ПРОГРАМНА BITSLICED-ІМПЛЕМЕНТАЦІЯ ШИФРУ «КАЛИНА» ОРІЄНТОВАНА НА ВИКОРИСТАННЯ SIMD-ІНСТРУКЦІЙ МІКРОПРОЦЕСОРІВ З АРХІТЕКТУРОЮ Х86-64

The article is devoted to software bitsliced implementation of the Kalyna cipher using vector instructions SSE, AVX, AVX-512 for x86-64 processors. The advantages and disadvantages of different approaches to efficient and secure block cipher software implementation are shown. It is noted that bitslicing technology combines high speed and resistance to time and cache attacks, but its application to the Kalyna cipher is not available at the moment. The basic approaches to data representation and bitsliced encryption operations are considered, special attention is paid to the effective implementation of SubBytes operation, which largely determines the final performance. Existing methods for minimizing logical functions have been shown to either fail to produce the result in bitsliced format in the case of 8-bit non-algebraic SBoxs, or far from optimal. A heuristic algorithm for minimizing logic functions describing Kalyna SBoxes using the operations of AND, OR, XOR, NOT available in the instruction set of low- and high-end processors is proposed. The results show that a bitsliced description of one SBox requires about 520 gates, which is significantly less than other methods. Possible ways to increase performance by regrouping data into bitsliced variables before and after the SubBytes operation are indicated, which results in more efficient use of vector registers. The bitsliced implementations of Kalyna cipher were measured using C++ compilers from Microsoft and GCC for the Intel Xeon Skylake-SP processor. The results of the bitsliced Kalyna implementation can also be transferred to processors that do not support SIMD instructions, including low-end, to increase resistance to attacks through third-party channels. They also enable switching to ASIC or FPGA-based bitsliced implementation of Kalyna.Статтю присвячено програмній bitsliced-імплементації шифру «Калина» з використанням векторних інструкцій SSE, AVX, AVX-512 для х86-64 процесорів. Проаналізовано переваги і недоліки різних підходів до ефективної та захищеної програмної реалізації блокових шифрів. Відзначено, що технологія bitslicing поєднує в собі високу швидкодію та стійкість до часових- і кеш-атак, проте наразі відсутні її застосування щодо шифру «Калина». Розглянуто основні підходи до представлення даних і виконання операцій шифру у bitsliced-форматі, особливу увагу приділено ефективній реалізації операції SubBytes, що значною мірою визначає кінцеву швидкодію. Показано, що існуючі методи мінімізації логічних функцій або не дають змогу отримати результат у bitsliced-форматі у випадку 8-бітних неалгебраїчних SBox-ів, або результати далекі від оптимальних. Запропоновано евристичний алгоритм мінімізації логічних функцій, що описують SBox-и «Калини» з використанням операцій AND, OR, XOR, NOT, наявних у системі команд low- та high-end процесорів. У роботі одержані результати, які засвідчили, що для bitsliced-опису одного SBox потрібно близько 520 вентилів, що є відчутно менше ніж забезпечують інші методи. Вказано можливі шляхи збільшення швидкодії завдяки перегрупуванню даних в bitsliced-змінних до і після операції SubBytes, що призводить до ефективнішого використання векторних регістрів. Проведено вимірювання швидкодії bitsliced-реалізацій шифру «Калина» з використанням С++ компіляторів Microsoft та GCC для процесора Intel Xeon Skylake-SP. Одержані у роботі результати bitsliced-реалізації «Калина» можуть бути перенесені і на процесори, які не підтримують SIMD-інструкції, у тому числі low-end, щоб підвищити стійкість до атак через сторонні канали. Також вони дають змогу перейти до апаратної bitsliced-реалізації «Калини» на базі ASIC чи FPGA

Minimization of Bitsliced Representation of 4×4 S-Boxes based on Ternary Logic Instruction

The article is devoted to methods and tools for generating software-oriented bit-sliced descriptions of bijective 4×4 S-Boxes with a reduced number of instructions based on a ternary logical instruction. Bitsliced descriptions generated by the proposed method make it possible to improve the performance and security of software implementations of crypto-algorithms using 4×4 S-Boxes on various processor architectures. The paper develops a heuristic minimization method that uses a ternary logical instruction, which is available in ×86–64 processors with AVX-512 support and some GPU processors. Thanks to the combination of various heuristic techniques (preliminary calculations, exhaustive search to a certain depth, refinement search) in the method, it was possible to reduce the number of gates in bit-sliced descriptions of S-Boxes compared to other known methods. The corresponding software in the form of a utility in the Python language was developed and its operation was tested on 225 S-Boxes of various crypto-algorithms. It was established that the developed method generates a bit-sliced description with a smaller number of ternary instructions in 90.2% of cases, compared to the best-known method implemented in the sboxgates utility

ОРГАНІЗАЦІЯ ЗАХИСТУ РЕЗУЛЬТАТІВ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ В СИСТЕМАХ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ

This paper is devoted to the consideration of information security problems in distance learning systems (DLS), which are becoming widespread in the modern world of educational services, as one of the most effective and promising training systems. The basic information about DLS that exist in the Ukrainian and foreign educational markets is given. The general principle of application of such training, the main functional components and objects of interaction within the framework of DLS are considered. The basic problems of information protection in modern distance learning systems and threats from the point of view of information security for such systems are analyzed in detail, the main goals that an attacker may pursue while carrying out attacks on DLS and vulnerabilities due to which he carries out these attacks are listed. Threats and destabilizing effects of accidental nature are also mentioned. The most common DLS's are compared according to such key parameters as threats of corrupt registration and authentication, threats of reliability of knowledge control results and threats of malicious software implementation. The main focus is on the approaches to the protection of DLS from threats of user substitution (both during the authorization and for an authorized user), threats of the usage of software bots and scripts (by applying the method of protection against the use of scripts based on hidden elements and the method of protection based on behavioral analysis), and also threats to the usage of lectures, electronic reference books and other third-party teaching materials. The mechanism of protection against threats to the reliability of knowledge control results is proposed, which describes actions of the DLS user and the server at the following stages: registration, login, user in the process of filling in the questionnaire, user completed the questionnaire, user starts the test / task and completed testing. This algorithm can be used in any distance learning system to protect from threats to the authenticity of knowledge, and its novelty consists in the usage of methods of user authentication and limiting the functionality available to those users.Робота присвячена розгляду проблем захисту інформації в системах дистанційного навчання (СДН), які набувають широкого розповсюдження в сучасному світі надання освітніх послуг, як одні з найбільш ефективних та перспективних систем підготовки фахівців. Наведені основні відомості про СДН, що існують на українському та зарубіжному освітніх ринках. Розглянуто загальний принцип застосування такого навчання, основні функціональні компоненти та основні суб’єкти взаємодії в рамках СДН. Детально проаналізовані базові проблеми захисту інформації в сучасних системах дистанційного навчання та загрози з точки зору інформаційної безпеки для таких систем, перелічені основні цілі, які може переслідувати зловмисник при реалізації атак на СДН та уразливості через які він здійснює атаки. Оцінено загрози і дестабілізуючі впливи випадкового характеру. Здійснено порівняння найбільш поширених СДН за такими ключовими параметрами, як загрози хибної реєстрації та автентифікації, загрози порушення достовірності результатів контролю знань та загрози впровадження шкідливого програмного забезпечення. Основну увагу приділено підходам до захисту СДН від загроз підміни користувача (як до авторизації так і вже авторизованого користувача), від загроз використання програмних ботів і скриптів (шляхом застосування методу захисту від використання скриптів на основі прихованих елементів та методу захисту на основі аналізу поведінки), а також загроз використання лекцій, електронних довідників та інших сторонніх навчальних матеріалів. Запропоновано механізм захисту від загроз порушення достовірності результатів контролю знань, в якому описано дії користувача СДН та сервера на наступних етапах: реєстрація, вхід в систему, користувач в процесі заповнення анкетних даних, користувач завершив заповнення анкети, користувач приступає до виконання тесту/завдання та завершує тестування. Такий алгоритм дій може бути використаний у будь-якій системі дистанційного навчання для захисту від загроз порушення достовірності знань, а його новизна полягає у використанні методів автентифікації користувачів та обмеження доступного їм функціоналу