Интернет вещей: шифр “Магма” (ГОСТ Р 34.12-2015) для Arduino

ASM codeРоссийский шифр “Магма” известен также под названием ГОСТ 28147-89. В новом ГОСТ Р 34.12-2015 данный шифр приведён вместе с более современным шифром “Кузнечик”. “Магма” весьма старый блочный шифр, ещё советский, он родом из 70-х годов прошлого века. Некоторым образом шифр связан с электромеханическими шифровальными машинами. Например, таблицы подстановок ведут своё происхождение от “перемешивающих” дисков этих машин. Несмотря на солидный возраст, шифр до сих пор выглядит неплохо по соотношению таких характеристик, как практическая стойкость и требуемое количество операций. Шифр достаточно простой и может быть реализован на базе микроконтроллера. В качестве базового устройства используем распространённую платформу – Arduino (конкретно – Arduino Uno, на котором я проверял исходный код).

“Магма” имеет разрядность блока 64 бита и разрядность ключа 256 бит. По современным меркам 64 бита – малая разрядность блока, но она сохраняет актуальность для встроенных применений (“Интернета вещей”), где короткие криптограммы очень распространены и обусловлены техническими ограничениями. 256 бит ключа и на современном уровне являются излишне большим значением, при условии, конечно, что шифр обеспечивает стойкость, эквивалентную полному перебору. Я не буду приводить обзор литературы по криптоанализу данного “ГОСТового” шифра в этой заметке. Отмечу только, что до сих пор для шифра не предложено универсального метода криптоанализа, который снизил бы криптостойкость, с точки зрения практической атаки, до неприемлемого уровня. Все известные эффективные атаки – академические, требуют чрезвычайно больших ресурсов, при этом лучший результат: снижение стойкости до 101 бита. Примем, что в наихудшем практическом случае данный шифр обеспечивает стойкость около 115 бит, а этого вполне достаточно для, например, передачи данных от датчиков температуры “при ведении подсобного хозяйства”. Другими современными “малыми” шифрами, которые ориентированы на использование в маломощных микроконтроллерах, являются, например, шифры Speck и Simon, предложенные АНБ.

Технически, “Магма” представляет собой итеративную конструкцию Фейстеля, состоящую из 32 раундов. Входной блок разделяется на две равные части, в каждом раунде к одной из частей последовательно применяются раундовые преобразования, а результат суммируется со второй частью. Перед следующим раундом – части меняются местами (кроме последнего раунда). Преобразования включают в себя сложение (по модулую 232) с ключом раунда, подстановку по таблице подстановок, циклический сдвиг влево. При расшифровании работа шифра отличается только порядком ключей. Раундовые ключи имеют разрядность половины блока – 32 бита. Набор ключей раундов получается из основного ключа копированием его 32-битных подмножеств по достаточно простой схеме: первые 24 раунда используют “подключи” последовательно в прямом порядке (то есть, k1..k8), а заключительные 8 раундов – в обратном порядке (k8..k1).

Сам шифр я реализовал на ассемблере AVR, воспользовавшись inline-вариантом – то есть, команды ассемблера включены в исходный код на языке C (исходный код прилагается, см. ниже, функция DoCipher()). Шифр работает быстро, реализацию можно ещё улучшить. Микроконтроллер Arduino Uno очень ограничен в объёме оперативной памяти для данных, при этом “Магма” только для хранения основного ключа требует 256/8 = 32 байта. Набор раундовых ключей, если его полностью развернуть в памяти, съедает ещё 4*32 = 128 байтов. Таблица подстановок (я, кстати, использовал таблицу из ГОСТ Р 34.12-2015) включает восемь наборов по 16 значений, однако так как подстановки полубайтовые (по четыре бита), их можно объединить попарно: получаем 4*16 = 64 байта. Итого – 224 байта только на окружение, которое требуется для использования шифра. Оптимизации тут можно подвергнуть только раундовые ключи – в принципе, можно их не разворачивать, а прямо использовать байты из основного ключа (так работала бы аппаратная реализация).

Реализация непосредственно шифра называется криптопримитивом. Наличие криптопримитива позволяет строить на базе шифра полезные конструкции. При этом, использовать блочный шифр прямо для зашифрования блоков открытого текста – в подавляющем большинстве случаев нельзя: такой режим называется режимом простой замены (или ECB) и не обладает нужным уровнем секретности, даже если вы с помощью зашифрованных команд лампочки в доме переключаете. Например, одна и та же команда, при использовании одного ключа, будет соответствовать одинаковому шифротексту. Запись с повторной передачей позволит третьей стороне переключать ваши лампочки. Для предотвращения подобных атак существует ряд методов: например, использование уникальных значений (счётчиков) для команд, различные схемы с подтверждением (но тут требуется отправка дополнительных пакетов). Наличие шифра и секретных ключей позволяет все их реализовать безопасно. Также на базе шифра реализуются схемы вычисления/проверки кодов аутентификации сообщений, которые защищают от подделки данные, передаваемые в открытом виде.

В исходном коде в качестве примера дана реализация функций шифрования в режиме счётчика – MagmaEncrypt(), MagmaDecrypt(). Такой режим пригоден для практического использования, однако он не обеспечивает аутентификации сообщений. Предполагается, что обменивающиеся данными устройства знают общий секретный симметричный ключ и используют синхронное значение nonce (оно может передаваться в открытом виде). Соответственно, код содержит пример вызова данных функций.

Некоторые сценарии использования шифров в разных “домашних устройствах”, работающих на базе микроконтроллеров: передача команд, с аутентификацией (сами команды не шифруются); передача данных от датчиков, в зашифрованном виде, также с аутентификацией; подключение новых устройств к сети датчиков (так сказать, опознавание “свой-чужой”).

По ссылке: исходный код (с весьма подробными комментариями на русском внутри). Возможно, из этого следует сделать полноценную библиотеку (тогда нужно реализовать режим шифрования с аутентификацией). Замечания, комментарии и пожелания – приветствуются.

()

Похожие записки:



Далее - мнения и дискуссии

(Сообщения ниже добавляются читателями сайта, через форму, расположенную в конце страницы.)

Комментарии читателей блога: 4

  • 1. 16th November 2016, 06:36 // Читатель Дмитрий Белявский написал:

    Про атаки – ну собственно, Sweet32 при условии отсутствия смены ключей. Ты Key Meshing реализовал?

  • 2. 16th November 2016, 10:37 // Александр Венедюхин ответил:

    > Sweet32 при условии отсутствия смены ключей.
    > Ты Key Meshing реализовал?

    Нет.

    Ротацию ключей, в том или ином виде, да, нужно добавить. Но это, конечно, дополнительный расход памяти.

  • 3. 1st December 2016, 22:47 // Читатель Максим написал:

    библиотека планируется, всё же?
    было бы очень интересно увидеть развитие Вашей реализации

  • 4. 2nd December 2016, 12:22 // Александр Венедюхин ответил:

    Возможно, что доведу до состояния библиотеки, да. По крайней мере, запланировал.

Написать комментарий

Ваш комментарий:

Преграда для ботов: * Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.

Если видите "капчу", то решите её. Это необходимо для отправки комментария. Обычно, комментарии поступают на премодерацию. Премодерация иногда занимает заметное время.