Краткое описание шифра

ГОСТ 28147-89 - советский и российский стандарт симметричного шифрования, введённый в 1990 году, также является стандартом СНГ. Полное название - «ГОСТ 28147-89 Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования». Блочный шифроалгоритм. При использовании метода шифрования с гаммированием, может выполнять функции поточного шифроалгоритма.

ГОСТ 28147-89 - блочный шифр с 256-битным ключом и 32 циклами преобразования, оперирующий 64-битными блоками. Основа алгоритма шифра - Сеть Фейстеля. Базовым режимом шифрования по ГОСТ 28147-89 является режим простой замены (определены также более сложные режимы гаммирование, гаммирование с обратной связью и режим имитовставки).

Принцип работы алгоритма

Алгоритм принципиально не отличается от DES. В нем также происходят циклы шифрования (их 32) по схеме Фейстеля (Рис. 2.9.).

Рис. 2.9. Раунды шифрования алгоритма ГОСТ 28147-89.

Для генерации подключей исходный 256-битный ключ разбивается на восемь 32-битных блоков: k 1 …k 8 . Ключи k 9 …k 24 являются циклическим повторением ключей k 1 …k 8 (нумеруются от младших битов к старшим). Ключи k 25 …k 32 являются ключами k 1 …k 8 , идущими в обратном порядке.

После выполнения всех 32 раундов алгоритма, блоки A 33 и B 33 склеиваются (следует обратить внимание на то, что старшим битом становится A 33 , а младшим - B 33) – результат есть результат работы алгоритма.

Функция f (A i ,K i ) вычисляется следующим образом: A i и K i складываются по модулю 2 32 , затем результат разбивается на восемь 4-битовых подпоследовательностей, каждая из которых поступает на вход своего узла таблицы замен (в порядке возрастания старшинства битов), называемого ниже S-блоком . Общее количество S-блоков ГОСТа - восемь, т. е. столько же, сколько и подпоследовательностей. Каждый S-блок представляет собой перестановку чисел от 0 до 15. Первая 4-битная подпоследовательность попадает на вход первого S-блока, вторая - на вход второго и т. д. Выходы всех восьми S-блоков объединяются в 32-битное слово, затем всё слово циклически сдвигается влево (к старшим разрядам) на 11 битов. Все восемь S-блоков могут быть различными. Фактически, они могут являться дополнительным ключевым материалом, но чаще являются параметром схемы, общим для определенной группы пользователей. В тексте стандарта указывается, что поставка заполнения узлов замены (S-блоков) производится в установленном порядке, т.е. разработчиком алгоритма. Сообщество российских разработчиков СКЗИ согласовала используемые в Интернет узлы замены.

Расшифрование выполняется так же, как и зашифрование, но инвертируется порядок подключей k i .

Режимы работы алгоритма ГОСТ 28147-89

Алгоритм ГОСТ 28147-89 имеет четыре режима работы.

1. Режим простой замены принимает на вход данные, размер которых кратен 64-м битам. Результатом шифрования является входной текст, преобразованный блоками по 64 бита в случае зашифрования циклом «32-З», а в случае расшифрования - циклом «32-Р».

2. Режим гаммирования принимает на вход данные любого размера, а также дополнительный 64-битовый параметр - синхропосылку . В ходе работы синхропосылка преобразуется в цикле «32-З», результат делится на две части. Первая часть складывается по модулю 2 32 с постоянным значением 1010101 16 . Если вторая часть равна 2 32 -1, то её значение не меняется, иначе она складывается по модулю 2 32 -1 с постоянным значением 1010104 16 . Полученное объединением обеих преобразованных частей значение, называемое гаммой шифра, поступает в цикл «32-З», его результат порязрядно складывается по модулю 2 с 64-разрядным блоком входных данных. Если последний меньше 64-х разрядов, то лишние разряды полученного значения отбрасываются. Полученное значение подаётся на выход. Если ещё имеются входящие данные, то действие повторяется: составленный из 32-разрядных частей блок преобразуется по частям и так далее.

3. Режим гаммирования с обратной связью также принимает на вход данные любого размера и синхропосылку. Блок входных данных поразрядно складывается по модулю 2 с результатом преобразования в цикле «32-З» синхропосылки. Полученное значение подаётся на выход. Значение синхропосылки заменяется в случае зашифрования выходным блоком, а в случае расшифрования - входным, то есть зашифрованным. Если последний блок входящих данных меньше 64 разрядов, то лишние разряды гаммы (выхода цикла «32-З») отбрасываются. Если ещё имеются входящие данные, то действие повторяется: из результата зашифрования заменённого значения образуется гамма шифра и т.д.

4. Режим выработки имитовставки принимает на вход данные, размер которых составляет не меньше двух полных 64-разрядных блоков, а возвращает 64-разрядный блок данных, называемый имитовставкой. Временное 64-битовое значение устанавливается в 0, далее, пока имеются входные данные, оно поразрядно складывается по модулю 2 с результатом выполнения цикла «16-З», на вход которого подаётся блок входных данных. После окончания входных данных временное значение возвращается как результат.

Криптоанализ шифра

В шифре ГОСТ 28147-89 используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства составляет 2 256 . Ни на одном из существующих в настоящее время компьютере общего применения нельзя подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт ГОСТ 28147-89 проектировался с большим запасом и по стойкости на много порядков превосходит американский стандарт DES с его реальным размером ключа в 56 бит и объемом ключевого пространства всего 2 56 .

Существуют атаки и на полнораундовый ГОСТ 28147-89 без каких-либо модификаций. Одна из первых открытых работ, в которых был проведен анализ алгоритма, использует слабости процедуры расширения ключа ряда известных алгоритмов шифрования. В частности, полнораундовый алгоритм ГОСТ 28147-89 может быть вскрыт с помощью дифференциального криптоанализа на связанных ключах, но только в случае использования слабых таблиц замен. 24-раундовый вариант алгоритма (в котором отсутствуют первые 8 раундов) вскрывается аналогичным образом при любых таблицах замен, однако, сильные таблицы замен делают такую атаку абсолютно непрактичной.

Отечественные ученые А.Г. Ростовцев и Е.Б. Маховенко в 2001 г. предложили принципиально новый метод криптоанализа путем формирования целевой функции от известного открытого текста, соответствующего ему шифртекста и искомого значения ключа и нахождения ее экстремума, соответствующего истинному значению ключа. Они же нашли большой класс слабых ключей алгоритма ГОСТ 28147-89, которые позволяют вскрыть алгоритм с помощью всего 4-х выбранных открытых текстов и соответствующих им шифротекстов с достаточно низкой сложностью.

В 2004 году группа специалистов из Кореи предложила атаку, с помощью которой, используя дифференциальный криптоанализ на связанных ключах, можно получить с вероятностью 91,7% 12 бит секретного ключа. Для атаки требуется 2 35 выбранных открытых текстов и 2 36 операций шифрования. Как видно, данная атака практически бесполезна для реального вскрытия алгоритма.

Таблица замен является долговременным ключевым элементом, то есть действует в течение гораздо более длительного срока, чем отдельный ключ. Предполагается, что она является общей для всех узлов шифрования в рамках одной системы криптографической защиты. От качества этой таблицы зависит качество шифра. При "сильной" таблице замен стойкость шифра не опускается ниже некоторого допустимого предела даже в случае ее разглашения. И наоборот, использование "слабой" таблицы может уменьшить стойкость шифра до недопустимо низкого предела. Никакой информации по качеству таблицы замен в открытой печати России не публиковалось, однако существование "слабых" таблиц не вызывает сомнения - примером может служить "тривиальная" таблица замен, по которой каждое значение заменяется на него самого. В ряде работ ошибочно делается вывод о том, что секретные таблицы замен алгоритма ГОСТ 28147-89 могут являться частью ключа и увеличивать его эффективную длину (что несущественно, поскольку алгоритм обладает весьма большим 256-битным ключом).

). Одновременно с этим в российских СМИ и блогах российских пользователей растет число заметок о данном алгоритме: как освещающих различной степени достоверности результаты атак на российский стандарт, так и содержащих мнения о его эксплуатационных характеристиках. У авторов (а, следовательно, и читателей) данных заметок зачастую складывается впечатление, что отечественный алгоритм шифрования является морально устаревшим, медленным и обладающим уязвимостями, делающими его подверженным атакам в существенной мере больше, чем зарубежные алгоритмы шифрования с аналогичной длиной ключа. Данной серией заметок мы хотели бы в доступной форме рассказать о настоящем положении дел с российским стандартом. В первой части будут освещены все известные международной криптографической общественности атаки на ГОСТ 28147-89, текущие оценки его стойкости. В будущих публикациях мы также подробно рассмотрим свойства стандарта с точки зрения возможности построения эффективных реализаций.

Николя Куртуа - «великий и ужасный»

Начнем с рассказа о деятельности Николя Куртуа, который является автором целого цикла работ, посвященных российскому стандарту блокового шифрования ().

В октябре 2010 года был начат процесс рассмотрения вопроса о включении алгоритма ГОСТ 28147-89 в международный стандарт ISO/IEC 18033-3. Уже в мае 2011 года на электронном архиве ePrint появилась статья известного криптографа Николя Куртуа , отмеченного весьма неоднозначным отношением к нему мирового криптографического сообщества. Публикации Куртуа представляют собой печальный пример манипулирования понятиями, которое не открывает никаких новых свойств рассматриваемого объекта, но с претензией на сенсацию провоцирует распространение в некомпетентной среде ошибочных мнений о его действительных свойствах.

Алгебраический метод

Рассуждения Куртуа строятся вокруг двух классов методов криптоанализа: алгебраических методов и дифференциальных. Рассмотрим первый класс методов.

Упрощенно метод алгебраического криптоанализа можно описать как составление и решение большой системы уравнений, каждое из решений которой соответствует цели криптоаналитика (например, если система составляется по одной паре открытого и шифрованного текстов, то все решения этой системы соответствуют ключам, при которых данный открытый текст преобразуется в данный шифрованный). То есть, в случае задачи криптоанализа блокового шифра, суть алгебраического метода криптоанализа состоит в том, что ключ находится в результате решения системы полиномиальных уравнений. Основная сложность состоит в том, чтобы с учетом особенностей конкретного шифра суметь составить как можно более простую систему, чтобы процесс ее решения занял как можно меньше времени. Здесь ключевую роль играют особенности каждого конкретного анализируемого шифра.

Алгебраический метод, эксплуатируемый Куртуа, коротко можно описать так. На первом этапе используются такие свойства ГОСТ 28147-89, как существование неподвижной точки для части шифрующего преобразования, а также так называемой точки отражения (reflection point). Благодаря этим свойствам из достаточно большого количества пар открытых-шифрованных текстов выбирается несколько пар, которые позволяют рассматривать преобразования не на 32, а лишь на 8 раундах. Второй этап состоит в том, что по полученным на первом этапе результатам 8-ми раундовых преобразований строится система нелинейных уравнений, неизвестными в которой являются биты ключа. Далее эта система решается (это звучит просто, но в действительности является самой трудоемкой частью метода, т.к. система состоит из нелинейных уравнений).

Как уже отмечалось выше, нигде в работе нет детального описания и анализа трудоемкости второго и главного этапа определения ключа. Именно трудоемкость второго этапа определяет трудоемкость всего метода в целом. Вместо этого автор приводит пресловутые «факты», на основе которых делает оценки трудоемкости. Утверждается, что эти «факты» основаны на результатах экспериментов. Анализ «фактов» из работы Куртуа в целом приведен в работе отечественных авторов. Авторами этой работы отмечается, что многие из представленных без каких-либо доказательств «фактов» Куртуа при экспериментальной проверке оказались ложными. Авторы статьи пошли дальше и за Куртуа провели анализ трудоемкости второго этапа с помощью хорошо обоснованных алгоритмов и оценок. Получившиеся в результате оценки трудоемкости показывают полную неприменимость представленной атаки. Помимо отечественных авторов, большие проблемы, которые возникают у Куртуа с оценками и обоснованием своих методов, отмечались также, например, в работе .

Дифференциальный метод

Рассмотрим второй метод Куртуа, который основан на дифференциальном криптоанализе.

Общий метод дифференциального криптоанализа базируется на эксплуатации свойств используемых в криптографических примитивах нелинейных отображений, связанных с влиянием значения ключа на зависимости между разностями пар входных и пар выходных значений данных отображений. Опишем основную идею дифференциального метода криптографического анализа блокового шифра. Обычно блоковые шифры преобразуют входные данные поэтапно с помощью некоторого количества так называемых раундовых преобразований, причем каждое раундовое преобразование использует не весь ключ, а лишь некоторую его часть. Рассмотрим немного «усеченный» шифр, который отличается от исходного тем, что в нем нет последнего раунда. Предположим, что удалось установить, что в результате зашифрования с помощью такого «усеченного» шифра двух открытых текстов, отличающихся в некоторых фиксированных позициях, с большой вероятностью получаются шифртексты, которые также отличаются в некоторых фиксированных позициях. Это свойство показывает, что «усеченный» шифр с большой вероятностью оставляет зависимость между некоторыми открытыми текстами и результатами их зашифрования. Чтобы с помощью этого явного недостатка восстановить часть ключа, необходимо иметь возможность зашифровать заранее выбранные открытые тексты на том ключе, который мы хотим восстановить (так называемая «атака с выбранным открытым текстом»). В начале процедуры «вскрытия ключа» случайно генерируется некоторое количество пар открытых текстов, отличающихся в тех самых фиксированных позициях. Все тексты зашифровываются с помощью «полного» шифра. Полученные пары шифртекстов используются для восстановления тех битов ключа, которые используются в последнем раундовом преобразовании, следующим образом. С помощью некоторого выбранного наугад значения искомых битов ключа ко всем шифртекстам применяется преобразование, обратное последнему раундовому преобразованию. По сути, если мы угадали искомое значение битов ключа, мы получим результат работы «усеченного» шифра, а если не угадали - мы фактически «еще больше зашифруем данные», что только уменьшит замеченную выше зависимость между блоками (отличие в некоторых фиксированных позициях). Другими словами, если среди результатов такой «дообработки» шифртекстов нашлось достаточно много пар, отличающихся в известных нам фиксированных позициях, то это означает, что мы угадали искомые биты ключа. В противном случае таких пар найдется существенно меньше. Поскольку в каждом раунде используется только часть ключа, искомых битов (то есть битов ключа, используемых в последнем раунде) не так много, как битов в полном ключе и их можно просто перебрать, повторяя указанные выше действия. В таком случае мы обязательно когда-нибудь наткнемся на правильное значение.

Из приведенного выше описания следует, что самое важное в дифференциальном методе анализа - это номера тех самых позиций в открытых текстах и шифртекстах, отличия в которых играют ключевую роль при восстановлении битов ключа. Принципиальное наличие этих позиций, как и набор их номеров, напрямую зависит от свойств тех нелинейных преобразований, которые используются в любом блоковом шифре (обычно вся «нелинейность» сосредоточена в так называемых S-блоках или узлах замены).

Куртуа использует несколько модифицированный вариант дифференциального метода. Сразу же отметим, что свой анализ Куртуа проводит для S-блоков, отличных от действующих и от предложенных в ISO. В работе приводятся дифференциальные характеристики (те самые номера, в которых должны отличаться блоки) для малого числа раундов. Обоснование продления характеристик на большее число раундов, как водится, основано на «фактах». Куртуа высказывает, опять же, ничем, кроме его авторитета, не подкрепленное предположение, что изменение S-блоков не повлияет на стойкость ГОСТ 28147-89 против его атаки (при этом по непонятным причинам S-блоки из 1-го рабочего проекта дополнения к стандарту ISO/IEC 18033-3 не рассматривались). Анализ, проведенный авторами статьи , показывает, что даже если принять на веру необоснованные «факты» Куртуа и провести анализ ГОСТ 28147-89 с другими S-блоками, то атака опять же оказывается не лучше полного перебора.

Детальный анализ работ Куртуа с подробным обоснованием беспочвенности всех утверждений о снижении стойкости российского стандарта был проведен в работах [ , ].

При этом абсолютное отсутствие аккуратности выкладок признает даже сам Куртуа! Следующий слайд взят из презентации Куртуа на секции коротких объявлений FSE 2012.

Необходимо отметить, что работы Куртуа неоднократно критиковались также и зарубежными исследователями. Например, его работы по построению атак на алгоритм блокового шифрования AES с помощью XSL-метода содержали те же принципиальные недоработки, что и работы по анализу российского стандарта: большинство оценок трудоемкости появляется в тексте совершенно безосновательно и бездоказательно - подробную критику можно найти, например, в работе . Кроме того, сам Куртуа признает повсеместные отказы в публикации его работ на крупных криптографических конференциях и в признанных рецензируемых журналах, оставлявшие ему зачастую лишь возможность выступить на секции коротких объявлений. Об этом, например, можно прочитать в разделе 3 работы . Вот некоторые цитаты, приводимые самим Куртуа и относящиеся к его работам:

• «I think that the audiences of Asiacrypt will not feel it is interesting». Рецензент Asiacrypt 2011.
• «… there is a big, big, big problem: this attack, which is the main contribution of the paper has already been published at FSE’11 (it was even the best paper), …». Рецензент Crypto 2011.

Таким образом, профессиональная часть международной криптографической общественности относится к качеству работ Куртуа с не меньшим сомнением, чем, скажем, к не подтвержденным никакими последовательными выкладками заявлениям некоторых российских специалистов об их умении взламывать AES за 2 100 или к очередным "доказательствам" на две страницы гипотезы о неравенстве сложностных классов P и NP.

Атаки Исобе и Динура-Данкельмана-Шамира

Общая идея атак Исобе () и Динура-Данкельмана-Шамира (далее: атака ДДШ) () заключается в построении для определенного (зависящего от ключа) узкого множества открытых текстов эквивалентного на этом множестве преобразования, имеющего более простую, чем само шифрующее преобразование, структуру. В случае метода Исобе это множество таких 64-битных блоков x, что F 8 -1 (Swap(F 8 (z))) = z, где z = F 16 (x), через F 8 (x) и F 16 (x) обозначены первые 8 и первые 16 раундов шифрования ГОСТ 28147-89 соответственно, через Swap - операция обмена местами половинок 64-байтового слова. При попадании открытого текста в это множество результат полного 32-раундового преобразования ГОСТ 28147-89 совпадает с результатом 16-раундового, что и эксплуатируется автором атаки. В случае метода ДДШ это множество таких x, что F 8 (x) = x (неподвижная точка преобразования F 8). Для всякого открытого текста из этого множества преобразование ГОСТ 28147-89 работает в точности так же, как последние его 8 раундов, что и упрощает анализ.

Трудоемкость атаки Исобе составляет 2 224 операций зашифрования, атаки ДДШ - 2 192 . Однако все вопросы о том, следует ли, что атаки Исобе и ДДШ вносят новые ограничения на условия применения нашего алгоритма, снимает оценка требований к объему материала, необходимого для проведения каждой из атак: для метода Исобе требуется 2 32 пар открытых и шифрованных текстов, а для метода ДДШ - 2 64 . Обработка таких объемов материала без смены ключа априорно неприемлема для любого блокового шифра с длиной блока 64: на материале объемом 2 32 , с учетом задачи о днях рождения (см., например, ), близка к 1/2 вероятность появления повторяющихся блоков, что предоставит нарушителю возможность делать по шифрованным текстам некоторые заключения об открытых текстах без определения ключа. Наличие же 2 64 пар открытых и шифрованных текстов, полученных на одном ключе, фактически позволяет противнику осуществлять операции зашифрования и расшифрования вообще без знания этого ключа. Это обусловлено чисто комбинаторным свойством: противник в этом случае обладает всей таблицей шифрующего преобразования. Такая ситуация абсолютно недопустима ни при каких разумных эксплуатационных требованиях. Например, в КриптоПро CSP присутствует техническое ограничение на объём шифруемого (без преобразования ключа) материала в 4 Мб (см. ). Таким образом, строгий запрет на использование ключа на материале такого объема присущ всякому блоковому шифру с длиной блока 64 бита, а следовательно, атаки Исобе и ДДШ никоим образом не сужают область использования алгоритма ГОСТ 28147-89 при сохранении максимально возможной стойкости 2 256 .

Безусловно, нельзя не отметить, что исследователями (Исобе и Динуром-Данкельманом-Шамиром) было показано, что некоторые свойства алгоритма ГОСТ 28147-89 позволяют находить пути анализа, не учтенные создателями алгоритма. Простой вид ключевого расписания, существенно упрощающий задачу построения эффективных реализаций, также позволяет для некоторых редких случаев ключей и открытых текстов строить более простые описания преобразований, производимых алгоритмом.

В работе продемонстрировано, что данное негативное свойство алгоритма может быть легко устранено с полным сохранением эксплуатационных характеристик, однако оно, к сожалению, является неотъемлемой частью алгоритма в повсеместно используемом его виде.

Отметим, что определенные небрежности в оценках средней трудоемкости присутствуют и в работе Динура, Данкельмана и Шамира. Так, при построении атаки не уделяется должного внимания следующему моменту: для существенной доли ключей множество открытых текстов x, таких, что F 8 (x) = x, является пустым: неподвижных точек у 8 раундов преобразования может просто не быть. Существование неподвижных точек зависит также и от выбора узлов замены. Таким образом, атака является применимой только при определенных узлах замены и ключах.

Стоит упомянуть также еще об одной работе с атакой на ГОСТ 28147-89. В феврале 2012 года на электронном архиве ePrint международной криптографической ассоциации появилась обновленная версия статьи (от ноября 2011 года), которая содержала новую атаку на ГОСТ 28147-89. Характеристики представленной атаки таковы: объем материала - 2 32 (как у Исобе), а трудоемкость - 2 192 (как у ДДШ). Таким образом, эта атака улучшала рекордную по времени атаку ДДШ по объему материала с 2 64 до 2 32 . Отметим отдельно, что авторы честно привели все выкладки с обоснованием трудоемкости и объема материала. Через 9 месяцев в приведенных выкладках была найдена принципиальная ошибка, и с ноября 2012 года обновленная версия статьи в электронном архиве уже не содержит каких-либо результатов касательно отечественного алгоритма.

Атаки в предположении, что нарушитель знает «кое-что» о ключах

Заметим напоследок, что в литературе также имеется некоторое количество работ (см., например, и ), посвященных атакам на ГОСТ 28147-89 в так называемой модели со связанными ключами. Данная модель в своей основе содержит предположение о возможности нарушителя получать доступ для анализа не просто к парам открытых и шифрованных с помощью искомого ключа текстов, но также к парам открытых и шифрованных текстов, полученных с помощью (также неизвестных) ключей, отличающихся от искомого известным регулярным образом (например, в фиксированных битовых позициях). В данной модели действительно удается получить интересные результаты о ГОСТ 28147-89, однако в этой модели не менее сильные результаты удается получать и о, например, получившем наиболее широкое распространение в современных сетях общего пользования стандарте AES (см, например, ). Заметим, что условия для проведения такого рода атак возникают при использовании шифра в некотором протоколе. Нельзя не отметить, что результаты такого рода, хоть и представляют несомненный академический интерес с точки зрения изучения свойств криптографических преобразований, но фактически не относятся к практике. Например, все сертифицированные ФСБ России средства криптографической защиты информации выполняют строжайшие требования по схемам выработки ключей шифрования (см., например, ). Как указано в результатах проведенного в анализа, при наличии 18 связанных ключей и 2 10 пар блоков открытого и шифрованного текста трудоемкость полного вскрытия закрытого ключа, при вероятности успеха 1-10 -4 , действительно составляет 2 26 . Однако при соблюдении упомянутых выше требований по выработке ключевого материала вероятность обнаружения таких ключей равна 2 -4352 , то есть в 2 4096 раз меньше, чем если просто попытаться угадать секретный ключ с первой попытки.

К работам, относящимся к модели со связанными ключами, относится также и работа , наделавшая в 2010 году много шума в российских электронных изданиях, не страдающих от привычки внимательно проверять материал в процессе гонки за сенсациями. Результаты, представленные в ней, не были подкреплены каким-либо сколь-нибудь строгим обоснованием, зато содержали громкие заявления о возможности взламывать государственный стандарт Российской Федерации на слабеньком ноутбуке за считанные секунды - в общем, статья была написана в лучших традициях Николя Куртуа. Но, несмотря на совершенно очевидную мало-мальски знакомому с основными принципами научности публикаций читателю безосновательность статьи, именно для успокоения российской общественности после работы Рудским был написан подробный и обстоятельный текст , содержащий всесторонний анализ данной недостатьи. В статье с говорящим названием "О нулевой практической значимости работы «Key recovery attack on full GOST block cipher with zero time and memory»" приводится обоснование того, что средняя трудоемкость приведенного в метода не меньше, чем трудоемкость полного перебора.

Сухой остаток: какова стойкость на практике?

В заключение приведем таблицу, содержащую данные обо всех известных международному криптографическому сообществу результатах строго описанных и обоснованных атак на ГОСТ 28147-89. Отметим, что сложность приводится в операциях зашифрования алгоритма ГОСТ 28147-89, а память и материал указаны в блоках алгоритма (64 бита = 8 байт).

Атака	Трудоемкость	Память	Требуемый материал
Исобе	2 224	2 64	2 32
Динур-Данкельман-Шамир, FP, 2DMitM	2 192	2 36	2 64
Динур-Данкельман-Шамир, FP, low-memory	2 204	2 19	2 64
	2 224	2 36	2 32
Динур-Данкельман-Шамир, Reflection, 2DMitM	2 236	2 19	2 32
Полный перебор	2 256	1	4
Количество наносекунд с возникновения Вселенной	2 89

Несмотря на достаточно масштабный цикл исследований в области стойкости алгоритма ГОСТ 28147-89, на данный момент не известно ни одной атаки, условия для осуществления которой являлись бы достижимыми при сопутствующих длине блока в 64 бита эксплуатационных требованиях. Вытекающие из параметров шифра (битовая длина ключа, битовая длина блока) ограничения на объем материала, который может быть обработан на одном ключе, существенно строже минимального объема, который необходим для осуществления любой из известных на данный момент атак. Следовательно, при выполнении существующих эксплуатационных требований ни один из предложенных к настоящему моменту методов криптоанализа ГОСТ 28147-89 не позволяет определять ключ с трудоемкостью меньшей полного перебора.

DES отечественный стандарт шифрования более удобен для программной реализации.

В отличие от американского DES в отечественном стандарте применяется более длинный ключ – 256 бит . Кроме того, российский стандарт предлагает использовать 32 раунда шифрования, тогда как DES – только 16.

Таким образом, основные параметры алгоритма криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89 следующие: размер блока составляет 64 бита, размер ключа – 256 бит , количество раундов – 32.

Алгоритм представляет собой классическую сеть Фейштеля. Шифруемый блок данных разбивается на две одинаковые части, правую R и левую L. Правая часть складывается с подключом раунда и посредством некоторого алгоритма шифрует левую часть. Перед следующим раундом левая и правая части меняются местами. Такая структура позволяет использовать один и тот же алгоритм как для шифрования, так и для дешифрования блока.

В алгоритме шифрования используются следующие операции :

• сложение слов по модулю 2 32 ;
• циклический сдвиг слова влево на указанное число бит;
• побитовое сложение по модулю 2;
• замена по таблице.

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.

Структура раунда ГОСТ 28147-89

Структура одного раунда ГОСТ 28147-89 приведена на рис. 5.1 .

Шифруемый блок данных разбивается на две части, которые затем обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака. Сначала правая половина блока и подключ раунда складываются по модулю 2 32 . Затем производится поблочная подстановка . 32-битовое значение , полученное на предыдущем шаге (обозначим его S ), интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S=(S 0 ,S 1 ,S 2 ,S 3 ,S 4 ,S 5 ,S 6 ,S 7) . Далее значение каждого из восьми блоков заменяется на новое, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока S i заменяется на S i -тый по порядку элемент ( нумерация с нуля) i-го узла замен (т.е. i-той строки таблицы замен, нумерация также с нуля). Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент c номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа. В каждой строке таблицы замен записаны числа от 0 до 15 в произвольном порядке без повторений. Значения элементов таблицы замен взяты от 0 до 15 , так как в четырех битах, которые подвергаются подстановке, может быть записано целое число без знака в диапазоне от 0 до 15 . Например, первая строка S-блока может содержать такие значения: 5, 8, 1, 13, 10, 3, 4, 2, 14, 15, 12, 7, 6, 0, 9, 11 . В этом случае значение блока S 0 (четыре младших бита 32-разрядного числа S) заменится на число, стоящее на позиции, номер которой равен значению заменяемого блока. Если S 0 = 0 , то оно заменится на 5 , если S 0 = 1 , то оно заменится на 8 и т.д.

Рис. 5.1.

После выполнения подстановки все 4-битовые блоки снова объединяются в единое 32-битное слово , которое затем циклически сдвигается на 11 битов влево. Наконец, с помощью побитовой операции "сумма по модулю 2" результат объединяется с левой половиной, вследствие чего получается новая правая половина R i . Новая левая часть L i берется равной младшей части преобразуемого блока: L i = R i-1 .

Полученное значение преобразуемого блока рассматривается как результат выполнения одного раунда алгоритма шифрования.

Процедуры шифрования и расшифрования

ГОСТ 28147-89 является блочным шифром, поэтому преобразование данных осуществляется блоками в так называемых базовых циклах . Базовые циклы заключаются в многократном выполнении для блока данных основного раунда, рассмотренного нами ранее, с использованием разных элементов ключа и отличаются друг от друга порядком использования ключевых элементов. В каждом раунде используется один из восьми возможных 32-разрядных подключей.

Рассмотрим процесс создания подключей раундов. В ГОСТ эта процедура очень проста, особенно по сравнению с DES . 256-битный ключ K разбивается на восемь 32-битных подключей, обозначаемых K 0 , K 1 , K 2 ,K 3 , K 4 , K 5 , K 6 , K 7 . Алгоритм включает 32 раунда, поэтому каждый подключ при шифровании используется в четырех раундах в последовательности, представленной на таблица 5.1 .

Таблица 5.1. Последовательность использования подключей при шифровании

Раунд	1	2	3	4	5	6	7	8
Подключ	K 0	K 1	K 2	K 3	K 4	K 5	K 6	K 7
Раунд	9	10	11	12	13	14	15	16
Подключ	K 0	K 1	K 2	K 3	K 4	K 5	K 6	K 7
Раунд	17	18	19	20	21	22	23	24
Подключ	K 0	K 1	K 2	K 3	K 4	K 5	K 6	K 7
Раунд	25	26	27	28	29	30	31	32
Подключ	K 7	K 6	K 5	K 4	K 3	K 2	K 1	K 0

Процесс расшифрования производится по тому же алгоритму, что и шифрование . Единственное отличие заключается в порядке использования подключей K i . При расшифровании подключи должны быть использованы в обратном порядке, а именно, как указано на

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, имеет длину ключа шифрования 256 бит. Он шифрует информацию блоками по 64 бит (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бит (N1 и N2) (рисунок 1). Субблок N1 обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - «исключающее или»), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз («раундов»): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции.

Рисунок 1. Схема алгоритма ГОСТ 28147-89.

Первая - наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-бит частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-бит подключей: K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7. В процессе шифрования используется один из этих подключей - в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N1 разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены (Substitution box - S-box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция. В таблицу записываются выходные значения блоков. Блок данных определенной размерности (в нашем случае - 4-бит) имеет свое числовое представление, которое определяет номер выходного значения. Например, если S-box имеет вид 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 и на вход пришел 4-бит блок «0100» (значение 4), то, согласно таблице, выходное значение будет равно 15, т. е. «1111» (0 а 4, 1 а 11, 2 а 2 ...).

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммирования с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифрования каждого 64-бит блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-бит подключи используются в следующей последовательности:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K0, K1 и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифрование в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7 - в раундах с 1-го по 8-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0, K7, K6 и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифрования каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2.

• 1. В регистры N1 и N2 записывается их начальное заполнение - 64-бит величина, называемая синхропосылкой.
• 2. Выполняется зашифрование содержимого регистров N1 и N2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.
• 3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (232 - 1) с константой C1 = 224 + 216 + 28 + 24, а результат сложения записывается в регистр N1.
• 4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 232 с константой C2 = 224 + 216 + 28 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.
• 5. Содержимое регистров N1 и N2 подается на выход в качестве 64-бит блока гаммы шифра (в данном случае N1 и N2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифрование или расшифрование), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифрования гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (таблица 1).

Таблица 1. Зашифрование и расшифрование в режиме гаммирования

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должен быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровании информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка не секретна, однако есть системы, где синхропосылка - такой же секретный элемент, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров N1 и N2, начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рисунок 2). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рисунок 2. Выработка гаммы шифра в режиме гаммирования с обратной связью.

Рассматривая режим генерации имитоприставок, следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с использованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-бит блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры N1 и N2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в N1 и N2.

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-бит содержимое регистров N1 и N2 или его часть и называется имитоприставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки r бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2-r.Чаще всего используется 32-бит имитоприставка, т. е. половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы - в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифрования вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают - значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифрования ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается очень сильным алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод «грубой силы». Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Достоинствами ГОСТ 28147-89 являются наличие защиты от навязывания ложных данных (выработка имитовставки) и одинаковый цикл шифрования во всех четырех алгоритмах ГОСТ.

Задачи по информационной безопасности

Задания на контрольную работу 2

Примеры выполнения заданий 3

Приложение А. Алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89 10

Приложение Б. Символы кириллицы

(альтернативная кодовая таблица ASCII) 13

Приложение В. Блок подстановки в алгоритме шифрования

ГОСТ 28147-89 14

Приложение Г. Алгоритм шифрования RSA 15

Приложение Д. Таблица простых чисел 17

Приложение Е. Функция хеширования 18

Приложение Ж. Электронная цифровая подпись 19

Вопросы к зачету 21

Литература 22

Задача №1. Шифр Цезаря .

Используя шифр Цезаря, зашифруйте свои данные: Фамилию Имя Отчество.

Задача №2. Алгоритм шифрования гост 28147-89.

Выполните первый цикл алгоритма шифрования ГОСТ 28147 89 в режиме простой замены. Для получения 64 бит исходного текста используйте 8 первых букв из своих данных: Фамилии Имени Отчества. Для получения ключа (256 бит) используют текст, состоящий из 32 букв. Первый подключ содержит первые 4 буквы.

Задача №3. Алгоритм шифрования rsa.

Сгенерируйте открытый и закрытый ключи в алгоритме шифрования RSA, выбрав простые числа p и q из первой сотни. Зашифруйте сообщение, состоящее из ваших инициалов: ФИО.

Задача №4. Функция хеширования.

Найти хеш–образ своей Фамилии, используя хеш–функцию , гдеn = pq.

Задача №5. Электронная цифровая подпись.

Примеры выполнения заданий

Задача №1. Шифр Цезаря . Используя шифр Цезаря, зашифруйте свои данные: Фамилию Имя Отчество.

Исходный текст:

« КОЗИНА ГАЛИНА ЛЕОНИДОВНА»

Используем алфавит, содержащий 33 буквы и пробел, стоящий после буквы Я:

АБВГДЕЁЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯпробел

Ключом в шифре Цезаря является число 3. Каждая буква в исходном тексте сдвигается по алфавиту на 3 позиции. Таким образом, получаем:

Исходный текст					ЛЕОНИДОВНА
Зашифрованный текст					ОЗСРЛЖСЕРГ

Задача №2. Алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89. Выполните первый цикл алгоритма шифрования ГОСТ 28147-89 в режиме простой замены. Для получения 64 бит исходного текста используйте 8 первых букв из своих данных: Фамилии Имени Отчества. Для получения ключа (256 бит) используют текст, состоящий из 32 букв. Первый подключ содержит первые 4 буквы.

Исходные данные для зашифрования: КОЗИНА Г

Для ключа возьмем последовательность состоящую из 32 букв:

АЛИНа пошла в лес собирать грибы

Для первого подключа Х используем первые 4 буквы ключа: АЛИН.

Переводим исходный текст и первый подключ в двоичную последовательность (см. Приложение Б):

исходный текст

первый подключ X0

Таким образом, первые 64 бита определяют входную последовательность

L0: 11001010 11001110 11000111 11001000

R0: 11001101 11000000 00100000 11000011

следующие 32 бита определяют первый подключ

Х0: 11000000 11001011 11001000 11001101

I. Найдем значение функции преобразования f(R0,X0) (см. Приложение А)

1). Вычисление суммы R0 и X0 по mod 2 32

R0: 1100 1101 1100 0000 0010 0000 1100 0011

Х0: 1100 0000 1100 1011 1100 1000 1100 1101

1000 1110 1000 1011 1110 1001 1001 0000

2). Преобразование в блоке подстановки

Результат суммирования R0+X0 по mod 2 32

1000 1110 1000 1011 1110 1001 1001 0000

преобразуем в блоке подстановки (см. Приложение В). Для каждого 4-битного блока вычислим его адрес в таблице подстановки. Номер блока соответствует номеру столбца, десятичное значение блока соответствует номеру строки в таблице. Таким образом, 5-тый блок (1011) заменяется заполнением 11-ой строки и пятого столбца в таблице подстановки (1110).

номера блоков

1000 1110 1000 1011 1110 1001 1001 0000

соответствующие номера строк в таблице подстановки

8 14 8 11 14 9 9 0

заполнение

9 2 3 14 5 15 3 4

результат

1001 0010 0011 1110 0101 1111 0011 0100

3). Циклический сдвиг результата п.2 на 11 бит влево

Таким образом, нашли значение функции f (R0,X0):

1111 0010 1111 1001 1010 0100 1001 0001

II. Вычисляем R1= f(R0,X0) L0.

Результат преобразования функции f(R0,X0) складываем с L0 по mod2:

L0: 1100 1010 1100 1110 1100 0111 1100 1000

f(R0,X0): 1111 0010 1111 1001 1010 0100 1001 0001

R1: 0011 1000 0011 0111 0110 0011 0101 1001

Задача №3. Алгоритм шифрования RSA . Сгенерируйте откры-тый и закрытый ключи в алгоритме шифрования RSA, выбрав простые числа p и q из первой сотни. Зашифруйте сообщение, состоящее из ваших инициалов: ФИО.

I.Генерация ключей (см. Приложение Г).

Выберем два простых числа р = 13 и q = 19 (см. Приложение Д).

Тогда модуль

n = pq =13*19 = 247

и функция Эйлера

(n ) = (p -1)(q -1) = 12*18 = 216.

Закрытый ключ d выбираем из условий d <  (n ) и d взаимно просто с  (n ) , т.е. d и  (n ) не имеют общих делителей.

Пусть d = 25.

Открытый ключ e выбираем из условий e < (n ) и de =1(mod  (n )): e <216,

25e =1(mod 216).

Последнее условие означает, что число 25e -1 должно делиться на 216 без остатка.

Таким образом, для определения e нужно подобрать такое число k , что

25e -1 = 216 k .

При k =14 получаем 25e =3024+1 или

В нашем примере

(121, 247) – открытый ключ,

(25, 247) – секретный ключ.

II. Шифрование.

Представим шифруемое сообщение «КГЛ» как последова-тельность целых чисел. Пусть буква «К» соответствует числу 12, буква «Г» - числу 4 и буква «Л» - числу 13.

Зашифруем сообщение, используя открытый ключ (121, 247):

С 1 = (
) mod 247= 12

С 2 = (
) mod 247=199

С 3 = (
) mod 247= 91

Таким образом, исходному сообщению (12, 4, 13) соответствует криптограмма (12, 199, 91).

III. Расшифрование

Расшифруем сообщение (12, 199, 91), пользуясь секретным ключом (25,247):

М 1 = (
) mod 247=12

М 2 = (
) mod 247= 4

М З = (
) mod 247=13

В результате расшифрования было получено исходное сообщение (12, 4, 13), то есть "КГЛ".

Замечания.

Например,

Для рассматриваемого примера получим

Задача №4. Функция хеширования. Найти хеш–образ своей Фамилии, используя хеш–функцию
, гдеn = pq, p, q взять из Задания №3.

Хешируемое сообщение «КОЗИНА». Возьмем два простых числа p =13, q =19 (см. Приложение Е). Определим n =pq =13*19=247. Вектор инициализации выберем равным 8 (выбираем случайным образом). Слово«КОЗИНА» можно представить последователь-ностью чисел (12, 16, 9, 10, 15, 1) по номерам букв в алфавите. Таким образом,

n=247, H 0 =8, M 1 =12, M 2 =16, M 3 =9, M 4 =10, M 5 =15, M 6 =1.

Используя формулу

,

получим хеш-образ сообщения «КОЗИНА»:

H 1 =(H 0 +M 1) 2 mod n = (8 + 12) 2 mod 247 = 400 mod 247=153

H 2 =(H 1 +M 2) 2 mod n = (153 + 16) 2 mod 247 = 28561 mod 247= 156

H 3 =(H 2 +M 3) 2 mod n = (156 + 9) 2 mod 247 = 27225 mod 247= 55

H 4 =(H 3 +M 4) 2 mod n = (55 + 10) 2 mod 247 = 4225 mod 247= 26

H 5 =(H 4 +M 5) 2 mod n = (26 + 15) 2 mod 247 = 1681 mod 247= 199

H 6 =(H 5 +M 6) 2 mod n = (199 + 1) 2 mod 247 = 40000 mod 247= 233

В итоге получаем хеш-образ сообщения «КОЗИНА», равный 233.

Задача №5. Электронная цифровая подпись. Используя хеш-образ своей Фамилии, вычислите электронную цифровую подпись по схеме RSA.

Пусть хеш-образ Фамилии равен 233, а закрытый ключ алгоритма RSA равен (25, 247). Тогда электронная цифровая подпись сообщения, состоящего из Фамилии, вычисляется по правилу (см. Приложение Ж)

s = 233 25 mod 247 = 168.

Для проверки ЭЦП, используя открытый ключ (121, 247), найдем

H = 168 121 mod 247 = 233.

Поскольку хеш-образ сообщения совпадает с найденным значением H, то подпись признается подлинной.