В данной лабораторной работе вам предложено разработать аппаратный ускоритель шифрования ГОСТ 34.12-2015 "Кузнечик".

Ниже дано описание алгоритма шифрования. С более полным описанием, содержащим сопутствующую матчасть можно ознакомиться здесь. Отмечу только, что я постарался выкинуть всю сложную математику, чтобы не грузить лишней информацией, которая не потребуется при выполнении лабораторной работы. Помимо прочего, можно ознакомиться с самим ГОСТом, в конце которого приведены тестовые варианты шифрования, которые можно использовать для проверки корректности работы своего модуля.

Все связанные с безопасностью операции внутри страны требуется защищать посредством данного криптоалгоритма.

Процесс шифрования данных состоит из 10 раундов девять из которых можно разделить на три этапа:

• Этап наложения ключа на шифруемые данные — это пример древнейшего способа шифровать данные — всякие алгоритмы Цезаря (немного не то, но примерно из той же оперы). Проблема в том, что если остановиться на этом этапе, то при условии владения зашифрованным и расшифрованным сообщением, можно с лёгкостью получить ключ шифрования (поскольку этап наложения ключа, это операция XOR с входными данными, чтобы получить ключ достаточно сделать XOR шифрованных и расшифрованных данных).
• Этап нелинейного преобразования. Нелинейное преобразование, в отличии от предыдущего этапа необратимо — если сделать (a xor b) xor b (повторить наложение ключа на зашифрованное предыдущим этапом сообщение), мы получим исходное сообщение (именно поэтому, (a xor b) xor a и даст ключ шифрования). Повторение нелинейного преобразования не даст сообщение с предыдущего этапа. Именно поэтому способ нелинейного преобразования — самая важная часть криптоалгоритма (и именно поэтому у зарубежных коллег есть определенные вопросы к разработчикам Кузнечика).
• Этап линейного преобразования. Если честно, моих знаний не хватает, чтобы объяснить на пальцах зачем оно, в моем понимании это дальнейшее закрепление нелинейного преобразования путём полного перемешивания байт, что затруднит линейный анализ зашифрованных данных.

Десятый раунд состоит только из этапа наложения ключа. Каждый раунд принимает полученные данные из предыдущего в качестве входных и берет новый ключ.

Представим, что необходимо обеспечить полную безопасность системы и шифровать весь входящий и исходящий трафик. Говорят, что на 64-битной машине под линуксом, программное шифрование на си может достичь скорости шифрования в 130 МБайт/с. Не знаю на каком железе под какой загрузкой ЦП обеспечена эта скорость, зато могу привести "на вскидку" минимальное количество инструкций процессора, требующееся для выполнения шифрования одного 16-байтного блока по алгоритму, реализованному в скрипте, лежащем рядом:

• 1 такт на XOR
• 1 такт на вычисление условия выхода из цикла раундов
• 1 такт на нелинейное преобразование через таблицу.
• 13 умножений + 16 xor-ов, + 1 сдвиг = 30 операций за одну стадию 16-стадийного линейного преобразования.

Умножаем полученные операции на 9 полных раундов: 33*9 = 300.

На самом деле, поскольку мы работаем со 128-битными данными, даже для 64-битного процессора без поддержки векторных операций придётся тратить гораздо больше тактов на выполнение этих операций. Кроме того я опустил несколько потенциальных условий, проигнорировал любую работу с оперативной памятью (а её тут очень много), поэтому этот результат можно смело умножать на 4 и все равно дать крайне заниженную оценку на количество этих инструкций для шифрования.

Устройство, которое вы реализуете в рамках этой лабораторной работы будет требовать:

• 1 такт на XOR
• 1 такт на нелинейное преобразование
• 16 тактов на линейное преобразование

Итого: 18*9 = 162 такта. Сюда надо конечно добавить несколько тактов на загрузку и выгрузку данных. Однако, стоит отметить, что ценой дополнительных ресурсов (в частности нескольких блоков BRAM, представленных на ПЛИС) можно выполнять линейное преобразование за 1 такт, на порядки ускорив работу устройства (дальнейшая его конвейеризация сделает шифрование практически мгновенным, сделав те самые такты на загрузку и выгрузку данных из памяти, которыми я пренебрёг в оценке скорости, бутылочным горлышком системы).

В целом, любой аппаратный ускоритель решает именно такую задачу: колоссально разгружает ресурсы центрального процессора на какую-то специфичную задачу. Кроме того, такой аппаратный блок можно установить на сетевой интерфейс. В таком случае, система будет работать с нешифрованными данными, а обмен с внешним миром будет происходить исключительно в зашифрованном на сетевом интерфейсе виде. (На самом деле такие блоки есть на любых сетевых интерфейсах, потому что большая часть информации передаётся именно в зашифрованном виде).