shad-go/psycher

psycher

В данной задаче необходимо реализовать 128-битный линейный блочный шифр. Этот cipher назван в честь psycho, придумавшего эту задачу.

Шифрование за 5 минут

Шифрование - это способ обмена информацией так, чтобы противник, стоящий посередине, не узнал ничего.

Для такого свойства необходим секрет, которым владеют участники обмена информацией. Этот секрет может быть общим для обоих участников, тогда соответствующий шифр называется симметричным (примеры: aes, des). Если же ключи разные, то шифрование асимметричное (примеры: rsa, ecdsa).

С помощью секрета делается хитрое преобразование информации и передается собеседнику. Собеседник дешифрует со своим секретом и узнает, что было передано. Противник посередине видит преобразованное значение и ничего не понимает.

Блочный шифр - это разновидность симметричного шифра. Отличительная особенность в том, что имеется простой интерфейс - принять блок данных фиксированного размера (обычно 64-256 бит) и зашифровать/дешифровать его. По сути шифр - функция {0,1}^n -> {0,1}^n, причем такая, что значение на выходе не отличимо от рандомно сгенерированного значения

Для шифрования данных произвольного размера используются режимы шифрования. По сути данные разбиваются на привычные блоки для блочного шифра, шифруются им и комбинируются хитрым образом (комбинирование и есть суть режима шифрования). По сути результат шифрования более поздних блоков зависит от предыдущих. Такую зависимость нужно вводить, чтобы не показывать противнику паттерны в данных от блоков. (режимы шифрования в задаче не потребуются, это рассказано просто в образовательных целях)

Легенда psycher

Представьте себе пространство {0,1}^128 над полем {0,1}. А теперь давайте возьмем в нем какой-нибудь базис и будем переводить в него векторы из тривиального базиса [{1, 0, 0, ...}, {0, 1, 0, ...}, ...]

Вы спросите, зачем нам это делать? А теперь я расскажу что придумал

Выбранный базис в виде 128 векторов размерности 128 будет нашим симметричным ключом. Шифрование данных - это перевод вектора в этот базис. Дешифрование - обратное преобразование.

При выборе произвольного базиса результат преобразования будет определенно неотличим от произвольной последовательности бит (ну, кроме нулевого вектора). То есть получился полноценный шифр!

Вообще теория говорит, что линейные шифры - это некруто и на практике их не так сложно взломать, как кажется. Но зато такой шифр отлично подходит для оттачивания навыков с курса :)

Я программист, можно на человеческом?

Да, можно. При создании объекта шифра нам передается список из 128 значений, каждое - 128 бит (нигде не проверяется, но давайте считать, что данные представляют собой линейно независимые векторы).

При шифровании нужно сделать следующее:

1. Собираем все позиции в битовом представлении входных данных (128-битный блок)
2. Применяем xor всех значений с данными позициями из списка инициализации объекта
3. Возвращаем результат

Более того, этот функционал уже реализован в тестовом файле.

Для дешифрования нужно решать систему линейных уравнений. Это скучно, давайте не реализовывать дешифрование.

Ничего не понял, а задача-то в чем?

А предоставленное решение-то медленное. Надо его ускорить.

Здесь вам помогут знания об оптимизациях компилятора, умение работать с бенчмарками и pprof.

Авторское решение лучше наивного примерно в 60 раз. Здесь не учитывается время создания шифра, но не стоит злоупотреблять этим. В идеале нужно понимать, какого размера шифротексты в среднем подаются на вход, т.е. сколько раз вызовется функция шифрования, чтобы правильно выбрать баланс между более тяжелым New и более тяжелым Encrypt. Rule of thumb - использовать не более единиц-десятков КБ доп памяти.

cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9850H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkSlowCipher
BenchmarkSlowCipher-12    	  731576	      1592 ns/op	  10.05 MB/s	       0 B/op	       0 allocs/op
BenchmarkCipher
BenchmarkCipher-12        	39978231	        26.47 ns/op	 604.54 MB/s	       0 B/op	       0 allocs/op
PASS

Подсказка по оптимизации

Можно использовать следующую схему. Она описывает порядок, в котором нужно оптимизировать программу.

1. Алгоритм (улучшение асимптотической сложности, константы)
2. Распараллеливание (разделяй и властвуй, здесь надо понять стоят ли накладные расходы того)
3. Микрооптимизации кода (pprof, gcflags -m, аллокации, ...)
4. Hardware оптимизации (кэш процессора, asm, unsafe)

На каждом шаге можно вернуться наверх, если приходит хорошая идея. Но тогда дальнейшие шаги возможно нужно перепридумать. И не обязательно в каждом что-то делать, это скорее порядок, в котором надо подумать.