Основные режимы шифрования

Рис. 3а. Алгоритм шифрования данных в режиме простой замены.

Рис. 3б. Алгоритм дешифрования данных в режиме простой замены. 
 

     Размер  массива открытых или зашифрованных  данных, подвергающийся соответственно зашифрованию или расшифрованию, должен быть кратен 64 битам: |T_о|=|T_ш|=64 · n , после выполнения операции размер полученного массива данных не изменяется.

     Режим шифрования простой заменой имеет  следующие особенности:

1. Так как блоки данных шифруются независимо друг от друга и от их позиции в массиве данных, при зашифровании двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифртекста и наоборот. Отмеченное свойство позволит криптоаналитику сделать заключение о тождественности блоков исходных данных, если в массиве зашифрованных данных ему встретились идентичные блоки, что является недопустимым для серьезного шифра;
2. Если длина шифруемого массива данных не кратна 8 байтам или 64 битам, возникает проблема, чем и как дополнять последний неполный блок данных массива до полных 64 бит. Эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд. Очевидные решения типа «дополнить неполный блок нулевыми битами» или «дополнить неполный блок фиксированной комбинацией нулевых и единичных битов» могут при определенных условиях дать в руки криптоаналитика возможность методами перебора определить содержимое этого самого неполного блока, и этот факт означает снижение стойкости шифра. Кроме того, длина шифртекста при этом изменится, увеличившись до ближайшего целого, кратного 64 битам, что часто бывает нежелательным.

     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 64-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 может. Именно поэтому ГОСТ предписывает использовать режим простой замены исключительно для шифрования ключевых данных.

 

2. Гаммирование.

 

     Гаммирование  – это наложение (снятие) на открытые (зашифрованные) данные криптографической гаммы, т.е. 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 2⁶⁴ для 64-битовых блоков данных. В ГОСТе для этой цели используется операция побитового сложения по модулю 2, поскольку она является обратной самой. Гаммирование решает обе вышеупомянутые проблемы простой замены: во-первых, все элементы гаммы различны для реальных шифруемых массивов и, следовательно, результат шифрования 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.

     Гамма получается следующим образом: с  помощью некоторого алгоритмического рекуррентного генератора последовательности чисел (РГПЧ) вырабатываются 64-битовые блоки данных, которые далее подвергаются преобразованию по циклу 32-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 шифрования и дешифрования в режиме гаммирования идентичны, их общая схема приведена на рисунке 4.

     РГПЧ, используемый для выработки гаммы, является рекуррентной функцией: где – элементы рекуррентной последовательности, а f – функция преобразования. Неизбежно возникает вопрос о том, что же представляет из себя элемент . В действительности, этот элемент данных является параметром алгоритма для режимов гаммирования, на схемах он обозначен как S, и называется в криптографии синхропосылкой, а в ГОСТе – 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 32-З: . Последовательность элементов, вырабатываемых РГПЧ, целиком зависит от его начального заполнения, т.е. элементы этой последовательности являются функцией своего номера и начального заполнения РГПЧ: , где f_i (X) = f (f_i–1(X)), f₀ (X) = X. С учетом преобразования по алгоритму простой замены добавляется еще и зависимость от ключа. Таким образом, последовательность элементов гаммы для использования в режиме гаммирования однозначно определяется ключевыми данными и синхропосылкой.

Рис. 4. Алгоритм шифрования (дешифрования) в режиме гаммирования.

     Шаг 0. Определение исходных данных для основного шага криптопреобразования, где T_о(ш) – массив открытых (зашифрованных) данных произвольного размера, подвергаемый процедуре шифрования (дешифрования), по ходу процедуры массив подвергается преобразованию порциями по 64 бита; S – синхропосылка (64-битовый элемент данных, необходимый для инициализации генератора гаммы);

     Шаг 1. Начальное преобразование синхропосылки, выполняемое для ее «рандомизации», т.е. для устранения статистических закономерностей, присутствующих в ней, результат используется как начальное заполнение РГПЧ;

     Шаг 2. Один шаг работы РГПЧ, реализующий его рекуррентный алгоритм. В ходе данного шага старшая (S₁) и младшая (S₀) части последовательности данных вырабатываются независимо друг от друга;

     Шаг 3. Гаммирование. 64-битовый элемент, выработанный РГПЧ, подвергается процедуре шифрования по циклу 32–З, результат используется как элемент гаммы для шифрования (дешифрования) очередного блока открытых (зашифрованных) данных того же размера.

     Шаг 4. Результат работы алгоритма, представляющий собой зашифрованный (расшифрованный) массив данных.

Особенности гаммирования как режима шифрования:

1. Одинаковые блоки в открытом массиве данных дадут при зашифровании различные блоки шифртекста, что позволит скрыть факт их идентичности;
2. Поскольку наложение гаммы выполняется побитно, шифрование неполного блока данных легко выполнимо как шифрование битов этого неполного блока, для чего используется соответствующие биты блока гаммы. Так, для шифрования неполного блока в 1 бит согласно стандарту следует использовать самый младший бит из блока гаммы;
3. Синхропосылка, использованная при зашифровании, каким-то образом должна быть передана для использования при расшифровании. Это может быть достигнуто следующими путями:

• хранить или передавать синхропосылку вместе с зашифрованным массивом данных, что приведет к увеличению размера массива данных при зашифровании на размер синхропосылки, то есть на 8 байт;

• использовать предопределенное значение синхропосылки или вырабатывать ее синхронно источником и приемником по определенному закону, в этом случае изменение размера передаваемого или хранимого массива данных отсутствует.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Гаммирование  с обратной связью.

 

     Данный  режим очень похож на режим  гаммирования и отличается от него только способом выработки элементов гаммы – очередной элемент гаммы вырабатывается как результат преобразования по циклу 32-З предыдущего блока зашифрованных данных, а для шифрования первого блока массива данных элемент гаммы вырабатывается как результат преобразования по тому же циклу синхропосылки. Этим достигается зацепление блоков – каждый блок шифртекста в этом режиме зависит от соответствующего и всех предыдущих блоков открытого текста. Поэтому данный режим иногда называется гаммированием с зацеплением блоков . На стойкость шифра факт зацепления блоков не оказывает никакого влияния.

Рис. 5. Алгоритмов шифрования (дешифрования) в режиме гаммирования с обратной связью.

     Шифрование  в режиме гаммирования с обратной связью обладает теми же особенностями, что и шифрование в режиме обычного гаммирования, за исключением влияния искажений шифротекста на соответствующий открытый текст. Для сравнения запишем функции дешифрования блока для обоих упомянутых режимов:

• гаммирование – , где Г_i – i-тый элемент гаммы;
• гаммирование с обратной связью – .

     Если  в режиме обычного гаммирования изменения  в определенных битах шифротекста  влияют только на соответствующие биты открытого текста, то в режиме гаммирования с обратной связью картина несколько сложнее. Как видно из соответствующего уравнения, при расшифровании блока данных в режиме гаммирования с обратной связью, блок открытых данных зависит от соответствующего и предыдущего блоков зашифрованных данных. Поэтому, если внести искажения в зашифрованный блок, то после дешифрования искаженными окажутся два блока открытых данных – соответствующий и следующий за ним.