Алгоритм криптографического преобразования ГОСТ 28147-89

28

Содержание

Введение

1. Описание алгоритма

1.1 Термины и обозначения

1.2 Логика построения шифра и структура ключевой информации ГОСТа

1.3 Основной шаг криптопреобразования

1.4 Базовые циклы криптографических преобразований

1.5 Основные режимы шифрования

2. Обсуждение криптографических алгоритмов ГОСТа

2.1 Криптографическая стойкость ГОСТа

2.2 Замечания по архитектуре ГОСТа

2.3 Требования к качеству ключевой информации и источники ключей

3. Разработка приложения для алгоритма ГОСТ 28147-89

3.1 Описание среды проектирования

3.2 Информационно-логическая модель программы "Блочное шифрование ГОСТ 28147-89"

3.3. Технологический процесс работы по программе "Блочное шифрование ГОСТ 28147-89"

Заключение

Список литературы

Введение

То, что информация имеет ценность, люди осознали очень давно - недаром переписка сильных мира сего издавна была объектом пристального внимания их недругов и друзей. Тогда-то и возникла задача защиты этой переписки от чрезмерно любопытных глаз. Древние пытались использовать для решения этой задачи самые разнообразные методы, и одним из них была тайнопись - умение составлять сообщения таким образом, чтобы его смысл был недоступен никому кроме посвященных в тайну. Есть свидетельства тому, что искусство тайнописи зародилось еще в доантичные времена. На протяжении всей своей многовековой истории, вплоть до совсем недавнего времени, это искусство служило немногим, в основном верхушке общества, не выходя за пределы резиденций глав государств, посольств и - конечно же! - разведывательных миссий. И лишь несколько десятилетий назад все изменилось коренным образом - информация приобрела самостоятельную коммерческую ценность и стала широко распространенным, почти обычным товаром. Ее производят, хранят, транспортируют, продают и покупают, а значит - воруют и подделывают - и, следовательно, ее необходимо защищать. Современное общество все в большей степени становится информационно-обусловленным, успех любого вида деятельности все сильней зависит от обладания определенными сведениями и от отсутствия их у конкурентов. И чем сильней проявляется указанный эффект, тем больше потенциальные убытки от злоупотреблений в информационной сфере, и тем больше потребность в защите информации. Одним словом, возникновение индустрии обработки информации с железной необходимостью привело к возникновению индустрии средств защиты информации.

Среди всего спектра методов защиты данных от нежелательного доступа особое место занимают криптографические методы. В отличие от других методов, они опираются лишь на свойства самой информации и не используют свойства ее материальных носителей, особенности узлов ее обработки, передачи и хранения. Образно говоря, криптографические методы строят барьер между защищаемой информацией и реальным или потенциальным злоумышленником из самой информации. Конечно, под криптографической защитой в первую очередь - так уж сложилось исторически - подразумевается шифрование данных. Раньше, когда эта операция выполнялось человеком вручную или с использованием различных приспособлений, и при посольствах содержались многолюдные отделы шифровальщиков, развитие криптографии сдерживалось проблемой реализации шифров, ведь придумать можно было все что угодно, но как это реализовать. Появление цифровых электронно-вычислительных машин, приведшее в конечном итоге к созданию мощной информационной индустрии, изменило все коренным образом и в этой сфере. С одной стороны, взломщики шифров получили в свои руки чрезвычайно мощное орудие, с другой стороны, барьер сложности реализации исчез, и для создателей шифров открылись практически безграничные перспективы. Все это определило стремительный прогресс криптографии в последние десятилетия.

Как всякое уважающее себя государство, Российская Федерация имеет свой стандарт шифрования. Этот стандарт закреплен ГОСТом №28147-89, принятом, как явствует из его обозначения, еще в 1989 году в СССР. Используют его почти все страны СНГ, включая Казахстан. Однако, без сомнения, история этого шифра гораздо более давняя.

ГОСТ создавался в те времена, когда было немыслимо его использование за пределами государственных режимных объектов. С другой стороны, стойкость криптографического алгоритма нельзя подтвердить, ее можно только опровергнуть взломом. Поэтому, чем старше алгоритм, тем больше шансов на то, что, если уж он не взломан до сих пор, он не будет взломан и в ближайшем обозримом будущем. В этом свете все разговоры о последних «оригинальных разработках» «талантливых ребят» в принципе не могут быть серьезными - каждый шифр должен выдержать проверку временем. Но ведь шифров, выдержавших подобную проверку, заведомо больше одного - кроме ГОСТа ведь есть еще и DES, его старший американский братец, есть и другие шифры.

Целью моей курсовой работы является изучить алгоритм ГОСТ №28147-89 и написать шифратор с использованием этого алгоритма. Почему ГОСТ? Конечно, во многом это дело личных пристрастий, но надо помнить еще и о том, что ГОСТ по большинству параметров превосходит все эти алгоритмы, в том числе и DES.

1. Описание алгоритма

1.1 Термины и обозначения

Описание стандарта шифрования Российской Федерации содержится в очень интересном документе, озаглавленном «Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89». То, что в его названии вместо термина «шифрование» фигурирует более общее понятие «криптографическое преобразование», вовсе не случайно. 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 имитозащиты, или 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 работе обозначаются заглавными латинскими 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: X<2|X|.

Если элемент данных состоит из нескольких элементов меньшего размера, то этот факт обозначается следующим образом: X = (X0, X1,..., Xn-1) = X0||X1||...||Xn-1. Процедура объединения нескольких элементов данных в один называется конкатенацией данных и обозначается символом ||. Естественно, для размеров элементов данных должно выполняться следующее соотношение: |X|=|X0|+|X1|+...+|Xn-1|. 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 отдельных битов, в этом случае биты обозначаем той же самой буквой, что и массив, но в строчном варианте, как показано на следующем примере:

X = (x0, x1,..., xn-1) = x0+21·x1+...+2n-1·xn-1.

Если над элементами данных выполняется некоторая операция, имеющая логический смысл, то предполагается, что данная операция выполняется над соответствующими битами элементов. Иными словами A*B=(a0*b0, a1*b1,..., an-1*bn-1), где n=|A|=|B|, а символом “*” обозначается произвольная бинарная логическая операция; как правило, имеется ввиду операция исключающего или, она же - операция суммирования по модулю 2: a*b = (a?b) mod 2.

1.2 Логика построения шифра и структура ключевой информации ГОСТа

Если внимательно изучить оригинал ГОСТа 28147-89, 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 циклы, чтобы отличать их от всех прочих циклов. Они имеют следующие названия и обозначения, последние приведены в скобках и смысл их будет объяснен позже:

цикл зашифрования (32-З);

цикл расшифрования (32-Р);

цикл выработки имитовставки (16-З).

В свою очередь, каждый из базовых циклов представляет собой многократное повторение одной единственной процедуры, называемой для определенности далее в настоящей работе основным шагом криптопреобразования.

Таким образом, чтобы разобраться в ГОСТе, надо понять три следующие вещи:

что такое основной шаг криптопреобразования;

как из основных шагов складываются базовые циклы;

как из трех базовых циклов складываются все практические алгоритмы ГОСТа.

Прежде чем перейти к изучению этих вопросов, следует поговорить о ключевой 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 ключа, необходимого для всех шифров, она содержит еще и таблицу замен. Ниже приведены основные характеристики ключевых структур ГОСТа.

Ключ является массивом из восьми 32-битных элементов кода, далее в настоящей работе он обозначается символом К:. В ГОСТе элементы ключа используются как 32-разрядные целые числа без знака: . Таким образом, размер ключа составляет 32·8=256 бит или 32 байта.

Таблица замен является матрицей 816, содержащей 4-битовые элементы, которые можно представить в виде целых чисел от 0 до 15. Строки таблицы замен называются узлами замен, они должны содержать различные значения, то есть каждый узел замен должен содержать 16 различных чисел от 0 до 15 в произвольном порядке. В настоящей статье таблица замен обозначается символом H: . Таким образом, общий объем таблицы замен равен: 8 узлов 16 элементов/узел 4 бита/элемент = 512 бит или 64 байта.

1.3 Основной шаг криптопреобразования

Рис 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ 28147-89.

Основной шаг криптопреобразования по своей сути является оператором, определяющим преобразование 64-битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является 32-битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа. Схема алгоритма основного шага приведена на рисунке 1.

Ниже даны пояснения к алгоритму основного шага:

Определяет исходные данные для основного шага криптопреобразования:

N - преобразуемый 64-битовый блок данных, в ходе выполнения шага его младшая (N1) и старшая (N2) части обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака. Таким образом, можно записать N=(N1,N2).

X - 32-битовый элемент ключа;

Сложение с ключом. Младшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 232 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг;

Поблочная замена. 32-битовое значение, полученное на предыдущем шаге, интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S=(S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7).

Далее значение каждого из восьми блоков заменяется на новое, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока Si заменяется на Si-тый по порядку элемент (нумерация с нуля) i-того узла замен (т.е. 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. Теперь становится понятным размер таблицы замен: число строк в ней равно числу 4-битных элементов в 32-битном блоке данных, то есть восьми, а число столбцов равно числу различных значений 4-битного блока данных, равному как известно 24, шестнадцати.

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 ?11 обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит 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 результат выполнения предыдущего шага.

Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования.

1.4 Базовые циклы криптографических преобразований

Как отмечено в начале настоящей статьи, ГОСТ относится к классу блочных шифров, то есть единицей обработки информации в нем является блок данных. Следовательно, вполне логично ожидать, что в нем будут определены алгоритмы для криптографических преобразований, то есть для зашифрования, расшифрования и «учета» в контрольной комбинации одного блока 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 элемент ключа, в то время как ключ ГОСТ 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 стойкости шифра это число должно быть больше одного.

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.

Цикл зашифрования 32-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл расшифрования 32-Р:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0,K7,K6,K5,K4,K3K2,K1,K0,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Цикл выработки имитовставки 16-З:

K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7.

Каждый из циклов имеет собственное буквенно-цифровое обозначение, соответствующее шаблону «n-X», где первый элемент обозначения (n), задает число повторений основного шага в цикле, а второй элемент обозначения (X), буква, задает порядок зашифрования («З») или расшифрования («Р») в использовании ключевых элементов. Этот порядок нуждается в дополнительном пояснении:

Цикл расшифрования должен быть обратным циклу зашифрования, то есть последовательное применение этих двух циклов к произвольному блоку должно дать в итоге исходный блок, что отражается следующим соотношением: Ц32-Р(Ц32-З(T))=T, где T - произвольный 64-битный блок данных, ЦX(T) - результат выполнения цикла X над блоком данных T.

Схемы базовых циклов приведены на рисунках 2а-в. Каждый из них принимает в качестве аргумента и возвращает в качестве результата 64-битный блок данных, обозначенный на схемах N. 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.

Рис 2а. Схема цикла зашифрования 32-З.

Рис 2в. Схема цикла выработки имитовставки 16-З.

1.5 Основные режимы шифрования

ГОСТ 28147-89 предусматривает три следующих режима шифрования данных:

простая замена,

гаммирование,

гаммирование с обратной связью,

и один дополнительный режим выработки имитовставки.

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.

Простая замена. Зашифрование в данном режиме заключается в применении цикла 32-З к блокам открытых данных, расшифрование - цикла 32-Р к блокам зашифрованных данных. Это наиболее простой из режимов, 64-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 комментариях.

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



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

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

Режим шифрования простой заменой имеет следующие особенности:

Так как блоки данных шифруются независимо друг от друга и от их позиции в массиве, при зашифровании двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифротекста 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.

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, поскольку очевидные решения типа «дополнить неполный блок нулевыми битами» или, более обще, «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 шифротекста при этом изменится, увеличившись до ближайшего целого, кратного 64 битам, что часто бывает нежелательным.

Гаммирование. 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 шифротекста 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 наложения гаммы при зашифровании и ее снятия при расшифровании должны использоваться взаимно обратные бинарные операции, например, сложение и вычитание по модулю 264 для 64-битных блоков данных. В ГОСТе для этой цели используется операция побитного сложения по модулю 2, поскольку она является обратной самой себе и к тому же наиболее просто реализуется.

Рис 4. Алгоритм зашифрования (расшифрования) данных в режиме гаммирования.

Схема алгоритма шифрования в режиме гаммирования приведена на рисунке 4, ниже изложены пояснения к схеме:

Ниже перечислены особенности гаммирования как режима шифрования.

Одинаковые блоки в открытом массиве данных дадут при зашифровании различные блоки шифротекста, что позволит скрыть факт их идентичности.

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 зашифрования неполного блока в 1 бит можно использовать любой бит из блока гаммы.

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;

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 зашифрования первого блока массива данных элемент гаммы вырабатывается как результат преобразования по тому же циклу синхропосылки. Этим достигается зацепление блоков - каждый блок шифротекста 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.

Схема алгоритмов за- и расшифрования в режиме гаммирования с обратной связью приведена на рисунке 5 и ввиду своей простоты в комментариях не нуждается.

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.

Рис 5. Алгоритм зашифрования (расшифрования) данных в режиме гаммирования с обратной связью.

2. Обсуждение криптографических алгоритмов ГОСТа

2.1 Криптографическая стойкость ГОСТа

При выборе криптографического алгоритма для использования в конкретной разработке одним из определяющих факторов является его стойкость, то есть устойчивость к попыткам противоположной стороны его раскрыть. Вопрос о стойкости шифра при ближайшем рассмотрении сводится к двум взаимосвязанным вопросам:

можно ли вообще раскрыть данный шифр;

если да, то насколько это трудно сделать практически;

Шифры, которые вообще невозможно раскрыть, называются абсолютно или теоретически стойкими. Существование подобных шифров доказывается теоремой Шеннона, однако ценой этой стойкости является необходимость использования для шифрования каждого сообщения ключа, не меньшего по размеру самого сообщения. Во всех случаях за исключением ряда особых эта цена чрезмерна, поэтому на практике в основном используются шифры, не обладающие абсолютной стойкостью. Таким образом, наиболее употребительные схемы шифрования могут быть раскрыты за конечное время или, что точнее, за конечное число шагов, каждый из которых является некоторой операцией над числами. Для них наиважнейшее значение имеет понятие практической стойкости, выражающее практическую трудность их раскрытия. Количественной мерой этой трудности может служить число элементарных арифметических и логических операций, которые необходимо выполнить, чтобы раскрыть шифр, то есть, чтобы для заданного шифротекста с вероятностью, не меньшей заданной величины, определить соответствующий открытый текст. При этом в дополнении к дешифруемому массиву данных криптоаналитик может располагать блоками открытых данных и соответствующих им зашифрованных данных или даже возможностью получить для любых выбранных им открытых данных соответствующие зашифрованные данные - в зависимости от перечисленных и многих других неуказанных условий различают отдельные виды криптоанализа.

Все современные криптосистемы построены по принципу Кирхгоффа, то есть секретность зашифрованных сообщений определяется секретностью ключа. Это значит, что даже если сам алгоритм шифрования известен криптоаналитику, тот тем не менее не в состоянии расшифровать сообщение, если не располагает соответствующим ключом. Все классические блочные шифры, в том числе DES и ГОСТ, соответствуют этому принципу и спроектированы таким образом, чтобы не было пути вскрыть их более эффективным способом, чем полным перебором по всему ключевому пространству, т.е. по всем возможным значениям ключа. Ясно, что стойкость таких шифров определяется размером используемого в них ключа.

В шифре ГОСТ используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства составляет 2256. Ни на одной из существующих в настоящее время или предполагаемых к реализации в недалеком будущем ЭВМ общего применения нельзя подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт 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 256. В свете прогресса современных вычислительных средств этого явно недостаточно. В этой связи DES может представлять скорее исследовательский или научный, чем практический интерес. Как ожидается, в 1998 году он перестанет быть стандартом США на шифрование.

2.2 Замечания по архитектуре ГОСТа

Общеизвестно, что шифр ГОСТ 28147-89 является представителем целого семейства шифров, построенных на одних и тех же принципах. Самым известным его «родственником» является американский стандарт шифрования, алгоритм DES. Все эти шифры, подобно ГОСТу, содержат алгоритмы трех уровней. В основе всегда лежит некий «основной шаг», на базе которого сходным образом строятся «базовые циклы», и уже на их основе построены практические процедуры шифрования и выработки имитовставки. Таким образом, специфика каждого из шифров этого семейства заключена именно в его основном шаге, точнее даже в его части. Хотя архитектура классических блочных шифров, к которым относится ГОСТ, лежит далеко за пределами темы настоящей статьи, все же стоит сказать несколько слов по ее поводу.

В предыдущем разделе мы уже сравнили DES и ГОСТ по стойкости, теперь мы сравним их по функциональному содержанию и удобству реализации. В циклах шифрования ГОСТа основной шаг повторяется 32 раза, для DESа эта величина равна 16. Однако сама функция шифрования ГОСТа существенно проще аналогичной функции DESа, в которой присутствует множество перекодировок по таблицам с изменением размера перекодируемых элементов. Кроме того, между основными шагами в циклах шифрования DESа необходимо выполнять битовые перестановки в блоках данных. Все эти операции чрезвычайно неэффективно реализуются на современных неспециализированных процессорах. ГОСТ не содержит подобных операций, поэтому он значительно удобней для программной реализации. Ни одна из рассмотренных автором реализаций DESа для платформы Intel x86 не достигает даже половины производительности предложенной вашему вниманию в настоящей статье реализации ГОСТа, несмотря на вдвое более короткий цикл. Все сказанное выше свидетельствует о том, что разработчики ГОСТа учли как положительные, так и отрицательные стороны DESа, а также более реально оценили текущие и перспективные возможности криптоанализа.

2.3 Требования к качеству ключевой информации и источники ключей

Не все ключи и таблицы замен обеспечивают максимальную стойкость шифра. Для каждого алгоритма шифрования существуют свои критерии оценки ключевой информации.

Исчерпывающий ответ на вопрос о критериях качества ключей и таблиц замен ГОСТа если и можно вообще где-либо получить, то только у разработчиков алгоритма. Соответствующие данные не были опубликованы в открытой печати. Однако согласно установленному порядку, для шифрования информации, имеющей гриф, должны быть использованы ключевые данные, полученные от уполномоченной организации. Косвенным образом это может свидетельствовать о наличии методик проверки ключевых данных на «вшивость». Сам факт существования слабых ключевых данных в стандарте шифрования не вызывает сомнения. Очевидно, нулевой ключ и тривиальная таблица замен, по которой любое значение заменяется но него самого, являются слабыми, при использовании хотя бы одного из них шифр достаточно просто взламывается, каков бы ни был второй ключевой элемент.

Как уже было отмечено выше, критерии оценки ключевой информации недоступны, однако на их счет все же можно высказать некоторые соображения:

Ключ должен являться массивом статистически независимых битов, принимающих с равной вероятностью значения 0 и 1. При этом некоторые конкретные значения ключа могут оказаться «слабыми», то есть шифр может не обеспечивать заданный уровень стойкости в случае их использования. Однако, предположительно, доля таких значений в общей массе всех возможных ключей ничтожно мала. Поэтому ключи, выработанные с помощью некоторого датчика истинно случайных чисел, будут качественными с вероятностью, отличающейся от единицы на ничтожно малую величину. Если же ключи вырабатываются с помощью генератора псевдослучайных чисел, то используемый генератор должен обеспечивать указанные выше статистические характеристики, и, кроме того, обладать высокой криптостойкостью, не меньшей, чем у самого ГОСТа. Иными словами, задача определения отсутствующих членов вырабатываемой генератором последовательности элементов не должна быть проще, чем задача вскрытия шифра.

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. Даже при нарушении конфиденциальности таблицы замен стойкость шифра остается чрезвычайно высокой и не снижается ниже допустимого предела. К качеству отдельных узлов замен можно предъявить приведенное ниже требование. Каждый узел замен может быть описан четверкой логических функций, каждая из которых имеет четыре логических аргумента. Необходимо, чтобы эти функции были достаточно сложными. Это требование сложности невозможно выразить формально, однако в качестве необходимого условия можно потребовать, чтобы соответствующие логические функции, записанные в минимальной форме (т.е. с минимально возможной длиной выражения) с использованием основных логических операций, не были короче некоторого необходимого минимума.

3. Разработка приложения для алгоритма ГОСТ 28147-89

3.1 Описание среды проектирования

Среди большого разнообразия продуктов для разработки приложений Delphi занимает одно из ведущих мест. Delphi отдают предпочтение разработчики с разным стажем, привычками, профессиональными интересами. С помощью Delphi написано колоссальное количество приложений, десятки фирм и тысячи программистов-одиночек разрабатывают для Delphi дополнительные компоненты.

В основе такой общепризнанной популярности лежит тот факт, что Delphi, как никакая другая система программирования, удовлетворяет изложенным выше требованиям. Действительно, приложения с помощью Delphi разрабатываются быстро, причем взаимодействие разработчика с интерактивной средой Delphi не вызывает внутреннего отторжения, а наоборот, оставляет ощущение комфорта. Delphi-приложения эффективны, если разработчик соблюдает определенные правила (и часто - если не соблюдает). Эти приложения надежны и при эксплуатации обладают предсказуемым поведением.

Пакет Delphi - продолжение линии компиляторов языка Pascal корпорации Borland. Pascal как язык очень прост, а строгий контроль типов данных способствует раннему обнаружению ошибок и позволяет быстро создавать надежные и эффективные программы. Корпорация Borland постоянно обогащала язык. Когда-то в версию 4.0 были включены средства раздельной трансляции, позже, начиная с версии 5.5, появились объекты, а в состав шестой версии пакета вошла полноценная библиотека классов Turbo Vision, реализующая оконную систему в текстовом режиме работы видеоадаптера. Это был один из первых продуктов, содержавших интегрированную среду разработки программ.

Язык программирования Delphi базируется на Borland Object Pascal.

Кроме того, Delphi поддерживает такие низкоуровневые особенности, как подклассы элементов управления Windows, перекрытие цикла обработки сообщений Windows, использование встроенного ассемблера.

В стандартную поставку Delphi входят основные объекты, которые образуют удачно подобранную иерархию из 270 базовых классов. На Delphi можно одинаково хорошо писать как приложения к корпоративным базам данных, так и, к примеру, игровые программы. Во многом это объясняется тем, что традиционно в среде Windows было достаточно сложно реализовывать пользовательский интерфейс. Событийная модель в Windows всегда была сложна для понимания и отладки. Но именно разработка интерфейса в Delphi является самой простой задачей для программиста.

3.2 Информационно-логическая модель программы «Блочное шифрование ГОСТ 28147-89»

Программа «ГОСТ 28147-89» предназначена для шифрования текстовых файлов. Ею можно редактировать и шифровать текстовые файлы в форматах TXT, RTF, DOC и сохранять их в формат ТХТ.

Программа способна обеспечить конфиденциальность сообщений даже при условии, что злоумышленнику известны открытые и зашифрованные тексты и сами правила преобразования. Иными словами, в открытых криптосистемах необходимо сохранять в тайне только ключи. При этом полностью исключены ситуации, когда, скажем, кража шифратора или публикация текста алгоритма даст злоумышленнику возможность раскрыть зашифрованные данные.

Программа состоит из одной формы, которая и является основной. В ней использовались различные компоненты. Перечислю основные компоненты, которые использовались при создании приложения.

При создании основной формы приложения, я использовала четыре компонента: TLabel, TEdit, TButton, TRadioGroup, TRadioButton.

TLabel служит для отображения текста на экране. Можно изменить шрифт и цвет метки, если дважды щелкнуть на свойство Font в Инспекторе Объектов. Это легко сделать и во время выполнения программы, написав всего одну строчку кода.

TEdit - стандартный управляющий элемент Windows для ввода. Он может быть использован для отображения короткого фрагмента текста и позволяет пользователю вводить текст во время выполнения программы.

TButton позволяет выполнить какие-либо действия при нажатии кнопки во время выполнения программы. В Delphi все делается очень просто. Поместив TButton на форму, по двойному щелчку можно создать заготовку обработчика события нажатия кнопки.

Button1 (Encode) > шифрование согласно алгоритму;

Button2 (Decode) > дешифрование согласно алгоритму;

TRadioGroup используется для визуальных целей и для указания Windows, каков порядок перемещения по компонентам на форме (при нажатии клавиши TAB), для группировки объектов TRadioButton.

TRadioButton позволяет выбрать только одну опцию из нескольких.

Компонент используется для выбора режима шифрования:

Простая замена;

Гаммирование;

Гаммирование с обратной связью.

3.3 Технологический процесс работы по программе «Блочное шифрование ГОСТ 28147-89»

Схема криптографической системы, обеспечивающей шифрование передаваемой информации:

Отправитель генерирует открытый текст исходного сообщения М, которое должно быть передано законному получателю по незащищенному каналу. Для того чтобы злоумышленник не смог узнать содержание сообщения М, отправитель зашифровывает его по ключу К с помощью обратимого преобразования ЕК и создает шифртекст (или криптограмму) С = ЕК(М), который отправляет получателю. Законный получатель, приняв шифртекст С, расшифровывает его с помощью обратного преобразования DК(С) = ЕК-1 и получает исходное сообщение в виде открытого текста М: DK(C) = ЕК-1[ЕК (М)] = M.

После установки программы, запустим программу «Блочное шифрование - ГОСТ 28147-89».

Перед Вами откроется главное окно программы:

Рис 6. Главное окно программы

Выбираем режим шифрования, в котором Вы хотите зашифровать текстовый файл, и нажимаем кнопку «Encode», после чего откроется окно для выбора исходного текстового файла для шифрования. Выбрав его, нажмите кнопку Ок.



Рис 7. Окно для выбора исходного файла для шифрования

После выбора исходного файла, откроется окно для создания файла для хранения зашифрованных данных. Даем ему название и выбираем расширение TXT.

Рис 8. Окно для создания файла для хранения зашифрованных данных

Для расшифровывания текстового файла нажимаем кнопку «Decode», после чего откроется окно для выбора исходного текстового файла для расшифровки. Выбрав его, нажмите кнопку Ок.



Рис 9. Окно для выбора исходного файла для расшифровки

После выбора исходного файла, откроется окно для создания файла для хранения расшифрованных данных. Даем ему название и выбираем расширение TXT.

Рис 10. Окно для создания файла для хранения расшифрованных данных

Но кодирование и декодирование могут выполняться только одной и той же программой.

Заключение

В этой работе был рассмотрен один из наиболее распространенных в настоящее время методов криптографической защиты информации алгоритм ГОСТ 28147-89. Выбор для конкретных ИС должен быть основан на глубоком анализе слабых и сильных стоpон тех или иных методов защиты. Обоснованный выбор той или иной системы защиты, в общем-то, должен опираться на какие-то критерии эффективности. К сожалению, до сих пор не разработаны подходящие методики оценки эффективности криптографических систем.

Наиболее простой критерий такой эффективности - вероятность раскрытия ключа или мощность множества ключей. По сути это то же самое, что и криптостойкость. Для ее численной оценки можно использовать также и сложность pаскpытия шифpа путем пеpебоpа всех ключей. Однако, этот кpитеpий не учитывает дpугих важных тpебований к кpиптосистемам:

невозможность pаскpытия или осмысленной модификации инфоpмации на основе анализа ее стpуктуpы,

совеpшенство используемых пpотоколов защиты,

минимальный объем используемой ключевой инфоpмации,

минимальная сложность pеализации (в количестве машинных опеpаций), ее стоимость,

высокая опеpативность.

Желательно конечно использование некотоpых интегpальных показателей, учитывающих указанные фактоpы. Для учета стоимости, тpудоемкости и объема ключевой инфоpмации можно использовать удельные показатели - отношение указанных паpаметpов к мощности множества ключей шифpа.

В любом случае выбpанный комплекс кpиптогpафических методов должен сочетать как удобство, гибкость и опеpативность использования, так и надежную защиту от злоумышленников циpкулиpующей в ИС инфоpмации.

Список литературы

1. ГОСТ 28147-89. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования.

2. Варфоломеев А. и др. Блочные криптосистемы. Основные свойства и методы анализа стойкости. М.: - МИФИ, 1998

3. Винокуров А. Алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89, его использование и реализация для компьютеров платформы Intel x86. Работа на правах рукописи, доступна на веб-сайте

4. Винокуров А. "ГОСТ не прост, а очень прост". М.: - "Монитор", №1, 1995

5. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии. - М.: Гелиос АРВ, 2002.

6. Саломаа А. Криптография с открытым ключом. - М., 1995.