Лабораторная работа № 4

Кодирование и декодирование информации

в нейромикропроцессоре NeuroMatrix® NM640Х

Цели работы

• Научиться работать с эмулятором векторных команд, обеспечивающим написание, отладку и получение генерируемого, компилированного и сохраняемого кодов с контролем реальных аппаратных ресурсов и распределения памяти процессора Л1879ВМ1, Л1879ВМ2 (NM6403/6404).

• Научиться шифровать: кодировать и декодировать информацию по ГОСТу 28147-89.

• Применить данный эмулятор векторных команд для шифрования по вышеуказанному ГОСТу.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Описание алгоритма шифрования ГОСТ 28147-89

Шифрование (в режиме простой замены) заключается в многократном повторении основного шага алгоритма.

Основной шаг криптопреобразования по своей сути является оператором, определяющим преобразование 64-битового блока данных. Дополнительным параметром этого оператора является 32-битовый блок, в качестве которого используется какой-либо элемент ключа. Схема алгоритма основного шага приведена на рис. 1. Далее даны пояснения к алгоритму основного шага:

Рис. 1. Схема основного шага криптопреобразования алгоритма ГОСТ 28147-89

Шаг 0. Определяет исходные данные для основного шага криптопреобразования N – преобразуемый 64-битовый блок данных, в ходе выполнения шага его младшая (N2) и старшая (N1) части обрабатываются как отдельные 32-битовые целые числа без знака.

Таким образом, можно записать N=(N1,N2). Х = 32-битовый элемент ключа.

Шаг 1. Сложение с ключом. Старшая половина преобразуемого блока складывается по модулю 2 с используемым на шаге элементом ключа, результат передается на следующий шаг.

Шаг 2. Поблочная замена. 32-битовое значение, полученное на предыдущем шаге, интерпретируется как массив из восьми 4-битовых блоков кода: S-(S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7). Далее значение каждого из восьми блоков заменяется новым, которое выбирается по таблице замен следующим образом: значение блока Si меняется на Si-й по порядку элемент (нумерация с нуля) i-го узла замен (т. е. i-й строки таблиц замен, нумерация также с нуля). Другими словами, в качестве замены для значения блока выбирается элемент из таблицы замен с номером строки, равным номеру заменяемого блока, и номером столбца, равным значению заменяемого блока как 4-битового целого неотрицательного числа.

Шаг 3. Циклический сдвиг на 11 бит влево. Результат предыдущего шага сдвигается циклически на 11 бит в сторону старших разрядов и передается на следующий шаг. На схеме алгоритма символом R обозначена функция циклического сдвига своего аргумента на 11 бит влево, т. е. в сторону старших разрядов.

Шаг 4. Побитовое сложение: значение, полученное на шаге 3, побитно складывается по модулю 2 с младшей половиной преобразуемого блока.

Шаг 5. Сдвиг по цепочке: младшая часть преобразуемого блока сдвигается на место старшей, и на ее место помещается результат выполнения предыдущего шага.

Шаг 6. Полученное значение преобразуемого блока возвращается как результат выполнения алгоритма основного шага криптопреобразования.

Основной шаг, как уже было написано выше, многократно повторяется. В режиме простой замены цикл кодирования можно представить в следующем виде:

К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7,К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0, где Кi – 32-битовый элемент ключа.

Таким образом, цикл кодирования состоит в повторении основного шага 32 раза с разными элементами ключа.

Цикл декодирования является обратным циклу кодирования, то есть последовательное применение этих двух циклов к произвольному блоку должно дать в итоге исходный блок.

В режиме простой замены цикл кодировния можно представить в следующем виде:

К0, К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0, К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0,К7, К6, К5, К4, К3, К2, К1, К0.

а б

Рис. 2: схема цикла зашифрования 32-3; схема цикла зашифрования 32-Р

Пример кодирования

Входные данные:

ENGENEER (45 4E 47 45 4E 45 45 51 h);

INFERNAL (52 4E 46 45 51 4E 41 4C h).

Ключ:

DESERT_STORM (44 45 53 45 52 54 5F 53 54 4F 52 4D h).

Таблица замен

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	13	8	5	10	7	2	11	5	1	15	3	6	14	0	12	9
1	4	7	8	14	0	11	15	1	2	13	12	5	10	9	3	6
2	10	11	14	6	9	13	3	8	7	4	0	1	15	5	2	12
3	15	13	8	7	11	14	12	3	2	10	9	4	6	1	5	0
4	6	14	12	5	10	3	0	11	15	3	4	7	2	9	1	8
5	11	4	6	15	1	13	2	9	14	7	12	0	10	5	8	3
6	8	15	9	6	12	7	3	5	0	2	14	13	4	11	10	1
7	14	9	15	13	8	10	11	12	4	1	5	6	7	3	0	2

Таблица кодов ASCII

65 (41h)	A	75 (4Bh)	K	84 (55h)	U
66 (42h)	B	76 (4Ch)	L	85 (56h)	V
67 (43h)	C	77 (4Dh)	M	86 (57h)	W
68 (44h)	D	78 (4Eh)	N	87 (58h)	X
69 (45h)	E	79 (4Fh)	O	88 (59h)	Y
70 (46h)	F	80 (50h)	P	89 (5Ah)	Z
71 (47h)	G	81 (51h)	Q
72 (48h)	H	81 (52h)	R	32 (20h)	‘ ‘
73 (49h)	I	82 (53h)	S	95 (5Fh)	‘_’
74 (4Ah)	J	83 (54h)	T

1. N1+K1 mod 2

Первое слово:

N1	0100 0101	0100 1110	0100 0111	0100 0101
K1	0100 0100	0100 0101	0101 0011	0100 0101
N1+K1 mod2	0000 0001	0000 1011	0001 0100	0000 0000

Второе слово:

N1	0101 0010	0100 1110	0100 0110	0100 0101
K1	0100 0100	0100 0101	0101 0011	0100 0101
N1+K1 mod2	0001 0110	0000 1011	0001 0101	0000 0000

2. Замена по таблице

Первое слово:

Входное слово	0000 0001	0000 1011	0001 0100	0000 0000
Замена	1101 0111	1010 0100	1110 0001	1000 1110

Второе слово:

Входное слово	0001 0110	0000 1011	0001 0101	0000 0000
Замена	1000 1111	1010 0100	1110 1101	1000 1110

3. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Входное слово	1101 0111	1010 0100	1110 0001	1000 1110
Сдвиг	0010 0111	0000 1100	0111 0110	1011 1101

Второе слово:

Входное слово	1000 1111	1010 0100	1110 1101	1000 1110
Сдвиг	0010 0111	0110 1100	0011 1010	0011 1110

4. S+N2 mod 2

Первое слово:

S	0010 0111	0000 1100	0111 0110	1011 1101
N2	0100 1110	0100 0101	0100 0101	0101 0001
S+N2 mod 2	0110 1001	0100 1001	0011 0011	1110 1100

Второе слово:

S	0010 0111	0110 1100	0011 1010	0011 1110
N2	0101 0001	0100 1110	0100 0001	0100 1100
S+N2 mod 2	0111 0110	0010 0010	0111 1011	0111 0010

5. Вторая итерация

Первое слово N1: 4E 45 45 51

Второе слово N1: 51 4E 41 4C

K2: 52 54 5F 53

6. N1+K1 mod 2

Первое слово:

N1	0100 1110	0100 0101	0100 0101	0101 0001
K1	0101 0010	0101 0100	0101 1111	0101 0011
N1+K1 mod2	0001 1100	0001 0001	0001 1010	0000 0010

Второе слово:

N1	0101 0010	0100 1110	0100 0110	0100 0101
K1	0101 0010	0101 0100	0101 1111	0101 0011
N1+K1 mod2	0000 0000	0001 1010	0001 1001	0001 0110

7. Замена по таблице

Первое слово:

Входное слово	0001 1100	0001 0001	0001 1010	0000 0010
Замена	1000 1010	1011 1101	1110 1100	1000 1111

Второе слово:

Входное слово	0000 0000	0001 1010	0001 1001	0001 0110
Замена	1101 0100	1011 1001	1110 0111	1111 1011

8. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Входное слово	1000 1010	1011 1101	1110 1100	1000 1111
Сдвиг	1110 1111	0110 0100	0111 1100	0010 0101

Второе слово:

Входное слово	1101 0100	1011 1001	1110 0111	1111 1011
Сдвиг	1100 1111	0011 1111	1101 1110	1010 0101

9. S+N2 mod 2

Первое слово:

S	1110 1111	0110 0100	0111 1100	0010 0101
N2	0110 1001	0100 1001	0011 0011	1110 1100
S+N2 mod 2	1000 0110	0010 1101	0100 1111	1100 1001

Второе слово:

S	1100 1111	0011 1111	1101 1110	1010 0101
N2	0111 0110	0010 0010	0111 1011	0111 0010
S+N2 mod 2	1011 1001	0001 1101	1010 0101	1101 0111

10. Третья итерация

Первое слово N1: 69 49 33 EC

N2: 86 2D 4F C9

Второе слово N1: 76 22 7B 72

N2: B9 1D A5 D7

K3: 54 4F 52 4D

11. N1+K1 mod 2

Первое слово:

N1	0110 1001	0100 1001	0011 0011	1110 1100
K1	0101 0100	0100 1111	0101 0010	0100 1101
N1+K1 mod2	0011 1101	0000 0110	0110 0001	1010 0001

Второе слово:

N1	0111 0110	0010 0010	0111 1011	0111 0010
K1	0101 0100	0100 1111	0101 0010	0100 1101
N1+K1 mod2	0010 0010	0110 1101	0010 1001	0011 1111

12. Замена по таблице

Первое слово:

Входное слово	0011 1101	0000 0110	0110 0001	1010 0001
Замена	1010 1001	1010 1100	0000 0100	1110 1001

Второе слово:

Входное слово	0010 0010	0110 1101	0010 1001	0011 1111
Замена	0101 1000	0011 0001	1100 0111	0110 0010

13. Сдвиг на 11 разрядов

Первое слово:

Входное слово	1010 1001	1010 1100	0000 0100	1110 1001
Сдвиг	0110 0000	0010 0111	0100 1101	0100 1101

Второе слово:

Входное слово	0101 1000	0011 0001	1100 0111	0110 0010
Сдвиг	1000 1110	0011 1011	0001 0010	1100 0001

14. S+N2 mod 2

Первое слово:

S	0110 0000	0010 0111	0100 1101	0100 1101
N2	1000 0110	0010 1101	0100 1111	1100 1001
S+N2 mod 2	1110 0110	0000 1010	0000 0010	1000 0100

Второе слово:

S	0101 1000	0011 0001	1100 0111	0110 0010
N2	1011 1001	0001 1101	1010 0101	1101 0111
S+N2 mod 2	1110 0001	0010 1100	0110 0010	1011 0101

Результат: первое слово 86 2D 4F C9 D6 0A 02 84;

второе слово B9 1D A5 D7 71 2C 62 B5.