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置换-重排网络（SP-网络）加密模式

我们以一个理论实例来研究现代加密系统的组织原理。

任务描述

大多数现代信息系统都使用 AES（或类似）密码来加密信息。这些密码基于置换-替换网络算法（SP-network）。

如果你只想对信息进行加密或解密，Julia 有AES.jl 这样的库来对字节序列进行加密和解密。

这里介绍的算法不一定是强密码。通过适当选择 S 和 P 块参数，以及使用更好的函数生成轮密钥并将其添加到密文中，可以使 "强 "密码变得更强。我们只创建了一个训练示例，在某些方面便于分析和改进。

模型概览

基于 SP 网的密码接收一个数据块和一个密钥作为输入，并执行几轮由数据块中比特的交替替换和置换阶段组成的程序。

image.png

In [ ]: 
# Загрузим модель, если она еще не открыта на холсте
if "sp_net_cipher_model" ∉ getfield.(engee.get_all_models(), :name)
    engee.load( "$(@__DIR__)/sp_net_cipher_model.engee");
end

model_data = engee.run( "sp_net_cipher_model" );

println( "Количество ошибок передачи: ", convert(Int, model_data["Кол-во ошибок"].value[end]) )

Количество ошибок передачи: 0

接下来，我们将揭开模型的每个区块，看看每一轮是如何工作的。

三轮加密模型

如果扩展每个子系统，就能非常直观地了解每轮算法的工作原理（模型sp_net_cipher_model_3R_expand ）。

它可以让你看到每个阶段的设置，并检查如果替换或重新排列块的设置不协调将会发生什么。

image.png

让我们运行这个模型，验证一下用相同的字节传输信息AAAAAAAA 会产生不同的密文字节：

In [ ]: 
# Загрузим модель, если она еще не открыта на холсте
if "sp_net_cipher_model_3R_expand" ∉ getfield.(engee.get_all_models(), :name)
    engee.load( "$(@__DIR__)/sp_net_cipher_model_3R_expand.engee");
end

model_data = engee.run( "sp_net_cipher_model_3R_expand" );

source_message = collect(model_data["Блок сообщения"]).value
cipher_text = UInt16.(collect(model_data["Зашифрованный блок"]).value)
received_message = UInt16.(collect(model_data["Расшифрованный блок"]).value)

source_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in source_message])... )
cipher_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in cipher_text])... )
received_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in received_message])... )

println( "Отправленное сообщение: ", join( vcat( string.(source_bytes, base=16)... ), " " ) )
println( "Зашифрованное сообщение: ", join( vcat( string.(cipher_bytes, base=16)... ), " " ))
println( "Полученное сообщение: ", join( vcat( string.(received_bytes, base=16)... ), " " ) )

Отправленное сообщение: 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41
Зашифрованное сообщение: 3f 73 25 f1 71 65 64 39 d0 4d 3f 96 b2 eb e1 24 3f 73 25 f1 71 65 64 39 d0 4d 3f 96 b2 eb e1 24 3f 73 25 f1 71 65 64 39 d0 4d
Полученное сообщение: 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41
In [ ]: 
println( "Отправленная строка: ", String( source_bytes ))
println( "Полученная строка: ", String( received_bytes ))

请注意，密文从第 17 个区块开始重复。

一轮密码模式

如果我们将网络简化为一轮，模型如下：

image.png

我们看到了所有熟悉的 SP 网络元素：

  • 将密钥比特与明文比特 (XOR) 混合的功能、
  • 将比特 (Bool) 向量作为输入的替换块、
  • 比特置换块，将前一个操作的四个组合结果向量作为输入。

如果 S 块和 P 块的所有参数设置正确，我们就能在输出端得到与输入端相同的信息。

In [ ]: 
# Загрузим модель, если она еще не открыта на холсте
if "sp_net_cipher_model_1R" ∉ getfield.(engee.get_all_models(), :name)
    engee.load( "$(@__DIR__)/sp_net_cipher_model_1R.engee");
end

model_data = engee.run( "sp_net_cipher_model_1R" );

让我们来研究一下发送和接收的信息：

In [ ]: 
source_message = collect(model_data["Блок сообщения"]).value
cipher_text = UInt16.(collect(model_data["Зашифрованный блок"]).value)
received_message = UInt16.(collect(model_data["Расшифрованный блок"]).value)

source_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in source_message])... )
cipher_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in cipher_text])... )
received_bytes = vcat( reverse.([reinterpret( UInt8, [UInt16(c)]) for c in received_message])... )

println( "Отправленное сообщение: ", join( vcat( string.(source_bytes, base=16)... ), " " ) )
println( "Зашифрованное сообщение: ", join( vcat( string.(cipher_bytes, base=16)... ), " " ))
println( "Полученное сообщение: ", join( vcat( string.(received_bytes, base=16)... ), " " ) )

Отправленное сообщение: d0 a1 d0 be d0 be d0 b1 d1 89 d0 b5 d0 bd d0 b8 d0 b5
Зашифрованное сообщение: 7c 9c e3 60 7e 1c f7 5a 6e 9c 6b f0 f8 cc ef b6 2c 5f
Полученное сообщение: d0 a1 d0 be d0 be d0 b1 d1 89 d0 b5 d0 bd d0 b8 d0 b5
In [ ]: 
println( "Отправленная строка: ", String( source_bytes ))
println( "Полученная строка: ", String( received_bytes ))

Отправленная строка: Сообщение
Полученная строка: Сообщение

创建回合密钥

创建循环密钥的算法组织如下

  • 构成密钥的字节序列被分割成每个 64 比特的块
  • 块是重叠的（密钥d0 9a d0 bb d1 8e d1 87 生成块d0 9a d0 bb,9a d0 bb d1,d0 bb d1 8e 等）。
  • 循环使用密钥

一个 64 位的密钥块被分为 4 轮密钥，每轮 16 位（按顺序），我们只使用其中的前三轮密钥。

image.png

使用模型的注意事项

在解释或计划更改模型时，以下特点值得考虑：

  • 信息和密钥循环传递给模型，永不终止、
  • 一个区块的完整循环在一个建模周期内执行，没有任何延迟
  • 因此，在最高级别，我们不处理比特矢量，而是处理数字UInt16,UInt32 等、
  • 输入信息和轮次密钥以 16 比特的块输入模型，每轮的所有四个 S 块都以 4 比特的块作为输入，P 块的向量为 16 个二进制位**、
  • S 块和 P 块中的置换参数不是从编码本中提取的，而是由操作shuffle 与指定的seed 生成的、
  • 信息以非重叠块的形式传输给算法，关键块由一个偏移一个字节的窗口生成。

结论

我们已经创建了一个模型，使我们能够研究使用 SP 网络加密信息的所有步骤，并对该算法的架构进行任何更改，而无需深入研究技术编程问题。

示例中使用的块