Правовая информатика ♦ Legal Informatics
выпуск № 2 за 2026 г., статья № 2 ♦ issue #2 of 2026, article #2
Рус: АППАРАТНОЕ УСКОРЕНИЕ БЛОЧНОГО ШИФРА ГОСТ Р 34.12-2015 «КУЗНЕЧИК» НА МАССИВНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРАХ
Eng: HARDWARE ACCELERATION OF GOST R 34.12-2015 “GRASSHOPPER” BLOCK CIPHER ON MASSIVELY PARALLEL GRAPHICS PROCESSING UNITS
DOI: 10.24412/1994-1404-2026-2-18-25
Гиперссылка на полнотекстовую версию статьи (.pdf)
РУС: Садреев К. Р., Скиба В. Ю.
ENG: Sadreev K. R., Skiba V. Yu.
Ключевые слова ♦ Keywords ↑ (наверх) ↑
РУС: квантовая устойчивость, ГОСТ Р 34.12-2015, Кузнечик, CUDA, GPU, T-таблицы, Shared Memory, аппаратное ускорение шифрования, атаки по побочным каналам, режим CTR
ENG: quantum resilience, GOST R 34.12-2015, Grasshopper, CUDA, GPU, T-tables, Shared Memory, hardware encryption acceleration, side-channel attacks, CTR mode
РУС:
Цель работы состоит в разработке и исследовании высокопроизводительной реализации российского стандарта блочного шифрования ГОСТ Р 34.12-2015 («Кузнечик») с использованием технологии CUDA на графических процессорах общего назначения, а также в качественном анализе архитектурных свойств полученной реализации с точки зрения устойчивости к атакам по побочным каналам.
Методы исследования: Проведен системный сравнительный анализ существующих программных реализаций алгоритма «Кузнечик» на CPU и GPU. На основании алгебраических свойств линейного преобразования над полем Галуа разработана методика адаптации метода T-таблиц для архитектуры CUDA с учётом специфики L-преобразования «Кузнечика» и особенностей иерархии памяти GPU: 64 КБ предвычисленных таблиц размещены в Shared Memory для обеспечения детерминированной латентности. Реализован конвейер двойной буферизации с использованием двух CUDA Streams и Pinned Memory. Ядро реализует режим CTR (ГОСТ Р 34.13-2015) с векторизацией доступа через тип uint4.
Результаты исследования: Разработанная реализация достигает сквозной пропускной способности 500 МБ/с на GPU NVIDIA GeForce RTX 3060 при измерении end-to-end (включая PCIe-передачу и HTTP-маршалинг). Показано, что SIMT-архитектура GPU и программно-управляемая Shared Memory создают архитектурные предпосылки для повышения устойчивости к атакам по времени и атакам по кэш-времени относительно типичных CPU-реализаций — без специальных программных мер защиты. Корректность реализации подтверждена на эталонных тестовых векторах ГОСТ Р 34.12-2015. Реализация оформлена как Docker-развёртываемый HTTP-сервис с открытым исходным кодом.
Научная новизна: предложен модифицированный метод предвычисленных T-таблиц к нативной CUDA-реализации алгоритма «Кузнечик» с учётом иерархии памяти GPU, а также выполнен качественный анализ архитектурной устойчивости GPU-реализации «Кузнечика» к атакам по времени и атакам по кэш-времени.
Научная значимость: экспериментально показан вклад каждого инженерного решения (Shared Memory, векторизация, double buffering) в итоговую производительность алгоритма.
Практическая значимость: состоит в том, что разработанная реализация может быть использована при синтезе квантовоустойчивых автоматизированных информационных систем, включая цифровые платформы и блокчейн-экосистемы, в части создания программных средств криптографической защиты информации на основе ГОСТ Р 34.12-2015 для серверных платформ с GPU, в системах защиты данных центров обработки данных и программных VPN-шлюзах. При этом открытый исходный код и Docker-образ обеспечивают возможность непосредственного воспроизведения и развёртывания результатов. Совокупность данных решений позволяет достичь пропускной способности 500 МБ/с, являющего практически значимым ориентиром для оценки производительности развёрнутого HTTP-сервиса шифрования.
ENG:
The purpose of this work is to develop and study a high-performance implementation of the Russian block encryption standard GOST R 34.12-2015 (“Grasshopper”) using CUDA technology on general-purpose graphics processors, as well as to qualitatively analyze the architectural properties of the resulting implementation in terms of resistance to side-channel attacks.
Research methods: A systematic comparative analysis of existing software implementations of the Grasshopper algorithm on CPU and GPU was conducted. Based on the algebraic properties of the linear transformation over the Galois field, a method for adapting the T-table method for the CUDA architecture was developed, taking into account the specifics of the Grasshopper L-transformation and the features of the GPU memory hierarchy: 64 KB of pre-computed tables are placed in Shared Memory to ensure deterministic latency. A double-buffering pipeline was implemented using two CUDA Streams and Pinned Memory. The kernel implements the CTR mode (GOST R 34.13-2015) with vectorization of access through the uint4 type.
Research results: The developed implementation achieves end-to-end throughput of 500 MB/s on the NVIDIA GeForce RTX 3060 GPU (including PCIe transfer and HTTP marshalling). It is shown that the SIMT GPU architecture and software-controlled Shared Memory create architectural prerequisites for improving resistance to time-based and cache-time attacks relative to typical CPU implementations – without special software protection measures. The implementation is correct and based on the reference test vectors of GOST R 34.12-2015. The implementation is designed as an open-source Docker-deployable HTTP service.
Scientific novelty: a modified method of pre-computed T-tables for the native CUDA implementation of the Grasshopper algorithm is proposed, taking into account the GPU memory hierarchy. A qualitative analysis of the architectural stability of the GPU implementation of Grasshopper against time attacks and cache-time attacks is also performed.
Scientific significance: the contribution of each engineering solution (Shared Memory, vectorization, double buffering) to the final algorithm performance is experimentally shown.
Practical significance: consists in the fact that the developed implementation can be used in the synthesis of quantum-resistant automated information systems, including digital platforms and blockchain ecosystems, in terms of creating software tools for cryptographic protection of information based on GOST R 34.12-2015 for server platforms with GPU, in data protection systems of data centers and software VPN-gateways. At the same time, the open-source code and Docker image provide the possibility of direct reproduction and deployment of the results. The combination of these solutions allows you to achieve a throughput of 500 MB/s, which is a practical benchmark for evaluating the performance of a deployed HTTP encryption service.
Сведения об авторах ♦ Information on the authors ↑ (наверх) ↑
Ф. И. О.
РУС: Садреев Камиль Рустамович
ENG: Kamil R. Sadreev
Место работы
РУС: Научно-технологический университет «Сириус»
ENG: Sirius University of Science and Technology
Город, страна
РУС: пгт Сириус, Российская Федерация
ENG: Sirius village, Russian Federation
Ф. И. О.
РУС: Скиба Владимир Юрьевич
ENG: Vladimir Yu. Skiba
Место работы
РУС: Научно-технологический университет «Сириус»
ENG: Sirius University of Science and Technology
Город, страна
РУС: пгт Сириус, Российская Федерация
ENG: Sirius village, Russian Federation
- Ларина М.В., Скиба В.Ю. О классификации угроз информационных систем в условиях развития квантовых технологий // Правовая информатика. 2026. № 1. С. 5-15. DOI: 10.24412/1994-1404-2026-1-00-01. EDN: XMQASS.
- Kapkov R.Yu., Ulyanov S.V., Petrenko S.A., Skiba V.Yu., Shiryaev M.V. Quantum optimal control – quantum stochastic master equation as model background Introduction and pedagogical Benchmarks // Системный анализ в науке и образовании. 2025. No. 3. P. 52-100. EDN: XVLMBU.
- Skiba V.Yu., Petrenko S.A., Abakumov E.M. Education system of engineers and scientific personnel in the sphere of quantum information technologies, quantum robust artificial intelligence and quantum resilience // Computing, Telecommunications and Control. 2025. Vol. 18. No. 4. P. 44-52. DOI: 10.18721/JCSTCS.18404. EDN: KOVGTR.
- Гнидко К.О., Лисов Д.Н. Квантовоподобные феномены распространения коллективных эмоций в социальных сетях: модель, набор данных и результаты экспериментального исследования // Правовая информатика. 2025. № 2. С. 79-94. DOI: 10.24412/1994-1404-2025-2-79-94. EDN: ILRFTR.
- Gnidko K., Vasilenko I. Quantum-Like Phenomena in the Spread of Collective Emotions in Social Networks: Model, Experiment, and Dataset // Kovalev S., Kotenko I., Sukhanov A. (eds) Proceedings of the Ninth International Scientific Conference “Intelligent Information Technologies for Industry” (IITI’25), Volume 1. IITI 2025. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 1762. Springer, Cham. P. 352-361. DOI: 10.1007/978-3-032-13615-2_30.
- Skiba V.Yu., Petrenko S.A., Gnidko K.O., Petrenko A.S. Concept of ensuring the resilience of operation of national digital platforms and blockchain ecosystems under the new quantum threat to security // Computing, Telecommunications and Control. 2025. Vol. 18, № 2. P. 56-73. DOI: 10.18721/JCSTCS.18205. EDN: DCDMZF.
- Васильева И.Н. Развитие квантовых технологий и квантовая угроза современной криптографии // Проблемы информационной безопасности в киберпространстве : монография. СПб. : Санкт-Петербургский государственный экономический университет, 2024. С. 108-118. EDN: MNORQF.
- Скиба В.Ю., Петренко С.А., Мурзина А.А., Попова К.Р. Оценка квантовой устойчивости информационных систем таможенных органов Российской Федерации в современных условиях // Вестник Российской таможенной академии. 2024. № 4 (69). С. 32-45. EDN: DCCFTC.
- Skiba V.Yu., Petrenko S.A., Murzina A.A., Popova K.R. New types of threats and assessment of quantum stability of information systems in the field of foreign trade activity // Computing, Telecommunications and Control. 2024. Vol. 17, № 4. Pp. 16-34. DOI: 10.18721/JCSTCS.17402. EDN: TFFIFM.
- Скиба В.Ю., Петренко С.А., Мурзина А.А., Попова К.Р. Новые виды угроз информационным системам в сфере внешнеэкономической деятельности // Вестник Российской таможенной академии. 2025. № 1 (70). С. 82-97. EDN: AEKVPB.
- Беляев С.С., Будько М.Б., Будько М.Ю., Гирик А.В., Грозов В.А. Построение функции генерации криптографически стойких псевдослучайных последовательностей на базе алгоритма шифрования «Кузнечик» // Вопросы кибербезопасности. 2021. № 4 (44). С. 25-34. DOI: 10.21681/2311-3456-2021-4-25-34. EDN: GBNJBU.
- Гафуров И.Р. Высокоскоростная программная реализация алгоритмов шифрования из ГОСТ Р 34.12-2015 // Ученые записки УлГУ. Серия: Математика и информационные технологии. 2022. № 2. С. 38-48. EDN: UWORBQ.
- Гольчевский Ю.В. Автоматизация исследования оптимизации скорости шифрования информации // Информационные технологии в моделировании и управлении: подходы, методы, решения: V Всероссийская научная конференция с международным участием: сборник материалов, Тольятти, 20-22 апреля 2022 года / Отв. за выпуск Е.В. Панюкова. Тольятти: Тольяттинский государственный университет, 2022. С. 208-215. EDN: BBRFAU.
- Гольчевский Ю.В., Ушаков Д.А. Ускорение криптографических вычислений путем низкоуровневой оптимизации базовых блоков // Вестник Сыктывкарского университета. Сер. 1. 2023. Вып. 1 (46). С. 30-49. DOI: 10.34130/1992-2752_2023_1_30. EDN: WTJKGL.
- Руднев Я.И., Мальцев Д.С., Бренько В.А. Анализ криптографического алгоритма «Кузнечик» // Ученые заметки ТОГУ. 2025. Т. 16, № 3. С. 125-130. EDN: CBKMLA.
- Салимов Г.Ю., Захарова Ю.Ф., Бойков И.В. Эффективная реализация методов защиты информации в вычислительных системах с ограниченными ресурсами // Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем: Материалы XIV Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов, Пенза, 1-4 июня 2020 года / Под редакцией И.В. Бойкова. Пенза: Пензенский государственный университет, 2020. С.
- Зимников Д.А. Исследование атаки по времени на блочный шифр ГОСТ 34.12-2018 «Кузнечик» // Актуальные проблемы математики, механики и информатики: сборник статей по материалам студенческой конференции, Пермь, 25 мая — 10 июня 2021 года. Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2021.
- Дубонос А.С., Карасев С.И., Гаврилко А.А., Лаута О.С. Упрощение алгоритма шифрования ГОСТ 34.12-2015 «Кузнечик» без влияния на криптостойкость шифра // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды XXII Всероссийской научно-практической конференции РАРАН, Санкт-Петербург, 1-4 апреля 2019 года. Том 2. СПб. : Российская академия ракетных и артиллерийских наук, 2019. С. 197-200. EDN: SEIDVL.
- Ларина М.В., Скиба В.Ю. Модель цифровой платформы для анализа устойчивости к квантовым угрозам // Правовая информатика. 2025. № 3. С. 12-26. DOI: 10.24412/1994-1404-2025-3-00-02. EDN: NDONZQ.
Результаты получены при финансовой поддержке проекта «Технологии противодействия ранее неизвестным квантовым киберугрозам», реализуемого в рамках государственной программы федеральной территории «Сириус» «Научно-технологическое развитие федеральной территории „Сириус“».
Правообладатель и лицензия на использование ↑ (наверх) ↑
Использование статьи осуществляется на условиях простой (неисключительной) лицензии CC BY-NC, с обязательным указанием авторства и источника публикации, исключительно в некоммерческих целях.
Открытая лицензия на использование метаданных ↑ (наверх) ↑
Использование метаданных статьи осуществляется на условиях открытой лицензии CC0.