Blowfishアルゴリズムにおけるサブキーの生成方法を徹底解説

Blowfishアルゴリズムとは

Blowfish（ブローフィッシュ）は、1993年12月にブルース・シュナイアー（Bruce Schneier）によって考案された共通鍵ブロック暗号アルゴリズムです。DESやIDEAの代替として設計されたこの暗号は、Feistelネットワーク構造を採用する暗号方式の中でも最も広く知られているものの一つです。

Blowfishは64ビットのブロックサイズを持ち、鍵長は32ビットから448ビットまで可変に設定できます。アルゴリズムは大きく分けて「鍵拡張（Key Expansion）」と「データ暗号化（Data Encryption）」の2つの部分で構成されています。

Blowfishは最大448ビットの鍵を複数のサブキー配列へと展開します。その総数は1042個の32ビット値、すなわち合計4168バイトに相当します。また、16ラウンドのFeistel構造を採用しており、鍵に強く依存するSボックスをサポートし、16回の反復処理を実現しています。

各ラウンドでは、鍵とデータに依存する置換（Substitution）と、鍵に依存する転置（Permutation）が適用されます。32ビットワードに対する加算演算とXOR演算が組み込まれており、内部には1つのP配列と4つの32ビットSボックスが存在します。

P配列は18個の32ビットサブキーで構成され、各Sボックスは256個のエントリを保持します。暗号化への入力は64ビットのデータ要素です。

サブキー生成の手順

Blowfishにおけるサブキー生成プロセスは、以下のステップで実行されます。

1. 鍵配列の準備

Blowfishは非常に大量のサブキーを使用します。これらのサブキーは、暗号化・復号処理を実行する前にすべて準備されている必要があります。鍵サイズは32ビットから448ビットの範囲で指定でき、言い換えれば32ビットのワード単位で1〜14語（ワード）の長さになります。これらの鍵は次のような配列として保存されます。

K1, K2, …, Kn （ただし 1 ≤ n ≤ 14）

2. P配列の定義

18個の32ビットサブキーからなるP配列は以下のように表されます。

P1, P2, …, P18

3. Sボックスの定義

4つの32ビットSボックスは、それぞれ256個のエントリを持ちます。

S1,0, S1,1 … S1,255
S2,0, S2,1 … S2,255
S3,0, S3,1 … S3,255
S4,0, S4,1 … S4,255

4. 固定文字列による初期化

まずP配列を初期化し、続いて4つのSボックスを固定文字列で初期化します。

5. 円周率の16進数表現を使用

P配列および4つのSボックスは、円周率（π）の16進数表記の桁によって初期化されます。

6. 鍵とのXOR演算

P配列と鍵配列Kとの間でビットごとのXOR演算を行います。鍵のビットが必要に応じてK配列から繰り返し再利用されます（例：P1 XOR 鍵の最初の32ビット、P2 XOR 次の32ビット、という具合です）。

7. 全ゼロブロックの暗号化

現在のP配列とSボックスを使用して、すべてがゼロの64ビットブロックを暗号化します。

8. 出力によるP1・P2の置き換え

暗号化の出力結果でP1とP2を置き換えます。この新しい出力がそれぞれP1、P2となります。

9. P3・P4以降の置き換え

続いて、現在のPボックスとSボックスを用いて前段の出力をさらに暗号化し、その結果得られた暗号文でP3とP4を置き換えます。

10. 全要素の更新まで反復

上記の手順を繰り返し、P配列の全要素（P1〜P18）、さらに4つのSボックスの全エントリが更新されるまで処理を継続します。

この一連の鍵拡張プロセスにより、Blowfishは鍵に強く依存したサブキー群を生成し、高いセキュリティ強度を実現しています。