Разработка программы, реализующей алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89 (стр. 2 из 4)

Все алгоритмы шифрования ГОСТа опираются на три алгоритма низшего уровня, называемые базовые циклами. Они имеют следующие названия и обозначения:

цикл шифрования (32-З);

цикл дешифрования (32-Р);

цикл выработки имитовставки (16-З).

В свою очередь, каждый из базовых циклов представляет собой многократное повторение одной единственной процедуры. Назовем ее основным шагом криптопреобразования.

Таким образом, чтобы разобраться в ГОСТе, необходимо понять три следующие вещи:

что такое основной шаг криптопреобразования;

как из основных шагов складываются базовые циклы;

как из трех базовых циклов складываются все практические алгоритмы ГОСТа.

Прежде чем перейти к изучению этих вопросов, следует поговорить о ключевой информации, используемой алгоритмами ГОСТа. Ключевая информация состоит из двух структур данных. Помимо ключа, необходимого для всех шифров, она содержит еще и таблицу замен.

Ключ является массивом из восьми 32-битных элементов кода. Далее он обозначается символом К:

. В ГОСТе элементы ключа используются как 32-разрядные целые числа без знака:

. Таким образом, размер ключа составляет 32·8=256 бит или 32 байта.

Таблица замен является матрицей 8´16, содержащей 4-битовые элементы, которые можно представить в виде целых чисел от 0 до 15. Строки таблицы замен называются узлами замен, они должны содержать различные значения, то есть каждый узел замен должен содержать 16 различных чисел от 0 до 15 в произвольном порядке. Далее таблица замен обозначается символом H:

. Таким образом, общий объем таблицы замен равен: 8 узлов ´ 16 элементов ´ 4 бита = 512 бит или 64 байта.

3.2.2 Основной шаг криптопреобразования

Основной шаг криптопреобразования (рис. 1) по своей сути является оператором, определяющим преобразование 64-битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является 32-битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа.

Рис. 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ 28147-89.

Шаг 0. Определение исходных данных для основного шага криптопреобразования, где N –преобразуемый 64-битовый блок данных, в ходе выполнения шага его младшая (N1) и старшая (N2) части обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака. Таким образом, можно записать N=(N1,N2), а X – 32-битовый элемент ключа.

Шаг 1. Сложение с ключом. Младшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 232 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг.

Шаг 2. Поблочная замена. 32-битовое значение, полученное на предыдущем шаге, интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S= (S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7). Далее значение каждого из восьми блоков заменяется на новое, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока Sm заменяется на Sm-ный по порядку элемент (нумерация с нуля) m-ного узла замен (т.е. m-ной строки таблицы замен, нумерация также с нуля). Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа.

Шаг 3. Циклический сдвиг на 11 бит влево. Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг. На схеме алгоритма символом Θ11 обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит в сторону старших разрядов.

Шаг 4. Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 со старшей половиной преобразуемого блока.

Шаг 5. Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, а на ее место помещается результат выполнения предыдущего шага.

Шаг 6. Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования.

3.2.3 Базовые циклы криптографических преобразований

Базовые циклы построены из основных шагов криптографического преобразования, рассмотренного в предыдущем разделе. В процессе выполнения основного шага используется только один элемент ключа, в то время как ключ ГОСТ содержит восемь таких элементов. Следовательно, чтобы ключ был использован полностью, каждый из базовых циклов должен многократно выполнять основной шаг с различными его элементами.

Базовые циклы заключаются в многократном выполнении основного шага с использованием разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения шага и порядком использования ключевых элементов. Ниже приведен этот порядок для различных циклов.

Цикл шифрования 32-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7, K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл дешифрования 32-Р:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0, K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл выработки имитовставки 16-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7.

Каждый из циклов имеет собственное буквенно-цифровое обозначение, соответствующее шаблону «n-X», где первый элемент обозначения (n), задает число повторений основного шага в цикле, а второй элемент обозначения (X), буква, задает порядок шифрования («З») или дешифрования («Р») в использовании ключевых элементов. Цикл дешифрования должен быть обратным циклу шифрования, то есть последовательное применение этих двух циклов к произвольному блоку должно дать в итоге исходный блок. Для выполнения этого условия для алгоритмов, подобных ГОСТу, необходимо и достаточно, чтобы порядок использования ключевых элементов соответствующими циклами был взаимообратным (рис. 2а, рис. 2б).

Схемы базовых циклов приведены на рисунках 2а, 2б, 2в. Каждый из них принимает в качестве аргумента и возвращает в качестве результата 64-битный блок данных, обозначенный на схемах N. Символ Шаг (N,Kj) обозначает выполнение основного шага криптопреобразования для блока N с использованием ключевого элемента K.

Рис. 2б. Схема цикла дешифрования 32-Р.

3.2.4 Основные режимы шифрования

ГОСТ 28147-89 предусматривает три следующих режима шифрования данных:

простая замена,

гаммирование,

гаммирование с обратной связью.

Кроме того, предусмотрен один дополнительный режим выработки имитовставки.

В любом из этих режимов данные обрабатываются блоками по 64 бита, на которые разбивается массив, подвергаемый криптографическому преобразованию, именно поэтому ГОСТ относится к блочным шифрам. Однако в двух режимах гаммирования есть возможность обработки неполного блока данных размером меньше 8 байт, что существенно при шифровании массивов данных с произвольным размером, который может быть не кратным 8 байтам.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных алгоритмов криптографических преобразований, необходимо пояснить обозначения, используемые на схемах в следующих разделах:

Tо, Tш – массивы соответственно открытых и зашифрованных данных;

– i-тые по порядку 64-битные блоки соответственно открытых и зашифрованных данных;

n – число 64-битных блоков в массиве данных;

ЦX – функция преобразования 64-битного блока данных по алгоритму базового цикла «X».

Далее описаны режимы шифрования по алгоритму ГОСТ 28147-89.

Простая замена.

Шифрование в данном режиме заключается в применении цикла 32-З к блокам открытых данных, дешифрование – цикла 32-Р к блокам зашифрованных данных. Это наиболее простой из режимов, 64-битовые блоки данных обрабатываются в нем независимо друг от друга. Схемы алгоритмов шифрования и дешифрования в режиме простой замены приведены на рисунках 3а и 3б соответственно.

Рис. 3а. Алгоритм шифрования данных в режиме простой замены.

Рис. 3б. Алгоритм дешифрования данных в режиме простой замены.

Размер массива открытых или зашифрованных данных, подвергающийся соответственно зашифрованию или расшифрованию, должен быть кратен 64 битам: |Tо|=|Tш|=64 · n , после выполнения операции размер полученного массива данных не изменяется.

Режим шифрования простой заменой имеет следующие особенности:

Так как блоки данных шифруются независимо друг от друга и от их позиции в массиве данных, при зашифровании двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифртекста и наоборот. Отмеченное свойство позволит криптоаналитику сделать заключение о тождественности блоков исходных данных, если в массиве зашифрованных данных ему встретились идентичные блоки, что является недопустимым для серьезного шифра;

Если длина шифруемого массива данных не кратна 8 байтам или 64 битам, возникает проблема, чем и как дополнять последний неполный блок данных массива до полных 64 бит. Эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд. Очевидные решения типа «дополнить неполный блок нулевыми битами» или «дополнить неполный блок фиксированной комбинацией нулевых и единичных битов» могут при определенных условиях дать в руки криптоаналитика возможность методами перебора определить содержимое этого самого неполного блока, и этот факт означает снижение стойкости шифра. Кроме того, длина шифртекста при этом изменится, увеличившись до ближайшего целого, кратного 64 битам, что часто бывает нежелательным.