基于Java線程池的Kuznyechik算法應(yīng)用研究

劉 聰

（德州學(xué)院 信息管理學(xué)院，山東 德州 253000）

分組密碼“Kuznyechik”是俄羅斯密碼標(biāo)準(zhǔn)算法集合（稱為GOST算法）之一。該算法能夠保證信息在傳輸過程中的機(jī)密性和完整性，它符合現(xiàn)代密碼的要求，具有安全、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)。適用于開發(fā)、運(yùn)用到各種用途的現(xiàn)代信息系統(tǒng)中，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全。為了提高Kuznyechik算法在實(shí)際應(yīng)用中的加密速度，本文根據(jù)Kuznyechik算法的特點(diǎn)，與Java線程池技術(shù)結(jié)合，提出采用線程池技術(shù)并行加密Kuznyechik的方法。

1 Java線程池技術(shù)［1］

通常情況下，加密程序都是單線程運(yùn)行的。為了提高程序的加密速度，可以設(shè)置多個線程去運(yùn)行。Java語言對多線程提供了非常優(yōu)秀的支持，基本的Java線程模型有Thread類、Runnable接口、Callable接口、Future接口等。

線程池就是在程序運(yùn)行時創(chuàng)建一定數(shù)量的線程保存起來，當(dāng)需要時，從線程池中取出一個線程。完成相應(yīng)任務(wù)后再放回到線程池中。通過線程池，可以有效降低資源消耗、提高程序響應(yīng)速度、提高線程的可管理性。根據(jù)線程池的工作原理，算法程序需要線程池管理器、工作線程、任務(wù)隊(duì)列、數(shù)據(jù)加密實(shí)體幾個部分。

2 Kuznyechik算法介紹［2］

Kuznyechik在俄羅斯聯(lián)邦GOST R 34.12-2015的國家標(biāo)準(zhǔn)中定義，它有128比特的塊大小和256比特的密鑰長度。該算法是俄羅斯密碼標(biāo)準(zhǔn)算法集合（稱為GOST算法）之一。該算法可以在硬件和軟件中實(shí)現(xiàn)，能夠保證信息在傳輸過程中的機(jī)密性和完整性，它符合現(xiàn)代密碼的要求。該標(biāo)準(zhǔn)適用于開發(fā)，運(yùn)用到各種用途的現(xiàn)代信息系統(tǒng)。

該算法包括密鑰編排和加密兩部分，密鑰編排算法是Feistel結(jié)構(gòu)的，有左右兩支，在密鑰編排算法中，主密鑰k為256比特，分為k1和k2，各128比特。首先k1與常數(shù)c1相加，將得到的結(jié)果經(jīng)過s盒，L置換，然后與k2相加，得左支到k1′，之前k1的值變成k2′。密鑰編排流程如圖1所示：

圖1 密鑰編排流程圖

經(jīng)過8輪相同的運(yùn)算，最后得到編排后的密鑰k3和k4，然后以同樣的方式生成k5和k6、k7和k8、k9和k10。其中L置換經(jīng)過下面公式得到：

其中a是128位的，經(jīng)過線性反饋移位寄存器轉(zhuǎn)16拍，其中轉(zhuǎn)換的定義如下：

其中ai是8位，a16是經(jīng)過Ⅰ運(yùn)算得到的，Ⅰ運(yùn)算的定義如下：

I（a15,…,a0）＝?（148·Δ（a15）+32·Δ（a14）

+133·Δ（a13）+16·Δ（a12）+194·Δ（a11）

+192·Δ（a10）+1·Δ（a9）+251·Δ（a8）

+1·Δ（a7）+192·Δ（a6）+194·Δ（a5）+16·Δ（a4））

+133·Δ（a3）+32·Δ（a2）+148·Δ（a1）+1·Δ（a0））

I運(yùn)算的輸入是16個8位二進(jìn)制數(shù)，輸出為1個8位二進(jìn)制數(shù)。表示將8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成有限域內(nèi)的元素，▽是它的逆運(yùn)算。經(jīng)過有限域內(nèi)的乘法運(yùn)算，然后相加，最后轉(zhuǎn)換成1個8位二進(jìn)制輸出。計(jì)算有限域乘法，首先要確定GF（2）上的8次不可約多項(xiàng)式。在該算法中，這個不可約多項(xiàng)式為

在加密算法中，明文塊a為128比特，密鑰k1，…，k10分別為128位，經(jīng)過10輪運(yùn)算，分別使用密鑰k1，…，k10。加密算法定義如下：

具體加密流程如圖2所示：

圖2 加密流程圖

3 基于Java線程池的Kuznyechik算法設(shè)計(jì)

Kuznyechik要進(jìn)行10輪循環(huán)加密，因?yàn)楦鶕?jù)算法的特點(diǎn)，事先進(jìn)行密鑰編排，得到10個輪密鑰進(jìn)行循環(huán)加密。根據(jù)加密算法的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了適用于Kuznyechik算法加密的線程池。首先創(chuàng)建任務(wù)實(shí)體，要加密數(shù)據(jù)的輸入和輸出保存到任務(wù)實(shí)體的屬性中。

public class encryptionData{

public String inputData;

public String outputData;

public String getInputData（）{

return inputData;

}

public String getOutputData（）{

return outputData;

}

public void setInputData（String inputData） {

this.inputData=inputData;

}

public void setOutputData（String outputData） {

this.outputData=outputData;

}

在主線程中，首先創(chuàng)建隊(duì)列和工作線程，然后創(chuàng)建任務(wù)實(shí)體，通過set方法給實(shí)體的屬性賦值，然后將加密數(shù)據(jù)對象實(shí)體加入到任務(wù)隊(duì)列中，最后不斷循環(huán)檢測工作線程的隊(duì)列是否為空，如果為空，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)加密完成，線程池銷毀［3-4］。在主線程工作的同時，工作線程不斷從任務(wù)隊(duì)列中取出任務(wù)實(shí)體，獲取要加密的內(nèi)容，不斷進(jìn)行加密，加密結(jié)束存儲密文，當(dāng)工作線程將所有任務(wù)實(shí)體處理完后，隊(duì)列為空，線程池銷毀。具體運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 Java線程池的kuznyechik算法流程圖

4 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)算法原理和加密流程，本文采用128bit的密鑰，需要加密10輪。首先需要設(shè)計(jì)線程池管理類，該類內(nèi)部成員包括線程池實(shí)體、任務(wù)隊(duì)列和工作線程實(shí)體，線程池實(shí)體使用單例模式來設(shè)計(jì)，并加入同步鎖保證線程池對象的唯一［5］。任務(wù)隊(duì)列用來存放加密實(shí)體對象，工作線程不斷從任務(wù)隊(duì)列中取出任務(wù)實(shí)體，從任務(wù)實(shí)體中獲取需要加密的明文，然后調(diào)用加密方法進(jìn)行輪加密運(yùn)算。以下是線程池管理類的主要代碼：

public class ThreadPool{

private static ThreadPool instance=null;

public List＜encryptionData＞ taskQueue = Collections.synchronizedList （new LinkedList＜encryptionData＞（））;//任務(wù)隊(duì)列

//工作線程（真正執(zhí)行任務(wù)的線程）

private WorkThread workQueue;

private ThreadPool（）{

workQueue=new WorkThread（）;

}

public static synchronized ThreadPool getInstance（）{

if（instance==null）

instance=new ThreadPool（）;

return instance;

}

public void addTask（encryptionData task）{

//對任務(wù)隊(duì)列的操作上鎖

synchronized（taskQueue）{

if（task!=null）{

taskQueue.add（task）;

taskQueue.notifyAll（）;

}

}

}

public void destory（）{

workQueue.stopThread（）;

workQueue=null;

//對任務(wù)隊(duì)列的操作上鎖

synchronized（taskQueue）{

taskQueue.clear（）;

}

}

工作線程的主要代碼如下：

public void run（）{

while（isRuning）{

encryptionData temp=null;

//對任務(wù)隊(duì)列的操作要上鎖

synchronized（taskQueue）{

//任務(wù)隊(duì)列為空，等待新的任務(wù)加入

while（isRuning&&taskQueue.isEmpty（））{

try{

taskQueue.wait（10）;

}catch（InterruptedException e）{

e.printStackTrace（）;

}

}

i（ fisRuning）

temp=taskQueue.remove（0）;

}

i（ftemp!=null）{

isWaiting=false;

//執(zhí)行加密函數(shù)

Encryption.encresult（temp.getInputData（））;

isWaiting=true;

}

}

在加密函數(shù)中，主要通過明文與密鑰相加運(yùn)算，然后通過S盒和L運(yùn)算，得到密文，其中，S盒和L運(yùn)算的主要代碼如下：

進(jìn)s盒運(yùn)算，使用以下方法來實(shí)現(xiàn)，其中s盒的長度為256，返回的結(jié)果是s盒的輸出。

public static char［］ sbox（char x［］）{

for（int i=0;i＜16;i++）{

a［i］=（char）x［i］;

c［i］= （char） s［a［i］］;

}

return c;

}

L運(yùn)算主要進(jìn)行了16次R運(yùn)算，主要代碼如下：

for（int i=0;i＜16;i++）{

char e= ltrans（k11）;

for（int j=0;j＜15;j++）{

k11［j］=k11［j+1］;

}

k11［15］ =e;

}

其中，ltrans表示l運(yùn)算。在l運(yùn)算中，主要用到的是GF（2^8）有限域內(nèi)乘法，這個域的最大值為256。有限域內(nèi)的乘法使用以下的方法實(shí)現(xiàn)：

public static char multiply（char a， char b）{

char temp［］={a，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00};

char tempmultiply=0x00;

int i=0;

for（i=1;i＜ 8;i++）{

temp［i］ =XTIME（temp［i-1］）;

}

tempmultiply=（char）（（b&0x01）*a）;

for（i=1;i＜=7;i++）{

tempmultiply^=（（（b ＞＞ i）&0x01）*temp［i］）;

}

return tempmultiply;

}

在二進(jìn)制中，所有的數(shù)都能用0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40，0x80異或得到，任何一個數(shù)b和a進(jìn)行相乘，都可以表示為b和0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40，0x80分別相乘，然后異或得到。只要計(jì)算出b和這幾個數(shù)的乘積，一切結(jié)果都可以得到。XTIME方法的含義是求一個數(shù)與0x02的乘積，如果求一個數(shù)乘以2，一般是左移一位，本算法中，不可約多項(xiàng)式為p（x）＝x8+x7+x6+x+1，如果最高位為1，再繼續(xù)左移會超出最大值，這時，左移1位的同時要異或0xc3。XTIME的具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

public static char XTIME（char x） {

int k=0x00;

if（（x&0x80）!=0）

k=0xc3;

return（char）（（（（x ＜＜ 1）^k））&0xff）;

}

經(jīng)過8次temp［i］=XTIME（temp［i-1］）運(yùn)算，temp數(shù)組中包含8個字符，分別為：a*0x01，a*0x02，a*0x04，a*0x08，a*0x10，a*0x20，a*0x40，a*0x80。然后經(jīng)過8次tempmulti?ply^=（（（b ＞＞ i）&0x01）*temp［i］）運(yùn)算，另一個乘數(shù)b首先進(jìn)行1位右移，再和0x01與運(yùn)算，然后分別和這8個字符相乘，把相乘的結(jié)果進(jìn)行相加，得到a和b的乘積。

5 算法驗(yàn)證

本文使用Java語句，在eclipse平臺進(jìn)行測試，硬件采用Intel（R）CoreI-5（TM）i5-8400（主頻2.8GHZ，6核）32G內(nèi)存的臺式機(jī)作為平臺進(jìn)行測試。測試用到了加速比，未采用線程池和采用線程池程序加密算法的運(yùn)行時間分別記為τa和τb，經(jīng)過測試，結(jié)果如下表1所示：

表1 加密驗(yàn)證結(jié)果

測試表明，在數(shù)據(jù)量比較少時，采用線程池比未采用線程池加密效率略高，但是隨著數(shù)據(jù)量的增大，采用線程池明顯比不采用線程池加密效率明顯增高。隨著數(shù)據(jù)量的增加，加速比逐漸變陡。下面是原始的測試數(shù)據(jù)，圖4-圖7：

圖4 1k數(shù)據(jù)加密示意圖

圖5 10k數(shù)據(jù)加密示意圖

圖6 100k數(shù)據(jù)加密示意圖

圖7 1000k數(shù)據(jù)加密示意圖

6 結(jié)束語

本文通過設(shè)計(jì)線程池，基于Java線程池技術(shù)，對Kuznyechik算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過eclipse平臺進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，隨著數(shù)據(jù)量的增大，能夠明顯增加加密的效率，縮短加密時間，為大數(shù)據(jù)環(huán)境下的加密奠定了基礎(chǔ)。在未來的研究中，將通過GPU的并行計(jì)算，來進(jìn)一步提高加密效率。