Кузнечик в режиме ECB
Не так давно появилась статья посвящённая новому стандарту блочного шифрования — ГОСТ Р 34.12-2015. В которой достаточно подробно описаны все новшества этого алгоритма. В этой статье я попробую объяснить пошаговое действие алгоритма в режиме простой замены, чтобы ещё нагляднее пользователи смогли оценить достоинства отечественного стандарта. В процессе развёртки раундовых ключей и в режиме зашифрования используются одни и те же преобразования, поэтому выносить отдельно этот вопрос не станем. Для большего понимания каждое преобразование будет пояснять часть кода реализации стандарта на языке С++
Итак, приступим.
У нас имеется открытый текст a = 1122334455667700ffeeddccbbaa9988 и мастер-ключ key = 8899aabbccddeeff0011223344556677fedcba98765432100123456789abcdef.
Первое преобразование — это побитное сложение по модулю 2 открытого текста и первого раундового ключа, то есть:
Преобразование X: a-открытый текст, b-раундовый ключ (совпадает со старшей частью мастер-ключа), outdata-результат преобразования.
int funcX(unsigned char* a, unsigned char* b, unsigned char* outdata) { for (int i = 0; i < 16; ++i) { outdata[i] = a[i] ^ b[i]; } return -1; } Результатом первого преобразования является вектор длиной 128 бит он равен 99BB99FF99BB99FFFFFFFFFFFFFFFFFF. Второе преобразование алгоритма — это нелинейное биективное преобразование вектора полученного после первой операции с использованием блока подстановок. Работает оно следующим образом:
128-битный вектор после сложения по модулю два побайтно преобразовывается в десятичный вид, тем самым определяется позиция байта в таблице подстановок (S-блок), затем с этой позиции считывается число в десятичном виде и преобразуется назад в шестнадцатеричный вид. Например шестнадцатеричному числу 99 соответствует десятичное 153. Элемент с номером 153 в таблице подстановок имеет значение 232, что соответствует шестнадцатеричному E8.
Для наших исходных данных это преобразование будет выглядеть следующим образом:
Преобразование S (indata-результат X-преобразования, outdata-результат S-преобразования):
void funcS(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { for (int i = 0; i < 16; ++i) { outdata[i] = kPi[indata[i]]; } } kPi-массив — это тот самый S-блок.
Следующим этапом зашифрования является линейное преобразование, выполняемое с использованием линейного регистра сдвига с обратной связью. Работает оно следующим образом: сначала результат S-преобразования побайтно считывается, затем каждый считанный байт умножается на 256 (это необходимо для вычисления позиции числа в таблице table.h со всеми возможными результатами умножения в поле GF(2^n) согласно ГОСТа). Из позиции считывается число, к нему прибавляется коэффициент 148, 32, 133, 16, 194, 192, 1, 251, 1, 192, 194, 16, 133, 32, 148, 1 в зависимости от номера итерации, так происходит со следующими байтами. Байты складываются между собой по модулю два и все 128 бит (результат S-преобразования) сдвигаются в сторону младшего разряда, а полученное число в шестнадцатеричном виде записывается на место считанного байта. Регистр сдвигается и перезаписывается 16 раз.
Преобразование R (indata-результат S-преобразования, outdata-результат однократного сдвига регистра):
int funcR(unsigned char * indata, unsigned char *outdata) { unsigned long sum = 0; for (int i = 0; i < 16; ++i) { sum ^= multTable[indata[i] * 256 + kB[i]]; } outdata[0] = sum; memcpy(outdata + 1, indata, 15); return -1; } Непосредственно L-преобразование:
int funcL(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { unsigned char tmp[16]; int i = 0; memcpy(tmp, indata, 16); for (i = 0; i < 16; ++i) { funcR(tmp, outdata); memcpy(tmp, outdata, 16); } return 0; } Результатом L-преобразования будет следующий 128-битный вектор E297B686E355B0A1CF4A2F9249140830 Это результат работы первого раунда алгоритма, таким же образом будут проходить последующие 8 раундов, результаты их работы можно посмотреть в описании стандарта. Заключительный 10 раунд включает в себя только X-преобразование результатов работы 9 раундов и ключа 10 раунда.
static const unsigned char kPi[256] = { 252, 238, 221, 17, 207, 110, 49, 22, 251, 196, 250, 218, 35, 197, 4, 77, 233, 119, 240, 219, 147, 46, 153, 186, 23, 54, 241, 187, 20, 205, 95, 193, 249, 24, 101, 90, 226, 92, 239, 33, 129, 28, 60, 66, 139, 1, 142, 79, 5, 132, 2, 174, 227, 106, 143, 160, 6, 11, 237, 152, 127, 212, 211, 31, 235, 52, 44, 81, 234, 200, 72, 171, 242, 42, 104, 162, 253, 58, 206, 204, 181, 112, 14, 86, 8, 12, 118, 18, 191, 114, 19, 71, 156, 183, 93, 135, 21, 161, 150, 41, 16, 123, 154, 199, 243, 145, 120, 111, 157, 158, 178, 177, 50, 117, 25, 61, 255, 53, 138, 126, 109, 84, 198, 128, 195, 189, 13, 87, 223, 245, 36, 169, 62, 168, 67, 201, 215, 121, 214, 246, 124, 34, 185, 3, 224, 15, 236, 222, 122, 148, 176, 188, 220, 232, 40, 80, 78, 51, 10, 74, 167, 151, 96, 115, 30, 0, 98, 68, 26, 184, 56, 130, 100, 159, 38, 65, 173, 69, 70, 146, 39, 94, 85, 47, 140, 163, 165, 125, 105, 213, 149, 59, 7, 88, 179, 64, 134, 172, 29, 247, 48, 55, 107, 228, 136, 217, 231, 137, 225, 27, 131, 73, 76, 63, 248, 254, 141, 83, 170, 144, 202, 216, 133, 97, 32, 113, 103, 164, 45, 43, 9, 91, 203, 155, 37, 208, 190, 229, 108, 82, 89, 166, 116, 210, 230, 244, 180, 192, 209, 102, 175, 194, 57, 75, 99, 182}; Обратное нелинейное биективное преобразование множества двоичных векторов:
static const unsigned char kReversePi[256] = { 0xa5, 0x2d, 0x32, 0x8f, 0x0e, 0x30, 0x38, 0xc0, 0x54, 0xe6, 0x9e, 0x39, 0x55, 0x7e, 0x52, 0x91, 0x64, 0x03, 0x57, 0x5a, 0x1c, 0x60, 0x07, 0x18, 0x21, 0x72, 0xa8, 0xd1, 0x29, 0xc6, 0xa4, 0x3f, 0xe0, 0x27, 0x8d, 0x0c, 0x82, 0xea, 0xae, 0xb4, 0x9a, 0x63, 0x49, 0xe5, 0x42, 0xe4, 0x15, 0xb7, 0xc8, 0x06, 0x70, 0x9d, 0x41, 0x75, 0x19, 0xc9, 0xaa, 0xfc, 0x4d, 0xbf, 0x2a, 0x73, 0x84, 0xd5, 0xc3, 0xaf, 0x2b, 0x86, 0xa7, 0xb1, 0xb2, 0x5b, 0x46, 0xd3, 0x9f, 0xfd, 0xd4, 0x0f, 0x9c, 0x2f, 0x9b, 0x43, 0xef, 0xd9, 0x79, 0xb6, 0x53, 0x7f, 0xc1, 0xf0, 0x23, 0xe7, 0x25, 0x5e, 0xb5, 0x1e, 0xa2, 0xdf, 0xa6, 0xfe, 0xac, 0x22, 0xf9, 0xe2, 0x4a, 0xbc, 0x35, 0xca, 0xee, 0x78, 0x05, 0x6b, 0x51, 0xe1, 0x59, 0xa3, 0xf2, 0x71, 0x56, 0x11, 0x6a, 0x89, 0x94, 0x65, 0x8c, 0xbb, 0x77, 0x3c, 0x7b, 0x28, 0xab, 0xd2, 0x31, 0xde, 0xc4, 0x5f, 0xcc, 0xcf, 0x76, 0x2c, 0xb8, 0xd8, 0x2e, 0x36, 0xdb, 0x69, 0xb3, 0x14, 0x95, 0xbe, 0x62, 0xa1, 0x3b, 0x16, 0x66, 0xe9, 0x5c, 0x6c, 0x6d, 0xad, 0x37, 0x61, 0x4b, 0xb9, 0xe3, 0xba, 0xf1, 0xa0, 0x85, 0x83, 0xda, 0x47, 0xc5, 0xb0, 0x33, 0xfa, 0x96, 0x6f, 0x6e, 0xc2, 0xf6, 0x50, 0xff, 0x5d, 0xa9, 0x8e, 0x17, 0x1b, 0x97, 0x7d, 0xec, 0x58, 0xf7, 0x1f, 0xfb, 0x7c, 0x09, 0x0d, 0x7a, 0x67, 0x45, 0x87, 0xdc, 0xe8, 0x4f, 0x1d, 0x4e, 0x04, 0xeb, 0xf8, 0xf3, 0x3e, 0x3d, 0xbd, 0x8a, 0x88, 0xdd, 0xcd, 0x0b, 0x13, 0x98, 0x02, 0x93, 0x80, 0x90, 0xd0, 0x24, 0x34, 0xcb, 0xed, 0xf4, 0xce, 0x99, 0x10, 0x44, 0x40, 0x92, 0x3a, 0x01, 0x26, 0x12, 0x1a, 0x48, 0x68, 0xf5, 0x81, 0x8b, 0xc7, 0xd6, 0x20, 0x0a, 0x08, 0x00, 0x4c, 0xd7, 0x74}; Коэфициенты умножения в приобразовании l:
static const unsigned char kB[16] = { 148, 32, 133, 16, 194, 192, 1, 251, 1, 192, 194, 16, 133, 32, 148, 1}; Преобразование X:
int funcX(unsigned char* a, unsigned char* b, unsigned char* outdata) { for(int i = 0; i < 16; ++i) { outdata[i] = a[i] ^ b[i]; } return -1; } Преобразование S:
void funcS(unsigned char* indata, unsigned char* outdata){ for(int i = 0; i < 16; ++i) { outdata[i] = kPi[indata[i]]; } } Преобразование L
int funcL(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { unsigned char tmp[16]; int i = 0; memcpy(tmp, indata, 16); for(i = 0; i < 16; ++i) { funcR(tmp, outdata); memcpy(tmp, outdata, 16); } return 0; } Преобразование R:
int funcR(unsigned char * indata , unsigned char *outdata ){ unsigned long sum=0; for(int i = 0; i < 16; ++i) { sum ^= multTable[indata[i]*256 + kB[i]]; } outdata[0] = sum; memcpy(outdata+1, indata, 15); return -1; } Обратное преобразование S:
int funcReverseS(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { unsigned int i; for(i = 0; i < 16; ++i) { outdata[i] = kReversePi[indata[i]]; } return 0; } Обратное преобразование L:
int funcReverseL(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { unsigned char tmp[16]; unsigned int i; memcpy(tmp, indata, 16); for(i = 0; i < 16; ++i) { funcReverseR(tmp, outdata); memcpy(tmp, outdata, 16); } return 0; } Обратное преобразование R:
int funcReverseR(unsigned char* indata, unsigned char* outdata) { unsigned char tmp[16] = {0}; unsigned char sum = 0; unsigned int i; memcpy(tmp, indata+1, 15); tmp[15] = indata[0]; for(i = 0; i < 16; ++i) { sum ^= multTable[tmp[i]*256 + kB[i]]; } memcpy(outdata, tmp, 15); outdata[15] = sum; return 0; } Функция выработки итерационных ключей:
int funcF(unsigned char* inputKey, unsigned char* inputKeySecond, unsigned char* iterationConst, unsigned char* outputKey, unsigned char* outputKeySecond) { unsigned char temp1[16] = {0}; unsigned char temp2[16] = {0}; funcLSX(inputKey, iterationConst, temp1); funcX(temp1, inputKeySecond, temp2); memcpy(outputKeySecond, inputKey, 16); memcpy(outputKey, temp2, 16); return 0; } Функция выработки итерационных констант:
int funcC(unsigned char number, unsigned char* output) { unsigned char tempI[16] = {0}; tempI[15] = number; funcL(tempI, output); return 0; } Немного изменённая процедура получения раундовых ключей:
int ExpandKey(unsigned char* masterKey, unsigned char mass[8][16] ) { unsigned char C[16] = {0}; unsigned char temp1[16] = {0}; unsigned char temp2[16] = {0}; unsigned char j, i; unsigned char keys[16]; int g=0; memcpy(keys, masterKey, 16); memcpy(keys + 16, masterKey + 16, 16); memcpy(temp1, keys,16); memcpy(temp1+16, keys+16,16); for(j = 0; j < 4; ++j) { for( i = 1; i <8; ++i ) { funcC(j*8+i, C); funcF(temp1, temp2, C, temp1, temp2); } funcC(j*8+8, C); funcF(temp1, temp2, C, temp1, temp2); //два следующих ключа! memcpy(keys , temp1, 16); memcpy(keys + 16, temp2, 16); memcpy(mass[g],temp1,16); g++; memcpy(mass[g],temp2,16); g++; } return 0; }
ссылка на оригинал статьи http://habrahabr.ru/post/269601/
Добавить комментарий