ГОСТ 28147-89. Краткая характеристика алгоритма (ГОСТ 28147-89)

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

Алгоритм ГОСТ 28147-89 был разработан, по некоторым сведениям, в конце 1970-х годов и применялся для шифрования данных, составлявших тайну государственной важности. Он является государственным стандартом СССР, а ныне и РФ. Был принят, как следует из обозначения, в 1989-м году. Разумеется, что никаких ограничений на его использование не может существовать, эта разработка принадлежит целиком и полностью нашему народу. Наш алгоритм шифрования, как правило, не уступает по качеству и надёжности передовым зарубежным разработкам и намного превосходит криптографические алгоритмы, разработанные до него.

О стандарте

Цитата из текста стандарта:

«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».

Описание алгоритма

Алгоритм ГОСТ 28147-89 имеет четыре режима работы. Из них три режима шифрования:

 режим простой замены;

 режим гаммирования;

 режим гаммирования с обратной связью;

и режим выработки имитовставки. Все они основываются на трёх базовых циклах, обозначаемых «32-З », «32-Р » и «16-З ». Базовые циклы же по сути являются многократным повторением процедуры, называемой основным шагом криптопреобразования. В их обозначении число (32 или 16) указывает на число повторений основного шага, буква (З или Р) указывает на разновидность порядка использования элементов ключа.

Ключевая информация

Ключевая информация алгоритма состоит из двух структур данных: ключа и таблицы замен.

 Ключ, имеющий размер 256 двоичных ячеек (битов), представляется как массив из восьми 32-разрядных элементов. Элементы ключа в порядке, определяемом базовым циклом, используются основным шагом.

 Таблица замен является матрицей размером 8 на 16 из 4-разрядных элементов. Строки таблицы, называемые узлами замен, содержат различные значения, при этом каждый узел содержит 16 различных чисел от 0 до 15. Таблица замен используется основным шагом на этапе замены. Является долговременным ключевым элементом, общим для сети ЭВМ.

Три уровня структуры алгоритма

Таким образом, структура алгоритма ГОСТ 28147-89 делится на три уровня:
1.  основной шаг;
2.  базовые циклы;
3.  режимы работы алгоритма.
Кратко рассмотрим их в отдельности.

Основной шаг

Основной шаг принимает на входе два параметра: 64-разрядный блок данных и 32-разрядный элемент ключа, а также использует всю таблицу замен. 64-разрядный блок делится на две части по 32 бита. Первая часть и 32-разрядный входной параметр представляются как беззнаковые 32-разрядные числа и складываются по модулю 2³². Результат представляется как массив из восьми 4-разрядных блоков, каждый из них заменяется на значение ячейки таблицы замен из строки с номером, равным номеру 4-разрядного блока, и столбца с номером, равным значению 4-разрядного блока (счёт с 0). Полученное значение подвергается циклическому сдвигу в сторону старших разрядов на 11 битов. Далее оно поразрядно складывается по модулю 2 со второй частью входного 64-разрядного блока. Затем полученное значение ставится на место второй части 64-разрядного блока, а вторая часть — на место первой. Полученный блок возвращается в качестве результата.

Три базовых цикла

Базовый цикл представляет собой многократное повторение основного шага. На вход поступает 64-разрядный блок, который определённое число раз поступает на вход основного шага и принимает значение, возвращаемое им. Возвращается базовым циклом последнее значение блока. Вторыми параметрами основного шага являются элементы ключа. Отличаются циклы числом повторений основного шага и порядком использования элементов ключа. Для цикла «32-З» порядок следующий: трижды используются элементы ключа с первого по последний и один раз с последнего по первый; для цикла «32-Р»: один раз используются элементы ключа с первого по последний и три раза — с последнего по первый; для цикла «16-З»: дважды используются элементы ключа с первого по последний.

Режимы работы алгоритма

Алгоритм ГОСТ 28147-89 имеет четыре режима работы.

 Режим простой замены принимает на вход данные, размер которых кратен 64-м битам. Результатом шифрования является входной текст, преобразованный блоками по 64 бита в случае зашифрования циклом «32-З», а в случае расшифрования — циклом «32-Р».

 Режим гаммирования принимает на вход данные любого размера, а также дополнительный 64-разрядный параметр — синхропосылку. В ходе работы синхропосылка преобразуется в цикле «32-З», результат делится на две части. Первая часть складывается по модулю 2³² с постоянным значением 1010101₁₆. Если вторая часть равна 2³²-1, то её значение не меняется, иначе она складывается по модулю 2³²-1 с постоянным значением 1010104₁₆. Полученное объединением обеих преобразованных частей значение, называемое гаммой шифра, поступает в цикл «32-З», его результат порязрядно складывается по модулю 2 с 64-разрядным блоком входных данных. Если последний меньше 64-х разрядов, то лишние разряды полученного значения отбрасываются. Полученное значение подаётся на выход. Если ещё имеются входящие данные, то действие повторяется: составленный из 32-разрядных частей блок преобразуется по частям и так далее.

 Режим гаммирования с обратной связью также принимает на вход данные любого размера и синхропосылку. Блок входных данных поразрядно складывается по модулю 2 с результатом преобразования в цикле «32-З» синхропосылки. Полученное значение подаётся на выход. Значение синхропосылки заменяется в случае зашифрования выходным блоком, а в случае расшифрования — входным, то есть зашифрованным. Если последний блок входящих данных меньше 64 разрядов, то лишние разряды гаммы (выхода цикла «32-З») отбрасываются. Если ещё имеются входящие данные, то действие повторяется: из результата зашифрования заменённого значения образуется гамма шифра и т.д.

 Режим выработки имитовставки принимает на вход данные, размер которых составляет не меньше двух полных 64-разрядных блоков, а возвращает 64-разрядный блок данных, называемый имитовставкой. Временное 64-разрядное значение устанавливается в 0, далее, пока имеются входные данные, оно поразрядно складывается по модулю 2 с результатом выполнения цикла «16-З», на вход которого подаётся блок входных данных. После окончания входных данных временное значение возвращается как результат.