Скоростное хеширование на базе нового криптографического алгоритма
К сожалению, математики слабо разбираются в тонкостях программирования, они что-то выдумывают, а потом программист должен это реализовать в программном коде. Далеко не всегда возможно реализовать их алгоритмы эффективно.
Особенно явно это проявляется в Российской симметричной криптографии последнего времени, «Стриборг» и «Кузнечик»… Эти алгоритмы реализовать эффективно в программных кодах х86/64 невозможно, нужен специализированный криптопроцессор.
Сделаем все наоборот и посмотрим, что получится.
Программист, знающий как работает современный процессор х86/64, займется разработкой максимально эффективного алгоритма симметричного шифрования, а математики, как в старые добрые времена, пускай занимаются своей основной работой,- криптоанализом получившегося решения.
Помня, что «Лучшее-враг хорошему», возьмем за основу «хорошее» — ГОСТ 28147-89. Затем по врачебному принципу «Не навреди» усилим его методами многопоточных вычислений.
Было сделано следующее:
- Увеличен размер ключа до 256байт.
- Увеличен размер блока данных до 256байт.
- Операция подстановки заменена операцией перестановки.
- В циклическом сдвиге внедрена операция инвертирования групп бит.
- Ввод ключей выполнен в виде перестановки бит.
- Сеть Фейстеля модифицирована в кольцевую сеть из восьми сегментов.
- Используется режим гаммирования с обратной связью, в два прохода по шифруемым данным.
- Проходы производятся с разными перестановками и кольцевыми сдвигами он с одинаковыми ключами.
- Перед шифрацией из шифруемого текста удаляется избыточность с помощью компрессора.
Тестовая реализация
Алгоритм реализован, и первое что тестируется, это его статистические параметры при генерации псевдослучайной последовательности (компрессор отключен), вот как они выглядит:
Это типичный результат тестов NIST нового криптопреобразования. Результаты тестов на любых случайных ключах и первоначальных заполнениях всегда укладываются в статистические параметры случайной последовательности.
Полученные в экспериментах по нормам 8 байтного блочного шифра статистические параметры для блочного шифра с размером блока 256 байт это фантастика.
Это все равно что, к примеру, подбросив монетку 12 раз и получив равное выпадение «орла» и «орешки», требовать, чтобы кубик, тоже брошенный 12 раз, выпал на каждую грань обязательно по два раза…
Такое теоретически возможно только при очень высокой дифференциальной энтропии между смежными блоками и характеризует уровень сложности блочного шифра.
Эти параметры гаммы получены при одном раунде преобразования. Алгоритм имеет особенность,- скорость гаммирования зависит от производительности оперативной памяти и кеша, а не от быстродействия процессора.
Русская Рулетка, 2018 и его применение
В последнее время криптографические алгоритмы у нас стали получать звучные названия, типа «Магма», «Кузнечик», «Стрибог», продолжим эту традицию.
Будем называть этот блочный шифр «Русская рулетка» или сокращенно РУ2, в честь первого чисто русского генератора случайных бинарных последовательностей,- вращающегося барабана револьвера…
Ну и кроме того, криптопреобразование построено на вращениях (кольцевых сдвигах) бинарных последовательностей. Таких сдвигов там только в явном виде 192 штуки за один раунд.
Так что прямая аналогия с барабаном револьвера очевидна.
Ранее, при внедрении параллельного метода реализации ГОСТ 28147-89 на XMM/YMM регистрах пришлось его полностью описать, поскольку он проходил официальную сертификацию ФСБ.
Сейчас ситу��ция другая, никакого официоза не предполагается. Поэтому подробного описания алгоритма «Русская рулетка» не будет, это своеобразная копирайт защита. Короче говоря, алгоритм «Русской Рулетки» пока будет проприетарным и соответственно его полное обозначение Русская Рулетка, 2018 или сокращенно РУ2.
Закрытый от исследования алгоритм шифрования,- это конечно нонсенс, поскольку отсутствует доверие к надежности шифрования.
Но ничто не мешает использовать алгоритм РУ2 для конвертации шифруемого текста в последовательность удовлетворяющей требованиям псевдослучайности.
Затем полученную псевдослучайную последовательность можно шифровать известными и «надежными» алгоритмами, собственно так и построены все серьезные криптографические систем.
Пока же «Русская Рулетка» используется для скоростного хеширования с произвольным размером результата хеш-функции. Это важно в задачах резервного копирования и контроля целостности.
Стандартное гаммирование с обратной связью превращается в Хэш-функцию если провести второй проход по зашифрованным данным. Именно так изначально реализован алгоритм РУ2.
Двойное гаммирование с обратной связью не рассматривалось ранее как вариант реализации хеш-функции видимо из-за низкой скорости работы, хотя обладает более надежными параметрами свертки. Это касается в первую очередь лавинного эффекта, он действует не только на последующие раунды свертки, но и на предыдущие.
Причем полученные характеристики хэш-функции надежно проверяются статистическими тестами, ведь весь полученный шифротекст, являющийся надежной псевдослучайной гаммой, становится хэшем.
Из этой гаммы можно вырезать произвольные куски для хранения значения хэш-функции. Сейчас используется блок размером 1024Байт, это гораздо надежнее чем блок из 64Байт в самом «продвинутом» стандарте SHA3-512.
Хеширование РУ2 защищает данные от просмотра/модификации, но пока криптографы не убедились в стойкости алгоритма будем его считать парольной защитой данных для ограничения доступа.
Практическая реализация РУ2
Алгоритм «Русская рулетка» встроен в криминалистический дубликатор HDD и SDD дисков. Алгоритм используется там для создания дифференциальных бэкапов, контроля целостности, ограничения доступа на основе пароля и сжатия информации.
О компрессоре для удаления избыточности уже писалось ранее в статье «Новый алгоритм скоростной компрессии данных», хеширование используется для подтверждения целостности скопированных данных, а в случае ввода пароля еще и для «парольной защиты» полученных дампов от просмотра/модификации.
Вот скоростные характеристики РУ2 полученные в реальной работе по созданию дифференциального бэкапа:
Скорость копирования ограничена параметрами устройства чтения, большую скорость чтения SSD диск подключенный через мост USB 3.0-SATA обеспечить не может.
На скорости входного потока 360МегаБайт/сек. алгоритм РУ2 грузит процессор всего на 5% при сниженной частоте работы 1.4ГигаГерца. При этом обеспечивается сжатие информации, ее хеширование и шифрация (парольная защита) дампа.
Традиционные системы хеширования такую производительность обеспечить не могут. Для сравнения, вот как работает система хеширования встроенная в «Акронис» при создании дифференциального бэкапа того же диска:
Процессор хеширует входной поток данных со скоростью 340МегаБайт/сек., работает при этом на частоте 3.8ГигаГерца и загружен на 28%.
Если пересчитать полученные результаты в предельные параметры для двухядерного процессора работающего на частоте 3.8ГигаГерца, то система хеширования «Акрониса» может обеспечить пропускную способность в 1.4ГигаБайт/сек.
Гораздо более загруженный задачами (хеширование+сжатие+«парольная защита») алгоритм «Русской Рулетки» обеспечивает скорость 21ГигаБайт/сек.
Другими словами, хеширование РУ2 работает на порядок быстрее чем стандартное хеширование реализованное в «Акронисе».
Кроме того, «Русская Рулетка» обеспечивает скорость генерации псевдослучайных чисел на уровне 12 ГигаБайт в секунду. Это самый скоростной генератор псевдослучайных последовательностей из известных, удовлетворяющий требованиям официальных тестов NIST.
Генерация случайных чисел, хеширование, парольная защита, пока этого для «Русской Рулетки» хватит.
«…Ну а криптография?, — а криптография потом….».
