Оцінка швидкісних характеристик ансамблю потокових криптоалгоритмів

Abstract

Розвиток інформаційно-комунікаційних систем супроводжується зростанням обчислювальних потужностей потенційних зловмисників. Це змушує інженерів підвищувати криптостійкість мережевих вузлів, що найефективніше досягається шляхом каскадного застосування ансамблів криптоалгоритмів. Водночас глобальне зростання обсягів трафіку, жорсткі вимоги до обробки даних у реальному часі та обмежені ресурси мобільних платформ, створюють жорстку вимогу до мінімізації затримок. Виникає протиріччя між необхідністю забезпечення безпеки та недопущенням деградації продуктивності системи. Метою статті є проведення порівняльного аналізу і оцінка швидкісних характеристик трьох базових архітектур організації ансамблів потокових шифрів (послідовної, паралельної, гібридної) для визначення оптимальних шляхів їх масштабування. У роботі розроблено формальні математичні моделі для оцінки сукупного часу шифрування для кожної архітектури ансамблю, досліджена масштабованість кожної моделі, проведено порівняльний аналіз моделей за критеріями продуктивності, складності реалізації та чутливості до апаратних ресурсів. В результаті досліджень показано, що послідовна архітектура має лінійну деградацію продуктивності, тоді як паралельна забезпечує аналогічне зростання криптостійкості при значно вищій ефективності. В ідеальних умовах, коли кількість шифрів (n) не перевищує кількість доступних процесорних ядер (C), продуктивність визначається найповільнішим компонентом і не залежить від кількості шифрів, що дозволяє посилювати безпеку без втрат швидкодії. У реалістичному випадку (n C) спостерігається східчаста деградація, суттєво повільніша за лінійну, що підтверджує доцільність паралельної моделі для масштабованих систем. Проведені дослідження показали, що гібридна модель являє собою не окрему архітектуру, а є методом реалізації паралельної моделі в умовах n C.The development of information and communication systems is accompanied by an increase in the computing power of potential attackers. This forces engineers to increase the cryptographic resistance of network nodes, which is most effectively achieved by cascading the use of cryptographic algorithm ensembles. At the same time, the global growth in traffic volumes, stringent requirements for real-time data processing and limited resources of mobile platforms create a strict requirement for minimizing delays. There is a contradiction between the need to ensure security and prevent degradation of system performance. The purpose of the article is to conduct a comparative analysis and evaluate the speed characteristics of three basic architectures for organizing stream cipher ensembles (sequential, parallel, hybrid) to determine the optimal ways of scaling them. The paper develops formal mathematical models to estimate the total encryption time for each ensemble architecture, investigates the scalability of each model, and performs a comparative analysis of the models based on the criteria of performance, implementation complexity, and sensitivity to hardware resources. As a result of the experiments, it is shown that the sequential architecture has a linear degradation of performance, while the parallel one provides a similar increase in cryptographic strength with significantly higher efficiency. Under ideal conditions, when the number of ciphers (n) does not exceed the number of available processor cores (C), the performance is determined by the slowest component and does not depend on the number of ciphers, which allows increasing security without loss of performance. In the realistic case ( n C), a stepwise degradation is observed, significantly slower than the linear one, which confirms the feasibility of the parallel model for scalable systems. The conducted research has shown that the hybrid model is not a separate architecture, but a method of implementing a parallel model in n C.