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\documentclass[12pt,a4paper,german]{article}
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\usepackage{url}
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%\usepackage{graphics}
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\usepackage{times}
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\usepackage[T1]{fontenc}
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\usepackage{pifont}
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\usepackage{ngerman}
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\usepackage{float}
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\usepackage{diagbox}
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\usepackage[latin1]{inputenc}
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\usepackage{geometry}
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\usepackage{amsfonts}
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\usepackage{amsmath}
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\usepackage{delarray}
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% \usepackage{minted}
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\usepackage{csquotes}
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\usepackage{graphicx}
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\usepackage{epsfig}
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\usepackage{longtable}
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\usepackage{paralist}
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\geometry{left=2.0cm,textwidth=17cm,top=3.5cm,textheight=23cm}
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\graphicspath{.}
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%%%%%%%%%% Fill out the the definitions %%%%%%%%%
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\def \name {Valentin Brandl} %
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\def \matrikel {108018274494} %
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% \def \pname {Vorname2 Nachname2} %
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% \def \pmatrikel {Matrikelnummer2} %
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\def \gruppe {Gruppe 193} %
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\def \uebung {6} %
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% DO NOT MODIFY THIS HEADER
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\newcommand{\hwsol}{
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\vspace*{-2cm}
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\noindent \matrikel \quad \name \hfill Gruppe:\gruppe \\
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% \noindent \pmatrikel \quad \pname \\
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\begin{center}{\Large \bf L\"osung f\"ur \"Ubung \# \uebung}\end{center}
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}
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\newcommand{\cmark}{\ding{51}}%
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\newcommand{\xmark}{\ding{55}}%
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\newcommand{\csquare}{\text{\rlap{$\checkmark$}}\square}%
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\begin{document}
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%Import header
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\hwsol
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\section*{Aufgabe 1}
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\begin{enumerate}[a)]
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\item Ein einzelner der im Paper beschriebenen FPGAs kann 400.000.000 (400 Millionen) Schlüssel pro Sekunde testen.
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\item Der Average Case einer Schlüsselsuche eines $n$-Bit Schlüssels beträgt $2^n / 2$ und der worst-case beträgt
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$2^n$, ist also um Faktor 2 langsamer. Der average-case für DES auf einem COPACOBANA beträgt 9 Tage, der
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worst-case sind also 18 Tage.
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\item Anzahl der Verdoppelungen nach Moore's Law: $((2019 - 2006) * 12) / 18 = 8,6667 \approx 9$
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Average Case zum Brechen von DES in 2006: 9 Tage
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Verbesserung nach $9$ Iterationen von Moore's Law: $9 / (2^9) = 0,0176$
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Im average case lässt sich eine DES-Schlüsselsuche 2019 in weniger als einem Tag durchführen (weniger als einer
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halben Stunde).
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Mit $8$ Iterationen gerechnet, kommt man auf $9 / (2^8) = 0,0351$ Tage, also knapp unter $1$ Stunde.
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\item Eine Implementierung als FPGA ist deutlich schneller, als eine Software Implementierung auf general purpose
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Hardware zu den selben Kosten. Eine Implementierung als ASIC lässt sich nur verwenden um einen bestimmten
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Algorithmus anzugreifen, während man FPGAs neu programmieren kann, um anderen Algorithmen anzugreifen.
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\item Ein einzelner FPGA konnte 2006 400 Millionen Schlüssel pro Sekunde testen. Unter Anwendung von 8 Iterationen
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von Moore's Law (siehe c)) ergibt sich daraus eine Leistung von $400000000 * 2^8 = 102.400.000.000$ Schlüssel
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pro Sekunde im Jahr 2019
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Ein COPACOBANA enthält 120 FPGAs, von denen jeder $102400000000$ Schlüssel pro Sekunde testen kann. Der gesamte
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COPACOBANA kann also $120 * 102400000000 = 12288000000000$ Schlüssel pro Sekunde testen.
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15000 COPACOBANA kommen also auf $15000 * 12.288.000.000.000 = 184.320.000.000.000.000$ Schlüssel pro Sekunde.
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Eine Blockchiffre mit einer Schlüssellänge von 128-bit hat $2^{128}$ Mögliche Schlüssel. Eine durchschnittliche
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Schlüsselsuche muss also $2^{128} / 2$ Schlüssel testen.
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Sei $p = 184.320.000.000.000.000 \frac{k}{s}$ (Schlüssel pro Sekunde) die Leistung des COPACOBANA Clusters und
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$r = (2^{128} / 2) k$ die Anzahl der zu testenden Schlüssel, ergibt sich die Dauer des Angriffs mit $\frac{r}{p}
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= \frac{(2^{128} / 2)}{184.320.000.000.000.000} s \approx 9.231 * 10^{20} \approx 2.564 * 10^{17} h \approx
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1.068 * 10^{16} d \approx 29271308980213 y$
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\item Benötigte Rechenleistung $p$ (in Schlüssel pro Sekunde) um eine 128-bit Blockchiffre mit einer durchschnittlichen
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Suchzeit von 24 Stunden zu brechen:
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$86400 = \frac{2^{128}/2}{p} \Rightarrow p = 1.969.226.660.422.097.589.487.121.570.785.695 \approx 1.969 *
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10^{30}$
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\begin{align*}
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12288000000000 * (2^x) &> 1.969 * 10^{30} \\
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\Rightarrow x &> 57153
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\end{align*}
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Nach $57153$ Iterationen von Moore's Law, also $57153 * 18m = 1028754m \approx 85730y$, lässt sich eine 128-bit
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Blockchiffre in weniger als 24 Stunden brechen. Das ist im Jahr $85730 + 2019 = 87749$
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\end{enumerate}
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\section*{Aufgabe 2}
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\begin{enumerate}[a)]
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\item
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\begin{enumerate}[1.]
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\item Ausgabe der f-Box $f_{out} = R_1 \oplus L_0$
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\item Ausgabe der S-Boxen $s_{out} = P^{-1}(f_{out})$
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\item Mit $s_{out}$ lässt sich der Input der S-Boxen $s_{in}$ einschränken
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\item $k_1 = E(R_0) \oplus s_{in}$
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\end{enumerate}
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\item Jede S-Box hat $2^6 = 64$ Mögliche Eingangswerte und $2^4 = 16$ Mögliche Ausgangswerte
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$\Rightarrow 64/16 = 4 \Rightarrow$ ca $4^8 = 65536$ Kandidaten
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\item Berechnungen wurden mit dem im Anhang befindlichen Code durchgeführt. Die inverse der P-Box wurde per Hand
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erstellt.
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$s_{out_1}$ für $X_1,Y_1$: 0111 1101 1001 0101 1011 1100 1001 0000 $\Rightarrow$ 7 13 9 5 11 12 9 0
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Mögliche Werte für $s_{in_1}$: $\{011110,000101,110110,101111\}$ $\{011010,000011,101100,100001\}$
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$\{000100,000111,100110,101011\}$ $\{010110,000111,111000,110101\}$ $\{001100, 000011, 100110,100001\}$
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$\{000000,001011,101100,100111\}$ $\{010100, 001011,111100, 110001\}$ $\{011010,011001,110000,110111\}$
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$s_{out_2}$ für $X_2,Y_2$: 1000 0101 1101 0011 0010 0010 0110 1000 $\Rightarrow$ 8 5 13 3 2 2 6 8
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Mögliche Werte für $s_{in_2}$: $\{001110, 011111,100110,100101\}$ $\{011100,011111,110000,111011\}$ $\{010010,
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000001,100000,100101\}$ $\{000110, 001111,110100,100001\}$ $\{000000,000101,100010,101101\}$
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$\{001010,000111,101000,100101\}$ $\{011100,011111,110100,100001\}$ $\{010000, 000111,111110,101101\}$
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$e_{out_1} =$ 011101010011001011101000000000010000000000000000
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$e_{out_2} =$ 101010000001001001111000000000010000000000000000
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Weiterer Ansatz: Alle $4^8$ Permutationen von $s_{in_1}$ und $s_{in_2}$ erzeugen und die Ergebnisse $\oplus
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e_{out_1}$ bzw. $e_{out_2}$ rechnen. Die Schnittmenge aus dem ersten und zweiten Schritt bilden. Diese
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Schnittmenge enthält die Schlüsselkandidaten.
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\item PC-2 hat $2^{56}$ mögliche Inputs und $2^{48}$ mögliche Outputs.
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$2^{56} / 2^{48} = 1024$ Kandidaten
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\end{enumerate}
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% \section*{Code}
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% \inputminted{rust}{./school/intro-crypto/uebung/06/des/src/main.rs}
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\end{document}
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