АППАРАТУРНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ АЛГОРИТМ КВАТЕРНИОННОЙ КРИПТОСИСТЕМЫ

К.С. Кузнецова; Е.И. Духнич

К.С. Кузнецова ФГБОУ ВО «Государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф. Ушакова»
Е.И. Духнич ФГБОУ ВО «Государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Ключевые слова: Шифрование, криптосистема, алгоритм, кватернион, аппаратная реализация

Аннотация

Необходимость защиты информации, представленной в электронном виде, обуслов-лена процессом глобальной компьютеризации. Самым распространенным способом защи-ты информации является применение криптографических методов, а именно - алгоритмов шифрования данных. В данный момент в развитии информационных технологий акцент ставится на увеличение вычислительной мощности компьютеров, что пагубно отразится на криптографической стойкости большинства существующих алгоритмов защиты ин-формации - этим и обусловлена непрерывная деятельность в сфере создания и улучшения криптографических систем. В связи с тем, что аппаратная реализация криптографиче-ского алгоритма гарантирует его целостность, а также позволяет значительно увели-чить скорость обработки данных, целью работы являлась разработка алгоритма, ориен-тированного на такую реализацию. Анализ показывает, что перспективными в этом на-правлении являются блочные шифры с матричным умножением. Поэтому в качестве ис-ходного алгоритма был взят матричный кватернионный шифр R4, так как в основе его процесса шифрования лежит матричное умножение, что обеспечивает простоту реали-зации и высокую производительность. Также данный алгоритм был выбран по причине того, что для создания матриц-ключей в нем используются кватернионы, позволяющие без заметных затрат генерировать прямые и обратные матрицы, что снижает количество необходимых вычислительных операций для шифрации и дешифрации, так как данный криптографический алгоритм является симметричным. Исследование было нацелено на поиск матрицы такого вида, при котором в шифровании и дешифровании будут приме-няться исключительно операции сложения и сдвига. В статье описан полученный алго-ритм HW-R4, принципы его аппаратной реализации, а также приводится его сравнение с существующими матричными кватернионными алгоритмами по характеристикам нерегу-лярных отклонений, коэффициента корреляции, а также по наглядному представлению зашифрованных изображений и графиков функции. Дальнейшее развитие алгоритма воз-можно в его непосредственной аппаратной реализации, например, при помощи использова-ния программируемой логической интегральной схемы.

Литература

1. Safin I.R., Strel'tsov V.A. Issledovanie sovremennoy kriptografii v bytu i v professii [Research of modern cryptography at home and in the profession], Ustoychivoe razvitie nauki i obrazovaniya [Sustainable development of science and education], 2017, No. 8, pp. 172-175.
2. Bakulin V.M., Es'kin D.L. Zashchita informatsii v lokal'nykh vychislitel'nykh setyakh: osnovnye ugrozy i sovremennye programmnye sredstva zashchity informatsii [Protection of information in local computer networks: the main threats and modern software for information protection], Uchenye trudy Almatinskoy akademii MVD Respubliki Kazakhstan [Scientific works of Almaty Academy of the Ministry of internal Affairs of Kazakhstan], 2014, No. 3 (40), pp. 101-104.
3. Ivanov M.Yu. Sovremennye informatsionnye tekhnologii kriptograficheskoy zashchity [Mod-ern information technologies of cryptographic protection], Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2015, No. 3 (27), pp. 73-78.
4. Dushkin R.V. Kvantovoe prevoskhodstvo. CHto ozhidaet tsivilizatsiyu posle poyavleniya universal'nogo kvantovogo komp'yutera [Quantum supremacy. What awaits civilization after the emergence of a universal quantum computer], Ekonomicheskie strategii [Economic strate-gies], 2018, Vol. 20, No. 2 (152), pp. 122-129.
5. Doronin V.A., Ionov A.V., Kapranov I.V. i dr. Problemy i budushchee assimetrichnoy kriptografii v aspekte stremitel'nogo razvitiya vysokoproizvoditel'nykh vychislitel'nykh sistem [Problems and future of asymmetric cryptography in the aspect of rapid development of high-performance computing systems], Sotsial'no-ekonomicheskie problemy razvitiya munitsipal'nykh obrazovaniy: Materialy i doklady XXIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Socio-economic problems of development of municipalities: Mate-rials and reports of the XXIII International scientific and practical conference]. Knyaginino, 2018, pp. 198-199.
6. Khorev P.B. Novye Rossiyskie standarty simmetrichnogo shifrovaniya i voprosy ikh realizatsii [New Russian standards of symmetric encryption and issues of their implementation], Informatsionnye tekhnologii. Radioelektronika. Telekommunikatsii [Information technologies. Radionics. Telecommunications], 2016, No. 6-2, pp. 317-323.
7. Moldovyan N.A., Al'-Rakhmi R.Ya. Sintez blochnykh shifrov na osnove operatsiy matrichnogo umnozheniya [Synthesis of block ciphers based on matrix multiplication operations], Voprosy zashchity informatsii [Information security issues], 2011, No. 2, pp. 2-8.
8. Butakova N.G., Fedorov N.V. Kriptograficheskie metody i sredstva zashchity informatsii: ucheb. posobie [Cryptographic methods and means of information security: tutorial]. Saint Pe-tersburg: Intermediya, 2017, 384 p. Available at: http://www.iprbookshop.ru/66791.html. EBS «IPRbooks».
9. Bol'shakov I.Yu., Galanina N.A. Shifr Khilla [Cipher Khill], Informatika i vychislitel'naya tekhnika: Sb. nauchnykh trudov [Collection of scientific papers]. Cheboksary, 2016, pp. 39-41.
10. Ataka na osnove otkrytykh tekstov [Open text attack], Vikipediya [Wikipedia]. [2018–2018]. Date of update: 06 September 2018. Available at: https://ru.wikipedia.org/?oldid=94917933 (accessed 06 September 2018).
11. Nagase T., Koide R., Araki T., Hasegawa Y. A new quadripartite public-key cryptosystem, International Symposium on Communications and Information Technologies 2004 (ISCIT 2004), 2004, pp. 74-79.
12. Nagase T., Koide R., Araki T., Hasegawa Y. Dispersion of sequences for generating a robust enciphering system, Computer and Information Theory, 2005, Vol. 1, No. 1, pp. 9-14.
13. Doukhnitch E., Chefranov A., Mahmoud A. Encryption Schemes with Hyper-Complex Number Systems and their Hardware-Oriented Implementation, Theory and Practice of Cryptography Solutions for Secure Information Systems, 2013, pp. 110-133.
14. Doukhnitch E., Chefranov A., Mahmoud A. Encryption Schemes with Hyper-Complex Number Systems and their Hardware-Oriented Implementation, Theory and Practice of Cryptography Solutions for Secure Information Systems, 2013, pp. 110-133.
15. Kuznetsova K.S., Dukhnich E.I. Povyshenie skorosti shifrovaniya v kvaternionnykh kriptosistemakh [Increase speed of quaternion encryption in the public key cryptosystems], Vestnik GMU im. Admirala F.F. Ushakova [Vestnik LGU im. The Admiral of the Admiral Ushakov], 2017, No. 3 (20), pp. 52-58.
16. Dzwonkowski M., Rykaczewski R. A new quaternion encryption scheme for image transmis-sion, Conf. proceeding of ICT YOUNG 2012, 2012, pp. 21-27.
17. Dzwonkowski M., Rykaczewski R. Quaternion Feistel Cipher with an Infinite Key Space Based on Quaternion Julia Sets, Journal of Telecommunications and information Technology, 2014, No. 4, pp. 5-21.
18. Dzwonkowski M., Papaj M., Rykaczewski R. A New Quaternion-Based Encryption Method for DICOM Images, IEEE Trans. on Image Process, 2015, No. 24 (11), pp. 4614-4622.
19. Nabebin A.A. Modulyarnaya arifmetika i kriptografiya [Modular arithmetic and cryptography]. Moscow: MEI, 2007, 201 p.
20. Sastry V.U.K. and Kumar K.A. A modified Feistel cipher involving modular arithmetic addi-tion and modular arithmetic inverse of a key matrix, Int. J. Adv. Comput. Sci. Appl., 2012, Vol. 3, No. 7, pp. 40-43.
21. Generator psevdosluchaynykh chisel [Pseudorandom number generator], Vikipediya [Wikipe-dia]. [2018–2018]. Date of update: 22 October 2018. Available at: https://ru.wikipedia.org/ ?oldid=95754245 (data obrashcheniya: 22 October 2018).
22. Koreneva A.M., Fomichev V.M. Ob odnom obobshchenii blochnykh shifrov feystelya [On a generalization of Feistel block ciphers], Prikladnaya diskretnaya matematika [Applied discrete mathematics], 2012, No. 3 (17), pp. 34-40.