Лабораторная работа № 4

Кодирование и декодирование информации

в нейромикропроцессоре NeuroMatrix® NM640Х

Цели работы

• Научиться работать с эмулятором векторных команд, обеспечивающим написание, отладку и получение генерируемого, компилированного и сохраняемого кодов с контролем реальных аппаратных ресурсов и распределения памяти процессора Л1879ВМ1, Л1879ВМ2 (NM6403/6404).

• Научиться шифровать: кодировать и декодировать информацию по ГОСТу 28147-89.

• Применить данный эмулятор векторных команд для шифрования по вышеуказанному ГОСТу.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Описание алгоритма шифрования ГОСТ 28147-89

Шифрование (в режиме простой замены) заключается в многократном повторении основного шага алгоритма.

Основной шаг криптопреобразования по своей сути является оператором, определяющим преобразование 64-битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является 32-битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа. Схема алгоритма основного шага приведена на рис. 1. Далее даны пояснения к алгоритму основного шага:

Рис. 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ 28147-89

Шаг 0. Определяет исходные данные для основного шага криптопреобразования N – преобразуемый 64-битовый блок данных, в ходе выполнения шага его младшая (N2) и старшая (N1) части обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака.

Таким образом, можно записать N=(N1,N2). Х = 32-битовый элемент ключа.

Шаг 1. Сложение с ключом. Старшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 2 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг.

Шаг 2. Поблочная замена. 32-битовое значение, полученное на предыдущем шаге, интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S-(S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7). Далее значение каждого из восьми блоков заменяется новым, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока Si меняется на Si-й по порядку элемент (нумерация с нуля) i-го узла замен (т. е. i-й строки таблиц замен, нумерация также с нуля). Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа.

Шаг 3. Циклический сдвиг на 11 бит влево. Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг. На схеме алгоритма символом R обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит влево, т. е. в сторону старших разрядов.

Шаг 4. Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 с младшей половиной преобразуемого блока.

Шаг 5. Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, и на ее место помещается результат выполнения предыдущего шага.

Шаг 6. Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования.

Основной шаг, как уже было написано выше, многократно повторяется. В режиме простой замены цикл кодирования можно представить в следующем виде:

К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7,К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0, где Кi – 32-битовый элемент ключа.

Таким образом, цикл кодирования состоит в повторении основного шага 32 раза с разными элементами ключа.

Цикл декодирования является обратным циклу кодирования, то есть последовательное применение этих двух циклов к произвольному блоку должно дать в итоге исходный блок.

В режиме простой замены цикл кодировния можно представить в следующем виде:

К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0, К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0,К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0.

а б

Рис. 2: схема цикла зашифрования 32-3; схема цикла зашифрования 32-Р

Пример кодирования

Входные данные:

ENGENEER (45 4E 47 45 4E 45 45 51 h);

INFERNAL (52 4E 46 45 51 4E 41 4C h).

Ключ:

DESERT_STORM (44 45 53 45 52 54 5F 53 54 4F 52 4D h).

Таблица замен

Таблица кодов ASCII

1. N1+K1 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

2. Замена по таблице

Первое слово:

Второе слово:

3. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Второе слово:

4. S+N2 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

5. Вторая итерация

Первое слово N1: 4E 45 45 51

Второе слово N1: 51 4E 41 4C

K2: 52 54 5F 53

6. N1+K1 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

7. Замена по таблице

Первое слово:

Второе слово:

8. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Второе слово:

9. S+N2 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

10. Третья итерация

Первое слово N1: 69 49 33 EC

N2: 86 2D 4F C9

Второе слово N1: 76 22 7B 72

N2: B9 1D A5 D7

K3: 54 4F 52 4D

11. N1+K1 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

12. Замена по таблице

Первое слово:

Второе слово:

13. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Второе слово:

14. S+N2 mod 2

Первое слово:

Второе слово:

Результат: первое слово 86 2D 4F C9 D6 0A 02 84;

второе слово B9 1D A5 D7 71 2C 62 B5.