Способ шифрования двоичной информации и устройство для осуществления способа - "албер"

 

Изобретение относится к области криптографических преобразований и может быть использовано в связных, вычислительных и информационных системах для криптографического закрытия двоичной информации. Технический результат - шифрование информации блоками различной длины с использованием ключа такой длины, которая обеспечивает невозможность его опробования за разумное время. Устройство содержит np-разрядный ключевой регистр 1, mp-разрядный информационный регистр 2, первый, второй, третий и четвертый сумматоры 3, 5, 7, 9, блоки 4, 6, 8 p-разрядных преобразований f, q, h. 3 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области криптографических преобразований и может быть использовано в связных, вычислительных и информационных системах для криптографического закрытия двоичной информации.

Техническим результатом изобретения является шифрование информации блоками различной длины с использованием ключа такой длины, которая обеспечивает невозможность его опробования за разумное время.

Известен способ шифрования, предназначенный для криптографической защиты информации в вычислительных системах и заключающийся в многократном прибавлении ключа к преобразуемой информации с последующим применением подстановочных и перестановочных преобразований. С использованием этого способа построена система Lucifer фирмы IBM и стандарт шифрования данных национального бюро стандартов США.

В известном стандарте шифрования данных к содержимому двух 32-разрядных ячеек 64-разрядного информационного регистра 16 раз прибавляют по модулю 2 содержимое 64-разрядного ключевого регистра с последующим воздействием на 32-разрядную сумму 32-разрядным функциональным преобразованием.

Известный стандарт шифрования данных шифрует информацию блоками по 64 бита. При зашифровании блоков меньшей длины длина зашифрованного сообщения (64 бита) больше длины открытого сообщения. Кроме того, в известном стандарте используется слишком маленький ключ, что позволяет вскрыть его простым перебором за разумное время.

Технический результат достигается тем, что в способе шифрования двоичной информации, заключающемся в зависящем от 64-разрядного ключа преобразовании двух 32-разрядных ячеек 64-разрядного информационного регистра путем 16-кратного выполнения набора операций, включающего поразрядное сложение по модулю 2 содержимого 32-разрядных ячеек информационного регистра с содержимым 32-разрядных ячеек ключевого регистра и последующее функциональное преобразование полученной 32-разрядной суммы, преобразуют m≥1 p-разрядных (P≥2) ячеек mp-разрядного информационного регистра путем n-кратного выполнения следующих операций: к содержимому m-й p-разрядной ячейки информационного регистра (либо к 0, если m=1) прибавляют (например, по модулю 2, либо 2^p) содержимое второй p-разрядной ячейки информационного регистра (либо 0, если m= 1,2) к полученной сумме прибавляют (например, по модулю 2, либо 2^p) содержимое очередной p-разрядной ячейки ключевого регистра, результат преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования f, к полученному результату прибавляют (например, по модулю 2, либо 2^p) содержимое r-й (3≅r≅m-1) ячейки информационного регистра (либо 0, если m=1, 2, 3) полученную сумму преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования q, к результату прибавляют (например, по модулю 2, либо 2^p) содержимое первой p-разрядной ячейки информационного регистра, вновь полученную сумму преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования h и результат преобразования записывают в m-ю p-разрядную ячейку информационного регистра, содержимое которого предварительно сдвигают на p разрядов в сторону младших разрядов с потерей p младших разрядов.

Прибавление нуля к p-разрядному числу не изменяет это число и поэтому равносильно отсутствию операции прибавления.

Среди функциональных преобразований f, q, h могут быть тождественные, то есть, не изменяющие преобразуемое p-разрядное число. Использование тождественного функционального преобразования равносильно фактическому отсутствию данного преобразования.

На чертеже представлена блок-схема устройства шифрования двоичной информации.

Устройство шифрования двоичной информации содержит np-разрядный ключевой регистр 1, mp-разрядный информационный регистр 2, первый p-разрядный сумматор 3, блок 4 p-разрядного функционального преобразования f, второй p-разрядный сумматор 5, блок 6 p-разрядного функционального преобразования q, третий p-разрядный сумматор 7, блок 8 p-разрядного преобразования h, четвертый p-разрядный сумматор 9.

Сумматор, в котором задействован только один вход не изменяет информацию, поступающую на этот вход. Это равносильно отсутствию данного сумматора. Поэтому при m=3 фактически отсутствуют третий сумматор 5, при m=2 отсутствуют два сумматора, третий сумматор 5 и первый сумматор 9, а при m=1 отсутствуют целых три сумматора 3, 5, 9.

Блоки 4, 6, 8 могут реализовать любые p-разрядные функциональные преобразования f, q, h в том числе, и тождественные, не изменяющие поступающие на их вход p-разрядные числа. Этот случай равносилен отсутствию данного блока функционального преобразования. Поэтому из трех блоков 4, 6 и 8 p-разрядных функциональных преобразований f, q, h фактически может присутствовать лишь два блока и даже один.

Содержимое np-разрядного ключевого регистра 1 можно формировать из tp-битного ключа при t<n, например, повторным использованием p-битных частей ключа.

Устройство шифрования двоичной информации работает следующим образом.

При m=1 p бит исходной информации записывают в p-разрядный информационный регистр 2. Устройство шифрования работает в n циклов, после которых содержимое p-разрядного информационного регистра 2 является результирующей информацией. Все циклы работы устройства шифрования идентичны. В i-й цикл, I≅i≅n содержимое i-й p-разрядной ячейки ключевого регистра 1 преобразуют блоками 4 и 6 функциональных преобразований f, q к результату прибавляют содержимое p-разрядного информационного регистра 2, полученную сумму преобразуют блоком 8 функционального преобразования h и результат записывают в p-разрядный информационный регистр 2.

Если содержимое p-разрядного информационного регистра 2 в i-й цикл обозначить через a(i), то в i+1 цикл содержимое p-разрядного информационного регистра 2 станет: a(i+1)=h(q(f(y))+a(i)) где + сложение, например, по модулю 2, либо 2^p a(i)(-{0,1.2^p-1)} i≥I.

При m=2 2p бит исходной информации записывают в 2p-разрядный информационный регистр 2. Устройство шифрования работает n циклов, после которых содержимое 2p-разрядного информационного регистра 2 является результирующей информацией. Все циклы работы устройства шифрования идентичны. В i-й цикл 1≅i≅n, к содержимому второй p-разрядной ячейки 2p-разрядного информационного регистра 2 прибавляют содержимое i-й p-разрядной ячейки ключевого регистра 1, сумму преобразуют блоками 4 и 6 функциональных преобразований f, g к результату прибавляют содержимое первой p-разрядной ячейки 2p-рязрядного информационного регистра 2, полученную сумму преобразуют блоком 8 функционального преобразования h и результат записывают на место второй p-разрядной ячейки информационного регистра 2, содержимое которого предварительно сдвигают на p двоичных разрядов в сторону младших разрядов (вправо).

Если содержимое 2p-разрядного информационного регистра 2 в i цикл обозначить через ((a₂(i), a₁(i)), то в i+1 цикл содержимое 2p-разрядного информационного регистра 2 станет: a₂(i+1)=h(q(f(a₂(i)+y_i))+a₁(i)), a₁(i+1)=a₂(i), где + сложение например, по модулю 2, либо 2^p a_j(i)(-{0,1,2^p-1)} i, j≥1 При m=3 3p бит исходной информации записывают в 3p-разрядный информационный регистр 2. Устройство шифрования работает n циклов, после которых содержимое 3p-разрядного информационного регистра 2 является результирующей информацией. Все циклы работы устройства шифрования идентичны. В i-й цикл, 1≅i≅n к сумме содержимых второй и третьей p-разрядных ячеек 3p-разрядного информационного регистра 2 прибавляют содержимое i-й p-рязрядной ячейки ключевого регистра 1, сумму, преобразуемую блоками 4 и 8 функциональных преобразований f и g к результату прибавляют содержимое первой p-разрядной ячейки информационного регистра 2, полученную сумму преобразуют блоком 8 функционального преобразования h и результат записывают на место третьей p-разрядной ячейки информационного регистра 2, содержимое которого предварительно сдвигают на p разрядов в сторону младших разрядов (вправо).

Если содержимое 3p-разрядного информационного регистра 2 в i-й цикл обозначить через (a₃(i), a₂(i), a₁(i) то в i+1 цикл содержимое информационного регистра 2 станет: a₃(i+1)=h(q(f(a₃(i)+a₂(i)+y_i))+a₁(i)),
a₂(i+1)=a₃(i),
a₁(i+1)=a₂(i),
При m≥4 mp бит исходной информации записывают в информационный регистр 2. Устройство шифрования работает в n циклов, после которых содержимое mp-разрядного информационного регистра 2 является результирующей информацией. Все циклы работы устройства шифрования идентичны. В i-й цикл, 1≅i≅n, к сумме содержимых второй и m-й p-разрядных ячеек информационного регистра 2 прибавляют содержимое i p-разрядной ячейки ключевого регистра 1, сумму преобразуют блоком 4 функционального преобразования f, к результату прибавляют содержимое 2-й (3≅r≅m-1) p-разрядной ячейки информационного регистра 2, полученную сумму преобразуют блоком 6 функционального преобразования g, к результату прибавляют содержимое первой p-разрядной ячейки информационного регистра 2, сумму преобразуют блоком 8 функционального преобразования h и результат записывают на место m-й p-разрядной ячейки информационного регистра 2, содержимое которого предварительно сдвигают на p разрядов в сторону младших разрядов (вправо).

В i+1 цикл содержимое mp-разрядного информационного регистра 2 станет:
a_m(i+1)=h(q(f(a_m(i) + a₂(i) + y_i + a_r(i)) + a₁(i)),
a_m-1(i+1)=a_m(i), a₁(i+1)=a₂(i),
При этом p≅8 функциональные преобразования f, g, h можно реализовать таблично с использованием памяти объема 2^pp-разрядных ячеек для каждого преобразования.

При p>8 табличное задание функциональных преобразований f, g, h требует довольно большого, а возможно и непомерного объема памяти. В этом случае p-разрядное функциональное преобразование можно составить из нескольких p'-разрядных преобразований, где p=sp' например, так:
f=f·Q_AT^xQ_Bf",
где T^x операция циклического сдвига p-разрядного числа на x=0 разрядов в сторону старших разрядов:
Q_A(a)=a+A, Q_B(a)=a+B, a=(a₁,a_s) (-{0, 1,2^p-1});

p'-разрядное функциональные преобразования.

То есть, преобразуемое p-разрядное число разбивают на s' p'-разрядных частей, каждую из которых преобразуют соответствующих p'-разрядным преобразованием к p-разрядному результату преобразований прибавляют (например, по модулю 2^p)- p-разрядную константу A, полученную сумму циклически сдвигают на X≥0 разрядов в сторону старших разрядов, снова прибавляют (например, по модулю 2^p p-разрядную константу B, полученную p-разрядную сумму разбивают на s' p'-разрядных частей, каждую из которых преобразуют соответствующим p'-разрядных частей, каждую из которых преобразуют соответствующим p'-разрядным преобразованием
Значения s и p' выбираются с учетом доступного объема памяти (s·p'·2p'_бит) для реализации результирующего функционального преобразования f.

Если x=0, то операция циклического сдвига фактически отсутствует.

Если A=0, либо B=0, то отсутствует операция прибавления соответствующей константы.

Функции можно выбрать совпадающими. Выбор тождественных функций равносилен отсутствию этих функций.

Формула изобретения

1. Способ шифрования двоичной информации, при котором последовательно 16 раз суммируют по модулю 2 32-разрядные символы 64-разрядного информационного регистра и 32-разрядные символы ключевого регистра и затем функционально преобразуют полученные 32-разрядные суммы, отличающийся тем, что n раз выполняют следующую последовательность операций: к m-му p-разрядному символу mp-разрядного информационного регистра, где m ≥ 1, p ≥ 2, либо к 0, m 1, прибавляют второй p-разрядный символ mp-разрядного информационного регистра, либо 0, если m 1,2, к полученной сумме прибавляют очередной p-разрядный символ ключевого регистра, результат преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования f, к полученному результату прибавляют 2-й p-разрядный символ mp-разрядного информационного регистра, где 3 ≅ r ≅ m 1, либо 0, если m 1, 2, 3, полученную сумму преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования q, к результату прибавляют первый p-разрядный символ mp-разрядного информационного регистра, вновь полученную сумму преобразуют блоком p-разрядного функционального преобразования h и результат преобразования записывают на место m-го p-разрядного символа mp-разрядного информационного регистра, предварительно сдвинутого на p-разрядов в сторону младших разрядов с потерей p младших разрядов.

2. Устройство шифрования двоичной информации, содержащее 64-разрядные ключевой и информационные регистры, блок 32-разрядного функционального преобразования f и 32-разрядный сумматор по модулю 2, отличающееся тем, что в нем ключевой регистр выполнен в виде np-разрядного ключевого регистра, информационный регистр выполнен в виде mp-разрядного информационного регистра, где p ≥ 2, m ≥ 1, блок функционального преобразования f выполнен в виде блока p-разрядного функционального преобразования, при этом в него введены первый, второй, третий и четвертый p-разрядные сумматоры и два блока p-разрядных функциональных преобразований q и h, причем выход np-разрядного ключевого регистра подключен к первому входу второго p-разрядного сумматора, к второму входу которого подключен выход первого p-разрядного сумматора, к первому входу которого при m ≥ 2 подключен m-й p-разрядный выход mp-разрядного информационного регистра, к второму входу первого p-разрядного сумматора при m ≥ 3, подключен второй p-разрядный выход mp-разрядного информационного регистра, выход второго p-разрядного сумматора подключен к входу блока p-разрядного функционального преобразования f, выход которого подключен к первому входу третьего p-разрядного сумматора, к второму входу которого при m ≥ 4 подключен r-й p-разрядный выход mp-разрядного информационного регистра, где 3 ≅ r ≅ m 1, выход третьего p-разрядного сумматора подключен к входу блока p-разрядного функционального преобразования q, выход которого подключен к первому входу четвертого p-разрядного сумматора, к второму входу которого подключен первый p-разрядный выход mp-разрядного информационного регистра, а к выходу четвертого p-разрядного сумматора подключен вход p-разрядного функционального преобразования h, выход которого подключен к m-му p-разрядному входу mp-разрядного информационного регистра.

3. Устройство шифрования двоичной информации, содержащее в качестве составной части блок p-разрядного функционального преобразования f, отличающееся тем, что при p S · p' блок p-разрядного функционального преобразования f состоит из 2 S блоков p-разрядных функциональных преобразований где S, p' ≥ 2, 1 ≅ i ≅ S двух p-разрядных сумматоров, первый из которых прибавляют к поступающему на его вход p-разрядному числу p-разрядную константу A, а второй p-разрядную константу B, и p-разрядного регистра циклического сдвига, причем S p'-разрядных выходов первых S блоков p-разрядных функциональных преобразований где 1 ≅ i ≅ S подключены к входу первого p-разрядного сумматора, выход которого подключен к p-разрядному входу p-разрядного регистра циклического сдвига, p-разрядный выход которого подключен к входу второго p-разрядного сумматора, p разрядов выхода которого подключены к Sp'-разрядным входам оставшихся S блоков p-разрядных функциональных преобразований где 1 ≅ i ≅ S.

РИСУНКИ

Рисунок 1