ПСЕВДОСЛУЧАЙНАЯ ФУНКЦИЯ PCOLLAPSER, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ ПАРАЛЛЕЛИЗМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

С. В. Поликарпов; В.А. Прудников; А. А. Кожевников; К. Е. Румянцев

С. В. Поликарпов Южный Федеральный Университет
В.А. Прудников Южный Федеральный Университет
А. А. Кожевников Южный Федеральный Университет
К. Е. Румянцев Южный Федеральный Университет

Ключевые слова: Псевдослучайные функции, легковесная криптография, псевдо-динамические подстановки

Аннотация

Для решения проблемы удовлетворения требований к псевдо-случайным функциям для легковесной электроники, среди которых, помимо обеспечения математической стойко-сти, является обеспечение нескольких взаимоисключающих свойств – максимизация скоро-сти обработки информации, минимизация затрачиваемых вычислительных ресурсов и ми-нимизация задержки при обработки информации, предлагается применение вместо фикси-рованных подстановок нового элемента – псевдо-динамических подстановок PD-sbox. На-личие дополнительного управляющего входа в PD-sbox затрудняет прямую замену фикси-рованных подстановок в структурах на основе SP-сетей. Проанализированы и предъявлены требования к псевдо-случайным функциям для легковесной электроники с учётом особен-ностей PD-sbox. Определены основные недостатки известной псевдо-случайной функции на основе PD-sbox – Collapser. По результатам научных изысканий предложена итераци-онная псевдо-случайная функция pCollapser, каждый раунд которой содержит слой из па-раллельно включенных PD-sbox и слои дополнительных простых линейных перемешивающих функций для обработки состояний PD-sbox. Эффектом от применения слоя из параллельно включенных PD-sbox, состоящих в свою очередь из параллельного набора фиксированных подстановок, является обеспечение экстремального параллелизма обработки информации. Тестовая 4 раундовая аппаратная реализация pCollapser для 64 битного входного блока информации позволяет за один раунд (такт) обрабатывать массив из 64 фиксированных подстановок, что в 6 раз больше аналогов, построенных на базе SP-сети (например, алго-ритма PRESENT). Результатом является кардинальное (в 6 раз) снижение критического пути прохождения сигнала.

Литература

1. Biryukov A., Perrin L. State of the Art in Lightweight Symmetric Cryptography, IACR Cryp-tology ePrint Archive, 2017, Vol. 2017, pp. 511.
2. Zhukov A.E. Legkovesnaya kriptografiya [Lightweight cryptography]. Part 1, Voprosy kiberbezopasnosti [Cybersecurity issues], 2015, Vol. 9, No. 1, pp. 26-43.
3. Zhukov A.E. Legkovesnaya kriptografiya [Lightweight cryptography]. Part 2, Voprosy kiberbezopasnosti [Cybersecurity issues], 2015, Vol. 10, No. 2, pp. 2-10.
4. GOST R 34.12–2015. Informatsionnaya tekhnologiya. Kriptograficheskaya zashchita informatsii. Blochnye shifry [GOST R 34.12-2015. Information technology. Cryptographic protection of information. Block cipher]. Moscow: Standartinform, 2016, pp. 15. Available at: https://tc26.ru.
5. Poschmann A., Ling S., Wang H. 256 Bit Standardized Crypto for 650 GE – GOST Revisited, CHES, 2010.
6. ISO/IEC 29192-2:2012. Information technology – Security techniques – Lightweight cryptog-raphy. Part 2: Block ciphers, 2012, pp. 41. Available at: https://www.iso.org/standards-catalogue.
7. NIST Issues First Call for ‘Lightweight Cry togra hy’ to Protect Small Electronics, 2018. Available at: https://www.nist.gov.
8. Preneel B. [and other]. Final report of European project number IST-1999-12324, named New European Schemes for Signatures, Integrity, and Encryption. Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest: Springer-Verlag, 2004.
9. Polikarpov S.V., Rumyantsev K.E., Kozhevnikov A.A. Psevdo-dinamicheskie tablitsy podstanovki: osnova sovremennykh simmetrichnykh kriptoalgoritmov [Pseudo-dynamic sub-stitution tables: the basis of modern symmetric crypto-algorithms], Nauchnoe obozrenie [Sci-entific review], 2014, No. 12, pp. 162-166. Available at: http://www.sced.ru/ru/files/7_ 12_1_2014/7_12_1_2014.pdf.
10. Ahmad M., Khan P.M., Ansari M.Z. A Simple and Efficient Key-Dependent S-Box Design Using Fisher-Yates Shuffle Technique // Recent Trends in Computer Networks and Distribut-ed Systems Security - Second International Conference, SNDS 2014, Trivandrum, India, March 13-14, 2014, Proceedings. – 2014. – P. 540-550. – DOI: 10.1007/978- 3- 642- 54525- 2_48. – URL: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-54525-2_48.
11. Pradeep L.N., Bhattacharjya A. Random Key and Key Dependent S-box Generation for AES Cipher to Overcome Known Attacks, Security in Computing and Communications - Interna-tional Symposium, SSCC 2013, Mysore, India, August 22-24, 2013. Proceedings, 2013, pp. 63-69. – DOI: 10.1007/978-3-642-40576-1_7. Available at: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-40576-1_7.
12. Hosseinkhani R. [and other]. Using Cipher Key to Generate Dynamic S-Box in AES Cipher System, 2012.
13. Schneier B. Description of a New Variable-Length Key, 64-bit Block Cipher (Blowfish), Fast Software Encryption, Cambridge Security Workshop. London, UK, UK: Springer-Verlag, 1994, pp. 191-204. – ISBN 3-540-58108-1. Available at: http://dl.acm.org/ cita-tion.cfm?id=647930.740558.
14. Polikarpov S.V., Rumyantsev K.E., Kozhevnikov A.A. Issledovanie lineynykh kharakteristik psevdo-dinamicheskikh podstanovok [The study of the linear characteristics of the pseudo-dynamic lookup], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Scienc-es], 2015, No. 5 (166), pp. 111-123.
15. Polikarpov S.V., Kozhevnikov A.A. Psevdo-dinamicheskie podstanovki: issledovanie lineynykh svoystv [Pseudo-dynamic substitutions: a study of linear properties], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 8 (169), pp. 19-31.
16. Polikarpov S., Petrov D., Kozhevnikov A. On A Class Pseudo-Dynamic Substitutions PD-Sbox, With A Perfect Averaged Distribution of Differentials in Static Mode of Work, Pro-ceedings of the 2017 International Conference on Cryptography, Security and Privacy. Wu-han, China: ACM, 2017, pp. 17-21. (ICCSP 17). ISBN 978-1-4503-4867-6. DOI: 10.1145/3058060.3058087. Available at: http://doi.acm.org/10.1145/3058060.3058087.
17. Kozhevnikov A.A., Polikarpov S.V., Rumyantsev K.E. On differential properties of a symmetric cryptoalgorithm based on pseudo-dynamic substitutions, Matematicheskie voprosy kriptografii [Mathematical questions of cryptography], 2016, Vol. 7:2, pp. 91-102. Available at: https://doi.org/10.4213/mvk186.
18. Bogdanov A. et al. PRESENT: An ultra-lightweight block cipher, in Cryptographic Hardware and Embedded Systems (Lecture Notes in Computer Science), Vol. 4727. Berlin, Germany: Springer, 2007, pp. 450-466.
19. Tay J.J. [and other]. Compact FPGA implementation of PRESENT with Boolean S-Box, 2015 6th Asia Symposium on Quality Electronic Design (ASQED), 08.2015, pp. 144-148. DOI: 10.1109/ACQED.2015.7274024.
20. Filiol E., Istomin A.A., Cédric D. «Kuznechi » – optimizirovannye vnedreniya na PLIS i mikrokontrollerakh i ikh soprotivlenie analizu DPA ["Grasshopper" - optimized implementations on FPGAs and microcontrollers and their resistance to DPA analysis], XXI nauchno-prakticheskaya konferentsiya «RusKripto’2019» [XXI scientific-practical conference "RusCrypto'2019"], 2019. Avail-able at: https://www.ruscrypto.ru/resource/archive/rc2019/files/ 02_Istomin_Filiol_Delaunay.pdf.