Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СИММЕТРИЧНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОЙ ПОДПИСИ НА БАЗЕ АЛГОРИТМА ШИФРОВАНИЯ «КУЗНЕЧИК»

Бабенко Л.К. 1 Санчес Россель Х.А. 1
1 ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»
Настоящая статья посвящена разработке и реализации симметричной схемы цифровой подписи на базе блочного алгоритма шифрования «Кузнечик». Первыми на возможность создания симметричной схемы ЭЦП указали исследователи Диффи и Хеллман, однако в то время, когда они разрабатывали свою схему подписи, не было достаточно стойких классических алгоритмов шифрования, поэтому их идея не получила большого распространения. В работе описан новый российский стандарт шифрования ГОСТ Р 34.10-2012, описаны алгоритмы реализации цифровой подписи, основанные на схеме Диффи и Хеллмана с модификацией битовых групп, предложенной Б.В. Березиным и П.В. Дорошкевичем, которая позволяет обойти ряд классических недостатков подобных схем цифровой подписи. Приведена информация о технических параметрах реализации предлагаемой схемы цифровой подписи.
криптография
цифровая подпись
симметричное шифрование
Кузнечик
блочный шифр
1. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи. ГОСТ Р 34.10-2012. – М.: Стандартинформ, 2012. – 33 с.
2. Бабенко Л.К., Санчес Россель Х.А. Анализ новых российских криптографических алгоритмов с целью их интеграции в инфокоммуникационные структуры Боливарианской Республики Венесуэла // Информатизация и связь. – 2016. – № 2. – С. 117–120.
3. Diffie W., Hellman M.E. New Directions in cryptography// IEEE Trans. Inform. Theory, IT-22, vol 6 (Nov. 1976). – Р. 644–654.
4. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. ГОСТ 28147-89. – М.: Госстандарт СССР, 1989. – 28 с.
5. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры. ГОСТ Р 34.12–2015. – М.: Стандартинформ, 2015. – 25 с.
6. Sanchez Rossel Jose Agustin. Analysis of public encryption standard russian gost 28147-89 with a view to its integration in information and communication patterns of the Bolivarian Republic of Venezuela // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 9(40), ч. 2. – С. 86–88.
7. Бабенко Л.К., Ищукова Е.А., Ломов И.С. Математическое моделирование криптографического алгоритма «Кузнечик» // Информационное противодействие угрозам терроризма. – 2015. – № 24. – С. 166–176.
8. Санчес Россель Хосе Агустин. Исследование нового российского алгоритма криптографических преобразований «Кузнечик» // Теоретические и практические проблемы развития современной науки сборник материалов IX Международной научно-практической конференции. – 2015. – С. 33–35.
9. Березин Б.В., Дорошкевич П.В. Цифровая подпись на основе традиционной криптографии // Защита информации. – М.: МП «Ирбис-II»,1992. – вып. 2. – С. 93–98.

В настоящее время повсеместно используются асимметричные схемы цифровой подписи. В Российской Федерации действующим стандартом такой цифровой подписи является ГОСТ Р 34.10-2012 [1].

Как показали предыдущие исследования [2], ассиметричные схемы являются достаточно криптостойкими, однако, нет гарантий, что в будущем такие ЭЦП не будут взломаны, так как нет теоретического доказательства того, что задачи дискретного логарифмирования в группе точек эллиптической кривой, на которых они базируются, не могут быть решены.

Таким образом, перспективным направлением представляется работа над созданием и исследованием симметричных схем цифровой подписи, использующих «классические» блочные шифры в своей основе.

Первыми на возможность создания симметричной схемы ЭЦП указали исследователи Диффи и Хеллман [3], однако в то время, когда они занимались этим вопросом, не было достаточно стойких классических алгоритмов шифрования, поэтому их идея не получила большого распространения. Сегодня же существует достаточное количество блочных шифров, обладающих высокой криптостойкостью [4–6]. В частности, в июне 2015 г. в РФ утвержден новый стандарт в области криптозащиты ГОСТ Р 34.12-2015, который описывает шифр «Кузнечик», представляющий собой sp-сеть [7, 8].

Согласно ГОСТ Р 34.12-2015 128-битный блок информации на входе шифруется следующим образом:

bab02.wmf. (1)

Для дешифрования используются те же преобразования, которые применяют в обратном порядке:

bab03.wmf. (2)

Схема цифровой подписи Диффи и Хеллмана в своей основе содержит три алгоритма:

1. Алгоритм G выработки ключевой пары:

bab04.wmf (3)

2. Алгоритм S выработки цифровой подписи для бита t (t∈0, 1}):

bab05.wmf (4)

3. Алгоритм V проверки подписи для нашего t:

bab06.wmf. (5)

где KC – ключ для проверки, который вычисляется по формуле (6) в виде результата двух процедур шифрования по алгоритму Ek:

bab07.wmf (6)

где bab08.wmf bab09.wmf, блоки X0 и X1 известны всем участникам обмена информацией.

Помимо отсутствия надежного шифра распространению схемы Диффи и Хеллмана помешал ряд существенных недостатков, которыми эта схема обладала, среди которых можно выделить то, что алгоритм ЭЦП поддерживает возможность подписи только одного бита, а также в процессе подписи рассекречивается половина ключа.

baben1.tif

Рис. 1. Алгоритм получения ключа проверки ЭЦП

baben2.tif

Рис. 2. Алгоритм подписи хэш-кода массива данных

baben3.tif

Рис. 3. Алгоритм проверки подписи хэш-блока

Для преодоления этих недостатков предлагается использовать модификацию битовых групп, предложенную Б.В. Березиным и П.В. Дорошкевичем [9].

Модифицирование заключается в подписи целых наборов бит и осуществляется следующим образом: пусть n ≤ nk и расширение n в nK-битовые блоки осуществляется процедурой bab10.wmf bab11.wmf bab12.wmf, тогда функция «односторонней криптографической прокрутки» блока T размером n бит k раз определяется рекурсивной функцией

bab13.wmf (7)

где X – случайный n-битовый блок информации.

Функция осуществляет k раз процедуры:

1) расширение n блока T до размерности nk,

2) на полученном T зашифровать блок информации X,

3) результат второго пункта внести T.

Ниже приведены алгоритмы симметричной схемы цифровой подписи, использующей в качестве алгоритма шифрования блочный шифр «Кузнечик».

Ключ формируется с помощью генератора псевдослучайных кодов.

Схемы алгоритмов цифровой подписи представлены на рис. 1–3.

Данная схема была реализована программным путем на языке высокого уровня С++ (рис. 4).

baben4.tif

Рис. 4. Программная реализация, где: n_T – длина подблока; L – фактор подписи; i – входной параметр

Для реализации использовались библиотеки libgcc_s_dw2-1.dll, libstdc++-6.dll, libwinpthread-1.dll, Qt5Cored.dll, Qt5Guid.dll, Qt5Widgetsd.dll. В рамках программы использованы расширения стандартных unit64_t до 128 и 256 бит. Сборка программы осуществлялась с библиотеками Qt 5.7.0 под компилятор «MinGW». Для генерации ключа использовался криптостойкий генератор, интегрированный в программу.

Так, например, при параметрах n_T = 2, L = 1, I = 1 время проверки подписи на тестовом стенде (таблица) занимает 1018 миллисекунд.

Характеристики тестового стенда

Материнская плата

Supermicro, X9DR3-F, Версия BIOS American Megatrends Inc. 1.1, 03.10.2012

Процессор

AMD A10-5750M APU with Radeon(tm) HD Graphics 2.50 GHz

ОЗУ

8 Гб

Жесткий диск

256 Gb SSD

ОС

Windows 8

 

Таким образом, данная схема имеет следующие достоинства:

1. Механизмы выработки, получения и проверки ключей и подписи работоспособны и достаточно просты.

2. Для подписи бита t необходимо по отношению к s решить ES(Xt) = Ct, т.е. это невозможно, если неизвестен ключ.

3. Так как алгоритм криптостойкий и bab14.wmf, поэтому подобрать подходящий к подписи t не представляется возможным.

4. Только стойкость шифра оказывает влияние на ЭЦП.

Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки № 2.6264.2017/8.9.


Библиографическая ссылка

Бабенко Л.К., Санчес Россель Х.А. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СИММЕТРИЧНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОЙ ПОДПИСИ НА БАЗЕ АЛГОРИТМА ШИФРОВАНИЯ «КУЗНЕЧИК» // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 11-1. – С. 20-23;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41891 (дата обращения: 28.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074