBANA（為英語：COst-optimized PArallel COdeBreaker的縮寫，意為「低成本並列密碼破譯機」）。該機器得益於集成電路技術的進步，採用FPGA的設計，進一步降低了破解DES的成本。[39][40]2012年7月，安全研究人員大衛·赫爾頓（David Hulton）與莫克西·馬林斯佩克（Moxie Marlinspike）公佈了一個通過暴力破解DES加密從而破解MS-CHAPv2協定的雲端運算工具，這讓普通大眾能夠在24小時之內利用一對已知的明文和密文破解DES金鑰。[41]

參考文獻

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  2. ^ National Institute of Standards and Technology. Federal Information Processing Standards Publication 1981 Guidelines for Implementing and Using the NBS Data Encryption Standard. Federal Information Processing Standards Publication 74 (技術報告). 1981 [2016-10-31]. （原始內容存檔於2004-02-15）. 
  3. ^ 約翰遜, T. 美国冷战期间的密码学，1945-1989.第三部：解雇和重组，1972-1980，232页. NSA, DOCID 3417193 (file released on 2009-12-18, hosted at cryptome.org). 2009-12-18 [2010-01-03]. （原始內容存檔於2010-08-05）. 
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