Известный в обществе термин «производительность процессора» представляет собой объективный, вычисляемый параметр, который меряют во флопах. Впрочем, большинство измеряет его в гигагерцах, по наивности полагая, что это одно и то же. Термин «производительность кода» не знает никто, и сразу объясню почему.

Причина в том, что я его только недавно придумал и пока никому об этом не рассказывал. Однако производительность кода, так же как и производительность процессора, имеет объективные характеристики, которые поддаются измерениям. Эта статья - именно о производительности кода, выполняемого процессорным ядром.

В чем измеряется производительность кода? Поскольку я первый об этом заговорил, то по праву первооткрывателя буду его измерять в RTT-шках;).

Теперь серьезно. В современных процессорах основными преобразованиями являются действия над 32-битными числами, все остальное по большому счету экзотика. Поэтому учитывать будем главное - операции с 32-битными числами. Как ты думаешь, сколько 32-битных операций одновременно может выполнить ядро современного процессора?

Студент ответит - одну, его преподаватель подумает и скажет, что четыре, профессионал - что пока только двенадцать операций.

Так вот, программный код, который загружает все исполнительные устройства процессора одновременно на протяжении всего времени исполнения кода, будет иметь производительность 12 RTT-шек. Максимум! Честно признаюсь, такого кода я раньше не писал, но в этой статье попытаюсь сделать над собой усилие.

Я докажу, что код с одновременным выполнением двенадцати 32-битных операций - возможен

Программный код, который использует в процессорном ядре одно исполнительное устройство, естественно, будет иметь производительность в 1 RTT-шку. Такой производительностью кода могут «похвастаться» программы, генерируемые компиляторами языков высокого уровня, и интерпретаторы виртуальных машин. Не нужно считать, что показатель загрузки процессора, который можно увидеть в диспетчере задач ОС, может служить объективным критерием эффективности кода. Загрузка ядра процессора может быть 100%, но при этом программный код будет использовать одно исполнительное устройство в нем (производительность 1 RTT). В этом случае при 100%-й загрузке процессорное ядро будет работать в 1/12 своей максимальной производительности. Другими словами, когда в диспетчере задач ОС Windows показывается максимальная загрузка процессора, его реальная производительность может варьироваться от 1 до 12 RTT. Увидев в окне производительности 100%-ю загрузку на каком-либо процессорном ядре, неправильно считать, что в этом ядре работают все исполнительные устройства, отнюдь!

Единственным критерием косвенной оценки работы процессорного ядра с максимальной производительностью может служить его энергопотребление и, как следствие, шум кулера. Вот если кулер зашумел, тогда да - загрузка пошла по максимуму. Впрочем, пора заканчивать с общими понятиями и переходить к суровой практике.

Традиционная реализация ГОСТ 28147-89

Я не профессионал в области информационной безопасности, но все же знаком с темой шифрования. Заняться конкретно симметричным поточным шифрованием меня подвигли разговоры с профессиональным криптографом, которого я глубоко уважаю. И, занявшись этой темой, я постарался сделать именно хорошо, и не просто хорошо, а еще и быстро, выполняя максимальное число операций за единицу времени. Другими словами, передо мной встала задача написать программный код с максимальным значением RTT.

Криптографическое преобразование по ГОСТ 28147-89 используется для поточного шифрования информации в каналах связи и на дисковых накопителях.

В настоящее время повсеместно применяется программная реализация данного ГОСТа на РОН центрального процессора. В известных методах реализации ГОСТа вся секретная информация (ключи шифрования, блоки замен) размещаются в оперативной памяти. Это снижает надежность шифрования, поскольку, имея дамп оперативной памяти, можно полностью выявить все секретные элементы криптопреобразования. Кроме этого, метод имеет ограничения по быстродействию, обусловленные расположением основных объектов криптопреобразования в ОП и неполной загрузкой исполнительных устройств ALU. Современные процессоры, реализуя криптопроцедуру по известному методу, могут обеспечить скорость шифрования на уровне 40–60 мегабайт в секунду. И если уж разбираться до конца, то причиной низкого быстродействия и слабой защищенности криптопреобразования является программная реализация блока подстановок. Описание его в ГОСТе см. на рис. 1.

По п. 1.2 ГОСТа этот блок реализует тетрадные (по четыре бита) перестановки в 32-битном слове, но архитектура процессора х86/64 и его система команд не способна эффективно манипулировать тетрадами.

Для программной реализации блока подстановок используют специальные таблицы в оперативной памяти, подготавливаемые на этапе инициализации криптофункции. Эти таблицы объединяют узлы замен смежных тетрад в байтовые таблицы размером 8 × 8 бит, таким образом, в оперативной памяти размещается четыре 256-байтных таблицы.

В более продвинутых реализациях эти таблицы имеют размер 1024 байта (256 слов по четыре байта). Это сделано для того, чтобы реализовать в таблицах дополнительно циклический сдвиг на 11 позиций полученного в результате подстановки 32-битного слова (следующая операция алгоритма преобразования по ГОСТу). Пример реализации ГОСТа по данному методу показан в приложении 1 (на диске).

Информация блока подстановок является секретным компонентом криптофункции (как это сформулировано в ГОСТе, см. на рис. 2).

Размещение этих таблиц с ключами блока подстановок в ОП противоречит требованиям ГОСТа (п. 1.7), поскольку секретная информация становится доступной для сторонних программ, работающих на вычислительной установке. ФСБ, сертифицирующая в том числе и программные реализации шифрования по ГОСТу, на данное нарушение смотрит, мягко говоря, снисходительно. Если для размещения ключей в ОП ФСБ еще требует наличия «фигового листочка» - маскирования ключей операцией XOR, то для блоков замен в ОП ничего не требуется, они хранятся в открытом виде.

Короче говоря, ФСБ пропускает такие программные реализации криптопроцедуры, несмотря на явное снижение стойкости такого решения и прямое нарушение собственных требований по ГОСТу (п. 1.7). И это несмотря на общеизвестные методы взлома шифров через съем дампа памяти…

К вопросу хранения ключей и блоков замен во внутренних регистрах процессора мы вернемся чуть позже (есть красивое и быстрое решение), а пока только ключи шифрования мы будем хранить в ММХ-регистрах, это надежнее.

Но хватит лирики, важно в рамках рассматриваемой темы то, что этот программный код имеет производительность в 1 RTT-шку. Теперь напишем код с производительностью 2 RTT-шки.

Многопоточная реализация ГОСТ 28147-89

Единственной возможностью ускорить криптопроцедуры в известном алгоритме является введение многопоточности. Смысл такого изменения реализации алгоритма заключается в том, чтобы обсчитывать сразу несколько блоков данных параллельно.

Большинство программистов подразумевает под параллельной обработкой исключительно работу нескольких процессорных ядер, синхронизированных через прерывания и семафоры в памяти.

Однако существует и иной вариант параллельной обработки данных на одном- единственном ядре процессора. Поясню эту неочевидную мысль.

Современные процессоры имеют в своем составе как минимум два, а то и три-шесть арифметико-логических устройств. Эти АЛУ (FPU, блоки адресной арифметики и так далее) могут работать независимо друг от друга, единственным условием их параллельной работы является непересекающиеся программные объекты, которыми они оперируют. Другими словами, в командах, которые одновременно выполняют АЛУ, адреса памяти и номера регистров должны быть разными. Либо в общие регистры и адреса памяти, к которым обращаются различные исполнительные устройства процессора, не должно выполняться операций записи.

Загрузкой работой всех АЛУ управляет специальный аппаратный блок внутри процессорного ядра - планировщик, который просматривает исполняемый код форвардно, на глубину до 32–64 байт. Если планировщик обнаруживает команды, которые можно запускать на АЛУ без конфликтов, то он их запускает одновременно на разных исполнительных устройствах. При этом счетчик выполненных команд указывает на ту исполняемую команду (их в такой схеме несколько), после которой все команды уже выполнены.

Большинство программных последовательностей, генерируемых автоматически (компиляторами), не могут загрузить все АЛУ и FPU, находящиеся в ядре процессора. В этом случае оборудование процессора простаивает, что значительно снижает его результирующую производительность. Разработчики процессоров это понимают и вводят режимы увеличения частоты ядра, когда оборудование используется не полностью. Также для этого предназначены системы гипертрейдинга, и эту систему я буду использовать для «прессования» кода по максимуму в дальнейшем.

Компиляторы, даже самые оптимизированные, и тем более - движки виртуальных машин, не могут формировать оптимизированный код с точки зрения быстродействия. Только программист с инженерными знаниями может написать такой оптимизированный код, причем инструментом для его написания является исключительно ассемблер.

Характерной иллюстрацией возможности выполнения нескольких независимых программных потоков на одном ядре процессора служит реализация ГОСТа, выполняемая в два потока на единственном ядре процессора. Идея кода проста: имеется два блока данных для шифрации/дешифрации, но одно ядро процессора, которое будет выполнять преобразование. Можно выполнить для этих двух блоков данных преобразование последовательно, так и делается до настоящего времени. В этом случае время, требуемое на выполнение преобразований, удваивается.

Но можно поступить и иначе: чередовать команды, относящиеся к обработке разных блоков данных. Графически эти варианты представлены на рис. 3.

На рисунке верхний пример показывает обычный порядок выполнения обработки двух независимых блоков данных. Сначала обрабатывается первый блок, затем процессор переходит к обработке второго блока. Естественно, результирующее время равно удвоенному времени, которое необходимо для обработки одного блока, а исполнительные устройства ядра процессора загружены не полностью.

Далее показан пример с чередованием команд из разных потоков обработки. В этом случае команды, относящиеся к разным блокам данных, чередуются. Планировщик выбирает независимые друг от друга команды и передает их на выполнение в АЛУ1 и АЛУ2. Группировка команд первого и второго потока на этих АЛУ осуществляется автоматически, поскольку в алгоритм работы планировщика заложена группировка команд с зацеплением по общим данным на одном и том же исполнительном устройстве.

Чтобы такой программный код работал без простоев АЛУ, необходимо, чтобы каждый программный поток работал со своим набором регистров. Кеш в этой схеме становится узким местом (у него только два порта выдачи данных), поэтому ключи храним в MMX-регистрах. Поскольку в данном случае узлы замены (и сдвига) в памяти только читаются, то они могут быть общими для обоих программных потоков.

Это, конечно, очень упрощенное объяснение принципа параллельного выполнения программных потоков на единственном ядре, реально все гораздо сложнее. На практике нужно учитывать конвейерную архитектуру исполнительных устройств, ограничения на одновременный доступ в кеш и блок регистров РОН, наличие узлов адресной арифметики, коммутаторов и много еще чего… Так что это - тема для профессионалов, которых можно пересчитать по пальцам… одной руки.

Метод параллельного шифрования эффективно реализуется только для 64-битного режима работы процессора, поскольку в этом режиме имеется достаточное количество РОН (целых 16 штук!). Пример реализации ГОСТа по данному методу показан в приложении 2 (на диске).

Ясно, что данная реализация ГОСТа имеет производительность кода 2 RTT-шки. А теперь посмотрим, как это сказывается на времени выполнения.

Цикл шифрования для одного потока (приложение 1) составляет 352 такта, и за это время обсчитывается 8 байт данных, для двухпоточной реализации ГОСТа (приложение 2) требуется 416 тактов процессора, но при этом обсчитывается 16 байт. Таким образом, результирующая скорость преобразования повышается с 80 до 144 мегабайт для процессора частотой 3,6 ГГц.

Интересная получается картина: код содержит ровно в два раза больше команд, а выполняется всего на 15% дольше, но, думаю, читатели уже поняли причину этого феномена…

Теоретически код из второго примера должен выполняться за такое же количество тактов, что и код из первого примера, но узел планировщика разрабатывают хоть и инженеры фирмы Intel, но тоже люди, а мы все далеки от совершенства. Так что имеется возможность оценить эффективность их творения. Этот код будет работать и на процессоре AMD, и можно сравнить их результаты.

Если кто мне не верит на слово, то для таких неверующих на диске прилагаются тестовые программы с счетчиками тактов. Программы в исходных кодах, естественно на ассемблере, так что есть возможность проверить мои слова, а заодно и подсмотреть некоторые хитрости профессионального кодинга.

Использование SSE-регистров и AVX-команд современных процессоров для реализации ГОСТ 28147-89

Современные процессоры архитектуры х86/64 имеют в своем составе набор регистров SSE размером 16 байт и специализированные FPU (как минимум два) для выполнения различных операций над этими регистрами. Возможна реализация ГОСТа на этом оборудовании, причем в этом случае узлы замены можно размещать не в виде таблиц в оперативной памяти, а непосредственно на выделенных SSE-регистрах.

На одном SSE-регистре можно разместить сразу две таблицы из 16 строк. Таким образом, четыре SSE-регистра позволят полностью разместить все таблицы замен. Единственным условием такого размещения является требование чередования, согласно которому тетрады одного байта должны помещаться в разные SSE-регистры. Кроме этого, целесообразно размещать младшие и старшие тетрады входных байтов соответственно в младших и старших тетрадах байтов SSE-регистров.

Эти требования обуславливаются оптимизацией под имеющийся набор AVX-команд. Таким образом, каждый байт SSE-регистра будет содержать две тетрады, относящиеся к разным байтам входного регистра блока подстановок, при этом позиция байта на SSE-регистре однозначно соответствует индексу в таблице замены блока подстановки.

Схема одного из возможных размещений узлов замены на SSE-регистрах показана на рис. 4.

Размещение секретной информации узлов замен на SSE-регистрах повышает защищенность криптопроцедуры, но полная изоляция этой секретной информации возможна при соблюдении следующих условий:

• Ядро процессора переведено в режим хоста гипервизора, и в нем принудительно отключен блок прерываний (APIC). В этом случае ядро процессора полностью изолировано от ОС и приложений, функционирующих на вычислительной установке.
• Загрузка SSE-регистров и изоляция вычислительного ядра производится до начала старта ОС, оптимальным является выполнение этих процедур с модуля доверенной загрузки (МДЗ).
• Программы криптопроцедур по ГОСТу размещаются в немодифицируемой области памяти вычислительной установки (либо БИОС, либо в флеш-памяти МДЗ).

Выполнение этих требований позволит гарантировать полную изоляцию и неизменность программного кода криптопроцедур и используемой в них секретной информации.

Для эффективной выборки из SSE-регистров тетрад используются имеющиеся в составе блоков FPU многовходовые байтовые коммутаторы. Эти коммутаторы позволяют осуществлять пересылки из любого байта источника в любой байт приемника, по индексам, находящимся в специальном индексном SSE-регистре. Причем параллельно выполняется пересылка для всех 16 байт SSE-регистра-приемника.

Имея узлы хранения подстановок на SSE-регистрах и многовходовый коммутатор в блоках FPU, можно организовать следующее преобразование в блоке подстановок (рис. 5).

В этой схеме входной регистр в каждой тетраде задает адрес для соответствующего коммутатора, который по шине данных передает из накопителей узлов замены информацию в выходной регистр. Такую схему можно организовать тремя способами:

• Создать соответствующий дизайн чипа, но это для нас фантастика.
• Перепрограммировать микрокод и создать собственную процессорную команду для реализации этой функции на существующих процессорах - это уже не фантастика, но, к сожалению, нереально в нынешних условиях.
• Написать программу на официальных командах AVX. Вариант пускай и не очень эффективный, но зато осуществим «здесь и сейчас». Так что этим и займемся далее.

Работой коммутаторов управляет специальная трехадресная команда AVX VPSHUFB. Ее первый операнд является приемником информации из коммутаторов, второй - источником, к которому подключены входы коммутаторов. Третий операнд является управляющим регистром для коммутаторов, каждый байт которого ассоциирован с соответствующим коммутатором; значение в нем задает номер направления, с которого коммутатор считывает информацию. Описание этой команды из официальной документации Intel см. на рис. 5. На рис. 6 приведена схема работы этой команды - изображена только половина SSE-регистров, для второй половины все аналогично.

Коммутатор использует только младшие четыре бита для определения направления коммутации, последний бит в каждом байте используется для принудительного обнуления соответствующего байта приемника, но эта функция коммутатора в нашем случае пока не востребована.

Программа с выборкой тетрад через коммутаторы FPU была написана, но я даже не стал помещать ее в приложение - слишком убого. Иметь регистр размером 128 бит и использовать в нем только 32 бита - непрофессионально.

Как говорится, «Наш финиш - горизонт», поэтому выжимать так выжимать... будем прессовать и складывать в пакеты!

Это не игра слов, а суровая FPUшная реальность - регистры SSE можно разбивать на равные части и выполнять над этими частями одинаковые преобразования одной командой. Для того чтобы процессор это понял, имеется магическая буковка «Р» - пакет, которая ставится перед мнемоникой команды, и не менее магические буковки «Q», «D», «W», «B», которые ставятся в конце и объявляют, на какие части разбиты в этой команде регистры SSE.

Нас интересует пакетный режим с разбивкой SSE-регистра на четыре 32-битных блока; соответственно, все команды будут иметь префикс «P», а в конце - символ «D». Это дает возможность одной процессорной командой параллельно обрабатывать сразу четыре блока по 32 бита, то есть в параллель рассчитывать четыре блока данных.

Программа, реализующая этот метод, имеется в приложении 3, там же - все пояснения.

Впрочем, прессовать так прессовать! В современных процессорах имеется как минимум два блока FPU, и для их полной загрузки можно использовать два потока независимых команд. Если грамотно чередовать команды из независимых потоков, то можно загрузить работой оба блока FPU полностью и получить сразу восемь параллельно обрабатываемых потоков данных. Такая программка была написана, и ее можно посмотреть в приложении 4, только смотреть нужно осторожно - можно слететь с катушек. Это, что называется, «код не для всех...».

Цена вопроса

Использование SSE-регистров для хранения узлов замены понятно - оно дает некую гарантию изоляции секретной информации, а вот смысл расчета самой криптофункции на FPU неочевиден. Поэтому были проведены замеры времени выполнения стандартных процедур по методу прямой замены в соответствии с ГОСТом для четырех и для восьми потоков.

Для четырех потоков была получена скорость выполнения 472 процессорных такта. Таким образом, для процессора с частотой 3,6 ГГц один поток считается со скоростью 59 мегабайт в секунду, а четыре потока соответственно со скоростью 236 мегабайт в секунду.

Для восьми потоков была получена скорость выполнения 580 процессорных тактов. Таким образом, для процессора с частотой 3,6 ГГц один поток считается со скоростью 49 мегабайт в секунду, а восемь потоков со скоростью 392 мегабайта в секунду.

Как может заметить читатель, код в примере № 3 имеет производительность 4 RTT, а код в примере № 4 имеет производительность 8 RTT. В этих примерах на SSE-регистрах закономерности те же, что и при использовании РОН, только планировщик снизил свою эффективность. Сейчас он обеспечивает 20%-е увеличение длительности при двукратном увеличении длины кода.

Причем эти результаты были получены с использованием универсальных AVX-команд, имеющихся как в процессорах Intel, так и в процессорах AMD. Если выполнить оптимизацию под процессор AMD, результат будет значительно лучше. Звучит поперек тренда, но тем не менее это правда, и вот почему: процессоры AMD имеют дополнительный набор команд, так называемое XOP-расширение, и в этом дополнительном наборе команд есть такие, которые значительно упрощают реализацию алгоритма ГОСТа.

Имеются в виду команды логического пакетного сдвига байтов и пакетного циклического сдвига двойных слов. В примерах, приведенных в приложениях 3 и 4, используются последовательности универсальных команд, реализующих необходимое преобразование: в первом случае одна «лишняя» команда, а в другом случае сразу четыре лишних команды. Так что резервы оптимизации есть, и немалые.

Если речь зашла о дальнейшей оптимизации, нелишне помнить о наличии 256-битных регистров (YMM-регистры), используя которые можно теоретически еще удвоить скорость вычислений. Но пока это только перспектива, на данный момент процессоры очень сильно замедляются, когда выполняют 256-битные инструкции (FPU имеют ширину тракта 128 бит). Эксперименты показали, что на современных процессорах счет в 16 потоков на YMM-регистрах выигрыша не дает. Но это только пока, на новых моделях процессоров, несомненно, будет увеличено быстродействие 256-битных команд, и тогда использование 16 параллельных потоков станет целесообразно и приведет к еще большему увеличению скорости работы криптопроцедуры.

Теоретически можно рассчитывать на скорость 600–700 мегабайт в секунду при наличии в процессоре двух FPU с шириной рабочего тракта 256 бит каждый. В этом случае можно говорить о написании кода с эффективностью 16 RTT, и это не фантастика, а ближайшая перспектива.

Смешанный режим

Опять встает вопрос количества регистров, их не хватает, чтобы раскрутить такой алгоритм. Но нам поможет режим гипертрейдинга. У процессорного ядра имеется второй набор регистров, доступных в режиме логических процессоров. Поэтому будем выполнять один и тот же код сразу на двух логических процессорах. В этом режиме исполнительных устройств у нас, конечно, не прибавится, но за счет чередования можно получить полную загрузку всех исполнительных устройств.

Рассчитывать на прибавку в 50% здесь не приходится, узким местом становится кеш-память, где хранятся технологические маски, но прибавку в 100 дополнительных мегабайт все же получить можно. Этот вариант не приведен в приложениях (макросы аналогичны используемым в коде на 8 RTT), но он имеется в программных файлах. Так что если кто не верит в возможность шифрования со скоростью 500 мегабайт в секунду на одном процессорном ядре, пусть запустит тестовые файлы. Там же есть и тексты с комментариями, чтобы никто не подумал, что я лукавлю.

Такой фокус возможен только на процессорах Intel, у AMD только два блока FPU на два процессорных модуля (аналог режима гипертрейдинг). Но зато имеется еще четыре АЛУ, которые грех не использовать.

Можно загнать процессорные модули «Бульдозера» в режим, аналогичный режиму гипертрейдинга, но запускать на разных модулях в одном потоке преобразование на РОН, а в другом потоке на SSE-регистрах и получить те же 12 RTT. Этот вариант я не проверял, но, думаю, на AMD код в 12 RTT будет работать более эффективно. Желающие могут попробовать, тестовые программы можно подкорректировать для работы на «Бульдозерах» достаточно легко.

Кому это нужно?

Серьезный вопрос, но с простым ответом - это нужно всем. Скоро все мы подсядем на облака, будем там хранить и данные и программы, а там ой как хочется обустроить свой собственный, приватный уголок. Для этого придется шифровать трафик, и скорость криптопреобразования будет главным определяющим фактором комфортной работы в облаке. Выбор алгоритма шифрования у нас невелик - либо ГОСТ, либо AES.

Причем, как это ни странно, встроенное в процессоры шифрование по AES-алгоритму оказывается значительно медленнее, тесты показывают скорость на уровне 100–150 мегабайт в секунду, и это при аппаратной реализации алгоритма! Проблема заключается в однопоточном счете и блоке замен, который оперирует байтами (таблица из 256 строк). Так что ГОСТ оказывается эффективнее в реализации на архитектуре х86/64, кто бы мог подумать…

Это если говорить о достигнутом уровне скорости шифрования. А если иметь в виду теоретические изыски в области повышения эффективности кода, то скорее всего это никому не нужно. Специалистов уровня 3–6 RTT практически нет, компиляторы вообще генерят код на уровне 1–2,5 RTT, а основная масса программистов не знает ассемблера, а если и знает его правописание, то не понимает устройства современного процессора. А без этих знаний что ассемблер, что какой-нибудь там СИ-шарп - без разницы.

Но не все так печально: в «сухом остатке» после недели бессонных ночей имеется новый алгоритм реализации ГОСТа, который грех не запатентовать. И заявки на патенты (целых три) уже оформлены и поданы, так что, господа коммерсанты, выстраивайтесь в очередь - женщинам и детям скидка.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 и шифр «Магма» (ГОСТ Р 34.12-2015)

Общая схема алгоритма. Алгоритм, описанный ГОСТ 28147-89 «Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования», является отечественным стандартом симметричного шифрования (до 1 января 2016 г.) и обязателен для реализации в сертифицированных средствах криптографической защиты информации, применяемых в государственных информационных системах и, в некоторых случаях, в коммерческих системах. Сертификация средств криптографической защиты информации требуется для защиты сведений, составляющих государственную тайну РФ, и сведений, конфиденциальность которых требуется обеспечить согласно действующему законодательству. Также в Российской Федерации применение алгоритма ГОСТ 28147-89 рекомендовано для защиты банковских информационных систем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 (рис. 2.21) базируется на схеме Фейстеля и шифрует информацию блоками по 64 бит, которые разбиваются на два подблока по 32 бита (I, и R). Подблок R, обрабатывается функцией раундового преобразования, после чего его значение складывается со значением подблока Lj, затем подблоки меняются местами. Алгоритм имеет 16 или 32 раунда в зависимости от режима шифрования (вычисление имитовставки или другие режимы шифрования).

Рис. 2.21.

В каждом раунде алгоритма выполняются следующие преобразования.

1. Наложение ключа. Содержание подблока R i складывается по модулю 2 32 с ключом раунда К. Kj - это 32-битовая часть исходного ключа, используемая в качестве раундового. Алгоритм ГОСТ 28147-89 нс использует процедуру расширения ключа, исходный 256-битный ключ шифрования представляется в виде конкатенации (сцепления) восьми 32-битовых подключей (рис. 2.22): К 0 , К { , К т К, К А, К 5 , К 6 , К 7 .

В процессе шифрования используется один из этих подключей К

С 1-го по 24-й раунд - в прямой последовательности:

С 25-го но 32-й раунд - в обратной последовательности:

Рис. 2.22. Строение ключа шифрования алгоритма ГОСТ 28147-89

2. Табличная замена. После наложения ключа подблок R i разбивается на восемь частей но 4 бита, значение каждой из которых по отдельности заменяется в соответствии со своей таблицей замены (S-блоком). Всего используется восемь S-блоков - S 0 , S, S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 , S 7 . Каждый S-блок алгоритма ГОСТ 28147-89 представляет собой вектор (одномерный массив) с ^элементами, пронумерованными от 0 до 15. Значениями S-блока являются 4-битовые числа, т.е. целые числа от 0 до 15.

Из таблицы S-блока берется элемент, порядковый номер которого совпадает со значением, пришедшим на вход подстановки.

Пример 2.6.

Пусть имеется S-блок следующего вида:

Пусть на вход этого S-блока подано значение 0100 2 = 4. Выходом S-блока будет 4-й элемент таблицы замен, т.е. 15 = 1111 2 (нумерация элементов начинается с нуля).

лиц замен не определены стандартом, как это сделано, например, в шифре DES. Сменные значения таблиц замен существенно затрудняют криптоанализ алгоритма. В то же время стойкость алгоритма существенно зависит от их правильного выбора.

К сожалению, алгоритм ГОСТ 28147-89 имеет «слабые» таблицы замен, при использовании которых алгоритм может быть достаточно легко раскрыт криптоаналитическими методами. К числу «слабых» относится, например, тривиальная таблица замен, в которой вход равен выходу (табл. 2.16).

Таблица 2.16

Пример слабого S-блока

Считается, что конкретные значения таблиц замен должны храниться в секрете и являются долговременным ключевым элементом, т.е. действуют в течение гораздо более длительного срока, чем отдельные ключи. Однако секретные значения таблиц замен не являются частью ключа и не могут увеличить его эффективную длину.

Действительно, секретные таблицы замен могут быть вычислены с помощью следующей атаки, которую возможно применять на практике:

• устанавливается нулевой ключ и выполняется поиск «нулевого вектора», т.е. значения z = F( 0), где F - функция раундового преобразования алгоритма. Это требует порядка 2 32 тестовых операций шифрования;
• с помощью нулевого вектора вычисляются значения таблиц замен, что занимает не более 2 11 операций.

Однако даже при нарушении конфиденциальности таблиц замен стойкость шифра остается чрезвычайно высокой и не становится ниже допустимого предела.

Предполагается также, что таблицы замен являются общими для всех узлов шифрования в рамках одной системы криптографической защиты.

Совершенствование структуры S-блоков является одной из наиболее интенсивно исследуемых проблем в области симметричных блочных шифров. По сути, требуется, чтобы любые изменения входов S-блоков выливались в случайные на вид изменения выходных данных. С одной стороны, чем больше S-блоки, тем более устойчив алгоритм к методам линейного и дифференциального криптоанализа. С другой стороны, большую таблицу замен сложнее проектировать.

В современных алгоритмах S-блоки обычно представляют собой вектор (одномерный массив), содержащий 2" т- битовых элементов. Вход блока определяет номер элемента, значение которого служит выходом S-блока.

Для проектирования S-блоков был выдвинут целый ряд критериев. Таблица замен должна удовлетворять:

• строгому лавинному критерию;
• критерию независимости битов;
• требованию нелинейности от входных значений.

Для выполнения последнего требования было предложено задавать линейную комбинацию i битов (i = 1, ..., т) значений таблицы замен бентфункциями (англ, bent - отклоняющийся, в данном случае - от линейных функций). Бент-функции образуют специальный класс булевых функций, характеризующихся высшим классом нелинейности и соответствием строгому лавинному критерию.

В некоторых работах для S-блоков предлагается проверка выполнения гарантированного лавинного эффекта порядка у - при изменении одного входного бита меняется, по крайней мере, у выходных бит S-блока. Свойство гарантированного лавинного эффекта порядка у от 2 до 5 обеспечивает достаточно хорошие диффузионные характеристики S-блоков для любого алгоритма шифрования.

При проектировании достаточно больших таблиц замен могут быть использованы следующие подходы:

• случайный выбор (для S-блоков небольшого размера может привести к созданию слабых таблиц замен);
• случайный выбор с последующей проверкой на соответствие различным критериям и отбраковкой слабых S-блоков;
• ручной выбор (для S-блоков больших размеров слишком трудоемок);
• математический подход, например генерация с использованием бент- функций (этот подход применен в алгоритме CAST).

Можно предложить следующий порядок проектирования отдельных S- блоков алгоритма ГОСТ 28147-89:

• каждый S-блок может быть описан четверкой логических функций, каждая из функций должна иметь 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 значения;
• отдельные функции, даже используемые в разных таблицах замен, должны различаться между собой в достаточной степени.

В 2011 г. предложена новая атака «рефлексивная встреча посередине», незначительно снижающая стойкость ГОСТ 28147-89 (с 2256 до 2225) . Лучший результата криптоанализа алгоритма по состоянию на 2012 г. позволяет снизить его стойкость до 2 192 , требуя относительно большого размера шифротекста и объема предварительно сформированных данных . Несмотря на предложенные атаки, на современном уровне развития вычислительной техники ГОСТ 28147-89 сохраняет практическую стойкость.

Шифр «Магма» (ГОСТ Р 34.12-2015). Стандарт ГОСТ 28147-89 действовал в России более 25 лет. За это время он показал достаточную стойкость и хорошую эффективность программных и аппаратных реализаций, в том числе и на низкоресурсных устройствах. Хотя и были предложены криптоаналитические атаки, снижающие оценки его стойкости (лучшая - до 2 192), они далеки от возможности практической реализации. Поэтому было принято решение о включении алгоритма ГОСТ 28147-89 во вновь разрабатываемый стандарт симметричного шифрования.

В шопе 2015 г. приняты два новых национальных криптографических стандарта: ГОСТ Р 34.12-2015 «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры» и ГОСТ Р 34.13-2015 «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Режимы работы блочных шифров», которые вступают в действие с 1 января 2016 г.

Стандарт ГОСТ Р 34.12-2015 содержит описание двух блочных шифров с длиной блока 128 и 64 бит. Шифр ГОСТ 28147-89 с зафиксированными блоками нелинейной подстановки включен в новый ГОСТ Р 34.12-2015 в качестве 64-битового шифра под названием «Магма» («Magma»).

Ниже приведены закрепленные в стандарте блоки замен:

Приведенный в стандарте набор S-блоков обеспечивает наилучшие характеристики, определяющие стойкость криптоалгоритма к дифференциальному и линейному криптоанализу.

По мнению технического комитета по стандартизации «Криптографическая защита информации» (ТК 26), фиксация блоков нелинейной подстановки сделает алгоритм ГОСТ 28147-89 более унифицированным и поможет исключить использование «слабых» блоков нелинейной подстановки. Кроме того, фиксация в стандарте всех долговременных параметров шифра отвечает принятой международной практике. Новый стандарт ГОСТ Р 34.12-2015 терминологически и концептуально связан с международными стандартами ИСО/МЭК 10116 «Информационные технологии. Методы обеспечения безопасности. Режимы работы для «-битовых блочных шифров» (ISO/IEC 10116:2006 Information technology - Security techniques - Modes of operation for an n-bit block cipher) и серии ИСО/МЭК 18033 «Информационные технологии. Методы и средства обеспечения безопасности. Алгоритмы шифрования»: ИСО/МЭК 18033-1:2005 «Часть 1. Общие положения» (ISO/IEC 18033-1:2005 Information technology - Security techniques - Encryption algorithms - Part 1: General) и ИСО/МЭК 18033-3:2010 «Часть 3. Блочные шифры» (ISO/IEC 18033-3:2010 (Information technology - Security techniques - Encryption algorithms - Part 3: Block ciphers)).

В стандарт ГОСТ P 34.12-2015 включен также новый блочный шифр («Кузнечик») с размером блока 128 бит. Ожидается, что этот шифр будет устойчив ко всем известным на сегодняшний день атакам на блочные шифры.

Режимы работы блочных шифров (простой замены, гаммирования, гам- мирования с обратной связью по выходу, гаммирования с обратной связью по шифротексту, простой замены с зацеплением и выработки имитовстав- ки) выведены в отдельный стандарт ГОСТ Р 34.13-2015, что соответствует принятой международной практике. Эти режимы применимы как к шифру «Магма», так и к новому шифру «Кузнечик».

• Осуществляется побитовый циклический сдвиг влево на 11 битов. Расшифрование осуществляется по этой же схеме, но с другим расписаниемиспользования ключей: с 1-го по 8-й раунд расшифровки - в прямом порядке: с 9-го по 32-й раунд расшифровки - в обратном порядке: По сравнению с шифром DES у ГОСТ 28147-89 есть следующие достоинства: существенно более длинный ключ (256 бит против 56 у шифра DES),атака на который путем полного перебора ключевого множества на данныймомент представляется невыполнимой; простое расписание использования ключа, что упрощает реализациюалгоритма и повышает скорость вычислений. Проектирование S-блоков ГОСТ 28147-89. Очевидно, что схема алгоритма ГОСТ 28147-89 весьма проста. Это означает, что наибольшая нагрузка по шифрованию ложится именно на таблицы замен. Значения таб-
• Панасепко С. П. Алгоритмы шифрования: специальный справочник. СПб.: БХВ-Петер-бург, 2009.
• Kara О. Reflection Attacks on Product Ciphers. URL: http://eprint.iacr.org/2007/043.pdf
• Российский стандарт шифрования: стойкость снижена. URL: http://cryptofaq.ru/index.php/2010-12-23-18-20-21/2010-12-23-18-22-09/90-2011-02-01-07-47-27
• Ачексеев Е. К., Смышляев С. В. ГОСТ 28147-89: «Не спеши его хоронить».

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.

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