Главная | Обратная связь

Режим простой замены

Для реализации алгоритма шифрования данных в режиме простой заметы используется только часть блоков общей криптосистемы (рис.4.8). Обозначения на схеме:

N₁, N₂ - 32-разрядные накопители;

CM₁ - 32-разрядный сумматор по модулю 2³² ( * );

CM₂ - 32-разрядный сумматор по модулю 2 ( );

R - 32-разрядный регистр циклического сдвига;

КЗУ – ключевое запоминающее устройство на 256 бит, состоящее из восьми 32-разрядных накопителей X₀,X₁,X₂, …, X₇;

S – блок подстановки, состоящий из восьми узлов замены (S-блоков замены) S₁,S₂,S₃, …, S₇,S₈.

Зашифрование открытых данных в режиме простой замены. Открытые данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на 64-разрядные блоки T₀. Процедура зашифрования 64-разрядного блока в режиме простой замены включает 32 цикла (j=1…32). В ключевое запоминающее устройство вводят 256 бит ключа К в виде восьми 32-разрядных подключей (чисел) К:

K=K₇K₆K₅K₄K₃K₂K₁K₀.

Последовательность битов блока

T₀=(a₁(0),a₂(0), …, a₃₁(0),a₃₂(0),b₁(0),b₂(0), …, b₃₁(0),b₃₂(0))

разбивают на две последовательности по 32 бита: b(0) a(0), где b(0) – левые или старшие биты, а a(0) – правые или младшие биты.

Эти последовательности вводят в накопители N₁ и N₂ перед началом первого цикла зашифрования. Начальное заполнение накопителя N₁:

начальное заполнение накопителя N₂

Первый цикл (j=1) процедуры зашифрования 64-разрядного блока открытых данных можно описать уравнениями:

Здесь а(1) – заполнение N₁, после 1-го цикла зашифрования; b(1) – заполнение N₂ после 1-го цикла зашифрования; f – функция зашифрования.

Аргументом функции f является сумма по модулю числа а(0) (начального заполнении накопителя N₁) и числа К₀ – подключа, считываемого из накопителя Х₀ КЗУ. Каждое из этих чисел равно 32 битам.

Функция f включает две операции над полученной 32-разрядной суммой (а(0) * К₀).

Первая операция называется подстановкой (заменой) и выполняется блоком подстановки S. Блок подстановки S состоит из восьми узлов замены (S-блоков замены) S₁,S₂,S₃, …, S₇,S₈ с памятью 64 бит каждый. Поступающий из CM₁ на блок подстановки S 32-разрядный вектор разбивают на восемь последовательно идущих 4-разрядных векторов, каждый из которых преобразуется в четырехразрядный вектор соответствующим узлом замены. Каждый узел замены можно представить в виде таблицы-перестановки шестнадцати четырехразрядных двоичных чисел в диапазоне 0000…1111. Входной вектор указывает адрес строки в таблице, а число в этой строке является выходным вектором. Затем четырехразрядные выходные векторы последовательно объединяют в 32-разрядный вектор. Узлы замены (таблицы-перестановки) представляют собой ключевые элементы, которые являются общими для сети ЭВМ и редко меняются. Эти узлы замены должны сохраняться в секрете.

Вторая операция – циклический сдвиг влево (на 11 разрядов) 32 разрядного вектора, полученного с выхода блока подстановки S. Циклический сдвиг выполняется регистром сдвига R.

Далее результат работы функции шифрования f суммируются поразрядно по модулю 2 в сумматоре CM₂ с 32-разрядным начальным заполнением b(0) накопителя N₂. Затем полученный на выходе результат (значение а(1)) записывают в накопитель N₁, а старое значение N₁ (значение а(0)) переписывают в накопитель N₂ (значение b(1)=a(0)). Первый цикл завершен.

Последующие циклы осуществляются аналогично, при этом во втором цикле из КЗУ считывают заполнение X₁ - подключ К₁, в третьем цикле – подключ К₂ и т.д., в восьмом цикле – подключ К₇. В циклах с 9-го по 16-й, а также в циклах с 17-го по 24-й подключи из КЗУ считываются в том же порядке: K₀,K₁,K₂, …, K₇. В последних восьми циклах с 25-го по 32-й порядок считывания подключей из КЗУ обратный: K₇,K₆, …, K_2, K₁, K₀. Таким образом, при зашифровании в 32 циклах осуществляется следующий порядок выборки из КЗУ подключей:

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, K_1.

В 32-м цикле результат из сумматора CM₂ вводится в накопитель N₂, а в накопителе N₁ сохраняется прежнее заполнение. Полученные после 32-го цикла зашифрования заполнения накопителей N₁ и N₂ являются блоком зашифрованных данных Т_ш, соответствующим блоку открытых данных Т₀.

Уравнения зашифрования в режиме простой замены имеют вид:

при j=1...24,

при j=25…31,

при j=32,

где a(j)=(a₃₂(j),a₃₁(j), …, a₁(j)) - заполнение N₁ после j-го цикла зашифрования;

b(j)=(b₃₂(j),b₃₁(j), …, b₁(j)) - заполнение N₂ после j-го цикла зашифрования, j=1…32.

Блок зашифрованных данных Т_ш (64 разряда) выводится из накопителей N_1, N₂ в следующем порядке: из разрядов 1…32 накопителя , затем из разрядов 1..32 накопителя N₂, т.е. начиная с младших разрядов:

T_ш=(a₁(32),a₂(32), …, a₃₂(32), b₁(32),b₂(32), …, b₃₂(32)).

Остальные блоки открытых данных зашифровываются в режиме простой замены аналогично.

Расшифрование в режиме простой замены. Криптосхема, реализующая алгоритм расшифрования в режиме простой замены, имеет тот же вид, что и при зашифровании (см. рис.3.11).

В КЗУ вводят 256 бит ключа, на котором осуществлялось Зашифрование. Зашифрованные данные, подлежащие расшифрованию, разбиты на блоки Т_ш по 64 бита в каждом. Ввод любого блока

T_ш=(a₁(32),a₂(32), …, a₃₂(32), b₁(32),b₂(32), …, b₃₂(32))

в накопители N₁ и N₂ производят так, чтобы начальное значение накопителя N₁ имело вид

а начальное заполнение накопителя N₂ - вид

Расшифрование осуществляется по тому же алгоритму, что и зашифрование, с тем изменением, что заполнение накопителей X₀,X₁,X₂, …, X₇ считываются из КЗУ в циклах расшифрования в следующем порядке:
K₀, K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₇, K₇, K₆, K₅, K₄, K₃, K₂, K₁, K₁

K₇, K₇, K₆, K₅, K₄, K₃, K₂, K₁, K_0, K₇, K₆, K₅, K₄, K₃, K₂, K₁, K_1.

Уравнения расшифрования имеют вид:

при j=1...8,

при j=9…31,

при j=32.

 

Полученные после 32 циклов работы заполнения накопителей и образуют блок открытых данных

T₀=(a₁(0),a₂(0), …, a₃₂(0), b₁(0),b₂(0), …, b₃₂(0)),

соответсвующий блоку зашифрованных данных Т_ш. При этом состояние накопителя N₁

состояние накопителя N₂

Аналогично расшифровываются остальные блоки зашифрованных данных.

Если алгоритм зашифрования в режиме простой замены 64-битового блока Т₀ обозначить через А, то

A(T₀)=A(a(0),b(0))=(a(32),b(32))=T_ш.

Следует иметь ввиду, что режим простой замены допустимо использовать для шифрования данных только в ограниченных случаях – при выработке ключа и зашифровании его с обеспечением имитозащиты для передачи по каналам связи или для хранения в памяти ЭВМ.

 

 

Режим гаммирования

Зашифрование открытых данных в режиме гаммирования. Криптосхема, реализующая алгоритм зашифрования в режиме гаммирования, показана на рис.3.12. Открытые данные разбивают на 64-разрядные блоки

T₀⁽¹⁾, T₀⁽²⁾, …, T₀⁽ⁱ⁾, …, T₀^(m),

Где - i-й 64-разрядный блок открытых данных, i = 1…m, m определяется объемом шифруемых данных.

 

Эти блоки поочередно зашифровываются в режиме гаммирования путем поразрядного сложения по модулю 2 в сумматоре CM₅ с гаммой шифра Г_ш, которая вырабатывается блоками по 64 бита, т.е.

Г_ш=(Г_ш⁽¹⁾, Г_ш⁽²⁾, …, Г_ш⁽ⁱ⁾, Г_ш^(m)),

где Г_ш⁽ⁱ⁾ - i-й 64-разрядный блок, i = 1…m.

Число двоичных разрядов в блоке T₀^(m) может быть меньше 64, при этом неиспользованная для зашифрования часть гаммы шифра из блока Г_ш^(m) отбрасывается.

Уравнение зашифрования данных в режиме гаммирования имеет вид

T_ш⁽ⁱ⁾= T₀^(m) Г_ш⁽ⁱ⁾,

где Г_ш⁽ⁱ⁾=A(Y_i-1 * C₂, Z_i-1 *`C₁), i=1…m; T_ш⁽ⁱ⁾ - i-й блок 64-разрядного блока зашифрованного текста; A(∙) - функция зашифрования в режиме простой замены; С₁, С₂ – 32-разрядные двоичные константы; Y_i, Z_i - 32-разрядные двоичные последовательности.

Величины Y_i, Z_i определяются итерационно по мере формирования гаммы Г_ш следующим образом:

где - синхропосылка (64-разрядная двоичная последовательность),

Рассмотрим реализацию процедуры зашифрования в режиме гаммирования. В накопители N₆ и N₅ заранее записаны 32-разрядные двоичные константы С₁ и С₂, имеющие следующие значения (в шестнадцатеричной форме):

C₁=01010104₍₁₆₎, C₂=01010101₍₁₆₎.

В КЗУ вводится 256 бит ключа; в накопители N₁ и N₂ - 64-разрядная двоичная последовательность (синхропосылка)

Синхропосылка является исходным заполнением накопителей N₁ и N₂ для последовательной выработки m блоков гаммы шифра.

Исходное заполнение накопителя N₁:

исходное заполнение накопителя N₂:

Исходное заполнение N₁ и N₂ (синхропосылка ) зашифровывается в режиме простой замены. Результат зашифрования

переписывается в 32-разрядные накопители N₃ и N₄ так, что заполнение N₁ переписывается в N₃, а заполнение N₂ - в N₄.

Заполнение накопителя N₄ суммируют по модулю (2³²-1) в сумматоре CM₄ с 32-разрядной константой С₁ из накопителя N₆. Результат записывается в N₄. Заполнение накопителя N₃ суммируется по модулю 2³² в сумматоре СМ₃ с 32-разрядной константой С₂ из накопителя N₅. Результат записывается в N₃. Заполнение N₃ переписывают в N₁, а заполнение N₄ - в N₂, при этом заполнения N₃, N₄ сохраняются. Заполнение накопителей N₁ и N₂ зашифровывается в режиме простой замены.

Полученное в результате зашифрования заполнение накопителей N₁, N₂ образует первый 64-разрядный блок гаммы шифра , который суммируют поразрядно по модулю 2 в сумматоре CM₅ с первым 64-разрядным блоком открытых данных

.

В результате суммирования по модулю 2 значений Г_ш⁽¹⁾ и T₀⁽¹⁾ получают первый 64-разрядный блок зашифрованных данных:

где

Для получения следующего 64-разрядного блока гаммы шифра Г_ш⁽²⁾ заполнение N₄ суммируется по модулю в сумматоре с константой из . Результат записывается в . Заполнение суммируется по модулю (2³²-1) в сумматоре СМ₄ с константой С₂ из N₅. Результат записывается в N₃. Новое заполнение N₃ переписывают в N₁, а новое заполнение N₄ - в N₂, при этом заполнения N₃ и N₄ сохраняют. Заполнения N₁, N₂ зашифровывают в режиме простой замены.

Полученное в результате зашифрования заполнение накопителей N₁ и N₂ образует 64-разрядный блок гаммы шифра Г_ш⁽²⁾, который суммируется поразрядно по модулю 2 в сумматоре CM₅ со вторым блоком открытых данных T₀⁽²⁾:

Аналогично вырабатываются блоки гаммы шифра Г_ш⁽³⁾, Г_ш⁽⁴⁾, …, Г_ш^(m) и зашифровываются блоки открытых данных T₀⁽³⁾, T₀⁽⁴⁾, …, T₀^(m).

В канал связи или память ЭВМ передаются синхропосылка и блоки зашифрованных данных

T_ш⁽¹⁾, T_ш⁽²⁾, …, T_ш^(m).

Расшифрование в режиме гаммирования. При расшифровке криптосхема имеет тот же вид, что и при зашифровании (см.рис.3.12).

Уравнение расшифрования:

Следует отметить, что расшифрование данных возможно только при наличии синхропосылки, которая не является секретным элементом шифра и может храниться в памяти ЭВМ или передаваться по каналам связи вместе с зашифрованными данными.

Рассмотрим реализацию процедуры расшифрования. В КЗУ вводят 256 бит ключа, с помощью которого осуществляется зашифрование данных T₀⁽¹⁾, T₀⁽²⁾, …, T₀^(m). В накопители N₁ и N₂ вводится синхропосылка, и осуществляется процесс выработки m блоков гаммы шифра Г_ш⁽¹⁾, Г_ш⁽²⁾, …, Г_ш^(m). Блоки зашифрованных данных T_ш⁽¹⁾, T_ш⁽²⁾, …, T_ш^(m) суммируются поразрядно по модулю 2 в сумматоре CM₅ с блоками гаммы шифра Г_ш⁽¹⁾, Г_ш⁽²⁾, …, Г_ш^(m). В результате получаются блоки открытых данных

⁽¹⁾, T₀⁽²⁾, …, T₀^(m);

при этом T₀^(m) может содержать меньше 64 разрядов.