Описание функций и особенности реализации.

С учетом изложенных выше принципов созданы две реализации ГОСТа для процессоров семейства Intel x86, близкие по быстродействию к возможному оптимуму – соответственно для 16-и и 32-х битовых процессоров. Код для 32-разрядных процессоров примерно в полтора раза быстрее соответствующего кода для 16-разрядных процессоров. Ядром является подпрограмма, реализующая универсальный базовый цикл ГОСТа. Исходные тексты всех подпрограмм приведены в качестве приложений к настоящей статье в отдельных файлах, они перечислены в следующей ниже таблице 1. Все функции являются самодокументированными, каждая описана в соответствующем файле с ее исходным текстом.

Таблица 1. Перечень файлов.
№	Функция модуля	Имя файла исх.текста
		16 бит	32 бита
1.	Универсальный базовый цикл ГОСТа	gost.asm	gost~.asm
2.	Функция за- и расшифрования данных в режиме простой замены	simple.asm	simple~.asm
3.	Функция за- и расшифрования данных в режиме гаммирования	gamma.asm	gamma~.asm
4.	Функция зашифрования данных в режиме гаммирования с обратной связью	gammale.asm	gammale~.asm
5.	Функция расшифрования данных в режиме гаммирования с обратной связью	gammald.asm	gammald~.asm
6.	Функция вычисления имитовставки для массива данных	imito.asm	imito~.asm
7.	Функция построения расширенного ключа	expkey.asm	expkey~.asm
8.	Функция построения расширенной (1Кбайт) формы таблицы замен из обычной формы (128 байт)	expcht.asm
9.	Функция проверки, является ли процессор, на котором исполняется приложение, 32-битовым.	—	ge386cpu.asm
10.	Заголовочный файл для использования криптографи­ческих функций в программах на языке Си	gost.h

Комплект модулей включает функции для основных режимов шифрования, а также две вспомогательные функции, предназначенные для построения расширенных соответственно ключа и таблицы замен. Ниже изложены принципы построения программных модулей.

1. Все функции шифрования и вычисления имитовставки обрабатывают (т.е. шифруют или вычисляют имитовставку) области с размером, кратным восьми. Длина обрабатываемой области при вызове упомянутых функций задается в восьмибайтных блоках. В реальных ситуациях это не приводит к неудобству по следующим причинам:

· при шифровании простой заменой размер шифруемой области обязан быть кратным восьми байтам;

· при шифровании гаммированием (с или без обратной связи) массива данных с размером, не кратным восьми, будет также шифроваться и «мусор», содержащийся в последнем восьмибайтовом блоке за пределами значащих данных, однако его содержимое не оказывает никакого влияния на значащие данные и может не приниматься во внимание;

· при вычислении имитовставки для массивов данных их размер должен быть приведен к значению, кратному восьми, добавлением какого-либо фиксированного кода (обычно нулевых битов).

2. Криптографические функции шифрования и вычисления имитовставки позволяют выполнять обработку массивов данных по частям. Это означает, что при вызове соответствующей функции один раз для некоторой области данных и при нескольких вызовах этой же самой функции для последовательных фрагментов этой же области (естественно их размер должен быть кратным восьми байтам, см. предыдущее замечание) будет получен один и тот же результат. Это позволяет обрабатывать данные порциями, используя буфер размером всего 8 байтов.

3. Для за- и расшифрования массива данных в режиме простой замены используется одна и та же функция. Выбор одной из двух указанных операций осуществляется заданием соответствующего расширенного ключа. Порядок следования элементов ключа должен быть взаимно обратным для указанных операций.

4. Для за- и расшифрования блока данных в режиме гаммирования используется одна и та же функция, поскольку в данном режиме зашифрование и расшифрование данных идентичны. Функция, реализующая шифрование гаммированием не осуществляет начальное преобразование синхропосылки (см. схему алгоритма на рис.5, блок 1), это необходимо выполнить с помощью явного вызова функции шифрования в режиме простой замены для синхропосылки, – это плата за возможность шифровать массив по частям.

5. Ради универсальности кода все указатели на области обрабатываемых данных сделаны дальними. Если сделать свой код для каждой модели памяти, возможно, будет достигнута некоторая ненулевая (но очень маленькая!) экономия памяти и времени выполнения, но по моему мнению, эта игра не стоит свеч.

6. Для ассемблирования (компиляции) и сборки приложенных модулей мной использовались средства разработки фирмы Borland – TASM 2.5 и выше, Borland C/C++ 2.0 и выше. При использовании других средств разработки возможно потребуется внесение изменений в исходные тексты программ.

Для иллюстрации использования представленных криптографических функций к настоящей статье приложены также текст программы шифрования файлов данных на языке Си и соответствующие файлы проекта. Эти файлы следующие:

* cryptor.c Исходные тексты программы шифрования файлов;

* gost.mak Файл проекта для 16-разрядной версии программы шифрования файлов;

* gost386.mak Файл проекта для 32-разрядной версии программы шифрования файлов.

Описание построения и синтаксиса вызова (командной строки) программы шифрования файлов также прилагается к настоящей статье.

Вопрос быстродействия.

После разработки новой программной реализации было измерено ее быстро­действие, для чего был разработан комплект простых модулей, предназначенных для построения измерительной задачи. Эта задача фиксирует и выводит на дисплей время (в тактах генератора тактовой частоты таймера, 1193180 Герц), затраченное тестируемой подпрограммой на выполнение. По измеренному времени работы подпрограммы затем вычисляется (вручную) ее быстродействие как отношение количества работы ко времени ее выполнения.

Максимальная измеряемая программой длительность процесса равна 2³²/1193180»3599.6 секунд, то есть примерно одному часу. Программа работает корректно и дает правильные результаты, только если запущена из ДОСа.

Для модулей ГОСТа измерялась длительность шифрования одного Мегабайта данных, которое моделировалось 32-кратным шифрованием 32-Килобайтной области памяти. Измерения проводились на машинах различных классов, результаты измерения приведены ниже в таблице 2. Для 32-битовых процессоров также приведено быстродействие 32-битовых реализаций криптографических модулей (нижнее число в соответствующей ячейке). Для сравнения также приведены измерения быстродействия реализации американского стандарта шифрования DES, опубликованной в журнале «Монитор» №7/1994. Результаты тестов показали, что быстродействие модулей для всех режимов шифрования ГОСТа примерно одинаково, а быстродействие модуля вычисления имитовставки приблизительно вдвое превышает быстродействие шифрования – что, собственно, и ожидалось. Реализация шифрования по ГОСТ существенно (более чем в два раза) превышает исследованную реализацию DES по быстродействию.

Таблица 2. Результаты измерения быстродействия модулей шифрования
Марка компьютера,	т.ч.,	Быстродействие криптографических модулей
тип процессора	МГц	gamma	gammaLD	gammaLE	simple	imito	DES
Искра 1031, К1810ВМ88	4.52	8.4	8.6	8.7	8.7	16.9	нет данных
AMI 286 Intel 80286		20.4	20.7	20.8	20.8	40.8	11.2
Prolinea 325 Intel 386SX-25		48.0 66.0	48.6 71.1	48.8 67.4	48.0 71.5	93.7	22.0
Неизв.модель Intel 386SX-33		63.8 87.6	64.5 94.5	64.7 89.5	63.8 95.0		25.9
BYTEX Intel 386DX-40							39.3
Acer Intel486SX33							41.2
Presario 460 Intel486SX2-66							82.2
Acer Pentium-66							88.7

Теперь оценим достигнутые показатели с качественной точки зрения. Предельные скорости шифрования намного превышают скорость работы платы аппаратного шифрования «Криптон–3» (до 70 Кбайт/с) и примерно соответствуют быстродействию платы «Криптон–4» (около 400 Кбайт/с). Достигнутой производительности не достаточно для действительно прозрачного шифрования данных, хранимых на жестких дисках или передаваемых через быструю сеть. Вместе с тем, быстродействия реализации вполне хватает для шифрования данных в коммутируемых каналах связи и для многих других случаев.

Можно ли еще увеличить быстродействие реализации ГОСТа? Можно, но ненамного, если оставаться в рамках формальной спецификации ГОСТа. Для этого необходимо отказаться от цикла в подпрограмме «gost», продублировав тело цикла 32 раза, как это сделал автор программного эмулятора платы «Криптон». При этом можно не разворачивать ключ в линейную последовательность элементов, но тогда для каждого базового цикла криптографического преобразования придется сделать свой программный модуль и код основного шага будет присутствовать в кодах криптографических процедур в 32+32+16=80 экземплярах. Такой способ повышения эффективности приводит к многократному разбуханию кода при более чем скромном выигрыше в производительно­сти, поэтому вряд ли его можно считать хорошим.

Вопросы использования стандарта.

Надежность реализации.

Вопрос надежности программного средства криптографической защиты это не только вопрос стойкости использованного алгоритма. Использование стойкого шифра само по себе не может сделать вашу систему надежной, хотя и является необходимым условием. Весьма важную роль играет и способ применения криптографического алгоритма. Так, в приложенной к настоящей статье программе шифрования файлов, хранение ключевой информации на дисках в открытом виде делает систему, которая была бы реализована на этой программе, потенциально нестойкой. Процедуры и правила более высокого уровня, регламентирующие использование алгоритмов шифрования и все связанное с этим, в совокупности составляют так называемый криптографический протокол. Этот протокол определяет регламент выработки, использования, хранения и смены ключевой информации, и другие, не менее важные вопросы. Так вот, чтобы ваша система, использующая реализацию алгоритмов ГОСТа, была действительно надежна, вам необходимо будет позаботиться о разработке соответствующего протокола.

Вариации на тему ГОСТа.

Очень часто для использования в системе криптографической защиты данных требуется алгоритм с большим, чем у ГОСТа быстродействием реализации, и при этом не требуется такая же высокая как у ГОСТа криптостойкость. Типичным примером подобных задач являются различного рода биржевые торговые системы, управляющие торговыми сессиями в реальном времени. Здесь от использованных алгоритмов шифрования требуется, чтобы было невозможно расшифровать оперативные данные системы в течение сессии (данные о выставленных заявках, о заключенных сделках и т.п.), по ее истечении же эти данные, как правило, уже бесполезны для злоумышленников. Другими словами, требуется гарантированная стойкость всего на несколько часов (такова типичная продолжительность торговой сессии). Ясно, что использование полновесного ГОСТа в этой ситуации было бы стрельбой из пушки по воробьям.

К счастью, из этой ситуации есть достаточно легкий выход – использовать модификацию алгоритма ГОСТ с меньшим количеством основных шагов в базовых циклах. Этого можно достигнуть двумя путями – уменьшением длины ключа и уменьшением числа циклов использования элементов ключа – вспомните, что число основных шагов в базовых циклах шифрования равно N=n·m, где n – число 32-битных элементов в ключе, m – число циклов использования ключевых элементов, в стандарте n =8, m =4. Во сколько раз уменьшается число основных шагов в циклах, примерно во столько же раз увеличивается быстродействие кода.

К несчастью, нет никаких сведений о том, как изменяется криптостойкость подобного ослабленного варианта ГОСТа. Что касается криптоанализа по статистической линии (перебор всех возможных значений ключа), то здесь все достаточно ясно, так как эта величина определяется только размером ключа. Гораздо труднее предсказать, насколько менее сложным станет криптоанализ по алгоритмической линии (анализ уравнений преобразования данных при их шифровании).

При выборе размера «редуцированного цикла» надо принимать во внимание, что ГОСТ проектировался с учетом возможного прогресса вычислительной техники на несколько десятилетий вперед и в нем заложен огромный запас криптостойкости. По моему мнению (глубоко личному), в большинстве практических случаев представляется разумным использование редуцированных вариантов ГОСТа без изменения схемы использования ключа (m =4=3+1), но с уменьшенным вчетверо размером ключа (n =2) – это позволит увеличить скорость шифрования примерно вчетверо. По стойкости к статистическим методам криптоанализа данная модификация с ее 64-битным ключом будет надежнее, чем DES с размером ключа в 56 бит.

Функции криптопреобразования, прилагающиеся к настоящей статье, допускают подобное использование, поскольку длина развернутого ключа передается в качестве параметра в каждую из подпрограмм криптографического преобразования, а подпрограмма «расширения» ключа позволяет работать с произвольной длиной ключа и схемой расширения ключа.