Шифрование и расшифровка данных

Материал из MIK32 микроконтроллер

В примере будет зашифрованы и расшифрованы данные алгоритмом кузнечик. Данный процесс будет рассмотрен с различными режимами шифрования. Шифрования для алгоритмов «Магма» и AES128 полностью аналогичны, за исключением разрядности обрабатываемых данных.

Работа с конфигуратором (В разработке)

Для начала настроем в конфигураторе тактирование mik32, например, от внешнего кварца 32МГц. Затем настроем делители шины. Так как крипто-блок тактируется от шины AHB_CLK, то зададим делитель AHB_DIV. В данном примере оставим делитель по умолчанию. В итоге вкладка с тактированием должна выглядеть так:

(Картинка тактирования из конфигуратора. В работе)

Затем перейдем к настройке самого крипто-блока. Для этого откроем вкладку крипто-блок и нажмем включить. После этого появятся несколько настроек.

Настройки крипто-блока в конфигураторе

Зададим им следующие значения:

  • Алгоритм шифрования - Кузнечик;
  • Режим шифрования - ECB;
  • В перестановке слова - нет перестановки;
  • Порядок загрузки/выгрузки - От старшего слова к младшему.

В итоге настройки таймера в конфигураторе должны выглядеть как на рисунке.

Нажимаем кнопку сохранения и генерации. В итоге у нас появится проект для PlatformIo. Далее работа идет в visual studio code.

Использование библиотеки HAL_DAC

В сгенерированном проекте в файле main.c должна быть функция Crypto_Init, в которой будут заданы настройки для крипто-блока. Выглядит она так: 

static void Crypto_Init(void)
{
    hcrypto.Instance = CRYPTO;

    hcrypto.Algorithm = CRYPTO_ALG_KUZNECHIK;
    hcrypto.CipherMode = CRYPTO_CIPHER_MODE_ECB;
    hcrypto.SwapMode = CRYPTO_SWAP_MODE_NONE; 
    hcrypto.OrderMode = CRYPTO_ORDER_MODE_MSW;

    HAL_Crypto_Init(&hcrypto);
}

Кроме этого в функции SystemClock_Config приведены настройки для тактирования. Убедитесь что в PeriphClkInit.PMClockAHB присутствует PM_CLOCK_CRYPTO_M. Сама функция должна выглядеть примерно так: 

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInit = {0};
    RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

    RCC_OscInit.OscillatorEnable = RCC_OSCILLATORTYPE_OSC32K | RCC_OSCILLATORTYPE_OSC32M;   
    RCC_OscInit.OscillatorSystem = RCC_OSCILLATORTYPE_OSC32M;                          
    RCC_OscInit.AHBDivider = 0;                             
    RCC_OscInit.APBMDivider = 0;                             
    RCC_OscInit.APBPDivider = 0;                             
    RCC_OscInit.HSI32MCalibrationValue = 0;                  
    RCC_OscInit.LSI32KCalibrationValue = 0;
    HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInit);

    PeriphClkInit.PMClockAHB = PMCLOCKAHB_DEFAULT | PM_CLOCK_CRYPTO_M;    
    PeriphClkInit.PMClockAPB_M = PMCLOCKAPB_M_DEFAULT | PM_CLOCK_WU_M | PM_CLOCK_PAD_CONFIG_M;     
    PeriphClkInit.PMClockAPB_P = PMCLOCKAPB_P_DEFAULT | PM_CLOCK_UART_0_M; 
    PeriphClkInit.RTCClockSelection = RCC_RTCCLKSOURCE_NO_CLK;
    PeriphClkInit.RTCClockCPUSelection = RCC_RTCCLKCPUSOURCE_NO_CLK;
    HAL_RCC_ClockConfig(&PeriphClkInit);
}

Для демонстрации вывода текста в PeriphClkInit.PMClockAPB_P присутствует PM_CLOCK_UART_0_M. У вас его может не быть так как UART нужно включить отдельно. В начале main.c можно видеть объявление структуры с набором настроек для крипто-блока, которую использует функция инициализации Crypto_Init. 

Crypto_HandleTypeDef hcrypto;

void SystemClock_Config(void);
static void Crypto_Init(void);

Создадимглобальный массив для ключа. Количество элементов массива можно задать с помощью макросов CRYPTO_KEY_KUZNECHIK (количество слов в ключе для алгоритма кузнечик). 

uint32_t crypto_key[CRYPTO_KEY_KUZNECHIK] = {0x8899aabb, 0xccddeeff, 0x00112233, 0x44556677, 0xfedcba98, 0x76543210, 0x01234567, 0x89abcdef};

Для режимов шифрования ECB и CBC длина данных должна быть кратна длине блока. Иначе данные следует дополнить.

Для режима CTR длинна данных может быть любой. В этом режиме дополнения не требуются.

Синхропосылка (вектор инициализации), в соответствии с ГОСТ 34.13—2015, для разных режимов может иметь разную длину :

  • В режиме ECB синхропосылка не используется;
  • В режиме CBC синхропосылка должна быть длинной m*z, где m - длина блока (128 бит для алгоритма Кузнечик), z - целое число. Поддерживается только случай z=1, m=n, где n - длина блока (4 слова для Кузнечика и AES, 2 слова для Магмы);
  • В режиме CTR в регистр INIT следует записывать значение счетчика состоящего из синхропосылки, длинна которой равна половине длине блока, и такого же количества нулей. В итоге размер синхропосылки будет равен размеру блока.

Режим простой замены (Electronic Codebook, ЕСВ)

Теперь напишем функции для зашифровки и расшифровки данных в режиме шифрования ECB - kuznechik_ECB_code и kuznechik_ECB_decode соответственно.

В функции kuznechik_ECB_code будет три массива данных:

  • plain_text - незашифрованные данные;
  • cipher_text - полученные зашифрованные данные;
  • expect_cipher_text - зашифрованные данные, которые ожидается получить.

Количество слов в данных должно быть кратно 4 (блок - 128 бит). Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную. ГОСТ 34.13—2015 определяет три возможные процедуры дополнения. Можно, например, дополнить остаток нулями до размера блока.

Внутри kuznechik_ECB_code сначала задается режим шифрования функцией HAL_Crypto_SetCipherMode (Если другие режимы использовать не планируется, то этого можно не делать так как этот режим шифрования уже задан после инициализации функцией Crypto_Init), затем устанавливается мастер-ключ функцией HAL_Crypto_SetKey. Так как ключ должен быть инициализирован в режиме шифрования, то после функции HAL_Crypto_SetKey блок находится в режиме зашифровки данных. После этого используется функция HAL_Crypto_Encode для зашифровки данных.

В конце поочередно выведем каждый из массивов в UART. После этого проведем сравнение полученных данных и ожидаемых.


Функция kuznechik_ECB_code

void kuznechik_ECB_code()
{
    uint32_t plain_text[] =     {            
                                    0x11223344, 0x55667700, 0xffeeddcc, 0xbbaa9988,
                                    0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                    0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                    0x22334455, 0x66778899, 0xaabbccee, 0xff0a0011
                                };
    
    uint32_t cipher_text[] = {  
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0
                             }; 

    uint32_t expect_cipher_text[] = {
                                        0x7f679d90, 0xbebc2430, 0x5a468d42, 0xb9d4edcd, 
                                        0xb429912c, 0x6e0032f9, 0x285452d7, 0x6718d08b, 
                                        0xf0ca3354, 0x9d247cee, 0xf3f5a531, 0x3bd4b157, 
                                        0xd0b09ccd, 0xe830b9eb, 0x3a02c4c5, 0xaa8ada98
                                    };


    uint32_t key_length = sizeof(crypto_key)/sizeof(*crypto_key);
    uint32_t plain_text_length = sizeof(plain_text)/sizeof(*plain_text);


    /* Задать режим шифрования */
    HAL_Crypto_SetCipherMode(&hcrypto, CRYPTO_CIPHER_MODE_ECB);
    /* Установка ключа */
    HAL_Crypto_SetKey(&hcrypto, crypto_key);


    /* Зашифровать данные */
    HAL_Crypto_Encode(&hcrypto, plain_text, cipher_text, plain_text_length); 


    xprintf("KEY ");
    for (uint32_t i = 0; i < key_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", crypto_key[i]);
    }
    xprintf("\n");  

    xprintf("plain: ");
    for (uint32_t i = 0; i < plain_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", plain_text[i]);
    }
    xprintf("\n");   

    xprintf("cipher: ");
    for (uint32_t i = 0; i < plain_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", cipher_text[i]);
    }
    xprintf("\n");

    xprintf("expect: ");
    for (uint32_t i = 0; i < plain_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", expect_cipher_text[i]);
    }
    xprintf("\n");

    for (uint32_t i = 0; i < plain_text_length; i++)
    {
        if(expect_cipher_text[i] != cipher_text[i])
        {
            xprintf("error\n");
            break;
        }
        else if ((i+1) == plain_text_length)
        {
            xprintf("Successfull\n");
        }
    }
    xprintf("\n");
}

Функция kuznechik_ECB_decode аналогична, но в ней используются другие массивы:

  • plain_text - полученные расшифрованные данные;
  • cipher_text - зашифрованные данные;
  • expect_plain_text - расшифрованные данные, которые ожидается получить.

Для расшифровки данных используется функция HAL_Crypto_Decode.

Функция kuznechik_ECB_decode

void kuznechik_ECB_decode()
{
    uint32_t plain_text[] =     {            
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0
                                };
    
    uint32_t cipher_text[] = {  
                                0x7f679d90, 0xbebc2430, 0x5a468d42, 0xb9d4edcd, 
                                0xb429912c, 0x6e0032f9, 0x285452d7, 0x6718d08b, 
                                0xf0ca3354, 0x9d247cee, 0xf3f5a531, 0x3bd4b157, 
                                0xd0b09ccd, 0xe830b9eb, 0x3a02c4c5, 0xaa8ada98
                             }; 
    
    uint32_t expect_plain_text[] =  {            
                                        0x11223344, 0x55667700, 0xffeeddcc, 0xbbaa9988,
                                        0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                        0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                        0x22334455, 0x66778899, 0xaabbccee, 0xff0a0011
                                    };

    uint32_t key_length = sizeof(crypto_key)/sizeof(*crypto_key);
    uint32_t cipher_text_length = sizeof(cipher_text)/sizeof(*cipher_text);


    /* Задать режим шифрования */
    HAL_Crypto_SetCipherMode(&hcrypto, CRYPTO_CIPHER_MODE_ECB);
    /* Установка ключа */
    HAL_Crypto_SetKey(&hcrypto, crypto_key);


    /* Расшифровать данные */
    HAL_Crypto_Decode(&hcrypto, cipher_text, plain_text, cipher_text_length); 


    xprintf("KEY ");
    for (uint32_t i = 0; i < key_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", crypto_key[i]);
    }
    xprintf("\n");  

    xprintf("cipher: ");
    for (uint32_t i = 0; i < cipher_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", cipher_text[i]);
    }
    xprintf("\n");   

    xprintf("plain: ");
    for (uint32_t i = 0; i < cipher_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", plain_text[i]);
    }
    xprintf("\n");

    xprintf("expect: ");
    for (uint32_t i = 0; i < cipher_text_length; i++)
    {
        xprintf("0x%08x, ", expect_plain_text[i]);
    }
    xprintf("\n");

    for (uint32_t i = 0; i < cipher_text_length; i++)
    {
        if(expect_plain_text[i] != plain_text[i])
        {
            xprintf("error\n");
            break;
        }
        else if ((i+1) == cipher_text_length)
        {
            xprintf("Successfull\n");
        }
    }
    xprintf("\n");
}

Функция main

int main()
{    
    SystemClock_Config();

    Crypto_Init();

    xprintf("\nkuznechik_ECB_code\n");
    kuznechik_ECB_code();
    xprintf("\nkuznechik_ECB_decode\n");   
    kuznechik_ECB_decode();

    while (1)
    {    

    }
       
}
Вывод в UART

Вывод в UART изображен на рисунке.

Функции для режимов CBC и CTR аналогичны, но содержат другие данные в массивах.

Отличие этих режимов в том, что они перед каждой новой расшифровкой или зашифровкой требуют записи вектора инициализации с помощью функции HAL_Crypto_SetINIT.

Режим гаммирования (Counter, CTR)

Режим простой замены с зацеплением (Cipher Block Chaining, СВС)

Источник — http://wiki.mik32.ru/index.php?title=Шифрование_и_расшифровка_данных&oldid=1399