magmacrypt

1. Теоретическая часть

---

2. Практическая часть

2.1. Общие сведения

Данная реализация на языке Java использует версию языка 11 и JDK версии 11. Для сборки приложения используется фреймворк Maven версии 3.6.3; для написания unit-тестов - JUnit версии 4.11.

Сборка и выполнение по умолчанию осуществляются на виртуальной машине с запущенным дистрибутивом Fedora Linux Server 35 (версия ядра - 5.15.10-200.fc35.x86_64).

Вывод команды java --version для среды сборки и выполнения по умолчанию:

openjdk 11.0.13 2021-10-19
OpenJDK Runtime Environment 18.9 (build 11.0.13+8)
OpenJDK 64-Bit Server VM 18.9 (build 11.0.13+8, mixed mode, sharing)

В качестве основных параметров сборки определены следующие свойства:

1. groupId = ru.mirea.edu.magmacrypt - для управления компиляцией исходников, также является основным пакетом приложения и используется в качестве соответствующего идентификатора;
2. artefactId = magmacrypt и version = 1.0 - для генерации jar-архива приложения;
3. mainClass = ru.mirea.edu.magmacrypt.App - для определения расположения метода main (точки входа в приложение);

Структура файлов исходного кода выглядит следующим образом (вывод команды tree):

1. Каталог src - содержит файлы исходного кода с расширением .java:
   1. Каталог main - приложение, далее пакет ru.mirea.edu.magmacrypt (gropuId):
      1. Класс App - основной класс приложения;
      2. Пакет auxiliary - вспомогательные классы для работы с данными;
      3. Пакет cipher - классы, относящиеся к реализации алгоритма шифрования.
   2. Каталог test - unit-тесты, далее пакет ru.mirea.edu.magmacrypt (gropuId), содержащий класс AppTest для проверки работы алгоритма шифрования и взаимодействия с различными типами входных данных;
2. Каталог target (создается и наполняется при компиляции исходного кода - файлы .class, и сборке jar-файла):
   1. Каталог classes, далее пакет ru.mirea.edu.magmacrypt (gropuId)
   2. Каталог test-classes, далее пакет ru.mirea.edu.magmacrypt (gropuId)
   3. Файл magmacrypt-1.0.jar - собранное приложение;
3. Файл pom.xml - конфигурация сборки;
4. Файл rebuild.sh - скрипт очистки собранного решения и сборки нового;
5. Каталог TEST_DATA - набор данных, используемых для тестирования.

2.2. Описание реализации

Приложение описывают следующие диаграммы классов:

Рис. Х: Основной пакет

Рис. Х: Пакет с реализацией алгоритма

Рис. Х: Пакет со вспомогательными сущностями

Рис. Х: Общая схема работы приложения

Рис. Х: Процесс шифрования

Рис. Х: Процесс дешифрования

Методы класса Algorithm:

1. perform - абстрактный метод, необходимый для реализации наследниками Encryptor и Decryptor

   public abstract byte[] perform();

2. encrypt - используется классом Encryptor в реализации метода perform:
   1. Итеративно разделяет входные данные на блоки по 64 бита
   2. Для первых 31 раунда производится шифрование с заменой левой и правой частей блока

    protected byte[] encrypt(byte[] input, byte[] keySet) {
        byte[] output = Arrays.copyOf(input, input.length);
   
        for (int i = 0; i <= input.length - 8; i += 8) {
            for (int q = 0; q < 3; q++) {
                for (int w = 0; w < 8; w++) {
                    int roundKey = getRoundKey(w, keySet);
                    performRound(i, output, roundKey);
                }
            }
            for (int w = 7; w >= 0; w--) {
                int roundKey = getRoundKey(w, keySet);
                performRound(i, output, roundKey);
                if (w == 0) {
                    byte[] lastArray = new byte[8];
                    System.arraycopy(output, output.length - i - 8, lastArray, 4, 4);
                    System.arraycopy(output, output.length - i - 4, lastArray, 0, 4);
                    System.arraycopy(lastArray, 0, output, output.length - i - 8, 8);
                }
            }
        }
   
        return output;
    }

3. decrypt - используется классом Decryptor в реализации метода perform (процесс аналогичен шифрованию, но порядок раундовых ключей инвертирован):

    protected byte[] decrypt(byte[] input, byte[] keySet) {
        byte[] output = Arrays.copyOf(input, input.length);
        int w;
   
        for (int i = 0; i <= input.length - 8; i += 8) {
            for (w = 0; w < 8; w++) {
                int roundKey = getRoundKey(w, keySet);
                performRound(i, output, roundKey);
            }
            for (int q = 0; q < 3; q++) {
                for (w = 7; w >= 0; w--) {
                    int roundKey = getRoundKey(w, keySet);
                    performRound(i, output, roundKey);
                }
                if (w == -1 && q == 2) {
                    byte[] lastArray = new byte[8];
                    System.arraycopy(output, output.length - i - 8, lastArray, 4, 4);
                    System.arraycopy(output, output.length - i - 4, lastArray, 0, 4);
                    System.arraycopy(lastArray, 0, output, output.length - i - 8, 8);
                }
            }
        }
   
        return output;
    }

4. performRound - выполняет изменения в рамках одного раунда шифрования:
   1. выполняет соответствующее преобразование в левой и правых частях текущего блока
   2. выполняет преобразование блока согласно таблице подстановок
   3. смещает получившийся результат на 11 двоичных разрядов

    private void performRound(int startIndex, byte[] input, int roundKey) {
            int n2 = input[input.length - startIndex - 1] << 24
                    | (input[input.length - startIndex - 2] & 0xFF) << 16
                    | (input[input.length - startIndex - 3] & 0xFF) << 8
                    | (input[input.length - startIndex - 4] & 0xFF);
            int n1 = input[input.length - startIndex - 5] << 24
                    | (input[input.length - startIndex - 6] & 0xFF) << 16
                    | (input[input.length - startIndex - 7] & 0xFF) << 8
                    | (input[input.length - startIndex - 8] & 0xFF);
            int s = ((n1 + roundKey) & 0xFFFFFFFF);
   
            s = substituteUsingSBox(s);
            s = shiftLeftBy11Ranks(s);
            s = s ^ n2;
   
            byte[] n1s = mergeArrays(n1, s);
   
            for (int j = 7; j >= 0; j--) {
                input[input.length - 1 - (startIndex + j)] = n1s[j];
            }
    }

5. substituteUsingSBox - выполняют замену блока согласно таблицы подстановок

    private int substituteUsingSBox(int n) {
            int xTest = 0;
   
            for (int i = 0, j = 0; i <= 28; i += 4, j++) {
                xTest += (sBox[j][(byte) ((n >> i) & 0xF)]) << (i);
            }
   
            return xTest;
    }

6. mergeArrays - объединяет левую и правую части блока в рамках 1 раунда

    private byte[] mergeArrays(int n1, int n2) {
        byte[] bytes = new byte[8];
   
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            bytes[j] = (byte) ((n1 >> 24 - (j * 8)) & 0xFF);
        }
   
        for (int j = 4; j < 8; j++) {
            bytes[j] = (byte) ((n2 >> 24 - (j * 8)) & 0xFF);
        }
   
        return bytes;
    }

7. shiftLeftBy11Ranks - операция сдвига четырехбайтного числа на 11 разрядов

    private int shiftLeftBy11Ranks(int a) {
            int shift = 11;
            a = (a >>> (32 - shift)) | a << shift;
            return a;
    }

8. getRoundKey - получает текущий раундовый ключ по его номеру из исходного ключевой информации

    private int getRoundKey(int w, byte[] keySet) {
            return keySet[w * 4 + 3] << 24
                    | (keySet[w * 4 + 2] & 0xFF) << 16
                    | (keySet[w * 4 + 1] & 0xFF) << 8
                    | (keySet[w * 4] & 0xFF);
    }

Содержимое пакета auxiliary позволяет обеспечить обработку различных способов взаимодействия с данными при проведении процедур шифрования и дешифрования:

1. Класс Payload позволяет обернуть и сериализовать в массив байтов байты исходной полезной нагрузки и имя оригинального файла:

    public class Payload implements Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        private final String fileName;
        private final byte[] bytes;
   
        public Payload(String fileName, byte[] bytes) {
            this.fileName = fileName;
            this.bytes = bytes;
        }
   
        public Payload() {
            this.fileName = null;
            this.bytes = null;
        }
   
        public String getFileName() {
            return this.fileName;
        }
   
        public byte[] getBytes() {
            return this.bytes;
        }
    }

2. Класс KeyGen содержит статический метод generateKey для генерации случайного 256-битного ключа;

3. Класс Data предоставляет статические методы для упрощения взаимодействия с файлами:

   1. packDirectory - "упаковка" каталог в сжатый zip-архив

    public static byte[] packDirectory(String path) throws IOException {
   
        ArrayList<String> entries = new ArrayList<String>();
   
        Files.walk(Paths.get(path))
                .filter(Files::isRegularFile)
                .forEach(_path -> entries.add(_path.toString()));
   
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        ZipOutputStream zip = new ZipOutputStream(out);
   
        for (String entryPath : entries) {
            zip.putNextEntry(new ZipEntry(entryPath));
   
            BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File(entryPath)));
            byte[] bytesInput = new byte[4096];
            int readUnit = 0;
   
            while ((readUnit = bufferedInputStream.read(bytesInput)) != -1) {
                zip.write(bytesInput, 0, readUnit);
            }
   
            zip.closeEntry();
            bufferedInputStream.close();
        }
   
        zip.close();
        byte[] output = out.toByteArray();
        out.close();
   
        return output; 
    }

   2. readFileBytes - считывает указанный файл в массив байтов

    public static byte[] readFileBytes(String path) throws IOException {
        return Files.readAllBytes(new File(path).toPath());
    }

   3. addPadding - добавляет пустые байты для дополнения последнего блока шифруемой информации

    public static byte[] addPadding(byte[] source) {
        final int paddingRate = 8 - (source.length % 8);
   
        byte[] output = new byte[source.length + paddingRate];
   
        output[0] = (byte) paddingRate;
   
        for (int i = 0; i < source.length; i++) {
            output[i + 1] = source[i];
        }
   
        if (paddingRate > 2) {
            output[source.length + 1] = 1;
        }
   
        return output;
    }

   4. writeBytesToFileByPath - записывает байты данных в файл по указанному пути

    public static void writeBytesToFileByPath(String path, byte[] payload) throws IOException {
        Path _path = Paths.get(path);
        Files.write(_path, payload);
    }

   5. checkIfPathIsFile - проверяет является указанный путь файлом или папкой

    public static boolean checkIfPathIsFile(String path) {
        File file = new File(path);
   
        return file.isFile();
    }

   6. checkIfPathNonExists - проверяет существование указанного ресурса

    public static boolean checkIfPathNonExists(String path) {
        File file = new File(path);
   
        return Files.notExists(file.toPath());
    }

   7. serializeObjectToBytes - сериализует объект в массив байтов

    public static byte[] serializeObjectToBytes(Payload obj) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream boas = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream ois = new ObjectOutputStream(boas);
        ois.writeObject(obj);
        ois.flush();
        ois.close();
        return boas.toByteArray();
    }

   8. deserializeBytesToObject - восстанавливает объект из массива байтов

    public static Payload deserializeBytesToObject(byte[] bytes) throws IOException, ClassNotFoundException {
        InputStream is = new ByteArrayInputStream(bytes);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes));
        Payload output = (Payload) ois.readObject();
        ois.close();
        is.close();
        return output;
    }

2.3. Пример запуска

При сборке в рамках unit-тестирования выполняются проверки работоспособности отдельно криптоалгоритма, шифрование одного файла и каталога:

public class AppTest {
    @Test
    public void algorithmTest() throws NoSuchAlgorithmException {
        final byte[] testKey = KeyGen.generateKey();

        byte[] testPayloadRaw = { 92, 93, -51, 14, -59, -46, 4, 116, 19, -107, -90, -59, 23, 38, 97, 1, 50, 120, 49,
                -83,
                106, -67, 75, 70, 25, -54, -124, 73, -29, 31, 69, 74, -102, -47, -27, -35, -60, 50, 86, -38, -125, -64,
                -89, 91, 52, -107, -117, -41, 111, 82, 5, 109, -42, 97, 71, -2, 2, -113, -51, 78, -28, 121, 8, 84, 54,
                -2, -57, -123, -84, 89 };

        byte[] testPayload = Data.addPadding(testPayloadRaw);

        byte[] enc = new Encryptor(testPayload, testKey).perform();
        byte[] dec = new Decryptor(enc, testKey).perform();

        byte[] cut = Arrays.copyOfRange(dec, 1, dec.length - dec[0] + 1);
        assertTrue("Algorithm work check pass: ", Arrays.equals(testPayloadRaw, cut));
    }

    @Test
    public void generalTest() throws NoSuchAlgorithmException, IOException, ClassNotFoundException {

        final String TEST_DATA_RESOURCES_PATH = "./TEST_DATA/RESOURCES/";
        final String TEST_DATA_OUTPUT_PATH = "./TEST_DATA/OUTPUT/";

        // ? - SINGLE FILE TEST
        encrypt(TEST_DATA_RESOURCES_PATH + "SINGLE_BINARY_FILE.jpeg", TEST_DATA_OUTPUT_PATH);
        decrypt(TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "ENCRYPTED", TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "KEY", TEST_DATA_OUTPUT_PATH);

        byte[] decryptedZipBytes = Data.readFileBytes(TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "SINGLE_BINARY_FILE.jpeg");

        byte[] testPayload = Data.readFileBytes(TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "SINGLE_BINARY_FILE.jpeg");

        boolean fileTestResult = Arrays.equals(decryptedZipBytes, testPayload);;

        // ? - DIRECTORY TEST
        encrypt(TEST_DATA_RESOURCES_PATH, TEST_DATA_OUTPUT_PATH);
        decrypt(TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "ENCRYPTED", TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "KEY", TEST_DATA_OUTPUT_PATH);

        decryptedZipBytes = Data.readFileBytes(TEST_DATA_OUTPUT_PATH + "RESTORED.ZIP");

        testPayload = Data.packDirectory(TEST_DATA_RESOURCES_PATH);

        boolean dirTestResult = Arrays.equals(decryptedZipBytes, testPayload);

        assertTrue("General application check pass: ", dirTestResult && fileTestResult);
    }
}

При ручном запуске данные сценарии могут быть воспроизведены следующим образом:

1. Шифрование единичного файла

$ java -jar ./target/magmacrypt-1.0.jar
Specify path to data: ./TEST_DATA/RESOURCES/SINGLE_SOURCE_CODE.java
Where place encrypted data: ./TEST_DATA/OUTPUT/

$ tree TEST_DATA
TEST_DATA
├── OUTPUT
│   ├── DO_NOT_DELETE
│   ├── ENCRYPTED
│   └── KEY
└── RESOURCES
    ├── SINGLE_BINARY_FILE.jpeg
    └── SINGLE_SOURCE_CODE.java

2 directories, 5 files

$ java -jar ./target/magmacrypt-1.0.jar -d
Specify path to encrypted file: ./TEST_DATA/OUTPUT/ENCRYPTED
Specify path to key file: ./TEST_DATA/OUTPUT/KEY
Where place decrypted data: ./TEST_DATA/OUTPUT/

TEST_DATA
├── OUTPUT
│   ├── DO_NOT_DELETE
│   ├── ENCRYPTED
│   ├── KEY
│   └── SINGLE_SOURCE_CODE.java
└── RESOURCES
    ├── SINGLE_BINARY_FILE.jpeg
    └── SINGLE_SOURCE_CODE.java

2 directories, 6 files

$ cat TEST_DATA/RESOURCES/SINGLE_SOURCE_CODE.java && echo '\n' && cat TEST_DATA/OUTPUT/SINGLE_SOURCE_CODE.java
public class MyClass {
  int x = 5;

  public static void main(String[] args) {
    MyClass myObj1 = new MyClass();  // Object 1
    MyClass myObj2 = new MyClass();  // Object 2
    System.out.println(myObj1.x);
    System.out.println(myObj2.x);
  }
}

public class MyClass {
  int x = 5;

  public static void main(String[] args) {
    MyClass myObj1 = new MyClass();  // Object 1
    MyClass myObj2 = new MyClass();  // Object 2
    System.out.println(myObj1.x);
    System.out.println(myObj2.x);
}

2. Шифрование каталога

$ java -jar ./target/magmacrypt-1.0.jar
Specify path to data: ./TEST_DATA/RESOURCES/
Where place encrypted data: ./TEST_DATA/OUTPUT/

$ java -jar ./target/magmacrypt-1.0.jar -d
Specify path to encrypted file: ./TEST_DATA/OUTPUT/ENCRYPTED
Specify path to key file: ./TEST_DATA/OUTPUT/KEY
Where place decrypted data: ./TEST_DATA/OUTPUT/

$ unzip -l TEST_DATA/OUTPUT/RESTORED.ZIP
Archive:  TEST_DATA/OUTPUT/RESTORED.ZIP
  Length      Date    Time    Name
---------  ---------- -----   ----
   334137  2021-12-25 05:13   ./TEST_DATA/RESOURCES/SINGLE_BINARY_FILE.jpeg
      251  2021-12-25 05:13   ./TEST_DATA/RESOURCES/SINGLE_SOURCE_CODE.java
---------                     -------
   334388                     2 files

Заключение

В данной работе я реализовала алгоритм шифрования ГОСТ 28147−89, а также проверила результат работы на различных типах полезной нагрузки. Шифр является устойчивым к атакам путём полного перебора.