Study of high-speed realization technics for elements of symmetric encryption algorithms during calculations on graphics processor

Abstract

Предмет исследования. Проведено исследование преобразований, используемых в современных симметричных алгоритмах, с целью определения наиболее скоростных способов их реализации на графическом процессоре с использованием технологий CUDA и OpenCL. Метод. Для достижения поставленной цели рассмотрены LSX и ARX структуры блочных алгоритмов на примере шифров AES, «Кузнечик», LEA, Rectangle, Simon и Speck. Определены наиболее часто применяемые преобразования, в число которых входят умножение в полях Галуа, применение таблиц подстановок, побитовые операции, сложение длинных чисел. Как неотъемлемая часть вычислений на графических устройствах рассмотрен обмен данных с глобальной памятью. Рассмотрены варианты реализации данных вычислений, разработаны и апробированы синтетические тесты, предназначенные для определения времени их выполнения. Основные результаты. Определены наилучшие способы реализации перечисленных преобразований. При выполнении умножения в полях Галуа в случае, если один из множителей является константным, наилучшее время показал метод с использованием таблицы предвычислений. Выявлено, что наиболее эффективным с точки зрения скорости является хранение таблиц замены в разделяемой памяти. Осуществление побитовых операций и сложение длинных чисел наиболее эффективно в случае разбиения входных данных на 8-битные элементы. В качестве апробации результатов осуществлена реализация алгоритма CLEFIA. Время шифрования 1 ГБ данных составило 1542 мс, что в 16 раз меньше времени шифрования на центральном процессоре. Применение вариантов реализации исследуемых преобразований, показавших худшие временные результаты при проведении синтетических тестов на графических процессорах, дает четырехкратное увеличение скорости в сравнении с центральным процессором. Практическая значимость. Результаты проведенного исследования применимы при использовании графических процессоров для быстрой и эффективной реализации существующих алгоритмов шифрования. Результаты исследования могут служить основой разработки новых алгоритмов шифрования с применением графических процессоров. Ключевые слова CUDA, OpenCL, криптографические преобразования, симметричные алгоритмы, ускорение шифрования