Шифр “Кузнечик” на языке Go: ассемблер и оптимизация

Реализовал шифр “Кузнечик” на ассемблере, входящем в комплект компилятора языка Go. Ассемблерный вариант довольно простой и работает в 128-битных регистрах архитектуры amd64, это даёт большой прирост производительности.

“Кузнечик” из ГОСТ Р 34.12-2015 – это современный российский блочный симметричный шифр. Несколько лет назад я реализовал его на языке Go. Вариант на языке высокого уровня – не слишком быстро работает, поэтому я переписал шифр на ассемблере, для архитектуры x64/amd64. Использовал ассемблер (точнее – псевдоассемблер), встроенный в Go.

Новый вариант называется GOSThopper и использует 128-битную арифметику, доступную на современных процессорах с архитектурой x64 (далее я буду называть её amd64, именно такое обозначение использует компилятор Go). Основная идея оптимизации такая: написать быструю реализацию обработки блока в “длинных” регистрах процессора – шифр как раз использует 128-битный блок, так что разрядность хорошо подходит. В системе команд процессоров amd64 (точнее, в некотором расширении системы команд, но это детали, так как сейчас данное расширение доступно практически везде) – есть нужный набор “атомарных” инструментов: быстрая загрузка данных из памяти, XOR, сдвиги и произвольный доступ к байтам.

Тут необходимо напомнить, как операции шифра “Кузнечик” оптимизируются чисто алгебраически. Структура шифра такова, что все его преобразования можно предвычислить для значений отдельных байтов и хранить в довольно больших (64K) таблицах (если говорить строго, то это матрицы коэффициентов, но здесь я буду называть их просто таблицами). Аналогичная оптимизация известна для всех AES-подобных шифров.

После того, как таблицы подготовлены и загружены в память – работа алгоритма, реализующего шифр, сводится к выбору элементов из таблицы и сложению этих элементов при помощи операции XOR. То, какой элемент таблицы использовать, определяется значениями текущего байта входного текста, ключа и номером раунда. Элементы в таблицах – 128-битные, совпадающие по длине с блоком. То есть, при должной сноровке, алгоритм становится очень быстрым. Особенно сильно можно ускориться, если использовать регистровую арифметику подходящей разрядности, что я и попытался сделать. Ссылки на полные исходные тексты даны в конце записки. Но, фактически, весь ассемблерный код сводится к фрагменту, представленному на скриншоте (синтаксис у ассемблера Go своеобразный).

Assembly code listing screen copy.

Краткие пояснения к алгоритму (с. 19-33): выполняем сложение блока (PXOR) с ключом текущего раунда, результат помещаем в регистр X0 (так обозначаются 128-битные регистры XMMn); извлекаем младший (под нулевым номером) байт длинного регистра (PEXTRB), умножаем его на 16 (SHLQ) и складываем (ADD) с базовым адресом таблицы (он ранее загружен в регистр DX); полученное смещение (оно находится в регистре AX) теперь указывает на нужный элемент таблицы предвычисленных значений, извлекаем этот элемент и суммируем с предыдущим (PXOR со значением в X2, первый элемент последовательности просто записывается в X2 – с. 25). Написано “в лоб”, нет дополнительных проверок валидности адресов и размеров массивов (предполагается, что эти параметры контролируются снаружи данной процедуры).

Ассемблерный код выполняет только преобразование блока, а вычисление таблиц, разворачивание ключей – всё это осталось в коде на Go.

Итак, новая реализация в несколько раз быстрее предыдущих. Простой тест на процессоре Intel i5-9600K показывает скорость около 180 мегабайт в секунду для зашифрования и около 140 Мбайт/сек для расшифрования (процедура расшифрования существенно отличается от зашифрования, использует дополнительную таблицу, а кроме того, я её совсем не оптимизировал, потому что для основных современных режимов использования блочных шифров процедура расшифрования не нужна). Так или иначе, 180 мегабайт – это неплохой результат. Предыдущая версия, только на Go, но с unsafe-конструкциями, показывает на том же процессоре лишь около 45 Мбайт/сек. На небольших массивах данных – скорость ассемблерной версии ещё заметно возрастает, поскольку процессор эффективно использует кэш-память.

Как я уже не раз упомянул, это ассемблер архитектуры amd64, поэтому на других платформах, например, на различных ARM, данный ассемблерный код использовать не получится. Так что пришлось дополнить модуль “заглушками”, а точнее – реализациями шифра на “чистом Go”. Компилятор Go позволяет прозрачно генерировать межплатформенный код, для этого используются специальные директивы, в данном случае: // +build !amd64. Другими словами, в файле с исходным кодом, предназначенным для всех платформ, кроме amd64, указывается директива “// +build !amd64”, а для amd64 – код выносится в файлы с постфиксом _amd64. (Конкретно: docipher_amd64.go – содержит объявления функций; docipher_amd64.s – код на ассемблере.) Соответственно, данный модуль успешно компилируется на разных платформах, я проверил на ARM. Однако скорость работы на платформах, отличных от amd64, будет ниже на порядки (в сто раз и даже более) – это связано с тем, что используется простая реализация шифра (файл docipher.go). Но amd64 – более чем распространённая архитектура, поэтому новый быстрый шифр может оказаться полезен. (Не исключено, кстати, что возможны весьма экзотические конфигурации, когда платформа amd64 не содержит каких-то “длинных” команд, но это нужно проверять отдельно.)

Нередко спрашивают: как простым способом использовать реализацию шифра для обработки некоторого потока данных? Понятно, что непосредственно шифр применять нельзя, нужна некая обёртка, называемая “режимом использования шифра“. Для упрощения реализации примеров “из жизни” я добавил в модуль пару простых функций, реализующих зашифрование и расшифрование в режиме счётчика (CM_Encrypt(), CM_Decrypt()). Это готовый инструмент для работы с потоком данных: то есть, в качестве аргументов функции передаются вектор инициализации, ключ и слайс (массив) данных; функция возвращает обработанный слайс той же длины. Важное замечание: конкретный вектор инициализации нельзя повторно использовать для зашифрования с одним и тем же ключом; учитывайте и тот факт, что начальное значение увеличивается внутри процедуры на единицу с каждым обработанным блоком (см. исходный код).

В реализации режима счётчика нет аутентификации (это важно!). Для аутентифицированного варианта можно использовать штатный режим GCM из Go-пакета crypto/cipher. В модуле есть нужный интерфейс, поэтому шифр элементарно подключается к GCM. Примеры есть в исходном коде, а краткое описание дано ниже.

Тут необходима ещё одна оговорка: “Кузнечик” не стандартизован для применения в режиме GCM. В российских криптографических ГОСТах пока что вообще нет аналогичного режима (AEAD), но, вероятно, он вскоре появится, и это, конечно, будет не GCM, а вариант разработанного российскими специалистами режима, который сейчас называется MGM (Multilinear Galois Mode).

Логика использования в режиме счётчика:

CM_CipherText := gosthopper.CM_Encrypt(0x1234567, Key, SourceText) 
[...]
CM_PlainText := gosthopper.CM_Decrypt(0x1234567, Key, CM_CipherText)

(Здесь 0x1234567 – это вектор инициализации, начальное значение счётчика, собственно говоря. Данное значение использовано для примера, оно не является секретным, но, повторюсь, нельзя повторно использовать одно значение с тем же ключом. Важно учитывать, что значение счётчика увеличивается с каждым блоком на единицу внутри процедуры, поэтому для нового вызова с тем же ключом – начальное значение тоже должно увеличиться, как минимум, на число_блоков + 1, иначе возникнет повтор. То есть, данные функции являются только демонстраторами общего принципа, а управление инциализацией режима счётчика представляет отдельную задачу.)

Логика в режиме GCM (import “crypto/cipher”; AD – дополнительные данные, которые передаются в открытом виде):

kCipher, err := gosthopper.NewCipher(Key) 
[...]
kuznecGCM, err := cipher.NewGCM(kCipher)
[...]
GCM_sealed := kuznecGCM.Seal(nil, GCM_nonce, PT, AD)
[...]
GCM_opened, err := kuznecGCM.Open(nil, GCM_nonce, GCM_sealed, AD)

Режим GCM в пакете crypto/cipher реализован полностью, но тоже требует инициализации (GCM_nonce). В целом, GCM является более совершенным режимом, чем простой режим счётчика (собственно, GCM – это улучшенная разновидность режима счётчика).

(Обычное напоминание: я, по возможности, всё проверил, но это всего лишь экспериментальная реализация, поэтому какого-то серьёзного исследования кода этого модуля не проводилось, так что там, во-первых, могут быть ошибки; во-вторых – точно нет целого ряда вспомогательных механизмов, обеспечивающих защиту ключей в памяти и т.д., и т.п.)

Исходный код:
основной файл – gosthopper.go;
реализация шифра на ассемблере – docipher_amd64.s;
объявления функций – docipher_amd64.go;
реализация только на Go для платформ, отличных от amd64 – docipher.go.

Всё вместе в одном архиве: gosthopper1.tar.gz.

Подробные примеры использования и тесты: test_gosthopper.go

Пакет называется gosthopper. Для того, чтобы его использовать, нужно тем или иным способом разместить (например, просто скопировать) файлы с исходными кодами в директорию пакетов вашей инсталляции Go. (См. переменную окружения GOPATH.) Файл test_gosthopper.go относится к пакету main, поэтому его лучше собирать в другой директории. Внутри файлов – много дополнительных пояснений (англ.).

Вопросы, пожелания – приветствуются в комментариях или по электронной почте.

()

Похожие записки:



Далее - мнения и дискуссии

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

Написать комментарий

Ваш комментарий:

Введите ключевое слово "1U37F" латиницей СПРАВА НАЛЕВО (<--) без кавычек: (это необходимо для защиты от спама).

Если видите "капчу", то решите её. Это необходимо для отправки комментария ("капча" не применяется для зарегистрированных пользователей). Обычно, комментарии поступают на премодерацию, которая нередко занимает продолжительное время.