Режим простой замены. Для реализации алгоритма шифрования данных в режиме простой замены используется только часть блоков общей криптосистемы.

Обозначения на схеме (рис. 24):

N₁, N₂ – 32-разрядные накопители;

СМ₁ – 32-разрядный сумматор по модулю 2³² (⊞);

СМ₂ – 32-разрядный сумматор по модулю 2 (Å);

R – 32-разрядный регистр циклического сдвига;

КЗУ – ключевое запоминающее устройство на 256 бит, состоящее из восьми 32-разрядных накопителей Х₀, Х₁, Х₂,..., Х₇;

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

Зашифрование открытых данных в режиме простой замены (рис.24). Открытые данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на 64-разрядные блоки Т₀. Процедура зашифрования 64-разрядного блока Т₀ 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_i:

К=К₇К₆К₅К₄К₃К₂К₁К₀.

Последовательность битов блока

Т₀=(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, a(0) – правые или младшие биты.

 

 

 

Рис. 24. Схема реализации режима простой замены

 

Эти последовательности вводят в накопители N₁ и N₂ перед началом первого цикла зашифрования. В результате начальное заполнение накопителя N₁

a (0) = (a₃₂(0), a₃₁(0),..., a₂(0), a₁(0)),

32, 31,... 2, 1 номер разряда N₁

начальное заполнение накопителя N₂

b(0) = (b₃₂(0), b₃₁(0),..., b₂(0), b₁(0)).

32, 31,... 2, 1 номер разряда N₂

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

Здесь a (1) – заполнение N₁ после 1-го цикла зашифровaния; b (1) – заполнение N₂ после 1-го цикла зашифрования; f – функция шифрования.

Аргументом функции f является сумма по модулю 2³² числа a(0) (начального заполнения 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 (a (0) ⊞ К₀).

Перваяоперация называется подстановкой (заменой) и выполняется блокомподстановкиS. Блок подстановки S состоит из восьми узлов замены (S-блоков замены) S₁,S₂,...,S₈ с памятью 64 бит каждый. Поступающий из СМ₁ 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 изменяются. Эти узлы замены должны сохраняться в секрете.

Втораяоперация – 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 суммируют поразрядно по модулю 2 в сумматоре СМ₂ с 32-разрядным начальным заполнением b(0) накопителя N₂. Затем полученный на выходе СМ₂ результат (значение a(1)) записывают в накопитель N₁, а старое значение N₁ (значение a(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 Х₁ – 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: К₀, К₁, К₂,...,К₆, К₇. В последних восьми циклах с 25-го по 32-й порядок считывания подключей из КЗУ обратный: К₇, К₆,..., К₂, К₁, К₀. Таким образом, при зашифровании в 32 циклах осуществляется следующий порядок выборки из КЗУ подключей:

К₀, К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, К₇, К₀, К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, К₇,

К₀, К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, К₇, К₇, К₆, К₅, К₄, К₃, К₂, К₁, К₀.

В 32-м цикле результат из сумматора СМ₂ 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 N₁, N₂ в следующем порядке: из разрядов 1…32 накопителя N₁, затем из разрядов 1…32 накопителя N₂, т.е. начиная с младших разрядов:

Т_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. 24).

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

Т_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

(a₃₂(32), a₃₁(32),..., a₂(32), a₁(32)),

32, 31,..., 2, 1 номер разряда N₁

а начальное заполнение накопителя N₂ – вид

(b₃₂(32), b₃₁(32),..., b₂(32), b₁(32)).

32, 31,..., 2, 1 номер разряда N₂

Расшифрование осуществляется по тому же алгоритму, что и зашифрование, с тем изменением, что заполнения накопителей X₀, Х₁,..., Х₇ считываются из КЗУ в циклах расшифрования в следующем порядке:

К₀, К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, К₇, К₇, К₆, К₅, К₄, К₃, К₂, К₁, К₀,

К₇, К₆, К₅, К₄, К₃, К₂, К₁, К₀, К₇, К₆, К₅, К₄, К₃, К₂, К₁, К₀.

Уравнения расшифрования имеют вид:

при j {1,…,8};

при j {9,…,31};

при j=32.

Полученные после 32 циклов работы заполнения накопителей N₁ и N₂ образуют блок открытых данных

Т₀ = (a₁(0), a₂(0),..., a₃₂(0), b₁(0), b₂(0),..., b₃₂(0)),

соответствующий блоку зашифрованных данных Т_ш. При этом состояние накопителя N₁

(a₃₂(0), a₃₁(0),..., a₂(0), a₁(0)),

32, 31,..., 2, 1 номер разряда N₁

состояние накопителя N₂

(b₃₂(0), b₃₁(0),..., b₂(0), b₁(0)).

32, 31,..., 2, 1 номер разряда N₂

Аналогично расшифровываются остальные блоки зашифрованных данных.

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

А(Т₀) = А(a (0), b(0)) = (a (32), b(32))=Т_ш.

Следует иметь в виду, 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. 25. Открытые данные разбивают на 64-разрядные блоки

Т₀⁽¹⁾, Т₀⁽²⁾,..., Т₀⁽ⁱ⁾,..., Т₀^(m),

где Т₀⁽ⁱ⁾ – i-й 64-разрядный блок открытых данных, i {1,…,m}, m определяется объемом шифруемых данных.

 

Рис. 25. Схема реализации режима гаммирования

 

Эти блоки поочередно зашифровываются в режиме гаммирования путем поразрядного сложения по модулю 2 в сумматоре СМ₅ 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 Т₀^(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

Т_ш⁽ⁱ⁾ = Т₀⁽ⁱ⁾ Å Г_ш⁽ⁱ⁾,

где Г_ш⁽ⁱ⁾=А(Y_i–1 ⊞ C₂, Z_i–1 ⊞´C₁),i {1,…,m}; Т_ш⁽ⁱ⁾ – i-й блок 64-разрядного блока зашифрованного текста; А(·) – 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:

(Y₀, Z₀) = А (),

где – синхропосылка (64-разрядная двоичная последовательность),

(Y_i, Z_i) = (Y_i–1 ⊞ С₂, Z_i–1 ⊞ C₁), i {1,…,m}.

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):

С₁ = 01010104₍₁₆₎, С₂ = 01010101₍₁₆₎.

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

= (S₁, S₂,..., S₆₄).

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

Исходное заполнение накопителя N₁:

(S₃₂, S₃₁,...,S₂, S₁);

32, 31,..., 2, 1 номер разряда N₁

исходное заполнение накопителя N₂:

(S₆₄, S₆₃,..., S₃₄, S₃₃).

64, 63,..., 34, 33 номер разряда N₂

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

A() = (Y₀, Z₀)

 

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 СМ₄ 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 Г_ш⁽¹⁾=(g₁⁽¹⁾, g₂⁽¹⁾,..., g₆₃⁽¹⁾, g₆₄⁽¹⁾), который суммируют поразрядно по модулю 2 в сумматоре СМ₅ с первым 64-разрядным блоком открытых данных

Т₀⁽¹⁾ = (t₁⁽¹⁾, t₂⁽¹⁾,..., t₆₃⁽¹⁾, t₆₄⁽¹⁾).

 

В результате суммирования по модулю 2 значений Г_ш⁽¹⁾ и Т₀⁽¹⁾ получают первый 64-разрядный блок зашифрованнных данных:

 

Т_ш⁽¹⁾ = Г_ш⁽¹⁾ Å Т₀⁽¹⁾ = (t₁⁽¹⁾, t₂⁽¹⁾,..., t₆₃⁽¹⁾, t₆₄⁽¹⁾),

 

где t_i⁽¹⁾ = t_i⁽¹⁾ Å g_i⁽¹⁾, i {1,…,64}.

Для получения следующего 64-разрядного блока гаммы шифра Г_ш⁽²⁾ заполнение N₄ суммируется по модулю (2³² –1) в сумматоре СМ₄ с константой С₁ из N₆. Результат записывается в N₄. Заполнение N₃ суммируется по модулю 2³² в сумматоре СМ₃ 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 второй 64-разрядный блок гаммы шифра Г_ш⁽²⁾, который суммируется поразрядно по модулю 2 в сумматоре СМ₅ со вторым блоком открытых данных Т₀⁽²⁾:

 

Т_ш⁽²⁾ = Г_ш⁽²⁾ Å Т₀⁽²⁾.

 

Аналогично вырабатываются блоки гаммы шифра Г_ш⁽³⁾, Г_ш⁽⁴⁾,..., Г_ш^(m) и зашифровываются блоки открытых данных Т₀⁽³⁾, Т₀⁽⁴⁾,..., Т₀^(m).

В канал связи или память ЭВМ передаются синхропосылка и блоки зашифрованных данных Т_ш⁽¹⁾, Т_ш⁽²⁾,..., Т_ш^(m).

 

Расшифрование в режиме гаммирования. При расшифровании криптосхема имеет тот же вид, что и при зашифровании (см. рис. 25).

 

 

Уравнение расшифрования:

 

Т₀⁽ⁱ⁾ = Т_ш⁽ⁱ⁾ Å Г_ш⁽ⁱ⁾ = T_ш⁽ⁱ⁾ Å A (Y_i–1 ⊞ C₂, Z_i–1 ⊞´ C₁), i {1,…,m}.

 

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 Т₀⁽¹⁾, Т₀⁽²⁾,..., Т₀^(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 Т_ш⁽¹⁾, Т_ш⁽²⁾,..., Т_ш^(m) суммируются поразрядно по модулю 2 в сумматоре СМ₅ с блоками гаммы шифра Г_ш⁽¹⁾,..., Г_ш^(m). В результате получаются блоки открытых данных

 

Т₀⁽¹⁾, Т₀⁽²⁾,..., Т₀^(m);

 

при этом Т₀^(m) может содержать меньше 64 разрядов.

 

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: