Effective implementation and performance compari-son of «KALYNA» and GOST 28147-89 ciphers witch the use of vector extensions SSE, AVX AND AVX-512

Ukrainian Information Security Research Journal

View Publication Info
 
 
Field Value
 
Title Effective implementation and performance compari-son of «KALYNA» and GOST 28147-89 ciphers witch the use of vector extensions SSE, AVX AND AVX-512
Эффективная имплементация и сравнение быстродействия шифров «КАЛИНА» и ГОСТ 28147-89 при использовании векторных расширений SSE, AVX и AVX-512
Ефективна імплементація та порівняння швидкодії шифрів «КАЛИНА» та ГОСТ 28147-89 за використання векторних розширень SSE, AVX ТА AVX-512
 
Creator Совин, Ярослав Романович; Національний університет "Львівська політехніка"
Хома, Володимир Васильович; Національний університет "Львівська політехніка"
Наконечний, Юрій Маркіянович; Національний університет "Львівська політехніка"
Стахів, Марта Юріївна; Національний університет "Львівська політехніка"
 
Subject Information security
Kalina cipher; GOST 28147-89 cipher; vector extensions of instruction set architecture SSE; AVX; AVX-512; x86-64 architecture; effective implementation of crypto algorithms; performance measurement
UDC 004.056:061.68
Информационная безопасность
шифр «Калина»; шифр ГОСТ 28147-89; векторные расширения системы команд SSE; AVX, AVX-512; х86-64 архитектура; эффективная имплементация криптоалгоритмов; измерения быстродействия
УДК 004.056:061.68
Інформаційна безпека
Шифр «Калина»; шифр ГОСТ 28147-89; векторні розширення системи команд SSE; AVX, AVX-512; х86-64 архітектура; ефективна імплементація криптоалгоритмів; вимірювання швидкодії
УДК 004.056:061.68
 
Description A very important feature of block ciphers is the provision of high performance for a wide range of microprocessor architectures and, above all, for the dominant x86-64 platforms. Insufficient performance of DSTU GOST 28147:2009 on modern general-purpose computing architectures was one of the reasons for holding a national crypto competition for the choice of a new block cipher, in which the «Kalyna» algorithm won, whose performance, according to the conditions of the competition, was to be no less than the current one state encryption standard. In order to achieve high performance, existing implementations of the «Kalyna» cipher utilize a table-based, one-block approach that is devoid of drawbacks: it does not use the capabilities of modern processors to parallelize code execution, vectorization of data processing, and be vulnerable to cache attacks. The main approaches to the development of «Kalyna» and GOST 28147-89 ciphers multiblock vectorised implementations, including those resistant to cache attacks, using the SSE, AVX/AVX2, AVX-512 SIMD instructions are proposed. Particular importance is given to performing a non-linear substitution operation, which determines the speed of implementation in general. Experimental studies have been conducted to prove the effectiveness of the proposed approaches to increasing performance and to determine the feasibility of using the appropriate vector extensions in one case or another. It is established that according to the most achievable speed vectorized implementations of GOST 28147-89 significantly exceed the cipher «Kalyna». The use of the proposed approaches allows to increase the speed of domestic cryptographic software tools and their security.
Очень важным свойством блочных шифров является обеспечение высокой производительности для широкого класса микропроцессорных архитектур и, прежде всего, для доминирующих х86-64 платформ. Недостаточное быстродействие ГОСТ 28147:2009 на современных вычислительных архитектурах общего назначения стало одной из причин проведения национального криптоконкурса по избранию нового блочного шифра, в котором победил алгоритм «Калина», быстродействие которого, по условиям конкурса, должно было быть не меньше, чем быстродействие действующего государственного стандарта шифрования. Чтобы достичь высокого быстродействия существующие реализации шифра «Калина» используют табличный одноблочный подход, который не лишен ряда недостатков: не используются возможности современных процессоров по распараллеливанию выполнения кода, векторизации обработки данных, уязвим к кэш-атакам. В работе предложены основные подходы к разработке мультиблочных векторных реализаций шифров «Калина» и ГОСТ 28147-89, в том числе устойчивых к кэш-атакам с использованием SIMD-инструкций SSE, AVX/AVX2, AVX-512. Особое внимание уделено выполнению операции нелинейной замены, которая определяет быстродействие реализации в целом. Проведены экспериментальные исследования, которые доказали эффективность предложенных подходов по увеличению быстродействия и позволили определить целесообразность применения соответствующих векторных расширений в том или ином случае. Установлено, что по максимально достижимому быстродействию векторные реализации ГОСТ 28147-89 ощутимо опережают шифр «Калина». Использование предложенных подходов позволяет повысить быстродействие отечественных программных криптографических средств и безопасность их функционирования.
Дуже важливою властивістю блокових шифрів є забезпечення високої продуктивності для широкого класу мікропроцесорних архітектур і, насамперед, для домінуючих х86-64 платформ. Недостатня швидкодія ДСТУ ГОСТ 28147:2009 на сучасних обчислювальних архітектурах загального призначення стала однією з причин проведення національного криптоконкурсу з обрання нового блокового шифру, в якому переміг алгоритм «Калина», швидкодія якого, за умовами конкурсу, повинна була бути не меншою, ніж швидкодія чинного державного стандарту шифрування. Щоб досягти високої швидкодії наявні реалізації шифру «Калина» використовують табличний одноблоковий підхід, який не позбавлений низки недоліків: не використовуються можливості сучасних процесорів щодо розпаралелювання виконання коду, векторизації обробки даних, вразливий до кеш-атак. У роботі запропоновано основні підходи до розроблення мультиблокових векторних реалізацій шифрів «Калина» та ГОСТ 28147-89, у тому числі стійких до кеш-атак, з використанням SIMD-інструкцій SSE, AVX/AVX2, AVX-512. Особливу увагу приділено виконанню операції нелінійної заміни, яка визначає швидкодію реалізації загалом. Проведено експериментальні дослідження, які довели ефективність запропонованих підходів щодо збільшення швидкодії та дали змогу визначити доцільність застосування відповідних векторних розширень у тому чи іншому випадку. Встановлено, що за максимально досяжною швидкодією векторні реалізації ГОСТ 28147-89 відчутно випереджають шифр «Калина». Використання запропонованих підходів дозволяє підвищити швидкодію вітчизняних програмних криптографічних засобів та безпеку їх функціонування.
 
Publisher National Aviation University
 
Contributor


 
Date 2019-12-27
 
Type


 
Format application/pdf
application/pdf
application/pdf
 
Identifier http://jrnl.nau.edu.ua/index.php/ZI/article/view/14266
10.18372/2410-7840.21.14266
 
Source Ukrainian Information Security Research Journal; Том 21, № 4 (2019); 207-223
Защита информации; Том 21, № 4 (2019); 207-223
Захист інформації; Том 21, № 4 (2019); 207-223
 
Language uk
 
Rights Authors who publish with this journal agree to the following terms: Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоронности, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами: Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
 

Contact Us

The PKP Index is an initiative of the Public Knowledge Project.

For PKP Publishing Services please use the PKP|PS contact form.

For support with PKP software we encourage users to consult our wiki for documentation and search our support forums.

For any other correspondence feel free to contact us using the PKP contact form.

Find Us

Twitter

Copyright © 2015-2018 Simon Fraser University Library