Реферат: Защита информации от несанкционированного доступа методом криптопреобразования ГОСТ
характеристик, а под Windows NT программа по вполне понятным причинам (лезет
напрямую в порты) вообще не работает корректно.
В реализации алгоритмов были использованы изложенные ниже подходы, позволившие
достигнуть максимальной производительности. Первые два из них достаточно
очевидны, настолько, что встречаются практически в каждой реализации ГОСТа.
Базовые циклы ГОСТа содержат вложенные циклы (звучит коряво, но по-другому
не скажешь), причем во внутреннем цикле порядок использования восьми
32-битных элементов ключа может быть прямой или обратный. Существенно
упростить реализацию и повысить эффективность базовых циклов можно, если
избежать использования вложенных циклов и просматривать последовательность
элементов ключа только один раз. Для этого необходимо предварительно
сформировать последовательность элементов ключа в том порядке, в котором они
используются в соответствующем базовом цикле.
В основном шаге криптопреобразования 8 раз выполняется подстановка 4-битных
групп данных. Целевой процессор реализации не имеет команды замены 4-битных
групп, однако имеет удобную команду байтовой замены (xlat). Ее использование
дает следующие выгоды:
за одну команду выполняются сразу две замены;
исчезает необходимость выделять полубайты из двойных слов для выполнения
замены, а затем из 4-битовых результатов замен вновь формировать двойное
слово.
достигается значительное увеличение быстродействия кода, однако мир устроен
так, что за все приходится платить, и в данном случае платой является
необходимость преобразования таблицы замен. Каждая из четырех пар 4-разрядных
узлов замен заменяется одним 8-разрядным узлом, который, говоря языком
математики, представляет собой прямое произведение узлов, входящих в пару.
Пара 4-разрядных узлов требует для своего представления 16 байтов, один
8-разрядный – 256 байтов. Таким образом, размер таблицы замен, которая должна
храниться в памяти компьютера, увеличивается до 4·256=1024 байтов, или до
одного килобайта. Конечно, такая плата за существенное увеличение
эффективности реализации вполне приемлема.
После выполнения подстановок кода по таблице замен основной шаг
криптопреобразования предполагает циклический сдвиг двойного слова влево на 11
бит. В силу 16-разрядной архитектуры рассматриваемых процессоров вращение
32-разрядного блока даже на 1 бит невозможно реализовать менее, чем за три
ассемблерные команды, а вращение на большее число разрядов только как
последовательность отдельных вращений на 1 разряд. К счастью, вращение на 11
бит влево можно представить как вращение на 8 бит, а затем еще на 3 бита
влево. Думаю, для всех очевидно, что первое вращение реализуется тремя
командами обмена байтовых регистров (xchg). Но секрет третьей оптимизации даже
не в этом. Замена одного байта по таблице замен осуществляется командой xlat,
которая выполняет операцию над аргументом в регистре AL, для того, чтобы
заменить все байты двойного слова, их надо последовательно помещать в этот
регистр. Секрет третьей оптимизации заключается в том, что эти перестановки
можно организовать так, что в результате двойное слово окажется повернутым на
8 бит влево, то есть в совмещении замены по таблице и во вращении на байт
влево. Еще один момент, на который стоит обратить внимание, это оптимальное
кодирование трех последовательных вращений на 1 бит, это может быть
реализовано по-разному и важно было выбрать оптимальный способ, который
оказался вовсе не очевидным, поскольку потребовал выхода за пределы логики
битовых сдвигов и использования команды суммирования с битами переноса (adc),
то есть бит помещается на свою позицию не командой сдвига, а командой
суммирования!
Описание функций и особенности реализации.
С учетом изложенных выше принципов созданы две реализации ГОСТа для
процессоров семейства Intel x86, близкие по быстродействию к возможному
оптимуму – соответственно для 16-и и 32-х битовых процессоров. Код для
32-разрядных процессоров примерно в полтора раза быстрее соответствующего кода
для 16-разрядных процессоров. Ядром является подпрограмма, реализующая
универсальный базовый цикл ГОСТа. Исходные тексты всех подпрограмм приведены в
качестве приложений к настоящей статье в отдельных файлах, они перечислены в
следующей ниже таблице 1. Все функции являются самодокументированными, каждая
описана в соответствующем файле с ее исходным текстом.
Таблица 1. Перечень файлов.№Функция модуля
1.Универсальный базовый цикл ГОСТаgost$.asm
2.Функция за- и расшифрования данных в режиме простой заменыsimple$.asm
3.Функция за- и расшифрования данных в режиме гаммированияgamma$.asm
4.Функция зашифрования данных в режиме гаммирования с обратной
связьюgammale$.asm
5.Функция расшифрования данных в режиме гаммирования с обратной
связьюgammald$.asm
6.Функция вычисления имитовставки для массива данныхimito$.asm
7.Функция построения расширенного ключаexpkey$.asm
8.Функция построения расширенной (1Кбайт) формы таблицы замен из обычной
формы (128 байт)Expcht.asm
9.Функция проверки, является ли процессор, на котором исполняется
приложение, 32-битовым.expkey$.asm
10.Заголовочный файл для использования криптографических функций в
программах на языке СиGost.h
Комплект модулей включает функции для основных режимов шифрования, а также две
вспомогательные функции, предназначенные для построения расширенных
соответственно ключа и таблицы замен. Ниже изложены принципы построения
программных модулей.
Все функции шифрования и вычисления имитовставки обрабатывают (т.е.
шифруют или вычисляют имитовставку) области с размером, кратным восьми.
Длина обрабатываемой области при вызове упомянутых функций задается в
восьмибайтных блоках. В реальных ситуациях это не приводит к неудобству по
следующим причинам:
при шифровании простой заменой размер шифруемой области обязан быть
кратным восьми байтам;
при шифровании гаммированием (с или без обратной связи) массива данных с
размером, не кратным восьми, будет также шифроваться и "мусор",
содержащийся в последнем восьмибайтовом блоке за пределами значащих
данных, однако его содержимое не оказывает никакого влияния на значащие
данные и может не приниматься во внимание;
при вычислении имитовставки для массивов данных их размер должен быть
приведен к значению, кратному восьми, добавлением какого-либо
фиксированного кода (обычно нулевых битов).
Криптографические функции шифрования и вычисления имитовставки позволяют
выполнять обработку массивов данных по частям. Это означает, что при
вызове соответствующей функции один раз для некоторой области данных и при
нескольких вызовах этой же самой функции для последовательных фрагментов
этой же области (естественно их размер должен быть кратным восьми байтам,
см. предыдущее замечание) будет получен один и тот же результат. Это
позволяет обрабатывать данные порциями, используя буфер размером всего 8
байтов.
Для за- и расшифрования массива данных в режиме простой замены
используется одна и та же функция. Выбор одной из двух указанных операций
осуществляется заданием соответствующего расширенного ключа. Порядок
следования элементов ключа должен быть взаимно обратным для указанных
операций.
Для за- и расшифрования блока данных в режиме гаммирования используется
одна и та же функция, поскольку в данном режиме зашифрование и
расшифрование данных идентичны. Функция, реализующая шифрование
гаммированием не осуществляет начальное преобразование синхропосылки (см.
схему алгоритма на рис.5, блок 1), это необходимо выполнить с помощью
явного вызова функции шифрования в режиме простой замены для
синхропосылки, – это плата за возможность шифровать массив по частям.
Ради универсальности кода все указатели на области обрабатываемых данных
сделаны дальними. Если сделать свой код для каждой модели памяти,
возможно, будет достигнута некоторая ненулевая (но очень маленькая!)
экономияпамяти и времени выполнения, но по моему мнению, эта игра не стоит
свеч.
Для ассемблирования (компиляции) и сборки приложенных модулей мной
использовались средства разработки фирмы Borland – TASM 2.5 и выше,
Borland C/C++ 2.0 и выше. При использовании других средств разработки
возможно потребуется внесение изменений в исходные тексты программ.
Для иллюстрации использования представленных криптографических функций к
настоящей статье приложены также текст программы шифрования файлов данных
на языке Си и соответствующие файлы проекта. Эти файлы следующие:
cryptor.c Исходные тексты программы шифрования файлов;
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
