Структурная схема алгоритма криптографического преобразования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ. ЗАЩИТА КРИПТОГРАФИЧЕСКАЯ

Алгоритм криптографического преобразования

 

 

ОКП 40 4000

Дата введения 1990-07-01

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

 

1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 02.06.89 N 1409

 

2. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

 

3. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

 

Обозначение НТД, на который дана ссылка	Номер пункта
ГОСТ 15971-90	Приложение 1
ГОСТ 17657-79	Приложение 1
ГОСТ 19781-90	Приложение 1

 

 

4. ПЕРЕИЗДАНИЕ, апрель 1996 г.

 

 

Настоящий стандарт устанавливает единый алгоритм криптографического преобразования для систем обработки информации в сетях электронных вычислительных машин (ЭВМ), отдельных вычислительных комплексах и ЭВМ, который определяет правила шифрования данных и выработки имитовставки.

 

Алгоритм криптографического преобразования предназначен для аппаратной или программной реализации, удовлетворяет криптографическим требованиям и по своим возможностям не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации.

 

Стандарт обязателен для организаций, предприятий и учреждений, применяющих криптографическую защиту данных, хранимых и передаваемых в сетях ЭВМ, в отдельных вычислительных комплексах или в ЭВМ.

 

Термины, применяемые в настоящем стандарте, и их определения приведены в приложении 1.

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЛГОРИТМА КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

 

1.1. Структурная схема алгоритма криптографического преобразования (криптосхема) содержит (см. черт.1):

 

 

Черт.1

 

 

ключевое запоминающее устройство (КЗУ) на 256 бит, состоящее из восьми 32-разрядных накопителей ( , , , , , , , );

 

четыре 32-разрядных накопителя ( , , , );

 

два 32-разрядных накопителя ( , ) с записанными в них постоянными заполнениями , ;

 

два 32-разрядных сумматора по модулю 2 ( , );

 

32-разрядный сумматор поразрядного суммирования по модулю 2 ( );

 

32-разрядный сумматор по модулю (2 -1) ( );

 

сумматор по модулю 2( ), ограничение на разрядность сумматора не накладывается;

 

блок подстановки ( );

 

регистр циклического сдвига на одиннадцать шагов в сторону старшего разряда ( ).

 

1.2. Блок подстановки состоит из восьми узлов замены , , , , , , , с памятью на 64 бита каждый. Поступающий на блок подстановки 32-разрядный вектор разбивается на восемь последовательно идущих 4-разрядных векторов, каждый из которых преобразуется в 4-разрядный вектор соответствующим узлом замены, представляющим собой таблицу из шестнадцати строк, содержащих по четыре бита заполнения в строке. Входной вектор определяет адрес строки в таблице, заполнение данной строки является выходным вектором. Затем 4-разрядные выходные векторы последовательно объединяются в 32-разрядный вектор.

 

1.3. При сложении и циклическом сдвиге двоичных векторов старшими разрядами считаются разряды накопителей с большими номерами.

 

1.4. При записи ключа ( , ..., ), {0,1}, =1 256, в КЗУ значение вводится в 1-й разряд накопителя , значение вводится во 2-й разряд накопителя ,..., значение вводится в 32-й разряд накопителя ; значение вводится в 1-й разряд накопителя , значение вводится во 2-й разряд накопителя ,..., значение вводится в 32-й разряд накопителя ; значение вводится в 1-й разряд накопителя и т.д., значение вводится в 32-й разряд накопителя .

 

1.5. При перезаписи информации содержимое -го разряда одного накопителя (сумматора) переписывается в -й разряд другого накопителя (сумматора).

 

1.6. Значения постоянных заполнений , (констант) накопителей , приведены в приложении 2.

 

1.7. Ключи, определяющие заполнения КЗУ и таблиц блока подстановки , являются секретными элементами и поставляются в установленном порядке.

 

Заполнение таблиц блока подстановки является долговременным ключевым элементом, общим для сети ЭВМ.

 

Организация различных видов связи достигается построением соответствующей ключевой системы. При этом может быть использована возможность выработки ключей (заполнений КЗУ) в режиме простой замены и зашифрования их в режиме простой замены с обеспечением имитозащиты для передачи по каналам связи или хранения в памяти ЭВМ.

 

1.8. В криптосхеме предусмотрены четыре вида работы:

 

зашифрование (расшифрование) данных в режиме простой замены;

 

зашифрование (расшифрование) данных в режиме гаммирования;

 

зашифрование (расшифрование) данных в режиме гаммирования с обратной связью;

 

режим выработки имитовставки.

 

Схемы программной реализации алгоритма криптографического преобразования приведены в приложении 3.

 

РЕЖИМ ПРОСТОЙ ЗАМЕНЫ

 

2.1. Зашифрование открытых данных в режиме простой замены

 

2.1.1. Криптосхема, реализующая алгоритм зашифрования в режиме простой замены, должна иметь вид, указанный на черт.2.

 

 

Черт.2

 

 

Открытые данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на блоки по 64 бита в каждом. Ввод любого блока = ( (0), (0). +, (0), (0), (0), (0) +, (0)) двоичной информации в накопители и производится так, что значение (0) вводится в 1-й разряд , значение (0) вводится во 2-й разряд и т.д., значение (0) вводится в 32-й разряд ; значение (0) вводится в 1-й разряд , значение (0) вводится во 2-й разряд и т.д., значение (0) вводится в 32-й разряд . В результате получают состояние ( (0), (0), +, (0), (0)) накопителя и состояние ( (0), (0),..., (0)) накопителя .

 

2.1.2. В КЗУ вводятся 256 бит ключа. Содержимое восьми 32-разрядных накопителей , ..., имеет вид:

 

 

 

2.1.3. Алгоритм зашифрования 64-разрядного блока открытых данных в режиме простой замены состоит из 32 циклов.

 

В первом цикле начальное заполнение накопителя суммируется по модулю 2 в сумматоре с заполнением накопителя , при этом заполнение накопителя сохраняется.

 

Результат суммирования преобразуется в блоке подстановки и полученный вектор поступает на вход регистра , где циклически сдвигается на одиннадцать шагов в сторону старших разрядов. Результат сдвига суммируется поразрядно по модулю 2 в сумматоре с 32-разрядным заполнением накопителя . Полученный в результат записывается в , при этом старое заполнение переписывается в . Первый цикл заканчивается.

 

Последующие циклы осуществляются аналогично, при этом во 2-м цикле из КЗУ считывается заполнение в 3-м цикле из КЗУ считывается заполнение и т.д., в 8-м цикле из КЗУ считывается заполнение . В циклах с 9-го по 16-й, а также в циклах с 17-го по 24-й заполнения из КЗУ считываются в том же порядке:

 

, , , , , , , .

 

В последних восьми циклах с 25-го по 32-й порядок считывания заполнений КЗУ обратный:

 

, , , , , , , .

 

Таким образом, при зашифровании в 32 циклах осуществляется следующий порядок выбора заполнений накопителей:

 

, , , , , , , , , , , , , , , ,

 

, , , , , , , , , , , , , , , .

 

В 32 цикле результат из сумматора вводится в накопитель , а в накопителе сохраняется старое заполнение.

 

Полученные после 32-го цикла зашифрования заполнения накопителей и являются блоком зашифрованных данных, соответствующим блоку открытых данных.

 

2.1.4. Уравнения зашифрования в режиме простой замены имеют вид:

 

 

 

при = 1 24;

 

 

 

при =25 31;

 

 

 

при = 32,

 

где (0) = ( (0), (0), +, (0)) - начальное заполнение перед первым циклом зашифрования;

 

(0) = ( (0), (0), +, (0)) - начальное заполнение перед первым циклом зашифрования;

 

= ( , , +, ) - заполнение после -го цикла зашифрования;

 

= ( , , +, ) - заполнение после -го цикла зашифрования, = 1 32.

 

Знак означает поразрядное суммирование 32-разрядных векторов по модулю 2.

 

Знак означает суммирование 32-разрядных векторов по модулю 2 . Правила суммирования по модулю 2 приведены в приложении 4;

 

- операция циклического сдвига на одиннадцать шагов в сторону старших разрядов, т.е.

 

 

.

 

2.1.5. 64-разрядный блок зашифрованных данных выводится из накопителей , в следующем порядке: из 1-го, 2-го,..., 32-го разрядов накопителя затем из 1-го, 2-го,..., 32-го разрядов накопителя , т.е.

 

.

 

Остальные блоки открытых данных в режиме простой замены зашифровываются аналогично.

 

2.2. Расшифрование зашифрованных данных в режиме простой замены

 

2.2.1. Криптосхема, реализующая алгоритм расшифрования в режиме простой замены, имеет тот же вид (см. черт.2), что и при зашифровании. В КЗУ вводятся 256 бит того же ключа, на котором осуществлялось зашифрование. Зашифрованные данные, подлежащие расшифрованию, разбиты на блоки по 64 бита в каждом. Ввод любого блока

 

 

в накопители и производятся так, что значение (32) вводится в 1-й разряд , значение а (32) вводится во 2-й разряд и т.д., значение (32) вводится в 32-й разряд ; значение (32) вводится в 1-й разряд и т.д., значение (32) вводится в 32-й разряд .

 

2.2.2. Расшифрование осуществляется по тому же алгоритму, что и зашифрование открытых данных, с тем изменением, что заполнения накопителей , ,..., считываются из КЗУ в циклах расшифрования в следующем порядке:

 

, , , , , , , , , , , , , , , ,

 

, , , , , , , , , , , , , , , .

 

2.2.3. Уравнения расшифрования имеют вид:

 

 

 

при = 1 8;

 

 

при = 9 31;

 

 

 

при = 32.

 

2.2.4. Полученные после 32 циклов работы заполнения накопителей и составляют блок открытых данных.

 

, , +, , , , +, ), соответствующий блоку зашифрованных данных, при этом значение блока соответствует содержимому 1-го разряда , значение соответствует содержимому 2-го разряда и т.д., значение соответствует содержимому 32-го разряда ; значение соответствует содержимому 1-го разряда , значение соответствует содержимому 2-го разряда и т.д., значение соответствует содержимому 32-го разряда .

 

Аналогично расшифровываются остальные блоки зашифрованных данных.

 

2.3. Алгоритм зашифрования в режиме простой замены 64-битового блока обозначается через , т.е.

 

, , .

 

2.4. Режим простой замены допускается использовать для зашифрования (расшифрования) данных только в случаях, приведенных в п.1.7.

 

РЕЖИМ ГАММИРОВАНИЯ

 

3.1. Зашифрование открытых данных в режиме гаммирования

 

3.1.1. Криптосхема, реализующая алгоритм зашифрования в режиме гаммирования, имеет вид, указанный на черт.3.

 

 

Черт.3

 

 

Открытые данные, разбитые на 64-разрядные блоки , ..., , , зашифровываются в режиме гаммирования путем поразрядного суммирования по модулю 2 в сумматоре с гаммой шифра , которая вырабатывается блоками по 64 бита, т.е.

 

,

 

где - определяется объемом шифруемых данных.

 

- -й 64-разрядный блок, = 1 , число двоичных разрядов в блоке может быть меньше 64, при этом неиспользованная для зашифрования часть гаммы шифра из блока отбрасывается.

 

3.1.2. В КЗУ вводятся 256 бит ключа. В накопители , вводится 64-разрядная двоичная последовательность (синхропосылка) , являющаяся исходным заполнением этих накопителей для последующей выработки блоков гаммы шифра. Синхропосылка вводится в и так, что значение вводится в 1-й разряд , значение вводится во 2-й разряд и т.д., значение вводится в 32-й разряд ; значение вводится в 1-й разряд , значение вводится во 2-й разряд и т.д., значение вводится в 32-й разряд .

 

3.1.3. Исходное заполнение накопителей и (синхропосылка ) зашифровывается в режиме простой замены в соответствии с требованиями п.2.1. Результат зашифрования , ) переписывается в 32-разрядные накопители и , так, что заполнение переписывается в , а заполнение переписывается в .

 

3.1.4. Заполнение накопителя суммируется по модулю (2 -1) в сумматоре с 32-разрядной константой из накопителя , результат записывается в . Правила суммирования по модулю (2 -1) приведены в приложении 4. Заполнение накопителя суммируется по модулю 2 в сумматоре в 32-разрядной константой из накопителя , результат записывается в .

 

Заполнение переписывается в , а заполнение переписывается в , при этом заполнение , сохраняется.

 

Заполнение и зашифровывается в режиме простой замены в соответствии с требованиями п.2.1. Полученное в результате зашифрования заполнение , образует первый 64-разрядный блок гаммы шифра , который суммируется поразрядно по модулю 2 в сумматоре с первым 64-разрядным блоком открытых данных

 

 

В результате суммирования получается 64-разрядный блок зашифрованных данных

 

 

Значение блока является результатом суммирования по модулю 2 в значения из блока со значением 1-го разряда , значение блока является результатом суммирования по модулю 2 в значения из блока со значением 2-го разряда и т.д., значение блока является результатом суммирования по модулю 2 в значения из блока со значением 32-го разряда .

 

3.1.5. Для получения следующего 64-разрядного блока гаммы шифра заполнение суммируется по модулю (2 -1) в сумматоре с константой из , заполнение суммируется по модулю 2 в сумматоре с константой из . Новое заполнение переписывается в , а новое заполнение переписывается в , при этом заполнение и сохраняется.

 

Заполнение и зашифровывается в режиме простой замены в соответствии с требованиями п.2.1. Полученное в результате зашифрования заполнение , образует второй 64-разрядный блок гаммы шифра , который суммируется поразрядно по модулю 2 в сумматоре со вторым блоком открытых данных . Аналогично вырабатываются блоки гаммы шифра , ..., и зашифровываются блоки открытых данных , ..., . Если длина последнего -го блока открытых данных меньше 64 бит, то из последнего -го блока гаммы шифра для зашифрования используется только соответствующее число разрядов гаммы шифра, остальные разряды отбрасываются.

 

3.1.6. В канал связи или память ЭВМ передаются синхропосылка и блоки зашифрованных данных , ,..., .

 

3.1.7. Уравнение зашифрования имеет вид:

 

,

 

 

где ’ - означает суммирование 32-разрядных заполнений по модулю (2 -1);

 

- поразрядное суммирование по модулю 2 двух заполнений;

 

- содержимое накопителя после зашифрования -го блока открытых данных ;

 

- содержимое накопителя после зашифрования -го блока открытых данных ;

 

.

 

3.2. Расшифрование зашифрованных данных в режиме гаммирования

 

3.2.1. При расшифровании криптосхема имеет тот же вид, что и при зашифровании (см. черт.3). В КЗУ вводятся 256 бит ключа, с помощью которого осуществлялось зашифрование данных , ,..., . Синхропосылка вводится в накопители и и аналогично пп.3.1.2-3.1.5 осуществляется процесс выработки блоков гаммы шифра , ,..., . Блоки зашифрованных данных , ,..., суммируются поразрядно по модулю 2 в сумматоре с блоками гаммы шифра, в результате получаются блоки открытых данных , ,..., , при этом может содержать меньше 64 разрядов.

 

3.2.2. Уравнение расшифрования имеет вид: