Радиостроение. 2016; : 24-34
О производительности блочных шифров, основанных на клеточных автоматах, при их реализации на графических процессорах
https://doi.org/10.7463/rdopt.0616.0850899Аннотация
Широкое применение в задачах информационной безопасности получили блочные шифры. Статья посвящена вопросам реализации и тестированию производительности симметричных блочных шифров, основанных на обобщенных клеточных автоматах, построенных с помощью методов, разработанных автором ранее, при программной реализации на графических процессорах NVIDIA GTX 650, NVIDIA GTX 770, AMD R9 280X.
Реализация производилась с использованием интерфейса OpenCL. Использовались шифры с 4 раундами, число шагов обобщенного клеточного автомата в каждом раунде выбиралось из списка: 8, 12, 16; длина блока составляла 128 битов. В качестве графа клеточного автомата использовался модифицированный граф Любоцкого-Филипса-Сарнака. Производительность полученной реализации для режима счетчика и режима ECB составила от 90 до 380 Мбит/с, в зависимости от параметров, что сопоставимо с производительностью традиционных блочных шифров, таких как AES, DES, BLOWFISH, CAST, RC6, IDEA на CPU. В то же время, производительность в режиме CBC составляла от 7 до 29 Мбит/с.
Учитывая, что криптоалгоритмы, основанные на обобщенных клеточных автоматах, предназначены для аппаратной реализации, достигнутый уровень производительности в режимах ECB и счетчика существенно расширяет область применения данных блочных шифров, фактически делая возможным их использование на любом вычислительном устройстве, имеющем GPU, в том числе на персональных компьютерах, ноутбуках, планшетах, смартфонах и др.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, в рамках научного проекта №16-07-00542 а.
Список литературы
1. Ключарев П.Г. Блочные шифры, основанные на обобщённых клеточных автоматах // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2012. № 12.
2. Ключарев П.Г. Обеспечение криптографических свойств обобщённых клеточных автоматов // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2012. № 3.
3. Ключарев П.Г. Построение псевдослучайных функций на основе обобщённых клеточных автоматов // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2012. № 10.
4. Ключарев П.Г. Производительность и эффективность аппаратной реализации поточных шифров, основанных на обобщенных клеточных атоматах // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2013. № 10. — C. 299-314.
5. Ключарёв П.Г. Реализация криптографических хэш-функций, основанных на обобщенных клеточных автоматах, на базе ПЛИС: производительность и эффективность // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2014. № 1.
6. Панасенко С.П. Алгоритмы шифрования: классификация алгоритмов шифрования и методов их вскрытия, новейшая история симметричного шифрования, описание алгоритмов : специальный справочник. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2009. — 564 с.
7. Смарт Н. Криптография: [для специалистов, работающих в обл. защиты информ., специалистов-разраб. програм. обеспечения]. — М. : Техносфера, 2005. — 525 с.
8. Алферов А.П. Основы криптографии. — М. : Гелиос АРВ, 2002. — 480 с.
9. Aggarwal K., Saini J.K., Verma H.K. Performance Evaluation of RC6, Blowfish, DES, IDEA, CAST-128 Block Ciphers // International Journal of Computer Applications. 2013. Т. 68. № 25.
10. Bernstein D.J., Schwabe P. New AES software speed records. Springer, 2008. — 322-336.
11. Eberly D.H. GPGPU Programming for Games and Science. Taylor & Francis, 2014.
12. Gaster B., Howes L., Kaeli D.R., Mistry P., Schaa D. Heterogeneous Computing with OpenCL: Revised OpenCL 1.2 Edition. : Elsevier Science, 2012.
13. Kaeli D.R., Mistry P., Schaa D., Zhang D.P. Heterogeneous Computing with OpenCL 2.0. : Elsevier Science, 2015.
14. Kowalik J., Puźniakowski T. Using OpenCL: Programming Massively Parallel Computers. : IOS Press, 2012.
15. Scarpino M. OpenCL in Action: How to Accelerate Graphics and Computation. : Manning, 2012.
Radio Engineering. 2016; : 24-34
On the Performance of GPU-Implemented Block Ciphers Based on Generalized Cellular Automata
https://doi.org/10.7463/rdopt.0616.0850899Abstract
Block ciphers have found extensive use when solving the tasks of information security. The article considers implementation and testing of the performance of symmetric block ciphers based on generalized cellular automata, which were constructed using the techniques the author developed earlier in the software implementation on the GPUs NVIDIA GTX 650, NVIDIA GTX 770, AMD R9 280X.
The implementation used the OpenCL interface. There were used codes with 4 rounds, the number of steps of the generalized cellular automata in each round was chosen from the list: 8, 12, 16; the block length was 128 bits. As a graph of the cellular automata, the Lubotzky-Phillips-Sarnak graph was used. Performance of obtained implementation for the counter and ECB modes was in the range from 90 to 380 Mbit/s, depending on parameters, which is comparable with the performance of CPU-based traditional block ciphers, such as AES, DES, BLOWFISH, CAST, RC6, IDEA. At the same time, performance in the CBC mode ranged from 7 to 29 Mbit /s.
Given that the cryptographic algorithms based on generalized cellular automata, are designed for hardware implementation, the achieved level of performance in ECB and counter modes significantly broadens the application scope of these block ciphers is actually enabling their use in any computing device that has a GPU, including personal computers, laptops, tablets, smartphones, etc.
The work was implemented under support of the Russian Federal Property Fund, as part of a research project and №16-07-00542.
References
1. Klyucharev P.G. Blochnye shifry, osnovannye na obobshchennykh kletochnykh avtomatakh // Nauka i obrazovanie. Elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie. 2012. № 12.
2. Klyucharev P.G. Obespechenie kriptograficheskikh svoistv obobshchennykh kletochnykh avtomatov // Nauka i obrazovanie. Elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie. 2012. № 3.
3. Klyucharev P.G. Postroenie psevdosluchainykh funktsii na osnove obobshchennykh kletochnykh avtomatov // Nauka i obrazovanie. Elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie. 2012. № 10.
4. Klyucharev P.G. Proizvoditel'nost' i effektivnost' apparatnoi realizatsii potochnykh shifrov, osnovannykh na obobshchennykh kletochnykh atomatakh // Nauka i obrazovanie. Elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie. 2013. № 10. — C. 299-314.
5. Klyucharev P.G. Realizatsiya kriptograficheskikh khesh-funktsii, osnovannykh na obobshchennykh kletochnykh avtomatakh, na baze PLIS: proizvoditel'nost' i effektivnost' // Nauka i obrazovanie. Elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie. 2014. № 1.
6. Panasenko S.P. Algoritmy shifrovaniya: klassifikatsiya algoritmov shifrovaniya i metodov ikh vskrytiya, noveishaya istoriya simmetrichnogo shifrovaniya, opisanie algoritmov : spetsial'nyi spravochnik. — Sankt-Peterburg: BKhV-Peterburg, 2009. — 564 s.
7. Smart N. Kriptografiya: [dlya spetsialistov, rabotayushchikh v obl. zashchity inform., spetsialistov-razrab. program. obespecheniya]. — M. : Tekhnosfera, 2005. — 525 s.
8. Alferov A.P. Osnovy kriptografii. — M. : Gelios ARV, 2002. — 480 s.
9. Aggarwal K., Saini J.K., Verma H.K. Performance Evaluation of RC6, Blowfish, DES, IDEA, CAST-128 Block Ciphers // International Journal of Computer Applications. 2013. T. 68. № 25.
10. Bernstein D.J., Schwabe P. New AES software speed records. Springer, 2008. — 322-336.
11. Eberly D.H. GPGPU Programming for Games and Science. Taylor & Francis, 2014.
12. Gaster B., Howes L., Kaeli D.R., Mistry P., Schaa D. Heterogeneous Computing with OpenCL: Revised OpenCL 1.2 Edition. : Elsevier Science, 2012.
13. Kaeli D.R., Mistry P., Schaa D., Zhang D.P. Heterogeneous Computing with OpenCL 2.0. : Elsevier Science, 2015.
14. Kowalik J., Puźniakowski T. Using OpenCL: Programming Massively Parallel Computers. : IOS Press, 2012.
15. Scarpino M. OpenCL in Action: How to Accelerate Graphics and Computation. : Manning, 2012.
