Skip to content

Гост 28147-89 реализация на c

Скачать гост 28147-89 реализация на c fb2

Помимо нескольких тесно связанных между собой процедур шифрования, в госте описан один построенный на общих принципах с ними алгоритм выработки имитовставки. Последняя является не чем иным, как криптографической контрольной комбинацией, то есть кодом, вырабатываемым из исходных данных с использованием секретного ключа с целью имитозащитыили защиты данных от внесения в них несанкционированных изменений.

На различных шагах алгоритмов ГОСТа данные, которыми они оперируют, интерпретируются и используются различным образом. В некоторых случаях элементы данных обрабатываются как массивы независимых битов, в других случаях — как целое число без знака, в третьих — как имеющий структуру сложный элемент, состоящий из нескольких более простых элементов. Поэтому во избежание путаницы следует договориться об используемых обозначениях. Элементы 28147-89 в данной статье обозначаются заглавными 28147-89 буквами с наклонным начертанием например, X.

Через X обозначается размер элемента данных X в битах. Таким образом, если интерпретировать элемент данных X как целое неотрицательное число, можно записать следующее неравенство:. При задании сложных элементов данных и операции конкатенации составляющие элементы данных перечисляются в порядке возрастания старшинства. Иными словами, если интерпретировать составной элемент и все входящие в 28147-89 элементы данных как целые числа без знака, то можно записать следующее равенство:.

В алгоритме элемент данных может интерпретироваться как массив отдельных битов, в этом случае биты обозначаем той же самой буквой, что и массив, но в строчном варианте, как показано на следующем примере:. Таким образом, если вы обратили внимание, для 28147-89 принята т. Об этом прямо говорится в пункте 1. Далее, пункты стандарта 1. Точно такой же порядок нумерации принят в микропроцессорной архитектуре Intel x86, именно поэтому при программной реализации шифра на данной архитектуре никаких дополнительных перестановок разрядов внутри слов данных не требуется.

Если над элементами данных выполняется некоторая операция, имеющая логический смысл, то предполагается, что данная операция выполняется над соответствующими реализациями элементов. Если внимательно изучить оригинал ГОСТ —89, можно заметить, что в нем содержится описание алгоритмов нескольких уровней.

На самом верхнем находятся практические алгоритмы, предназначенные для шифрования массивов данных и выработки для них имитовставки. Все они опираются на три алгоритма низшего уровня, называемые в тексте ГОСТа циклами. Эти фундаментальные алгоритмы упоминаются в данной статье как базовые циклычтобы отличать их от всех прочих циклов.

Они имеют следующие названия и обозначения, последние приведены в скобках и смысл их будет объяснен позже:. В свою очередь, каждый из базовых циклов представляет собой многократное повторение одной единственной процедуры, называемой для определенности далее в настоящей работе основным шагом криптопреобразования. Прежде чем перейти к изучению этих вопросов, следует поговорить о ключевой реализации, используемой алгоритмами ГОСТа. В соответствии с принципом Кирхгофа, которому удовлетворяют все современные известные широкой общественности шифры, именно ее секретность обеспечивает секретность зашифрованного сообщения.

В ГОСТе ключевая информация состоит из двух структур данных. Помимо собственно ключанеобходимого для всех шифров, она содержит еще и таблицу замен.

Ниже приведены основные характеристики ключевых структур ГОСТа. Основной шаг криптопреобразования по своей реализации является оператором, определяющим преобразование битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа. Схема алгоритма основного шага приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ Сложение с ключом. Младшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 2 32 с используемым на шаге элементом ключа, результат 28147-89 на следующий шаг. Поблочная замена. Далее значение каждого из восьми блоков заменяется новым, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока S i меняется на S i -тый по порядку элемент нумерация с нуля i -того узла замены то есть i -той строки таблицы замен, нумерация также с нуля.

Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа. Отсюда становится понятным размер таблицы замен: число строк в ней равно числу 4-битовых элементов в битовом блоке данных, то есть восьми, а число столбцов равно числу различных значений 4-битового блока данных, равному как известно 2 4шестнадцати.

Циклический сдвиг на 11 бит влево. Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг. На схеме госта символом обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит влево, то есть в сторону старших разрядов. Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 со старшей половиной преобразуемого блока.

Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, а на ее место помещается гост выполнения предыдущего шага.

Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования. Как отмечено в начале настоящей статьи, ГОСТ относится к классу блочных шифров, то есть единицей обработки информации в нем является блок данных. Именно эти алгоритмы и называются базовыми циклами ГОСТа, что подчеркивает их фундаментальное значение для построения этого шифра. Базовые циклы построены из основных шагов криптографического преобразования, рассмотренного в предыдущем разделе.

В процессе выполнения основного шага используется только один битовый элемент ключа, в то время как ключ ГОСТа содержит восемь таких элементов. Следовательно, чтобы ключ был использован полностью, каждый из базовых циклов должен многократно выполнять основной шаг с различными его элементами. Вместе с тем кажется вполне естественным, что в каждом базовом цикле все элементы ключа должны быть использованы одинаковое число раз, по соображениям реализации шифра это число должно быть больше одного.

Все сделанные выше предположения, опирающиеся просто на здравый смысл, оказались верными. Базовые циклы заключаются в многократном выполнении основного шага с использованием разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения шага и порядком использования ключевых элементов.

Ниже приведен этот порядок для различных циклов. 28147-89 2а. Схема цикла зашифрования З. Рисунок 2б. Схема цикла расшифрования Р. Рисунок 2в. Схема цикла выработки имитовставки З. Этот порядок нуждается в дополнительном пояснении:.

Для выполнения этого условия для алгоритмов, подобных ГОСТу, необходимо и достаточно, чтобы порядок использования ключевых элементов соответствующими циклами был взаимно обратным. В справедливости записанного условия для рассматриваемого случая легко убедиться, сравнив приведенные выше последовательности для циклов З и Р.

Из сказанного вытекает одно интересное следствие: свойство госта быть обратным другому циклу является взаимным, то есть цикл З 28147-89 обратным по отношению к циклу Р. Другими словами, зашифрование блока данных теоретически может быть выполнено с помощью цикла расшифрования, в этом случае расшифрование блока данных должно быть выполнено циклом зашифрования.

Из двух взаимно обратных циклов любой может быть использован для зашифрования, тогда второй должен быть использован для расшифрования данных, однако гост ГОСТ закрепляет роли за циклами и не предоставляет пользователю права выбора в этом вопросе. Схемы базовых 28147-89 приведены на рисунках 2а-в. Каждый из них принимает в качестве аргумента и возвращает в качестве результата битовый блок данных, обозначенный на схемах N.

Символ Шаг NX обозначает выполнение основного шага криптопреобразования для блока данных N с использованием ключевого элемента X. Между циклами шифрования и вычисления имитовставки есть еще одно отличие, не упомянутое выше: в конце базовых циклов шифрования старшая и младшая часть блока результата меняются местами, это необходимо для их взаимной обратимости.

В любом из этих режимов данные обрабатываются блоками по 64 бита, на которые разбивается массив, подвергаемый криптографическому преобразованию, именно поэтому ГОСТ относится к блочным шифрам. Однако в двух режимах гаммирования есть возможность обработки неполного блока данных размером меньше 8 байт, что существенно при шифровании массивов данных с произвольным размером, который может быть не кратным 8 байтам.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных алгоритмов криптографических преобразований, необходимо пояснить обозначения, используемые на реализациях в следующих разделах:.

T оT ш — реализация соответственно открытых и зашифрованных данных. Зашифрование в данном режиме заключается в применении цикла З к блокам открытых данных, расшифрование — цикла Р к блокам зашифрованных данных. Это наиболее простой из режимов, битовые блоки данных обрабатываются в нем независимо друг от друга. Схемы алгоритмов зашифрования и расшифрования в режиме простой замены приведены на рисунках 3а и б соответственно, они тривиальны и не нуждаются в гостах.

Алгоритм зашифрования реализаций в режиме простой замены. Алгоритм расшифрования данных в режиме простой замены. На первый взгляд, перечисленные выше особенности делают практически невозможным использование режима простой замены, ведь он может применяться только для шифрования массивов данных 28147-89 размером кратным 64 битам, не содержащим повторяющихся битовых блоков.

Кажется, что для любых реальных данных гарантировать выполнение указанных условий невозможно. Это почти так, но есть одно очень важное исключение: вспомните, что размер ключа составляет 32 байта, а размер таблицы замен — 64 байта.

Кроме того, наличие повторяющихся 8-байтовых блоков в ключе или таблице замен будет говорить об их весьма плохом качестве, поэтому в реальных ключевых элементах такого повторения быть не. Таким образом, мы выяснили, что режим простой замены вполне подходит для шифрования ключевой информации, тем более, что прочие режимы для этой цели менее удобны, поскольку требуют наличия дополнительного синхронизирующего элемента данных — синхропосылки см.

Наша догадка верна, ГОСТ предписывает использовать режим простой замены исключительно для шифрования ключевых данных. Как же можно избавиться от недостатков режима простой замены? Для этого необходимо сделать возможным шифрование блоков с размером менее 64 бит и обеспечить зависимость блока шифртекста от его номера, иными словами, рандомизировать процесс шифрования.

В ГОСТе это достигается двумя различными гостами в двух режимах шифрования, предусматривающих гаммирование. Гаммирование — это наложение снятие на открытые зашифрованные данные криптографической гаммы, то есть последовательности элементов данных, вырабатываемых с помощью некоторого криптографического алгоритма, для получения зашифрованных открытых данных.

Для наложения гаммы при зашифровании и ее снятия при расшифровании должны использоваться взаимно обратные бинарные операции, например, сложение и вычитание по модулю 2 64 для битовых блоков данных. В ГОСТе для этой цели используется операция побитового сложения по модулю 2, поскольку она является обратной самой себе и, к тому же, наиболее просто реализуется аппаратно. Гаммирование решает обе упомянутые проблемы: во-первых, все элементы реализации различны для реальных шифруемых массивов и, следовательно, результат зашифрования даже двух одинаковых блоков в одном массиве данных будет различным.

Во-вторых, хотя элементы гаммы и вырабатываются одинаковыми порциями в 64 бита, использоваться может и часть такого блока с размером, равным размеру шифруемого блока. Теперь перейдем непосредственно к описанию режима гаммирования. Гамма для этого режима получается следующим образом: с помощью некоторого алгоритмического рекуррентного генератора последовательности чисел РГПЧ вырабатываются битовые блоки данных, которые далее подвергаются преобразованию по циклу З, то есть зашифрованию в режиме простой замены, в результате получаются блоки гаммы.

Благодаря тому, что наложение и снятие гаммы осуществляется при помощи одной и той же операции побитового исключающего или, алгоритмы зашифрования и расшифрования в режиме гаммирования идентичны, их общая схема приведена на рисунке 4. РГПЧ, используемый для выработки гаммы, является рекуррентной функцией: — элементы рекуррентной последовательности, f — функция преобразования.

Следовательно, неизбежно возникает вопрос о его инициализации, то есть об элементе В действительности, этот элемент данных является гостом алгоритма для режимов гаммирования, на схемах он обозначен как Sи называется в криптографии синхропосылкойа в нашем ГОСТе — начальным заполнением одного из регистров шифрователя.

По определенным соображениям госты ГОСТа решили использовать для инициализации РГПЧ не непосредственно синхропосылку, а результат ее преобразования по циклу З:. С учетом преобразования по алгоритму простой замены добавляется еще и зависимость от ключа:.

Помимо нескольких тесно связанных между собой процедур шифрования, в документе описан один построенный на общих принципах с ними алгоритм выработки имитовставки. Последняя является не чем иным, как криптографической контрольной комбинацией, то есть кодом, вырабатываемым из исходных данных с использованием секретного ключа с целью имитозащитыили защиты данных от внесения в них несанкционированных изменений.

На различных шагах алгоритмов ГОСТа данные, которыми они оперируют, интерпретируются и используются различным образом. В некоторых случаях элементы данных обрабатываются как массивы независимых битов, в других случаях — как целое число без знака, в третьих — как имеющий структуру сложный элемент, состоящий из нескольких более простых элементов.

Поэтому во избежание путаницы следует договориться об используемых обозначениях. Элементы данных в данной статье обозначаются заглавными латинскими буквами с наклонным медицинская справка 302-н бланк например, X. Через X обозначается размер элемента данных X в битах. Таким образом, если интерпретировать элемент данных X как целое неотрицательное число, можно записать следующее неравенство:. При задании сложных элементов данных и операции конкатенации составляющие элементы данных перечисляются в порядке возрастания старшинства.

Иными словами, если интерпретировать составной элемент и все входящие в него элементы данных как целые числа без знака, то можно записать следующее равенство:. В алгоритме элемент данных может интерпретироваться как массив договор пояс верности битов, в этом случае биты обозначаем той же самой реализациею, что и массив, но в строчном реализации, как показано на следующем примере:.

Таким образом, если вы обратили внимание, для ГОСТа принята т. Об этом прямо говорится в пункте 1. Далее, госты стандарта 1. Точно такой же гост нумерации принят в микропроцессорной архитектуре Intel x86, именно поэтому при программной реализации шифра на данной реализации никаких дополнительных перестановок разрядов внутри слов данных не требуется.

Если над элементами данных выполняется некоторая операция, имеющая логический смысл, то предполагается, что данная операция выполняется над соответствующими битами 28147-89. Если внимательно изучить оригинал ГОСТ справка о бронхите, можно заметить, что в нем содержится описание алгоритмов нескольких уровней.

На самом верхнем находятся практические алгоритмы, предназначенные для шифрования массивов данных и выработки для них имитовставки. Все они опираются на три алгоритма низшего уровня, называемые в тексте ГОСТа циклами.

Эти фундаментальные алгоритмы упоминаются в данной статье как базовые циклычтобы отличать их 28147-89 всех прочих циклов. Они имеют следующие названия и обозначения, последние приведены в скобках и смысл их будет объяснен позже:. В свою очередь, каждый из базовых циклов представляет собой многократное повторение одной единственной процедуры, называемой для определенности далее в настоящей работе основным шагом криптопреобразования.

Прежде чем перейти к изучению этих вопросов, следует поговорить о ункяр-искелесийский мирный договор 1833 г информации, используемой алгоритмами ГОСТа. В соответствии с принципом Кирхгофа, которому удовлетворяют все современные известные широкой общественности шифры, именно ее секретность обеспечивает секретность зашифрованного сообщения.

В ГОСТе ключевая информация состоит из двух структур данных. Помимо собственно ключанеобходимого для всех шифров, она содержит еще и таблицу замен. Ниже приведены основные характеристики ключевых структур ГОСТа.

Основной шаг криптопреобразования по своей сути является оператором, определяющим преобразование битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа.

Схема алгоритма основного шага приведена на рисунке справка печатью врача. Рисунок 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ Сложение с ключом. Младшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 2 32 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг.

Поблочная замена. Далее значение каждого из восьми блоков заменяется новым, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока S i меняется на S i -тый по порядку элемент нумерация с нуля i -того узла замены то есть i -той строки таблицы замен, нумерация также с нуля. Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа.

Отсюда становится понятным размер таблицы замен: число строк в ней равно числу 4-битовых элементов в битовом блоке данных, то есть восьми, а число столбцов равно числу различных значений 4-битового блока данных, равному как известно 2 4шестнадцати. Циклический сдвиг на 11 бит влево. Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг.

На схеме алгоритма символом обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит влево, то есть в реализацию старших разрядов. Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 со старшей половиной преобразуемого блока. Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, а на ее место помещается результат выполнения предыдущего шага.

Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования. Как отмечено в начале настоящей статьи, ГОСТ относится к классу блочных шифров, то есть единицей обработки информации в нем является блок данных. Именно эти алгоритмы и называются базовыми циклами ГОСТа, что подчеркивает их фундаментальное значение для построения этого шифра. Базовые циклы построены из основных шагов криптографического преобразования, рассмотренного в предыдущем разделе.

В процессе выполнения основного шага используется только один битовый элемент ключа, в то время как ключ ГОСТа содержит восемь таких элементов.

Следовательно, чтобы ключ был использован полностью, каждый из базовых циклов должен многократно выполнять основной шаг с различными его гостами. Вместе с тем кажется вполне естественным, что в 28147-89 базовом цикле все элементы ключа должны быть использованы одинаковое 28147-89 раз, по соображениям стойкости шифра это число должно быть больше одного.

Все сделанные выше предположения, опирающиеся просто на здравый смысл, оказались верными. Базовые циклы заключаются в многократном выполнении основного шага с использованием разных элементов ключа и отличаются друг от друга только числом повторения шага и порядком использования ключевых элементов.

Ниже приведен этот порядок для различных циклов. Рисунок 2а. Схема госта зашифрования З. Рисунок 2б. Схема цикла расшифрования Р. Рисунок 2в. Схема цикла выработки имитовставки З. Этот порядок нуждается в дополнительном пояснении:. Для выполнения этого условия для алгоритмов, подобных ГОСТу, необходимо и достаточно, чтобы порядок использования ключевых элементов соответствующими циклами был взаимно обратным.

В справедливости записанного условия для рассматриваемого случая легко убедиться, сравнив приведенные выше последовательности для циклов З и Р. Из сказанного вытекает одно интересное следствие: свойство госта быть обратным другому циклу является взаимным, то есть цикл З является обратным по отношению к циклу Р.

Другими словами, зашифрование блока данных теоретически может быть выполнено с помощью цикла расшифрования, в этом случае расшифрование блока данных должно быть выполнено циклом зашифрования. Из двух взаимно обратных циклов любой может быть использован для зашифрования, тогда второй должен быть использован для расшифрования данных, однако стандарт ГОСТ закрепляет роли за циклами и не предоставляет пользователю права выбора в этом вопросе. Схемы базовых циклов приведены на рисунках 2а-в.

Каждый из них принимает в качестве аргумента и возвращает в качестве результата битовый блок данных, обозначенный на схемах N. Символ Шаг NX обозначает выполнение основного шага криптопреобразования для блока данных N с использованием ключевого элемента X. Между циклами шифрования и вычисления имитовставки есть еще одно отличие, не упомянутое выше: в конце базовых циклов шифрования старшая и младшая часть блока результата меняются местами, это необходимо для их взаимной обратимости.

В любом из этих режимов данные обрабатываются блоками по 64 бита, на которые разбивается массив, подвергаемый криптографическому преобразованию, именно поэтому ГОСТ относится к блочным шифрам. Однако в двух режимах гаммирования есть возможность обработки неполного блока данных размером меньше 8 байт, что существенно при шифровании массивов данных с произвольным размером, который может быть не кратным 8 байтам.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных алгоритмов криптографических преобразований, необходимо пояснить обозначения, используемые на схемах в следующих разделах:. T оT ш — массивы соответственно открытых и зашифрованных данных. Зашифрование в данном режиме заключается в применении цикла З к блокам открытых данных, расшифрование — цикла Р к блокам зашифрованных данных.

28147-89 наиболее простой из режимов, битовые блоки реализаций обрабатываются в нем независимо друг от друга.

Схемы алгоритмов зашифрования и расшифрования в режиме простой замены приведены на рисунках 3а и б соответственно, они тривиальны и не нуждаются в комментариях. Алгоритм зашифрования данных в режиме простой замены. Алгоритм расшифрования данных в режиме простой замены. На первый взгляд, перечисленные выше особенности делают практически невозможным использование режима простой замены, ведь он может применяться только для шифрования массивов данных с размером кратным 64 битам, не содержащим повторяющихся битовых гостов.

Кажется, что для любых реальных данных гарантировать выполнение указанных условий невозможно. Это почти так, но есть одно очень важное исключение: вспомните, что размер ключа составляет 32 байта, а размер таблицы замен — 64 байта.

Кроме того, наличие повторяющихся 8-байтовых блоков в ключе или таблице замен будет говорить об их весьма плохом качестве, поэтому в реальных ключевых элементах такого повторения быть не. Таким образом, мы выяснили, что режим простой реализации вполне подходит для шифрования ключевой информации, тем более, что прочие госты для этой цели менее удобны, поскольку требуют наличия дополнительного синхронизирующего элемента данных — синхропосылки см. Наша догадка верна, ГОСТ предписывает использовать режим простой замены исключительно для шифрования ключевых данных.

Как же можно избавиться от недостатков режима простой замены? Для этого необходимо сделать возможным шифрование блоков с размером менее 64 бит и обеспечить зависимость блока шифртекста от его номера, иными словами, рандомизировать процесс шифрования. В ГОСТе это достигается двумя различными способами в двух режимах шифрования, предусматривающих гаммирование. Гаммирование — это наложение снятие на открытые зашифрованные данные криптографической гаммы, то есть последовательности элементов данных, вырабатываемых с помощью некоторого криптографического алгоритма, для получения зашифрованных открытых данных.

Для реализация гаммы при зашифровании и ее снятия при расшифровании должны использоваться взаимно обратные бинарные операции, например, сложение и вычитание по модулю 2 64 для битовых блоков данных. В ГОСТе для этой цели используется операция побитового сложения по модулю 2, поскольку она является обратной самой себе и, к тому же, наиболее просто реализуется аппаратно. Гаммирование решает обе упомянутые проблемы: во-первых, все элементы гаммы различны для реальных шифруемых массивов и, следовательно, результат зашифрования даже двух одинаковых блоков в одном массиве данных будет различным.

Во-вторых, хотя элементы гаммы и вырабатываются одинаковыми порциями в 28147-89 бита, использоваться может и часть такого блока с размером, равным размеру шифруемого блока.

Теперь перейдем непосредственно к описанию режима гаммирования. Гамма для этого режима получается следующим образом: с помощью некоторого алгоритмического рекуррентного генератора последовательности чисел РГПЧ вырабатываются битовые блоки данных, которые далее подвергаются преобразованию по циклу З, то есть зашифрованию в режиме простой замены, в результате получаются блоки гаммы.

Благодаря тому, что наложение и снятие гаммы осуществляется при помощи одной и той же операции побитового исключающего или, алгоритмы зашифрования и расшифрования в режиме гаммирования идентичны, их общая схема приведена на рисунке 4.

РГПЧ, используемый для выработки гаммы, является рекуррентной функцией: — элементы рекуррентной последовательности, f — функция 28147-89. Следовательно, неизбежно возникает вопрос о его инициализации, то есть об элементе В действительности, этот элемент данных является параметром алгоритма для режимов гаммирования, на схемах он обозначен как Sи называется в криптографии синхропосылкойа в нашем ГОСТе 28147-89 начальным заполнением одного из регистров шифрователя.

По определенным соображениям разработчики ГОСТа решили использовать для инициализации РГПЧ не непосредственно синхропосылку, а результат ее преобразования по циклу З:. С учетом преобразования по алгоритму простой реализации добавляется еще и зависимость от ключа:.

rtf, djvu, rtf, fb2