Шифрование и расшифровка данных: различия между версиями

Материал из MIK32 микроконтроллер
м (добавил иницифлизацию UARTa в каждый main())
 
(не показано 9 промежуточных версий 2 участников)
Строка 7: Строка 7:


Затем перейдем к настройке самого крипто-блока. Для этого откроем вкладку крипто-блок и нажмем включить. После этого появятся несколько настроек.  
Затем перейдем к настройке самого крипто-блока. Для этого откроем вкладку крипто-блок и нажмем включить. После этого появятся несколько настроек.  
[[Файл:Настройки крипто-блока в конфигураторе.png|мини|Настройки крипто-блока в конфигураторе]]
[[Файл:Настройки крипто-блока в конфигураторе.png|мини|Рисунок 2 - настройки крипто-блока в конфигураторе]]
Зададим им следующие значения:
Зададим им следующие значения:


Строка 15: Строка 15:
* Порядок загрузки/выгрузки - От старшего слова к младшему.
* Порядок загрузки/выгрузки - От старшего слова к младшему.


В итоге настройки крипто-блока в конфигураторе должны выглядеть как на рисунке.  
В итоге настройки крипто-блока в конфигураторе должны выглядеть как на рисунке 2.  


Нажимаем кнопку сохранения и генерации. В итоге у нас появится проект для PlatformIo. Далее работа идет в visual studio code.
Нажимаем кнопку сохранения и генерации. В итоге у нас появится проект для PlatformIo. Далее работа идет в visual studio code.
Строка 69: Строка 69:
{{#spoiler:show=Развернуть код|hide=Свернуть код|
{{#spoiler:show=Развернуть код|hide=Свернуть код|
<syntaxhighlight lang="c" line="1">
<syntaxhighlight lang="c" line="1">
#include "uart_lib.h"
#include "xprintf.h"
#include "mik32_hal_rcc.h"
#include "mik32_hal_rcc.h"
#include "mik32_hal_spi.h"
#include "mik32_hal_crypto.h"


#include "uart_lib.h"
#include "xprintf.h"
</syntaxhighlight>
</syntaxhighlight>
}}
}}
Строка 325: Строка 326:
</syntaxhighlight>
</syntaxhighlight>
}}
}}
[[Файл:Вывод в UART. Режим ECB.png|мини|Вывод в UART]]
[[Файл:Kuznechik ECB.png|мини|Рисунок 3 - вывод в UART]]
Если у вас включен UART или подключен common.h, или объявлен #define MIK32_CRYPTO_DEBUG, то можно посмотреть вывод xprintf. Вывод в UART изображен на рисунке.
Вывод в UART изображен на рисунке 3.


Функции для режимов CBC и CTR аналогичны, но содержат другие данные в массивах.
Функции для режимов CBC и CTR аналогичны, но содержат другие данные в массивах.
Строка 332: Строка 333:
Отличие этих режимов в том, что они перед каждой новой расшифровкой или зашифровкой требуют записи вектора инициализации с помощью функции HAL_Crypto_SetINIT.  
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)===
Размер массива для вектора инициализации можно задать с помощью макросов:
Размер массива для вектора инициализации можно задать с помощью макросов:


Строка 338: Строка 339:
* IV_LENGTH_MAGMA_CBC     
* IV_LENGTH_MAGMA_CBC     
* IV_LENGTH_AES_CBC       
* IV_LENGTH_AES_CBC       
* IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR
* IV_LENGTH_MAGMA_CTR   
* IV_LENGTH_AES_CTR     


Количество слов в данных для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 128 бит).  Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.
Количество слов в данных для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 128 бит).  Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.
Строка 548: Строка 546:
</syntaxhighlight>
</syntaxhighlight>
}}
}}
[[Файл:Вывод в UART. CBC.png|мини|Вывод в UART. CBC]]
[[Файл:Kuznechik CBC.png|мини|Рисунок 4 - вывод в UART. CBC]]
Если у вас включен UART или подключен common.h, или объявлен #define MIK32_CRYPTO_DEBUG, то можно посмотреть вывод xprintf. Вывод в UART изображен на рисунке.
Вывод в UART изображен на рисунке 4.


===Режим простой замены с зацеплением (Cipher Block Chaining, СВС)===
===Режим гаммирования (Counter, CTR)===
Количество слов в данных может быть любым.  Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.
Размер массива для вектора инициализации можно задать с помощью макросов:   
* IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR
* IV_LENGTH_MAGMA_CTR   
* IV_LENGTH_AES_CTR   
Количество слов в данных для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 128 бит).  Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.  


Функция kuznechik_CTR_code.
Функция kuznechik_CTR_code.
Строка 559: Строка 561:
void kuznechik_CTR_code()
void kuznechik_CTR_code()
{
{
     uint32_t init_vector[IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR] = {0x12341235, 0x5BCDABCD};
     uint32_t init_vector[IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR] = {0x12345678, 0x90ABCEF0};
      
      
     uint32_t plain_text[] =     {             
     uint32_t plain_text[] = {             
                                    0x11223344, 0x55667700, 0xffeeddcc, 0xbbaa9988,
                                0x11223344, 0x55667700, 0xffeeddcc, 0xbbaa9988,
                                    0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                    0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                    0x22334455, 0x66778899
                                0x22334455, 0x66778899, 0xaabbccee, 0xff0a0011
                                };
                            };
      
      
     uint32_t cipher_text[] = {   
     uint32_t cipher_text[] = {   
Строка 572: Строка 574:
                                 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                 0x0, 0x0
                                 0x0, 0x0, 0x0, 0x0
                             };  
                             };  


     uint32_t expect_cipher_text[] = {
     uint32_t expect_cipher_text[] = {
                                         0xf12504ea, 0x08bf9cd4, 0x2c1daede, 0x98792153,  
                                         0xf195d8be, 0xc10ed1db, 0xd57b5fa2, 0x40bda1b8,
                                         0x2b92cfc8, 0xca2e1091, 0x2bf5d2b7, 0xe2179b86,
                                         0x85eee733, 0xf6a13e5d, 0xf33ce4b3, 0x3c45dee4,
                                         0xab37ec96, 0x918795fe, 0xe6c2e8fa, 0xc2773e7b,
                                         0xa5eae88b, 0xe6356ed3, 0xd5e877f1, 0x3564a3a5,
                                         0x74d3290d, 0xcd9aaf15
                                         0xcb91fab1, 0xf20cbab6, 0xd1c6d158, 0x20bdba73
                                     };
                                     };


     uint32_t key_length = sizeof(crypto_key)/sizeof(*crypto_key);
     uint32_t key_length = sizeof(crypto_key)/sizeof(*crypto_key);
Строка 592: Строка 595:
     /* Установка ключа */
     /* Установка ключа */
     HAL_Crypto_SetKey(&hcrypto, crypto_key);
     HAL_Crypto_SetKey(&hcrypto, crypto_key);


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


     xprintf("KEY ");
     xprintf("KEY ");
Строка 635: Строка 636:
         else if ((i+1) == plain_text_length)
         else if ((i+1) == plain_text_length)
         {
         {
             xprintf("Successfull\n");
             xprintf("Successful\n");  
         }
         }
     }
     }
Строка 649: Строка 650:
void kuznechik_CTR_decode()
void kuznechik_CTR_decode()
{
{
     uint32_t init_vector[IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR] = {0x12341235, 0x5BCDABCD};
     uint32_t init_vector[IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR] = {0x12345678, 0x90ABCEF0};
      
      
     uint32_t plain_text[] =     {          
     uint32_t plain_text[] = {
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                    0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0,  
                                    0x0, 0x0
                                0x0, 0x0, 0x0, 0x0
                                };
                            };  
      
      
     uint32_t cipher_text[] = {
     uint32_t cipher_text[] = {
                                 0xf12504ea, 0x08bf9cd4, 0x2c1daede, 0x98792153,  
                                 0xf195d8be, 0xc10ed1db, 0xd57b5fa2, 0x40bda1b8,  
                                 0x2b92cfc8, 0xca2e1091, 0x2bf5d2b7, 0xe2179b86,
                                 0x85eee733, 0xf6a13e5d, 0xf33ce4b3, 0x3c45dee4,
                                 0xab37ec96, 0x918795fe, 0xe6c2e8fa, 0xc2773e7b,
                                 0xa5eae88b, 0xe6356ed3, 0xd5e877f1, 0x3564a3a5
                                0x74d3290d, 0xcd9aaf15
                             };
                             };  


     uint32_t expect_plain_text[] =  {             
     uint32_t expect_plain_text[] =  {             
Строка 669: Строка 669:
                                         0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                         0x00112233, 0x44556677, 0x8899aabb, 0xcceeff0a,
                                         0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                         0x11223344, 0x55667788, 0x99aabbcc, 0xeeff0a00,
                                         0x22334455, 0x66778899
                                         0x22334455, 0x66778899, 0xaabbccee, 0xff0a0011
                                     };
                                     };


Строка 725: Строка 725:
         else if ((i+1) == cipher_text_length)
         else if ((i+1) == cipher_text_length)
         {
         {
             xprintf("Successfull\n");
             xprintf("Successful\n");
         }
         }
     }
     }
Строка 759: Строка 759:
</syntaxhighlight>
</syntaxhighlight>
}}
}}
 
[[Файл:Kuznechik CTR.png|мини|Рисунок 5 - вывод в UART. CTR]]
[[Файл:Вывод в UART. CTR.png|мини|Вывод в UART. CTR]]
Вывод в UART изображен на рисунке 5.
Вывод в UART изображен на рисунке.

Текущая версия от 09:24, 31 марта 2023

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.

Рисунок 2 - 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 крипто-блока в конфигураторе должны выглядеть как на рисунке 2.

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

Использование библиотеки HAL_Crypto

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

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:

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. Для этого нужно подключить библиотеки uart_lib и xprintf.

Для инициализации UART в функции main, после функции тактирования SystemClock_Config, следует написать:

UART_Init(UART_0, 3333, UART_CONTROL1_TE_M | UART_CONTROL1_M_8BIT_M, 0, 0);

Скорость UART задается делителем во втором аргументе функции. При такой записи скорость будет 9600 бод.

В начале main.c можно видеть объявление структуры с набором настроек для крипто-блока, которую использует функция инициализации Crypto_Init.

Создадим глобальный 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 для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 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_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 main.

Рисунок 3 - вывод в UART

Вывод в UART изображен на рисунке 3.

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 простой замены с зацеплением (Cipher Block Chaining, СВС)

Размер массива для вектора инициализации можно задать с помощью макросов:

  • IV_LENGTH_KUZNECHIK_CBC
  • IV_LENGTH_MAGMA_CBC   
  • IV_LENGTH_AES_CBC     

Количество слов в данных для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 128 бит). Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.

Функция kuznechik_CBC_decode для расшифровки.

функция main.

Рисунок 4 - вывод в UART. CBC

Вывод в UART изображен на рисунке 4.

Режим гаммирования (Counter, CTR)

Размер массива для вектора инициализации можно задать с помощью макросов:   

  • IV_LENGTH_KUZNECHIK_CTR
  • IV_LENGTH_MAGMA_CTR   
  • IV_LENGTH_AES_CTR   

Количество слов в данных для зашифровки должно быть кратно размеру блока (для кузнечика 4 слова или 128 бит). Если данных меньше, то их нужно дополнить вручную.

Функция kuznechik_CTR_code.

Функция kuznechik_CTR_decode.

Функция main.

Рисунок 5 - вывод в UART. CTR

Вывод в UART изображен на рисунке 5.