Стандарт криптографического преобразования данных ГОСТ
Стандарт криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89 рекомендован к использованию для защиты любых данных, представленных в виде двоичного кода. Данный стандарт формировался с учетом мирового опыта, и в частности, при его разработке были приняты во внимание недостатки алгоритма DES. Стандарт довольно сложен, поэтому приведем лишь его концептуальное описание.
Алгоритм криптографического преобразования, установленный ГОСТ 28147-89 (далее — ГОСТ) используется для шифрования данных в двух режимах, а также для выработки имитовставки, которая является средством контроля целостности данных и зависит от ключей. При шифровании алгоритм ГОСТ сводится к шифру гаммирования. Блок гаммы представляет собой 64-битовую комбинацию, состоящую из двух последовательных 32-битовых блоков. Исходя из удобства изложения, далее будем называть любой 64-битовый блок комбинацией, а также считать, что блок состоит их двух сцепленных подблоков из 32-х битов каждый.
Гамма накладывается поразрядно по модулю 2. Каждая комбинация гаммы представляет собой результат шифрпреобразования с помощью шифра простой замены на множестве 64-битовых комбинаций. Входные комбинации для указанного шифра, в общем случае, формируются в зависимости от ключей, псевдослучайного открытого параметра S (синхропосылка), известных констант с1, c2
и предыдущего блока шифртекста. Фактически задача каждого из режимов шифрования — это формирование 64-битовых комбинаций для входа в основной режим работы ГОСТ, называемый режимом простой замены. По сути, ключи необходимы для работы ГОСТ именно в этом режиме. Комбинация гаммы является результатом работы алгоритма в режиме простой замены.
Алгоритм ГОСТ в качестве исходных данных использует три параметра: K,
X и Z — 64-битовый блок данных. Первый параметр является долговременным, а второй — сеансовым ключом.
Параметры независимы и имеют размер 512, 256 и 64 бита соответственно. K представляет собой отображение множества блоков в себя. Это отображение реализует потетрадную замену 32-разрядных блоков в 32-х разрядные и состоит из 8 подключей. Подключ Ki (i = 1, …, 8), входящий в K, является таблицей замены для i-той (слева) тетрады, т.е.
состоит из 16 тетрад. В стандарте ключ K называется блоком подстановки, а подключи K — узлами замены.
Сеансовый ключ X состоит из восьми 32- разрядных подключей Xi, каждый из которых в соответствующий момент используется для суммирования с некоторым блоком по модулю 2. Режим простой замены алгоритма ГОСТ реализован в виде шифра Файстеля.
Шифрование блока открытого текста Z алгоритмом ГОСТ производится за 32 цикла. На каждом цикле происходит преобразование входной комбинации в выходную. Шифртекстом является результат работы (выход) тридцать второго цикла, подвергнутый очень простому дополнительному преобразованию.
Процесс шифрования в режиме простой замены (рис. , который обозначим через T = ГОСТ(S) можно представить в виде последовательности 34 блоков u = (U–2, U–1, U0, U1, U2, …, U30, U31), где U-1||U0 = S и U31||U30 = T.
Здесь U-1||U0 — результат работы цикла 0, U0||U1 — результат работы цикла 1 и т.д. до U31||U30 — результата работы цикла 31. Дополнительное преобразование меняет порядок следования блоков: U31||U30 = T.
На цикле i используется подключ Xt(i). При шифровании используется следующая последовательность выбора подключей от начального и до последнего цикла:
t(i) = {0,1,2,3,4,5,6,7; 0,1,2,3,4,5,6,7; 0,1,2,3,4,5,6,7; 7,6,5,4,3,2,1,0}
При расшифровывании используется обратный порядок следования подключей.
В режиме гаммирования последовательность 64-битовых комбинаций гаммы имеет вид: ?K = ГОСТ(?(?K–1)), k = 1, 2, ..., где ?0 = ГОСТ(S). При этом для s1||s2 ?(?) состоит из двух блоков: s1 º c1, s2 + c2.Здесь сложение с c2
производится по mod 232, а s1 º c1 = s1 + c1 mod(232
– 1) за исключением случая s1 º c1, s2 + c2, когда результат принимается равным 232 – 1. Шестнадцатеричное представление c1 и c2, соответственно, следующее: х01010101 и х01010104,
В режиме гаммирования с обратной связью
?1 = ГОСТ(S), ?k+1 = ГОСТ(?k Å tk), k = 1, 2, …, t — комбинация открытого текста.
Рис. 18.9. Цикл шифрования в режиме простой замены
Пример реализации алгоритма ГОСТ представлен в листингах 18.5 и 18.6 (компилятор — Microsoft Visual C 6.0).
Листинг 18.5.
Пример реализации алгоритма ГОСТ на
языке C++ в виде библиотечного класса (библиотека Crypto++ 5.1)
#include "pch.h"
#include "gost.h"
#include "misc.h"
Продолжение листинга 18.5
NAMESPACE_BEGIN(CryptoPP)
// S-блоки
const byte GOST::Base::sBox[8][16]={
{4, 10, 9, 2, 13, 8, 0, 14, 6, 11, 1, 12, 7, 15, 5, 3},
{14, 11, 4, 12, 6, 13, 15, 10, 2, 3, 8, 1, 0, 7, 5, 9},
{5, 8, 1, 13, 10, 3, 4, 2, 14, 15, 12, 7, 6, 0, 9, 11},
{7, 13, 10, 1, 0, 8, 9, 15, 14, 4, 6, 12, 11, 2, 5, 3},
{6, 12, 7, 1, 5, 15, 13, 8, 4, 10, 9, 14, 0, 3, 11, 2},
{4, 11, 10, 0, 7, 2, 1, 13, 3, 6, 8, 5, 9, 12, 15, 14},
{13, 11, 4, 1, 3, 15, 5, 9, 0, 10, 14, 7, 6, 8, 2, 12},
{1, 15, 13, 0, 5, 7, 10, 4, 9, 2, 3, 14, 6, 11, 8, 12}};
bool GOST::Base::sTableCalculated = false;
word32 GOST::Base::sTable[4][256];
void GOST::Base::UncheckedSetKey(CipherDir direction, const byte *userKey, unsigned int length)
{
AssertValidKeyLength(length);
PrecalculateSTable();
GetUserKey(LITTLE_ENDIAN_ORDER, key.begin(), 8, userKey,
KEYLENGTH);
}
void GOST::Base::PrecalculateSTable()
{
if (!sTableCalculated)
{
for (unsigned i = 0; i < 4; i++)
for (unsigned j = 0; j < 256; j++)
{
word32 temp = sBox[2*i][j%16] | (sBox[2*i+1][j/16] << 4);
sTable[i][j] = rotlMod(temp, 11+8*i);
}
sTableCalculated=true;
}
}
#define f(x) ( t=x, \
sTable[3][GETBYTE(t, 3)] ^ sTable[2][GETBYTE(t, 2)] \
Продолжение листинга 18.5
^ sTable[1][GETBYTE(t, 1)] ^ sTable[0][GETBYTE(t, 0)] )
typedef BlockGetAndPut<word32, LittleEndian> Block;
void GOST::Enc::ProcessAndXorBlock(const byte *inBlock, const byte *xorBlock, byte *outBlock) const
{
word32 n1, n2, t;
Block::Get(inBlock)(n1)(n2);
for (unsigned int i=0; i<3; i++)
{
n2 ^= f(n1+key[0]);
n1 ^= f(n2+key[1]);
n2 ^= f(n1+key[2]);
n1 ^= f(n2+key[3]);
n2 ^= f(n1+key[4]);
n1 ^= f(n2+key[5]);
n2 ^= f(n1+key[6]);
n1 ^= f(n2+key[7]);
}
n2 ^= f(n1+key[7]);
n1 ^= f(n2+key[6]);
n2 ^= f(n1+key[5]);
n1 ^= f(n2+key[4]);
n2 ^= f(n1+key[3]);
n1 ^= f(n2+key[2]);
n2 ^= f(n1+key[1]);
n1 ^= f(n2+key[0]);
Block::Put(xorBlock, outBlock)(n2)(n1);
}
void GOST::Dec::ProcessAndXorBlock(const byte *inBlock, const byte *xorBlock, byte *outBlock) const
{
word32 n1, n2, t;
Block::Get(inBlock)(n1)(n2);
Окончание листинга 18.5
n2 ^= f(n1+key[0]);
n1 ^= f(n2+key[1]);
n2 ^= f(n1+key[2]);
n1 ^= f(n2+key[3]);
n2 ^= f(n1+key[4]);
n1 ^= f(n2+key[5]);
n2 ^= f(n1+key[6]);
n1 ^= f(n2+key[7]);
for (unsigned int i=0; i<3; i++)
{
n2 ^= f(n1+key[7]);
n1 ^= f(n2+key[6]);
n2 ^= f(n1+key[5]);
n1 ^= f(n2+key[4]);
n2 ^= f(n1+key[3]);
n1 ^= f(n2+key[2]);
n2 ^= f(n1+key[1]);
n1 ^= f(n2+key[0]);
}
Block::Put(xorBlock, outBlock)(n2)(n1);
}
NAMESPACE_END
Листинг 18.6. Заголовочный файл gost.h,
используемый при реализации алгоритма ГОСТ на
языке C++ в виде библиотечного класса (библиотека Crypto++ 5.1)
#ifndef CRYPTOPP_GOST_H
#define CRYPTOPP_GOST_H
#include "seckey.h"
#include "secblock.h"
NAMESPACE_BEGIN(CryptoPP)
struct GOST_Info : public FixedBlockSize<8>,
public FixedKeyLength<32>
{ static const char *StaticAlgorithmName() {return "GOST";}};
Окончание листинга 18.6
{
class Base : public BlockCipherBaseTemplate<GOST_Info>
{
public:
void UncheckedSetKey(CipherDir direction,
const byte *userKey, unsigned int length);
protected:
static void PrecalculateSTable();
static const byte sBox[8][16];
static bool sTableCalculated;
static word32 sTable[4][256];
FixedSizeSecBlock<word32, 8> key;
};
class Enc : public Base
{
public:
void ProcessAndXorBlock(const byte *inBlock,
const byte *xorBlock, byte *outBlock) const;
};
class Dec : public Base
{
public:
void ProcessAndXorBlock(const byte *inBlock,
const byte *xorBlock, byte *outBlock) const;
};
public:
typedef BlockCipherTemplate<ENCRYPTION, Enc> Encryption;
typedef BlockCipherTemplate<DECRYPTION, Dec> Decryption;
};
typedef GOST::Encryption GOSTEncryption;
typedef GOST::Decryption GOSTDecryption;
NAMESPACE_END
#endif
Глава 19
Скремблирование
В речевых системах связи известно два основных метода закрытия речевых сигналов, различающихся по способу передачи по каналам связи: аналоговое скремблирование и дискретизация речи с последующим шифрованием. Под скремблированием понимается изменение характеристик речевого сигнала, таким образом, что полученный модулированный сигнал, обладая свойствами неразборчивости и неузнаваемости, занимает ту же полосу частот, что и исходный сигнал.
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.
Так, для аналоговых скремблеров характерно присутствие при передаче в канале связи фрагментов исходного открытого речевого сообщения, преобразованного в частотной и (или) временной области. Это означает, что злоумышленники могут попытаться перехватить и проанализировать передаваемую информацию на уровне звуковых сигналов. Поэтому ранее считалось, что, несмотря на высокое качество и разборчивость восстанавливаемой речи, аналоговые скремблеры могут обеспечивать лишь низкую или среднюю, по сравнению с цифровыми системами, степень закрытия. Однако новейшие алгоритмы аналогового скремблирования способны обеспечить не только средний, но очень высокий уровень закрытия.
Цифровые системы не передают какой-либо части исходного речевого сигнала. Речевые компоненты кодируются в цифровой поток данных, который смешивается с псевдослучайной последовательностью, вырабатываемой ключевым генератором по одному из криптографических алгоритмов. Подготовленное таким образом сообщение передается с помощью модема в канал связи, на приемном конце которого проводятся обратные преобразования с целью получения открытого речевого сигнала.
Технология создания широкополосных систем, предназначенных для закрытия речи, хорошо известна, а ее реализация не представляет особых трудностей. При этом используются такие методы кодирования речи, как АДИКМ (адаптивная дифференциальная и импульсно-кодовая модуляция), ДМ (дельта-модуляция) и т.п. Но представленная таким образом дискретизированная речь может передаваться лишь по специально выделенным широкополосным каналам связи с полосой пропускания 4,8–19,2 кГц. Это означает, что она не пригодна для передачи по линиям телефонной сети общего пользования, где требуемая скорость передачи данных должна составлять не менее 2400 бит/с. В таких случаях используются узкополосные системы, главной трудностью при реализации которых является высокая сложность алгоритмов снятия речевых сигналов, осуществляемых в вокодерных устройствах.
Посредством дискретного кодирования речи с последующим шифрованием всегда достигалась высокая степень закрытия. Ранее этот метод имел ограниченное применение в имеющихся узкополосных каналах из-за низкого качества восстановления передаваемой речи.
Достижения в развитии технологий низкоскоростных дискретных кодеров позволили значительно улучшить качество речи без снижения надежности закрытия.
