Кафедра информационно-коммуникационных технологий

СОВРЕМЕННЫЕ СИММЕТРИЧНЫЕ И АССИМЕТРИЧНЫЕ КРИПТОСИСТЕМЫ

Методические указания к лабораторной работе по курсу

Москва 2009

ВВЕДЕНИЕ

Обмен документами в электронном виде возможен лишь в том случае, если обеспечивается их конфиденциальность, надежная защита от подделки или несанкционированного изменения, гарантирована доставка адресату, имеется возможность разрешения споров, связанных с фальсификацией сообщений и отказом от авторства.

Бурное развитие криптографические системы получили в годы первой и второй мировых войн. Начиная с послевоенного времени и по нынешний день появление вычислительных средств ускорило разработку и совершенствование криптографических методов.

В современном программном обеспечении (ПО) криптоалгоритмы широко применяются не только для задач шифрования данных, но и для аутентификации и проверки целостности. На сегодняшний день существуют хорошо известные и апробированные криптоалгоритмы (как с симметричными, так и несимметричными ключами), криптостойкость которых либо доказана математически, либо основана на необходимости решения математически сложной задачи (факторизации, дискретного логарифмирования и т.п.).

Цель работы

Описание и программная реализация одного из предложенных алгоритмов.

Теоретические сведения

Методы и средства защиты информации

На первом этапе развития концепции обеспечения безопасности информации, преимущество отдавалось программным средствам защиты. Когда практика показала, что для обеспечения безопасности информации этого недостаточно, интенсивное развитие получили всевозможные устройства и системы. RoctsttsHHo, по мере формирования системного подхода к проблеме обеспечения информационной безопасности, возникла необходимость комплексного применения методов защиты и созданных на их основе средств и механизмов защиты.

Рис. 1. Классификация методов и средств защиты информации

Кратко рассмотрим основные методы защиты информации. Управление представляет собой направленное воздействие на ресурсы системы в рамках установленного технологического цикла обработки и передачи данных, где в качестве ресурсов рассматриваются технические средства, ОС, программы, БД, элементы данных и т.п.

Препятствия физически преграждают нарушителю путь к защищаемым данным.

Маскировка представляет собой метод защиты данных путем их криптографического закрытия.

Регламентация как метод защиты заключается в разработке и реализации в процессе функционирования ИВС комплексов мероприятий, создающих такие условия технологического цикла обработки данных, при которых минимизируется риск НСД к данным. Регламентация охватывает как структурное построение ИВС, так и технологию обработки данных, организацию работы пользователей и персонала сети.

Побуждение состоит в создании такой обстановки и условий, при которых правила обращения с защищенными данными регулируются моральными и нравственными нормами.

Принуждение включает угрозу материальной, административной и уголовной ответственности за нарушение правил обращения с защищенными данными. На основе перечисленных методов создаются средства защиты данных. Все средства защиты данных можно разделить на формальные и неформальные.

Формальные средства защиты

Формальными называются такие средства защиты, которые выполняют свои функции по заранее установленным процедурам без вмешательства человека. К формальным средствам защиты относятся технические и программные средства.

К техническим средствам (вам защиты относятся все устройства, которые предназначены для защиты защиты. Физическими называются средства защиты, которые создают физические препятствия на пути к защищаемым данным и не входят в состав аппаратуры ИВС, а аппаратными - средства защиты данных, непосредственно входящие в состав аппаратуры ИВС.

Программными называются средства защиты данных, функционирующие в составе программного обеспечения ИВС.

Отдельную группу формальных средств составляют криптографические средства, которые реализуются в виде программных, аппаратных и программно-аппаратных средств защиты.

Неформальные средства защиты

Неформальными называются такие средства защиты, которые реализуются в результате деятельности людей, либо регламентируют эту деятельность. Неформальные средства включают организационные, законодательные и морально-этические меры и средства.

Под организационными средствами защиты понимаются организационно-технические и организационно-правовые мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации ИВС для обеспечения безопасности данных.

К морально-этическим нормам защиты относятся всевозможные нормы, которые традиционно сложились или складываются по мере развития информатизации общества. Такие нормы не являются обязательными, однако их несоблюдение ведет, как правило, к потере авторитета, престижа человека, группы лиц или целой организации. Считается, что Этические нормы оказывают положительное воздействие на персонал и пользователей. Морально-этические нормы могут быть неписаными (например, общепринятые нормы честности, патриотизма и т.п.) и оформленными в качестве свода правил и предписаний (кодексов).

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Большинство средств защиты информации базируется на использовании криптографических шифров и процедур шифрования расшифрования. В соответствии со стандартом ГОСТ 28147-89 под шифром понимают совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, задаваемых ключом и алгоритмом криптографического преобразования.

Ключ - это конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных, обеспечивающее выбор только одного варианта из всех возможных для данного алгоритма.

Основной характеристикой шифра является криптостойкость, которая определяет его стойкость к раскрытию методами криптоанализа. Обычно эта характеристика определяется интервалом времени, необходимым для раскрытия шифра.

К шифрам, используемым для криптографической защиты информации, предъявляется ряд требований:

· достаточная криптостойкость (надежность закрытия данных);

· простота процедур шифрования и расшифрования;

· незначительная избыточность информации за счет шифрования;

· нечувствительность к небольшим ошибкам шифрования и др.

В той или иной мере этим требованиям отвечают:

· шифры перестановок:

· шифры замены;

· шифры гаммирования;

· шифры, основанные на аналитических преобразованиях шифруемых данных.

Шифрование перестановкой заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста. При достаточной длине блока, и пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствии с заранее обусловленной схемой замены.

Шифрование гаммированием заключается в том, что символы шифруемою текста складываются с символами некоторой случайной последовательности, именуемой гаммой шифра. Стойкость шифрования определяется в основном длиной (периодом) неповторяющейся части гаммы шифра. Поскольку с помощью ЭВМ можно генерировать практически бесконечную гамму шифра, то данный способ является одним из основных для шифрования информации в автоматизированных системах.

Шифрование аналитическим преобразованием заключается в том, что шифруемый текст преобразуется по некоторому аналитическому правилу (формуле).

Например, можно использовать правило умножения вектора на матрицу, причем умножаемая матрица является ключом шифрования (поэтому ее размер и содержание должны храниться в секрете), а символами умножаемого вектора последовательно служат символы шифруемого текста. Другим примером может служить использование так называемых однонаправленных функций для построения криптосистем с открытым ключом.

Процессы шифрования и расшифрования осуществляются в рамках некоторой криптосистемы.

1.1 Традиционные симметричные криптосистемы. Принципы криптографической защиты информации

Криптография представляет собой совокупность методов преобразования данных, направленных на то, чтобы сделать эти данные бесполезными для противника. Такие преобразования позволяют решить две главные проблемы защиты данных: проблемы конфиденциальности (путем лишения противника возможности извлечь информацию из канала связи) и проблему целостности (путем лишения противника возможности изменить сообщение так, чтобы изменился его смысл, или ввести ложную информацию в канал связи). Проблемы конфиденциальности и целостности информации тесно связаны между собой, поэтому методы решения одной из них часто применимы для решения другой.

Обобщенная схема криптографической системы, обеспечивающей шифрование передаваемой информации, показана на рис.1. Отправитель генерирует открытый текст исходного сообщения

, которое должно быть передано законному получателю по незащищенному каналу. За каналом следит перехватчик с целью перехватить и раскрыть передаваемое сообщение. Для того чтобы перехватчик не смог узнать содержание сообщения , отправитель шифрует его с помощью обратимого преобразования и получает шифртекст (или криптограмму) , который отправляет получателю.

¦ Алгоритмы и стандарты шифрования

¦ Электронная цифровая подпись

¦ Современные технологии аутентификации. Смарт-карты

Криптография– наука о математических методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним) и аутентичности (целостности и подлинности авторства) информации. Другими словами, криптография изучает методы шифрования информации, то есть способы защиты данных, применяемые для хранения критически важной информации в ненадежных источниках или передачи ее по незащищенным каналам связи.

Шифрование как процесс своей историей уходит глубоко в века. Так, подстановочные шифры существуют уже около 2500 лет. Яркий тому пример – шифр Атбаш, который возник примерно в 600 году до нашей эры. Суть его работы заключалась в использовании еврейского алфавита в обратном порядке. Юлий Цезарь также использовал подстановочный шифр, который и был назван в его честь – шифр Цезаря. Суть шифра Цезаря заключалась в том, чтобы заменить каждую из букв другой, стоящей в алфавите, на три места дальше от исходной. Так, буква A превращалась в Д, Б преобразовывалась в E, Я преобразовывалась в Г и т. д.

Бесспорно, шифрование можно назвать одним из важнейшим средств обеспечения безопасности. Однако не следует забывать и о том, что само по себе шифрование отнюдь не панацея от всех проблем. Механизмы шифрования могут и должны являться составной частью комплексной программы по обеспечению безопасности.

Согласно классическим канонам ИБ с помощью шифрования обеспечиваются три основополагающих состояния безопасности информации.

¦ Конфиденциальность. Шифрование используется для сокрытия информации от неавторизованных пользователей при передаче или хранении.

¦ Целостность. Шифрование используется для предотвращения изменения информации при передаче или хранении. Яркий пример – контрольная сумма, полученная с использованием хэш-функции (то, что можно увидеть на FTP-серверах рядом с файлом (примерно так – dpofgj 0 93utm34tdfgb45ygf), который собираемся скачать).

¦ Идентифицируемость. Шифрование используется для аутентификации источника информации и предотвращения отказа отправителя информации от того факта, что данные были отправлены именно им.

Известно, что любая система шифрования может быть взломана. Речь идет лишь о том, что для получения доступа к защищенной шифрованием информации может потребоваться неприемлемо большое количество времени и ресурсов.

Что это значит и как это выглядит в реальной жизни? Представьте себе такую ситуацию: злоумышленнику каким-то образом удалось перехватить зашифрованную информацию. Дальнейшие действия взломщика могут быть сведены к двум вариантам взлома (возможен и третий, который сводится к эксплуатации уязвимостей рабочей среды):

¦ атака "грубой силой", или Brute Force (атаки "грубой силой" подразумевают подбор всех возможных вариантов ключей);

¦ поиск уязвимых мест в алгоритме.

Учитывая тот факт, что применяемые в настоящее время алгоритмы шифрования уже проверены "огнем и временем", совершенно очевидно, что взломщик будет использовать Brute Force. Взлом конфиденциальной информации, зашифрованной стойким алгоритмом и достаточно длинным ключом (к примеру, 512 бит), потребует со стороны взломщика использования "армии" суперкомпьютеров или распределительной сети из нескольких сотен тысяч машин плюс уйму времени и денег. Но если деньги есть, то почему бы и нет! Так, в 1997 году организация Electronic Frontier Foundation (EFF) анонсировала компьютерную систему, которая сможет найти ключ DES за четыре дня. Создание такой системы обошлось компании в $250 000. С помощью современного оборудования можно определить ключ DES посредством атаки "грубой силы" за 35 минут.

2.1. Алгоритмы и стандарты шифрования

В зависимости от используемых ключей шифрование условно можно разделить на следующие виды.

¦ Симметричное шифрование, при котором ключ для шифрования и дешифрования представляет собой один и тот же ключ (на обыденном уровне – просто пароль).

¦ Асимметричное шифрование: подразумевает использование двух различных ключей – открытого и закрытого. Открытый ключ, как правило, передается в открытом виде, закрытый же всегда держится в тайне.

Известны также и другие виды шифрования, такие, например, как тайнопись. Алгоритмы тайнописи по известным причинам не являются публичными: посторонним лицам неизвестен сам алгоритм шифрования; закон преобразования знают только отправитель и получатель сообщения. Одним из ярких примеров таких систем можно считать одноразовые блокноты. Именно одноразовые блокноты (One-time Pad, или OTP) можно назвать единственной теоретически невзламываемой системой шифрования. Одноразовый блокнот представляет собой список чисел в случайном порядке, используемый для кодирования сообщения. Как это и следует из названия, OTP может быть использован только один раз. Одноразовые блокноты широко применяются в информационных средах с очень высоким уровнем безопасности (но только для коротких сообщений). Так, в Советском Союзе OTP использовался для связи разведчиков с Москвой.

Симметричное шифрование

Как было уже сказано выше, при симметричном шифровании для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ. Понятно, что ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Говоря простым языком, в данном случае под ключом подразумевается пароль, который, разумеется, должен держаться в тайне.

Популярными алгоритмами симметричного шифрования являются:

¦ DES (значительно устарел) и TripleDES (3DES);

¦ AES (Rijndael);

¦ ГОСТ 28147-89;

Основными параметрами алгоритмов симметричного шифрования можно считать:

¦ стойкость;

¦ длину ключа;

¦ количество раундов;

¦ длину обрабатываемого блока;

¦ сложность аппаратной/программной реализации.

Итак, начнем.

Data Encryption Standard (DES). Алгоритм Data Encryption Standard (DES) был разработан компанией IBM в начале 1970-х гг. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) принял на вооружение алгоритм (публикация FIPS 46) для DES в 1977 году. Дальнейшей модификации алгоритм подвергался в 1983, 1988, 1993 и 1999 годах.

До недавнего времени DES был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Однако несмотря на то что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 году.

DES использует ключ длиной 56 бит. По сегодняшним меркам, такая длина ключа неприемлема. DES является блочным алгоритмом шифрования, обрабатывающим единовременно один 64-битный блок открытого текста. В алгоритме DES выполняются 16 циклов шифрования с различным подключом в каждом из циклов. Ключ подвергается действию своего собственного алгоритма для образования 16 подключей (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема работы DES

Рассмотрим работу алгоритма подробнее. Входной блок данных, состоящий из 64 бит, преобразуется в выходной блок идентичной длины. Ключ шифрования должен быть известен как отправляющей, так и принимающей сторонам. В алгоритме широко используются перестановки битов текста.

Вводится функция F, которая работает с 32-разрядными словами исходного текста ® и использует в качестве параметра 48-разрядный ключ (J). Схема работы функции F показана на рис. 2.1. Сначала 32 входных разряда расширяются до 48, при этом некоторые разряды повторяются.

Для полученного 48-разрядного кода и ключа выполняется операция сложения по модулю 2. Результирующий 48-разрядный код преобразуется в 32-разрядный с помощью S-матриц.

Исходный 48-разрядный код делится на восемь групп по шесть разрядов. Первый и последний разряды в группе используются в качестве адреса строки, а средние четыре разряда – в качестве адреса столбца. В результате каждые шесть бит кода преобразуются в четыре бита, а весь 48-разрядный код – в 32-разрядный (для этого нужно восемь S-матриц). Существуют разработки, позволяющие выполнять шифрование в рамках стандарта DES аппаратным образом, что обеспечивает довольно высокое быстродействие.

Чтобы все-таки разобраться во всех тонкостях алгоритма DES, будет вполне уместно привести описание так называемой сети Фейштеля (иногда называют сетью Файстеля), которая и стоит в основе DES.

В 1973 году Хорст Фейштель (Horst Feistel) в журнале Scientific American опубликовал статью "Cryptography and Computer Privacy", в которой раскрыл некоторые важные аспекты шифрования, а также ввел конструкцию, названную впоследствии сетью Фейштеля. Эта схема была использована в проекте Lucifer фирмы IBM, над которым работали Фейштель и Дон Копперсмит (Don Coppersmith). Данный проект был скорее экспериментальным, но стал базисом для Data Encryption Standard (DES). Итеративная структура алгоритма позволяла упростить его реализацию в аппаратных средах.

Уместно заметить, что следующие блочные шифры как раз таки используют классическую или модифицированную сеть Фейштеля в своей основе: Blowfish, Camellia, CAST, DES, FEAL, ГОСТ 28147-89, KASUMI, LOKI97, Lucifer, MacGuffin, MARS, MAGENTA, MISTY1, RC2, RC5, RC6, Skipjack, TEA, Triple DES, Twofish, XTEA.

TripleDES (3DES). Очевидная нестойкость DES стала причиной поисков некой альтернативы. В 1992 году исследования показали, что DES можно использовать трижды для обеспечения более мощного шифрования. Так появился тройной DES (3DES). Тройной DES используется либо с двумя, либо с тремя ключами. Используемый при этом ключ обеспечивает большую мощность в сравнении с обычным DES.

Advanced Encrypt Standard (AES). Вскоре после выхода DES обнаружилась очевидная слабость алгоритма. Необходимость в принятии нового стандарта была более чем явной: небольшая длина ключа DES (56 бит) позволяла применить метод грубой силы против этого алгоритма. Кроме того, архитектура DES была ориентирована на аппаратную реализацию, и программная реализация алгоритма на платформах с ограниченными ресурсами не давала необходимого быстродействия. Модификация TDES обладала достаточной длиной ключа, но при этом была еще медленнее. TDES не просуществовал столь долго, чтобы можно было говорить о том, что алгоритм стоек и надежен. Ему на смену, как и следовало ожидать, пришел более стойкий и надежный алгоритм – AES, который, между прочим, был выбран в результате конкурса и принят в качестве американского стандарта шифрования правительством США. Немного о самом конкурсе.

2 января 1997 года NIST (Национальный Институт Стандартов и Технологий) объявляет о намерении найти замену DES, являвшемуся американским стандартом с 1977 года. NIST принял достаточное количество предложений от заинтересованных сторон о том, каким образом следует выбирать алгоритм. Активный отклик со стороны открытого криптографического сообщества привел к объявлению конкурса 12 сентября 1997 года. Алгоритм могла предложить практически любая организация или группа исследователей. Минимальные требования к новому стандарту были следующими:

¦ это должен быть блочный шифр;

¦ длина блока должна составлять 128 бит;

¦ алгоритм должен работать с ключами длиной 128, 192 и 256 бит;

¦ использовать операции, легко реализуемые как аппаратно (в микрочипах), так и программно (на персональных компьютерах и серверах);

¦ ориентироваться на 32-разрядные процессоры;

¦ не усложнять без необходимости структуру шифра, чтобы все заинтересованные стороны были в состоянии самостоятельно провести независимый криптоанализ алгоритма и убедиться, что в нем не заложено каких-либо недокументированных возможностей.

Кроме всего вышеперечисленного, алгоритм, который претендует на то, чтобы стать стандартом, должен распространяться по всему миру без платы за пользование патентом.

20 августа 1998 года на первой конференции AES был объявлен список из 15 кандидатов, а именно: CAST-256, CRYPTON, DEAL, DFC, E2, FROG, HPC, LOKI97, MAGENTA, MARS, RC6, Rijndael, SAFER+, Serpent и Twofish.

Понятное дело, что в последующих обсуждениях эти алгоритмы подвергались самому тщательному анализу, причем исследовались не только криптографические свойства, такие как стойкость к известным атакам и отсутствие слабых ключей, но и практические аспекты реализации. Так, особое внимание при выборе алгоритма было направлено на оптимизацию скорости выполнения кода на различных архитектурах (от ПК до смарт-карт и аппаратных реализаций), возможность оптимизации размера кода, возможность распараллеливания.

В марте 1999 года прошла вторая конференция AES, а в августе 1999 года были объявлены пять финалистов, среди которых оказались: MARS, RC6, Rijndael, Serpent и Twofish. Все они были разработаны авторитетными криптографами, имеющими мировое признание. На 3-й конференции AES в апреле 2000 года все авторы представили свои алгоритмы.

В Нью-Йорке 13 и 14 апреля 2000 года, незадолго до завершения второго этапа, прошла третья конференция AES. Двухдневная конференция была разделена на восемь сессий по четыре в день. На сессиях первого дня обсуждались вопросы, связанные с программируемыми матрицами (FGPA), проводилась оценка реализации алгоритмов на различных платформах, в том числе PA-RISC, IA-64, Alpha, высокоуровневых смарт-картах и сигнальных процессорах, сравнивалась производительность претендентов на стандарт, анализировалось количество раундов в алгоритмах-кандидатах. На второй день был проанализирован Rijndael с сокращенным количеством раундов и показана его слабость в этом случае, обсуждался вопрос об интегрировании в окончательный стандарт всех пяти алгоритмов-претендентов, еще раз тестировались все алгоритмы. В конце второго дня была проведена презентация, на которой претенденты рассказывали о своих алгоритмах, их достоинствах и недостатках. О Rijndael как о лидере рассказал Винсент Риджмен (Vincent Rijmen), заявивший о надежности защиты, высокой общей производительности и простоте архитектуры своего кандидата.

2 октября 2000 года было объявлено, что победителем конкурса стал алгоритм Rijndael, и началась процедура стандартизации. 28 февраля 2001 года был опубликован проект, а 26 ноября 2001 года AES был принят как FIPS 197.

Строго говоря, AES и Rijndael не одно и то же, так как Rijndael поддерживает широкий диапазон длин ключей и блоков.

Особо следует подчеркнуть тот факт, что алгоритм Rijndael не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, в основе которых лежит сеть Фейштеля. Напомним нашим читателям, что особенность сети Фейштеля состоит в том, что входное значение разбивается на два и более субблоков, часть из которых в каждом раунде обрабатывается по определенному закону, после чего накладывается на необрабатываемые субблоки.

В отличие от ГОСТ 28147, который будет рассмотрен ниже, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4 х 4, 4 х 6 или 4 х 8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael предусматривает выполнение четырех последовательных преобразований.

1. BS (ByteSub) – табличная замена каждого байта массива (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Табличная замена каждого байта массива

2. SR (ShiftRow) – сдвиг строк массива. При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное количество байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4 х 4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются на 1, 2 и 3 байта соответственно (рис. 2.3).

3. Следующим идет MC (MixColumn) – операция над независимыми столбцами массива, когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу C(X) (рис. 2.4).

4. Заключительный этап – AK (AddRoundKey) – добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который, в свою очередь, определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 2.5).

Рис. 2.3. Сдвиг строк массива

Рис. 2.4. Операция MixColumn

Рис. 2.5. Операция добавления ключа

Вышеперечисленные преобразования шифруемых данных поочередно выполняются в каждом раунде (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Последовательность раундов Rijndael

В алгоритме Rijndael количество раундов шифрования ® переменное (10, 12 или 14 раундов) и зависит от размеров блока и ключа шифрования (для ключа также предусмотрено несколько фиксированных размеров).

Почему же Rijndael стал новым стандартом шифрования, опередившим другие алгоритмы? Прежде всего, он обеспечивает высокую скорость шифрования, причем на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Алгоритм отличается удачным механизмом распараллеливания вычислений по сравнению с другими алгоритмами, представленными на конкурс. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

При всех преимуществах и оригинальности алгоритма AES можно было бы считать абсолютом надежности и стойкости, но, как оно всегда и бывает, совершенных продуктов нет.

26 мая 2006 года на конференции Quo Vadis IV Николя Тадеуш Куртуа (польский криптограф, проживающий во Франции) представил практическое доказательство существования алгебраических атак, оптимизированных против шифра AES-Rijndael. За полтора часа на своем ноутбуке он осуществил демо-взлом всего лишь по нескольким шифртекстам близкого аналога Rijndael. Хотя это был только модельный шифр, он являлся таким же стойким, в него не было добавлено существенных слабостей, он имел такие же хорошие диффузионные характеристики и устойчивость ко всем известным до этого видам криптоанализа. Единственным отличием были лишь измененные в рамках модели алгебраических атак параметры S-блоков и уменьшенное для наглядности количество раундов. Однако этого было достаточно, чтобы убедить скептиков в реальности алгебраических атак и несовершенстве даже такого, казалось бы, совершенного метода шифрования.

ГОСТ 28147. Следующим алгоритмом симметричного шифрования, который мы рассмотрим, станет ГОСТ 28147-89. Это советский и российский стандарт симметричного шифрования, введенный 1 июля 1990 года. Стандарт обязателен для организаций, предприятий и учреждений, применяющих криптографическую защиту данных, хранимых и передаваемых в сетях ЭВМ, в отдельных вычислительных комплексах или ЭВМ.

Алгоритм был разработан в бывшем Главном Управлении КГБ СССР или в одном из секретных НИИ в его системе. Первоначально имел гриф (ОВ или СС – точно неизвестно), затем гриф последовательно снижался и к моменту официального проведения алгоритма через Госстандарт СССР в 1989 году был снят. Алгоритм остался ДСП (как известно, ДСП не считается грифом). В 1989 году стал официальным стандартом СССР, а позже, после распада СССР, федеральным стандартом Российской Федерации.

С момента опубликования ГОСТа на нем стоял ограничительный гриф "Для служебного пользования", и формально шифр был объявлен "полностью открытым" только в мае 1994 года. По известным причинам, история создания шифра и критерии его проектирования до сих пор неизвестны.

ГОСТ 28147-89 представляет собой блочный шифр с 256-битным ключом и 32 циклами преобразования, оперирующий 64-битными блоками. Основа алгоритма – уже известная нам сеть Фейштеля. Основным режимом шифрования по ГОСТ 28147-89 является режим простой замены (определены также более сложные режимы гаммирования и гаммирования с обратной связью). Рассмотрим механизм работы алгоритма подробнее.

При работе ГОСТ 28147-89 информация шифруется блоками по 64 бита (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бита (N1 и N2). После завершения обработки субблока N1 его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, то есть применяется логическая операция XOR – исключающее ИЛИ), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное количество раз (раундов): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Преобразование выполняется определенное количество раз

Первая операция подразумевает наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-битной частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-битных подключей: K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7. В процессе шифрования используется один из этих подключей, в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция осуществляет табличную замену. После наложения ключа субблок N1 разбивается на восемь частей по четыре бита, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. После этого выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, может работать в четырех режимах:

¦ простой замены;

¦ гаммирования;

¦ гаммирования с обратной связью;

¦ генерации имитоприставок.

В генерации имитоприставок используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифровки каждого 64-битного блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. Каждый из блоков шифруется независимо от другого, то есть результат шифрования каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы: гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бита. Гамма шифра – это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2 .

1. В регистры N1 и N2 записывается их начальное заполнение – 64-битная величина, называемая синхропосылкой.

2. Выполняется зашифровка содержимого регистров N1 и N2 (в данном случае синхропосылки) в режиме простой замены.

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (2 32 – 1) с константой C1, равной 2 24 + 2 16 + 2 8 + 2 4 , а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 2 32 с константой C2, равной 2 24 + 2 16 + 2 8 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

5. Содержимое регистров N1 и N2 подается на выход в качестве 64-битного блока гаммы шифра (в данном случае N1 и N2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (то есть нужно продолжить зашифровку или расшифровку), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифровки гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR.

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должны быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровке информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка несекретна, однако есть системы, где синхропосылка является таким же секретным элементом, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров N1 и N2 , начиная со второго блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифровки предыдущего блока открытого текста. Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рассматривая режим генерации имитоприставок, следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка – это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с использованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-битный блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры N1 и N2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в N1 и N2.

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-битное содержимое регистров N1 и N2 или его часть и называется имитоприставкой. Размер имитоприставки выбирается исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки r бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2^.Чаще всего используется 32-битная имитоприставка, то есть половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы – в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровке какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифровки вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают, значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровке использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифровки ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается достаточно сильным – в настоящее время для его раскрытия не существует более эффективных методов, чем упомянутый выше Brute Force. Высокая стойкость алгоритма достигается в первую очередь за счет большой длины ключа, равной 256 бит. К тому же при использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость ГОСТ 28147-89 уже при 32 раундах можно считать более чем достаточной, и это притом, что полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после восьми раундов.

На сегодняшний день алгоритм ГОСТ 28147-89 полностью удовлетворяет всем требованиям криптографии и обладает теми же достоинствами, что и другие алгоритмы, но лишен их недостатков. К очевидным достоинствам этого алгоритма можно отнести:

¦ эффективность реализации и, соответственно, высокое быстродействие на современных компьютерах;

¦ бесперспективность силовой атаки (XSL-атаки в учет не берутся, так как их эффективность на данный момент полностью не доказана).

Однако же, как оно всегда и бывает, алгоритм не лишен недостатков: тривиально доказывается, что у ГОСТа существуют "слабые" ключи и S-блоки, но в стандарте не описываются критерии выбора и отсева "слабых". Кроме того, стандарт не специфицирует алгоритм генерации S-блоков (таблицы замен). С одной стороны, это может являться дополнительной секретной информацией (помимо ключа), а с другой – поднимает ряд проблем: нельзя определить криптостойкость алгоритма, не зная заранее таблицы замен; реализации алгоритма от различных производителей могут использовать разные таблицы замен и могут быть несовместимы между собой.

Кратко рассмотрим некоторые другие алгоритмы симметричного шифрования.

Blowfish. Blowfish представляет собой 64-битный блочный шифр, разработанный Шнайером (Schneier) в 1993 году. Этот шифр, как и многие другие, основан на алгоритме сети Фейштеля. Отдельный раунд шифрования данного алгоритма состоит из зависимой от ключа перестановки и зависимой от ключа с данными замены. Все операции основаны на операциях XOR и прибавлениях к 32-битным словам (XORs and additions on 32-bit words). Ключ имеет переменную длину (максимальная длина 448 бит) и используется для генерации нескольких подключевых массивов (subkey arrays). Шифр был создан специально для 32-битных машин и существенно быстрее ранее рассмотренного нами алгоритма DES.

IDEA (International Data Encryption Algorithm) был разработан К. Лейем (Lai) и Д. Месси (Massey) в конце 1980-х годов. Это шифр, состоящий из 64-битных повторяющихся блоков со 128-битным ключом и восемью раундами. Следует отметить, что, в отличие от ранее нами рассмотренных алгоритмов шифрования, IDEA не основан на сети Фейштеля, хотя процесс дешифрования аналогичен процессу шифрования. IDEA был сконструирован с учетом его легкого воплощения как программно, так и аппаратно. Ко всему прочему безопасность IDEA основывается на использовании трех несовместимых типов арифметических операций над 16-битными словами.

Один из принципов создания IDEA заключался в том, чтобы максимально затруднить его дифференциальный криптоанализ, что в настоящее время выражается отсутствием алгебраически слабых мест алгоритма. Даже не смотря на то что найденный неким "Daemen" обширный класс (2 51) слабых ключей теоретически может скомпрометировать алгоритм, IDEA остается достаточно надежным алгоритмом, так как существует 2 128 возможных вариантов ключей, что делает его взлом трудно осуществимым.

RC5 представляет собой довольно быстрый блочный шифр, разработанный Ривестом (Ronald Linn Rivest) специально для «RSA Data Security». Этот алгоритм параметричен, то есть его блок, длинна ключа и количество проходов (раундов) переменны.

Размер блока может равняться 32, 64 или 128 бит. Количество проходов может варьироваться от 0 до 2048 бит. Параметричность подобного рода делает RC5 необычайно гибким и эффективным алгоритмом в своем классе.

Исключительная простота RC5 делает его простым в использовании. RC5 с размером блока в 64 бита и 12 или более проходами обеспечивает хорошую стойкость против дифференциального и линейного криптоанализов.

Асимметричное шифрование

В отличие от алгоритмов симметричного шифрования, где используется один и тот же ключ как для расшифровки, так и для зашифровки, алгоритмы асимметричного шифрования используют открытый (для зашифровки) и закрытый, или секретный (для расшифровки), ключи.

На практике один ключ называют секретным, а другой – открытым. Секретный ключ содержится в тайне владельцем пары ключей. Открытый ключ передается публично в открытом виде. Следует отметить тот факт, что если у абонента имеется один из пары ключей, то другой ключ вычислить невозможно.

Открытый ключ вычисляется из секретного: kl = f(k2). Асимметричные алгоритмы шифрования основаны на применении однонаправленных функций. Согласно определению функция y = f(x) является однонаправленной, если ее можно легко вычислить для всех возможных вариантов x, а для большинства возможных значений y достаточно сложно вычислить такое значение x, при котором y = f(x) .

Примером однонаправленной функции может служить умножение двух больших чисел: N = S х G. Само по себе, с точки зрения математики, такое умножение представляет собой простую операцию. Однако обратная операция (разложение N на два больших множителя), называемая также факторизацией, по современным временным оценкам представляет собой достаточно сложную математическую задачу.

Ну что ж, рассмотрим некоторые из алгоритмов асимметричного шифрования.

Алгоритм Диффи-Хеллмана. В 1976 году Уитфилд Диффи (Whitfield Diffie) и Мартин Хеллман (Martin Hellman) разработали свою систему шифрования с открытым ключом. Система Диффи-Хеллмана разрабатывалась для решения проблемы распространения ключей при использовании систем шифрования с секретными ключами. Идея заключалась в том, чтобы применять безопасный метод согласования секретного ключа без передачи ключа каким-либо другим способом. Следовательно, необходимо было найти безопасный способ получения секретного ключа с помощью того же метода связи, для которого разрабатывалась защита. Суть алгоритма Диффи-Хеллмана заключается в следующем. Предположим, что двум точкам (S1 и S2) требуется установить между собой безопасное соединение, для которого необходимо согласовать ключ шифрования.

¦ S1 и S2 принимают к использованию два больших целых числа a и b, причем 1 < a < b.

¦ S1 выбирает случайное число i и вычисляет I = ai ? mod b. S1 передает I абоненту S2.

¦ S2 выбирает случайное число j и вычисляет J = aj ? mod b. S2 передает J абоненту S1 .

¦ S1 вычисляет k1 = Ji ? mod b.

¦ S2 вычисляет k2 = Ij ? mod b.

Имеем k1 = k2 = ai ? j х mod b, следовательно, k1 и k2 являются секретными ключами, предназначенными для использования при передаче других данных.

Даже если допустить, что злоумышленнику каким-то образом удастся прослушать передаваемый трафик, то ему будут известны a, b, I и J. Тем не менее остаются в секрете i и j. Уровень безопасности системы зависит от сложности нахождения i при известном I = ai ? mod b. Эта задача называется задачей дискретного логарифмирования и считается очень сложной (то есть с помощью современного вычислительного оборудования ее решить практически невозможно), если числа очень велики. Следовательно, a и b необходимо выбирать очень тщательно. Например, оба числа b и (b – 1)/2 должны быть простыми и иметь длину не менее 512 бит. Рекомендуемая длина чисел составляет 1024 бита.

Алгоритм RSA был разработан в 1978 году тремя соавторами и получил свое название по первым буквам фамилий разработчиков (Rivest, Shamir, Adleman). В основе стойкости алгоритма стоит сложность факторизации больших чисел и вычисления дискретных логарифмов. Основной параметр алгоритма RSA – модуль системы N, по которому проводятся все вычисления в системе, а N = R х S (R и S – секретные случайные простые большие числа, обычно одинаковой размерности).

Секретный ключ k2 выбирается случайным образом и должен соответствовать следующим условиям: 1 < k2 < F(N) и НОД (k2, F(N))= 1, где НОД – наибольший общий делитель. Иными словами, k1 должен быть взаимно простым со значением функции Эйлера F(N) , причем последнее равно количеству положительных целых чисел в диапазоне от 1 до N, взаимно простых с N, и вычисляется как F(N) = (R – 1) ? (S – 1) .

Открытый ключ kl вычисляется из соотношения (k2 х kl) = 1 ? mod F(N). Для этого используется обобщенный алгоритм Евклида (алгоритм вычисления наибольшего общего делителя). Зашифровка блока данных M по алгоритму RSA выполняется следующим образом: C = Mkl ? mod N. Поскольку в реальной криптосистеме с использованием RSA число k1 весьма велико (в настоящее время его размерность может доходить до 2048 бит), прямое вычисление Mk1 нереально. Для его получения применяется комбинация многократного возведения M в квадрат с перемножением результатов. Обращение данной функции при больших размерностях неосуществимо; иными словами, невозможно найти M по известным C, N и kl. Однако, имея секретный ключ k2, при помощи несложных преобразований можно вычислить M = Ck2 ? mod N. Очевидно, что, помимо собственно секретного ключа, необходимо обеспечивать секретность параметров R и S. Если злоумышленник добудет их значения, то сможет вычислить и секретный ключ k2.

В настоящее время криптосистема RSA применяется в самых различных продуктах, на различных платформах и во многих отраслях. Достаточно вспомнить ее использование в операционных системах Microsoft, Apple, Sun и Novell, чтобы представить всю "грандиозность" RSA. В аппаратной составляющей алгоритм RSA широко используется в защищенных телефонах, на сетевых платах Ethernet, на смарт-картах, в криптографическом оборудовании Zaxus (Racal). Ко всему прочему, алгоритм входит в состав всех основных протоколов для защищенных коммуникаций Интернет, в том числе S/MIME, SSL и S/WAN, а также используется во многих правительственных учреждениях, государственных лабораториях и университетах. На осень 2000 года технологии с применением алгоритма RSA были лицензированы более чем 700 компаниями.

Алгоритм Эль-Гамаля. Эль-Гамаль (Taher Elgamal) разработал вариант системы Диффи-Хеллмана. Он усовершенствовал этот алгоритм и получил один алгоритм для шифрования и один для обеспечения аутентификации. Алгоритм Эль-Гамаля не был запатентован (в отличие от RSA) и таким образом стал более дешевой альтернативой, так как не требовалась уплата лицензионных взносов. Поскольку этот алгоритм базируется на системе Диффи-Хеллмана, то его стойкость обеспечивается сложностью решения все той же задачи дискретного логарифмирования.

Алгоритм цифровой подписи (Digital Signature Algorithm). Алгоритм DSA был разработан правительством США как стандартный алгоритм для цифровых подписей (см. разд. 2.3). Данный алгоритм базируется на системе Эль-Гамаля, но позволяет осуществлять только аутентификацию. Конфиденциальность этим алгоритмом не обеспечивается.

Шифрование с использованием эллиптических кривых. Эллиптические кривые были предложены для использования в системах шифрования в 1985 году. Системы шифрования с использованием эллиптических кривых (ECC) основываются на отличной от факторизации или дискретного логарифмирования математической задаче. Данная задача заключается в следующем: имея две точки A и B на эллиптической кривой, такие что A = kB, очень трудно определить целое число k. Несмотря на некоторую «экзотичность», использование ECC перед алгоритмом RSA или Диффи-Хеллмана в ряде случаев дает существенное преимущество. Самым большим из таких преимуществ является то, что ключи могут иметь существенно меньшую длину (по причине сложности задачи). И это без потери стойкости! Как результат, вычисления производятся быстрее с сохранением того же уровня безопасности. Так, безопасность, обеспечиваемая 160-битным ключом ECC, может быть приравнена к 1024-битному ключу RSA.

Достоинства и недостатки симметричного и асимметричного методов шифрования

На сегодняшний день в сфере ИБ широко представлены системы как с симметричным шифрованием, так и с асимметричным. Каждый из алгоритмов имеет свои преимущества и недостатки, о которых нельзя не сказать.

Основной недостаток симметричного шифрования заключается в необходимости публичной передачи ключей – "из рук в руки". На этот недостаток нельзя не обратить внимание, так как при такой системе становится практически невозможным использование симметричного шифрования с неограниченным количеством участников. В остальном же алгоритм симметричного шифрования можно считать достаточно проработанным и эффективным, с минимальным количеством недостатков, особенно на фоне асимметричного шифрования. Недостатки последнего не столь значительны, чтобы говорить о том, что алгоритм чем-то плох, но тем не менее.

Первый недостаток ассиметричного шифрования заключается в низкой скорости выполнения операций зашифровки и расшифровки, что обусловлено необходимостью обработки ресурсоемких операций. Как следствие, требования к аппаратной составляющей такой системы часто бывают неприемлемы.

Другой недостаток – уже чисто теоретический, и заключается он в том, что математически криптостойкость алгоритмов асимметричного шифрования пока еще не доказана.

Дополнительные проблемы возникают и при защите открытых ключей от подмены, ведь достаточно просто подменить открытый ключ легального пользователя, чтобы впоследствии легко расшифровать его своим секретным ключом.

Какими бы недостатками и преимуществами ни обладало ассиметричное и симметричное шифрование, необходимо отметить лишь то, что наиболее совершенные решения– это те, которые удачно сочетают в себе алгоритмы обоих видов шифрования.

2.2. Электронная цифровая подпись

Благодаря бурному развитию сферы информационных технологий в нашу жизнь вошли и стали привычными технологии, без которых современный мир уже трудно себе и представить. Одной из таких технологий, которая, между прочим, стоит на страже безопасности совершаемых в сети операций, является электронная цифровая подпись (ЭЦП). Ее применение в качестве средства для идентификации и подтверждения юридической значимости документов становится стандартом цифрового мира.

Электронная цифровая подпись (ЭЦП) – реквизит электронного документа, предназначенный для удостоверения источника данных и защиты данного электронного документа от подделки. Электронная цифровая подпись представляет собой последовательность символов, полученную в результате криптографического преобразования электронных данных. ЭЦП добавляется к блоку данных, позволяет получателю блока проверить источник и целостность данных и защититься от подделки. ЭЦП используется в качестве аналога собственноручной подписи.

Благодаря цифровым подписям многие документы – паспорта, избирательные бюллетени, завещания, договора аренды – теперь могут существовать в электронной форме, а любая бумажная версия будет в этом случае только копией электронного оригинала.

Основные термины, применяемые при работе с ЭЦП

Закрытый ключ – это некоторая информация длиной 256 бит, которая хранится в недоступном другим лицам месте на дискете, смарт-карте, touch memory. Работает закрытый ключ только в паре с открытым ключом.

Открытый (public) ключ используется для проверки ЭЦП получаемых документов-файлов; технически это некоторая информация длиной 1024 бита. Открытый ключ работает только в паре с закрытым ключом.

Код аутентификации – код фиксированной длины, вырабатываемый из данных с использованием секретного ключа и добавляемый к данным с целью обнаружения факта изменений хранимых или передаваемых по каналу связи данных.

Средства электронно-цифровой подписи – аппаратные и/или программные средства, обеспечивающие:

¦ создание электронной цифровой подписи в электронном документе с использованием закрытого ключа электронной цифровой подписи;

¦ подтверждение с использованием открытого ключа электронной цифровой подписи подлинности ЭЦП в электронном документе;

¦ создание закрытых и открытых ключей электронных цифровых подписей.

ЭЦП – это просто

Начнем с того, что ЭЦП – это вовсе не «зверь», и никаких специальных знаний, навыков и умений для ее использования не потребуется.

Каждому пользователю ЭЦП, участвующему в обмене электронными документами, генерируются уникальные открытый и закрытый (секретный) криптографические ключи.

Ключевым элементом является секретный ключ, с помощью которого производится шифрование электронных документов и формируется электронно-цифровая подпись. Секретный ключ остается у пользователя и выдается ему на отдельном носителе: это может быть дискета, смарт-карта или другой носитель. Хранить его нужно в секрете от других пользователей сети.

В Удостоверяющем Центре (третья сторона, или так называемый "арбитр") находится дубликат открытого ключа, создана библиотека сертификатов открытых ключей. Удостоверяющий Центр обеспечивает регистрацию и надежное хранение открытых ключей во избежание внесения искажений или попыток подделки.

Когда пользователь устанавливает под электронным документом свою электронную цифровую подпись, на основе секретного ключа ЭЦП и содержимого документа путем криптографического преобразования вырабатывается некоторое большое число, которое и является электронно-цифровой подписью данного пользователя под данным конкретным документом. Это число добавляется в конец электронного документа или сохраняется в отдельном файле. В подпись заносится следующая информация:

¦ имя файла открытого ключа подписи;

¦ информация о лице, сформировавшем подпись;

¦ дата формирования подписи.

Пользователь, получивший подписанный документ и имеющий открытый ключ ЭЦП отправителя, на их основании выполняет обратное криптографическое преобразование, обеспечивающее проверку электронной цифровой подписи отправителя. Если ЭЦП под документом верна, то это значит, что документ действительно подписан отправителем и в текст документа не внесено никаких изменений. В противном случае будет выдаваться сообщение, что сертификат отправителя не является действительным.

Управление ключами

Важной проблемой всей криптографии с открытым ключом, в том числе и систем ЭЦП, является управление открытыми ключами. Необходимо обеспечить доступ любого пользователя к подлинному открытому ключу любого другого пользователя, защитить эти ключи от подмены злоумышленником, а также организовать отзыв ключа в случае его компрометации.

Задача защиты ключей от подмены решается с помощью сертификатов. Сертификат позволяет удостоверить заключенные в нем данные о владельце и его открытый ключ подписью какого-либо доверенного лица. В централизованных системах сертификатов (например, PKI – Public Key Infrastructure) используются центры сертификации, поддерживаемые доверенными организациями. В децентрализованных системах (например, PGP – Pretty Good Privacy) путем перекрестного подписания сертификатов знакомых и доверенных людей каждым пользователем строится сеть доверия.

Управлением ключами занимаются центры распространения сертификатов. Обратившись к такому центру, пользователь может получить сертификат какого-либо пользователя, а также проверить, не отозван ли еще тот или иной открытый ключ.

ЭЦП под микроскопом

Рассмотрим принцип работы ЭЦП подробнее. Схема электронной подписи обычно включает в себя следующие составляющие:

¦ алгоритм генерации ключевых пар пользователя;

¦ функцию вычисления подписи;

¦ функцию проверки подписи.

Функция вычисления подписи на основе документа и секретного ключа пользователя вычисляет собственно подпись. В зависимости от алгоритма функция вычисления подписи может быть детерминированной или вероятностной. Детерминированные функции всегда вычисляют одинаковую подпись по одинаковым входным данным. Вероятностные функции вносят в подпись элемент случайности, что усиливает криптостойкость алгоритмов ЭЦП. Однако для вероятностных схем необходим надежный источник случайности (либо аппаратный генератор шума, либо криптографически надежный генератор псевдослучайных бит), что усложняет реализацию.

В настоящее время детерминированные схемы практически не используются. Даже в изначально детерминированные алгоритмы сейчас внесены модификации, превращающие их в вероятностные (так, в алгоритм подписи RSA вторая версия стандарта PKCS#1 добавила предварительное преобразование данных (OAEP), включающее в себя, среди прочего, зашумление).

Функция проверки подписи проверяет, соответствует ли она данному документу и открытому ключу пользователя. Открытый ключ пользователя доступен всем, так что любой может проверить подпись под данным документом.

Поскольку подписываемые документы переменной (и достаточно большой) длины, в схемах ЭЦП зачастую подпись ставится не на сам документ, а на его хэш. Для вычисления хэша используются криптографические хэш-функции, что гарантирует выявление изменений документа при проверке подписи. Хэш-функции не являются частью алгоритма ЭЦП, поэтому в схеме может быть использована любая надежная хэш-функция. Что же такое хэш?

Хэширование представляет собой преобразование входного массива данных в короткое число фиксированной длины (которое называется хэшем или хэш-кодом), таким образом чтобы, с одной стороны, это число было значительно короче исходных данных, но, с другой стороны, с большой вероятностью однозначно им соответствовало.

Продолжим. Алгоритмы ЭЦП делятся на два больших класса:

¦ обычные цифровые подписи;

¦ цифровые подписи с восстановлением документа.

Обычные цифровые подписи необходимо пристыковывать к подписываемому документу. К этому классу относятся, например, алгоритмы, основанные на эллиптических кривых (ECDSA, ГОСТ Р34.10-2001, ДСТУ 4145-2002). Цифровые подписи с восстановлением документа содержат в себе подписываемый документ: в процессе проверки подписи автоматически вычисляется и тело документа. К этому классу относится один из самых популярных алгоритмов – RSA, который мы рассмотрим в конце раздела.

Следует различать электронную цифровую подпись и код аутентичности сообщения, несмотря на схожесть решаемых задач (обеспечение целостности документа и невозможности отказа от авторства). Алгоритмы ЭЦП относятся к классу асимметричных алгоритмов, в то время как коды аутентичности вычисляются по симметричным схемам.

Можно сказать, что цифровая подпись обеспечивает следующие виды защиты.

¦ Удостоверение источника документа. В зависимости от деталей определения документа могут быть подписаны такие поля, как "автор", "внесенные изменения", "метка времени" и т. д.

¦ Защита от изменений документа. При любом случайном или преднамеренном изменении документа (или подписи) изменится хэш, и, следовательно, подпись станет недействительной.

Совершенно очевидно, что ЭЦП вовсе не совершенна. Возможны следующие угрозы цифровой подписи, при которых злоумышленник может:

¦ подделать подпись для выбранного им документа;

¦ подобрать документ к данной подписи, чтобы подпись к нему подходила;

¦ подделать подпись для хоть какого-нибудь документа;

¦ подменить открытый ключ (см. подразд. "Управление ключами" разд. 2.2) на свой собственный, выдавая себя за владельца;

¦ обманом заставить владельца подписать какой-либо документ, например, используя протокол слепой подписи;

¦ подписать любой документ от имени владельца ключа, если закрытый ключ уже украден.

При использовании надежной хэш-функции вычислительно сложно создать поддельный документ с таким же хэшем, как и у подлинного. Однако эти угрозы могут реализоваться из-за слабостей конкретных алгоритмов хэширования, подписи или ошибок в их реализациях.

RSA как фундамент ЭЦП

Не секрет, что наибольшую популярность среди криптоалгоритмов цифровой подписи приобрела RSA (применяется при создании цифровых подписей с восстановлением документа).

На начало 2001 года криптосистема RSA являлась наиболее широко используемой асимметричной криптосистемой (криптосистемой открытого ключа) и зачастую называется стандартом де факто. Вне зависимости от официальных стандартов существование такого стандарта чрезвычайно важно для развития электронной коммерции и вообще экономики. Единая система открытого ключа допускает обмен документами с электронно-цифровыми подписями между пользователями различных государств, приминяющими различное программное обеспечение на различных платформах; такая возможность насущно необходима для развития электронной коммерции.

Распространение системы RSA дошло до такой степени, что ее учитывают при создании новых стандартов. Первым при разработке стандартов цифровых подписей в 1997 году был разработан стандарт ANSI X9.30, поддерживающий Digital Signature Standard (стандарт цифровой подписи). Годом позже был введен ANSI X9.31, в котором сделан акцент на цифровые подписи RSA, что отвечает фактически сложившейся ситуации, в частности для финансовых учреждений.

До недавнего времени главным препятствием для замены бумажного документооборота электронным были недостатки защищенной аутентификации (установления подлинности); почти везде контракты, чеки, официальные письма, юридические документы все еще выполняются на бумаге.

Появление цифровой подписи на основе RSA сделало осуществление электронных операций достаточно безопасным и надежным.

Алгоритм RSA предполагает, что посланное закодированное сообщение может быть прочитано адресатом и только им. Как было уже сказано выше, в этом алгоритме используется два ключа – открытый и секретный. Данный алгоритм привлекателен также в случае, когда большое количество субъектов (N) должно общаться по схеме "все-со-всеми". В случае симметричной схемы шифрования каждый из субъектов каким-то образом должен доставить свои ключи всем остальным участникам обмена, при этом суммарное количество используемых ключей будет достаточно велико при большом значении N. Применение асимметричного алгоритма требует лишь рассылки открытых ключей всеми участниками, суммарное количество ключей равно N.

Сообщение представляется в виде числа M. Шифрование осуществляется с помощью общедоступной функции f(M) , и только адресату известно, как выполнить операцию f-1. Адресат выбирает два больших простых (prime) числа p и q, которые делает секретными. Он объявляет n = pq и число d, c (d, p – 1) = (d, q – 1) = 1 (один из возможных способов выполнить это условие – выбрать d больше, чем p/2 и q/2). Шифрование производится по формуле: f(M) = Md х mod n, где M и f(M) оба < n – 1 . Оно может быть вычислено за разумное время, даже если M, d и n содержат весьма большое количество знаков. Адресат вычисляет M на основе M d , используя свое знание p и q. Если dc ? (p _ 1) 1, тогда (M d) e ? p 1.

Исходный текст M получается адресатом из зашифрованного F(M) путем преобразования: M = (F(M)) e (mod pq). Здесь как исходный текст, так и зашифрованный рассматриваются как длинные двоичные числа.

Аналогично (M d) e ? q M, если dc ? (q _ 1) 1. е удовлетворяет этим двум условиям, если cd ? (p _ 1)(q _ 1) 1. Мы можем позволить е = x, когда x является решением уравнения dx + (p – 1)(q – 1)y = 1.

Так как (M d) e – M делимо на p и q, оно делимо и на pq. Следовательно, мы можем определить M, зная Md, вычислив его значение в степени е и определив остаток от деления на pq. Для соблюдения секретности важно, чтобы, зная n, нельзя было вычислить p и q. Если n содержит 100 цифр, подбор шифра связан с перебором приблизительно 1050 комбинаций. Данная проблема изучается уже около 100 лет.

Теоретически можно предположить, что возможно выполнение операции f-l без вычисления p и q. Но в любом случае задача эта непроста, и разработчики считают ее трудно факторизуемой.

Предположим, что мы имеем зашифрованный текст f(M) и исходный текст M и хотим найти значения p и q. Нетрудно показать, что таких исходных данных для решения задачи недостаточно – надо знать все возможные значения Mi.

Проясним использование алгоритма RSA на конкретном примере. Выберем два простых числа p = 7; q = l7 (на практике эти числа во много раз длиннее). В этом случае n = pq будет равно ll9. Теперь необходимо выбрать е. Выберем е = 5. Следующий шаг связан с формированием числа d, так чтобы de = 1 х mod [(p – 1)(q – 1)]. d = 77 (использован расширенный алгоритм Евклида). d – секретный ключ, а е и n характеризуют открытый ключ. Пусть текст, который нам нужно зашифровать, представляется M = 19. С = Me х mod n. Получаем зашифрованный текст C = 66. Этот "текст" может быть послан соответствующему адресату. Получатель дешифрует полученное сообщение, используя М = Cd х mod n и C = 66. В результате получается M = 19.

На практике общедоступные ключи могут помещаться в специальную базу данных. При необходимости послать партнеру зашифрованное сообщение можно сделать сначала запрос его открытого ключа. Получив его, можно запустить программу шифрации, а результат ее работы послать адресату.

Возможно ли взломать ЭЦП?

Взлом ЭЦП фактически сводится к взлому алгоритма шифрования. В данном случае возможные варианты взлома мы рассмотрим на примере алгоритма RSA.

Существует несколько способов взлома RSA. Наиболее эффективная атака – найти секретный ключ, соответствующий необходимому открытому ключу. Это позволит нападающему читать все сообщения, зашифрованные открытым ключом, и подделывать подписи. Такую атаку можно провести, найдя главные сомножители (факторы) общего модуля n – p и q. На основании p, q и e (общий показатель) нападающий может легко вычислить частный показатель d. Основная сложность – поиск главных сомножителей (факторинг) n. Безопасность RSA зависит от разложения на сомножители (факторинга), что является трудной задачей, не имеющей эффективных способов решения.

Фактически, задача восстановления секретного ключа эквивалентна задаче разложения на множители (факторинга) модуля: можно использовать d для поиска сомножителей n, и наоборот: можно использовать n для поиска d. Надо отметить, что усовершенствование вычислительного оборудования само по себе не уменьшит стойкость криптосистемы RSA, если ключи будут иметь достаточную длину. Фактически же совершенствование оборудования увеличивает стойкость криптосистемы.

Другой способ взломать RSA состоит в том, чтобы найти метод вычисления корня степени e из mod n. Поскольку С = Me х mod n, то корнем степени e из mod n является сообщение M. Вычислив корень, можно вскрыть зашифрованные сообщения и подделать подписи, даже не зная секретный ключ. Такая атака не эквивалентна факторингу, но в настоящее время неизвестны методы, которые позволяют взломать RSA таким образом. Однако в особых случаях, когда на основе одного и того же показателя относительно небольшой величины шифруется достаточно много связанных сообщений, есть возможность вскрыть сообщения. Упомянутые атаки – единственные способы расшифровать все сообщения, зашифрованные данным ключом RSA.

Существуют и другие типы атак, позволяющие, однако, расшифровать только одно сообщение и не позволяющие нападающему вскрыть прочие сообщения, зашифрованные тем же ключом. Кроме того, изучалась возможность расшифровывания части зашифрованного сообщения.

Самое простое нападение на отдельное сообщение – атака по предполагаемому открытому тексту. Нападающий, имея зашифрованный текст, предполагает, что сообщение содержит какой-то определенный текст (например, "Штирлиц – Плей-шнеру"). Затем шифрует предполагаемый текст открытым ключом получателя и сравнивает полученный текст с имеющимся зашифрованным текстом. Такую атаку можно предотвратить, добавив в конец сообщения несколько случайных битов. Другая атака на единственное сообщение применяется в том случае, если отправитель посылает одно и то же сообщение M трем корреспондентам, каждый из которых использует общий показатель e = 3. Зная это, нападающий может перехватить эти сообщения и расшифровать сообщение M.

Такую атаку также можно предотвратить, вводя перед каждым шифрованием в сообщение несколько случайных битов. Кроме того, существуют несколько видов атак по зашифрованному тексту (или атаки отдельных сообщений с целью подделки подписи), при которых нападающий создает некоторый зашифрованный текст и получает соответствующий открытый текст, например, заставляя обманным путем зарегистрированного пользователя расшифровать поддельное сообщение. Разумеется, существуют и атаки, нацеленные не на криптосистему непосредственно, а на уязвимые места всей системы коммуникаций в целом. Такие атаки не могут рассматриваться как взлом RSA, так как говорят не о слабости алгоритма, а скорее об уязвимости конкретной реализации. Например, нападающий может завладеть секретным ключом, если тот хранится без должной предосторожности. Необходимо подчеркнуть, что для полной защиты недостаточно защитить выполнение алгоритма RSA и принять меры математической безопасности, то есть использовать ключ достаточной длины, так как на практике наибольший успех имеют атаки на незащищенные этапы управления ключами системы RSA.

2.3. Современные технологии аутентификации. Смарт-карты

Смарт-карты, подобно Memory-картам, представляют собой пластиковые карты со встроенной микросхемой (ICC, integrated circuit card – карта с интегрированными электронными схемами). Однако смарт-карты представляют собой более сложное устройство, содержащее микропроцессор и операционную систему, контролирующую устройство и доступ к объектам в его памяти. Кроме того, смарт-карты, как правило, обладают возможностью проводить криптографические вычисления.

Назначение смарт-карт – одно-и двухфакторная аутентификация пользователя, хранение информации и проведение криптографических операций в доверенной среде.

Напомню нашим читателям, что двухфакторная аутентификация подразумевает под собой использование двух атрибутов, удостоверяющих личность, например: пароль и отпечаток пальцев, смарт-карта и сетчатка глаза и т. д.

Смарт-карты находят все более широкое применение в различных областях – от систем накопительных скидок до кредитных и дебетовых карт, студенческих билетов и телефонов стандарта GSM.

В зависимости от встроенной микросхемы все смарт-карты делятся на несколько основных типов, кардинально различающихся по выполняемым функциям:

¦ карты памяти;

¦ микропроцессорные карты;

¦ карты с криптографической логикой.

Карты памяти предназначены для хранения информации. Память на таких типах карт может быть свободной для доступа или содержать логику контроля доступа к памяти карты для ограничения операций чтения и записи данных.

Микропроцессорные карты предназначены и для хранения информации, но, в отличие от обычных, они содержат специальную программу или небольшую операционную систему, позволяющую преобразовывать данные по определенному алгоритму, защищать информацию, хранящуюся на карте, при передаче, чтении и записи.

Карты с криптографической логикой используются в системах защиты информации для принятия непосредственного участия в процессе шифрования данных или выработки криптографических ключей, электронных цифровых подписей и другой необходимой информации для работы системы.

Считыватели для смарт-карт

Несмотря на название – устройство для чтения смарт-карт, – большинство оконечных устройств, или устройств сопряжения (IFD, InterFace Device), способны как считывать, так и записывать, если позволяют возможности смарт-карты и права доступа. Устройства для чтения смарт-карт могут подключаться к компьютеру посредством последовательного порта, слота PCMCIA, последовательной шины USB. По методу считывания информации карты делятся на следующие:

¦ контактные;

¦ бесконтактные;

¦ со сдвоенным интерфейсом.

Контактные карты взаимодействуют со считывателем, соприкасаясь металлической контактной площадкой карты с контактами считывателя. Данный метод считывания просто реализуем, но повышает износ карты при частом использовании. Контактная смарт-карта состоит из трех частей:

¦ контактная область:

Шесть или восемь контактов квадратной или овальной формы;

Позиции контактов выполнены в соответствии со стандартом ISO-7816;

¦ чип (микропроцессор карты);

¦ пластиковая основа.

Устройства чтения смарт-карт могут быть интегрированы в клавиатуру.

Некоторые производители выпускают другие виды аппаратных устройств, представляющие собой интеграцию контактной смарт-карты с устройством чтения смарт-карты. Они по свойствам памяти и вычислительным возможностям полностью аналогичны смарт-картам. Наиболее популярны аппаратные "ключи", использующие порт USB. USB-ключи привлекательны для некоторых организаций, поскольку USB становится стандартом, находящим все большее распространение в новых компьютерах: организации не нужно приобретать для пользователей какие бы то ни было считыватели.

Использование интеллектуальных устройств при аутентификации с открытым ключом

Смарт-карты, USB-ключи и другие интеллектуальные устройства могут повысить надежность служб PKI: смарт-карта может использоваться для безопасного хранения закрытых ключей пользователя, а также для безопасного выполнения криптографических преобразований. Безусловно, интеллектуальные устройства аутентификации не обеспечивают абсолютную защиту, но их защита намного превосходит возможности обычного настольного компьютера.

Хранить и использовать закрытый ключ можно по-разному, и разные разработчики используют различные подходы. Наиболее простой из них – использование интеллектуального устройства в качестве дискеты: при необходимости карта экспортирует закрытый ключ, и криптографические операции осуществляются на рабочей станции. Этот подход является не самым совершенным с точки зрения безопасности, зато относительно легко реализуемым и предъявляющим невысокие требования к интеллектуальному устройству. Два других подхода более безопасны, поскольку предполагают выполнение интеллектуальным устройством криптографических операций. При первом пользователь генерирует ключи на рабочей станции и сохраняет их в памяти устройства. При втором он генерирует ключи при помощи устройства. В обоих случаях после того как закрытый ключ сохранен, его нельзя извлечь из устройства и получить любым другим способом.

Генерирование ключевых пар. Генерирование ключа вне устройства. В этом случае пользователь может сделать резервную копию закрытого ключа. Если устройство выйдет из строя, будет потеряно, повреждено или уничтожено, пользователь сможет сохранить тот же закрытый ключ на новой карте. Это необходимо, если пользователю требуется расшифровать какие-либо данные, сообщения и т. д., зашифрованные с помощью соответствующего открытого ключа, но это кратковременные проблемы в обеспечении аутентификации. Кроме того, при этом закрытый ключ пользователя подвергается риску быть похищенным.

Генерирование ключа с помощью устройства

В этом случае закрытый ключ не появляется в открытом виде и нет риска, что злоумышленник украдет его резервную копию. Единственный способ использования закрытого ключа – данное обладание интеллектуальным устройством. Являясь наиболее безопасным, это решение выдвигает высокие требования к возможностям интеллектуального устройства: оно должно генерировать ключи и осуществлять криптографические преобразования. Это решение также предполагает, что закрытый ключ не может быть восстановлен в случае выхода устройства из строя и т. п. Об этом необходимо беспокоиться при использовании закрытого ключа для шифрования, но не там, где он используется для аутентификации, или в других службах, где используется цифровая подпись.

Для смарт-карт существует несколько международных стандартов, определяющих практически все свойства карт, начиная от размеров, свойств и типов пластика и заканчивая содержанием информации на карте, протоколов работы и форматов данных.

¦ Стандарт ISO-7816 "Идентификационные карты – карты с микросхемой с контактами". Состоит из шести частей, регламентирующих физические характеристики, размер и расположение контактов, сигналы и протоколы, структуру файлов, адресацию и команды обмена.

¦ Стандарт EMV (Europay, MasterCard & Visa). Первая и вторая части базируются на ISO-7816, в последующих частях добавлены определения обработки транзакций, спецификации терминалов и т. д.

«Страшная анатомия» смарт – возможен ли взлом?

Согласно объективной статистике, в 2002 году по всему миру было продано почти 2 млрд интеллектуальных карточек со встроенным микрочипом, и в ближайшие годы ожидается рост продаж подобных устройств.

В чем заключается такая популярность смарт-карт? Вероятно, в том, что область применения этих "девайсов" все время расширяется: от банковской и телефонной карты до цифрового паспорта-идентификатора. Массовая экспансия смарт-карт потребовала от производителей чего-то большего, чем просто заверения о безопасности технологии "smart".

А можно ли взломать смарт-карту, и если да, то как это сделать?

Можно. Согласно шокирующей объективной статистике, уже примерно с 1994 года практически все (включая европейские, а затем американские и азиатские) из известных на то время смарт-карточных чипов, применявшихся в системах платного телевидения, были успешно взломаны при помощи методов обратной инженерии. А вы думаете, откуда на прилавках популярных рынков появились системы для просмотра закрытых ТВ-каналов? Если кому-то из читателей вдруг покажется, что взлом банковской смарт-карты сродни фантастике, смеем вас уверить, что это не так. Все дело в том, что и без того закрытые сведения подобного рода просто-напросто стараются не разглашать, дабы не нарушить репутацию обслуживающих банковских структур.

Рассмотрим некоторые из методов, применяемых в настоящее время для вскрытия. Отметим, что профессиональный взлом, как правило, подразумевает совместное использование нескольких методик.

Анализ информации из побочных каналов подразумевает, что взломщик с помощью специализированной аппаратуры снимает электромагнитную картину побочного излучения в питании, интерфейсных соединениях, в схемах процессора и других узлах, прямым или косвенным образом задействованных в генерации, преобразовании или передаче рабочего сигнала.

Программные атаки подразумевают использование самого обычного интерфейса взаимодействия с процессором смарт-карты. Как правило, в этом случае взлом возможен благодаря наличию явных уязвимостей средств защиты протоколов или криптографических алгоритмов.

Технологии внедрения, или микрозондирование. При этом используется микроскоп, и с помощью микроманипулятора атакующий получает доступ непосредственно к рабочей зоне чипа, где пошагово (побитно) регистрируется прохождение информации.

Технологии индуцированных сбоев подразумевают создание внештатных условий работы чипа, чтобы открыть потенциальные каналы доступа к защищенной информации. Например, в конце сентября 1996 года научный коллектив из Bellcore (научно-исследовательский центр американской компании Bell) сообщил о том, что обнаружена серьезная потенциальная слабость общего характера в защищенных криптографических устройствах, в частности в смарт-картах для электронных платежей (D. Boneh, R.A. DeMillo, R.J. Lipton «On the Importance of Checking Cryptographic Protocols for Faults»; www.demiLLo.com/PDF/smart.pdf). Авторы назвали свой метод вскрытия «криптоанализом при сбоях оборудования» (Cryptanalysis in the Presence of Hardware Faults). Суть же метода заключается в том, что искусственно вызванная с помощью ионизации или микроволнового облучения ошибка в работе электронной схемы позволяет сравнить сбойные значения на выходе устройства с заведомо правильными значениями, тем самым восстанавливая криптографическую информацию, хранящуюся в смарт-карте.

В этой части рассмотрены следующие вопросы:

• Типы шифров
• Шифры подстановки
• Шифры перестановки
• Методы шифрования
• Симметричные и асимметричные алгоритмы
• Симметричная криптография
• Асимметричная криптография
• Блочные и поточные шифры
• Векторы инициализации
• Гибридные методы шифрования

Симметричные шифры делятся на два основных типа: подстановки (substitution) и перестановки (transposition, permutation). Шифры подстановки заменяют биты, символы или блоки на другие биты, символы или блоки. Шифры перестановки не меняют исходный текст, вместо этого они перемещают исходные значения внутри исходного текста – они переставляют биты, символы или блоки символов для скрытия первоначального смысла.

Шифры подстановки используют ключ, который указывает, как следует выполнять подстановку. В шифре Цезаря каждый символ заменялся символом, расположенным на три позиции дальше него в алфавите. Алгоритмом был алфавит, а ключом – инструкция «сдвигать на три символа».

Подстановка используется современными симметричными алгоритмами, но это сложно сравнить с таким простейшим методом, как шифр Цезаря. Однако шифр Цезаря является простым и наглядным примером концепции работы шифра подстановки.

В шифре перестановки значение перемешивается (scrambled) или ставится в другом порядке. Ключ определяет позицию, на которую следует переместить значение, как показано на Рисунке 6-6.

Рисунок 6-6. Шифр перестановки

Это простейший пример шифра перестановки, он показывает только способ выполнения перестановки. Если применяются сложные математические функции, перестановка может стать достаточно сложной для взлома. Современные симметричные алгоритмы используют одновременно и длинные последовательности сложных подстановок и перестановок символов шифруемого сообщения. Алгоритм содержит возможные способы для процессов подстановки и перестановки (представленные в математических формулах). Ключ является инструкциями для алгоритма, точно указывая, как должна происходить обработка и в какой последовательности. Чтобы понять связь между алгоритмом и ключом, взгляните на Рисунок 6-7. Образно говоря, алгоритм создает различные ящики, каждый из которых имеет свой (отличный от других) набор математических формул, указывающих шаги подстановки и перестановки, которые должны быть совершены над попадающими в этот ящик битами. Для шифрования сообщения, значение каждого бита должно пройти через различные ящики. Однако если каждое наше сообщение будет проходить через один и тот же набор ящиков в одинаковой последовательности, злоумышленник легко сможет провести обратный инжиниринг этого процесса, взломать шифр и получить открытый текст нашего сообщения.

Рисунок 6-7. Связь ключа и алгоритма

Чтобы помешать злоумышленнику, используется ключ, представляющий из себя набор значений, которые указывают, какие ящики должны использоваться, в какой последовательности и с какими значениями. Так, если сообщение А шифруется ключом 1, ключ требует, чтобы сообщение прошло через ящики 1, 6, 4 и 5. Когда нам нужно зашифровать сообщение В, мы используем ключ 2, который требует, чтобы сообщение прошло через ящики 8, 3, 2 и 9. Ключ добавляет случайность и секретность в процесс шифрования.

Простые шифры подстановки и перестановки уязвимы к атакам, выполняющим частотный анализ (frequency analysis). В каждом языке некоторые слова и шаблоны используются чаще, чем другие. Например, в тексте на английском языке обычно чаще используется буква «е». При выполнении частотного анализа сообщения, взломщик ищет самые часто повторяющиеся шабоны из 8 бит (составляющих символ). Если в коротком сообщении он нашел, например, 12 восьмибитных шаблонов, он может сделать вывод, что это вероятнее всего буква «е» - самая часто используемая буква в языке. Теперь взломщик может заменить эти биты на букву «е». Это даст ему опору в процессе, который позволит ему провести обратный инжиниринг и восстановить исходное сообщение.

Современные симметричные алгоритмы используют в процессе шифрования методы подстановки и перестановки, но при этом используется (должна использоваться) слишком сложная математика, чтобы позволить быть успешной такой простейшей атаке частотного анализа.

Функции генерации ключей. Для генерации сложных ключей обычно сначала создается мастер-ключ, на основе которого затем генерируются симметричные ключи. Например, если приложение отвечает за создание сеансового ключа для каждого обратившегося к нему субъекта, оно не должно просто раздавать экземпляры одного и того же ключа. Различным субъектам при каждом соединении нужны различные симметричные ключи, чтобы минимизировать продолжительность времени их использования. Даже если атакующий перехватит трафик и взломает ключ, он сможет ознакомиться с переданной информацией только в пределах соответствующего сеанса. В новом сеансе будет использоваться другой ключ. Если два или более ключей формируются на основе мастер-ключа, они называются субключами (subkey).

Функции генерации ключей (KDF – key derivation function) используется для генерации ключей, состоящих из случайных значений. Различные значения могут использоваться независимо или совместно в качестве случайного ключевого материала. Созданы алгоритмы, использующие определенные хэши, пароли и/или «соль», которые много раз проходят через математические функции, указанные алгоритмом. Чем больше раз этот ключевой материал пройдет через указанные функции, тем больший уровень уверенности и безопасности сможет обеспечить криптосистема в целом.


ПРИМЕЧАНИЕ . Помните, что алгоритм остается статичным. Случайность процессов криптографии обеспечивается в основном за счет ключевого материала.

Хотя процесс шифрования состоит из множества частей, можно выделить две его основные части, которыми являются алгоритмы и ключи. Как было сказано ранее, алгоритмы, используемые в компьютерных системах, являются сложными математическими формулами, диктующими правила преобразования открытого текста в шифротекст. Ключ является строкой случайных битов, которая используется алгоритмом для добавления случайности в процесс шифрования. Чтобы два субъекта могли взаимодействовать с использованием шифрования, они должны использовать один и тот же алгоритм и, в ряде случаев, один и тот же ключ. В некоторых технологиях шифрования получатель и отправитель используют один и тот же ключ, тогда как в других технологиях они должны использовать различные, но связанные ключи для зашифрования и расшифрования информации. Следующие разделы объясняют различия двумя этими типами методов шифрования.

Криптографические алгоритмы делятся на симметричные алгоритмы , которые используют симметричные ключи (также называемые секретными ключами (secret key)), и асимметричные алгоритмы , которые используют асимметричные ключи (называемые также открытыми (public key) и закрытыми ключами (private key)).

В криптосистеме, в которой применяется симметричная криптография, отправитель и получатель используют два экземпляра одного и того же ключа для зашифрования и расшифрования информации, как показано на Рисунке 6-8. Таким образом, ключ имеет двойную функциональность и применяется как в процессе зашифрования, так и в процессе расшифрования. Симметричные ключи также называют секретными ключами , т.к. этот тип шифрования предполагает, что каждый из пользователей хранит ключ в секрете и надлежащим образом защищает его. Если атакующий получит этот ключ, он сможет расшифровать с его помощью любое перехваченное зашифрованное на нем сообщение.

Рисунок 6-8. При использовании симметричного алгоритма, отправитель и получатель используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования данных

Каждой паре пользователей, для защищенного с помощью симметричной криптографии обмена данными, требуется два экземпляра одного и того же ключа. Например, если Дену и Ирине нужно обмениваться данными, им обоим нужно получить копию одного ключа. Если Ден хочет также с использованием симметричной криптографии взаимодействовать с Нормом и Дейвом, ему нужно иметь три отдельных ключа – по одному на каждого друга. Это не является большой проблемой, пока Дену не потребуется взаимодействовать с сотней других людей за несколько месяцев и сохранять историю переписки. Ведь это потребует использования соответствующего ключа для переписки с каждым конкретным получателем. В таком случае это может стать сложнейшей задачей. Если десяти людям необходимо безопасно обмениваться данными друг с другом с использованием симметричной криптографии, им потребуется 45 ключей. Если же взаимодействовать нужно ста людям, им потребуется 4950 ключей. Формула для расчета необходимого количества симметричных ключей выглядит следующим образом:

Число ключей = N(N – 1)/2, где N – число абонентов

При использовании симметричных алгоритмов отправитель и получатель используют один и тот же ключ для процессов зашифрования и расшифрования информации. Безопасность таких алгоритмов полностью зависит от того, насколько хорошо пользователи защищают ключи. В таком случае безопасность полностью зависит от персонала, который должен хранить свои ключи в секрете. Если ключ скомпрометирован, все сообщения, зашифрованные на этом ключе, могут быть расшифрованы и прочитаны злоумышленником. В действительности, это еще больше усложняется, поскольку ключи необходимо безопасно распространять и обновлять их при необходимости. Если Дену нужно взаимодействовать с Нормом впервые, Ден должен решить, каким образом безопасно передать Норму ключ. Если он сделает это небезопасно, например, просто отправив ключ по электронной почте, этот ключ может быть легко перехвачен и использован злоумышленником. Поэтому Ден должен передать ключ Норму нестандартным способом. К примеру, Ден может записать ключ на флеш-накопитель и положить его на стол Норму или отправить его Норму с доверенным курьером. Процесс распространения симметричных ключей может стать очень сложной и громоздкой задачей.

Поскольку оба пользователя используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования сообщений, симметричные криптосистемы могут обеспечить конфиденциальность, но не аутентификацию или неотказуемость . Такой криптографический алгоритм не позволит доказать, кто реально отправил сообщение, т.к. оба пользователя используют один и тот же ключ.

Но если симметричные криптосистемы имеют столько недостатков и проблем, почему они используются почти повсеместно? Потому что они обеспечивают очень высокую скорость обработки данных и их очень трудно взломать. Симметричные алгоритмы гораздо быстрее асимметричных. Они могут сравнительно быстро зашифровывать и расшифровывать большие объемы данных. Кроме того, данные, зашифрованные симметричным алгоритмом с использованием длинного ключа, очень сложно вскрыть.

Следующий список описывает сильные и слабые стороны криптосистем с симметричными ключами:

Сильные стороны:

• Гораздо быстрее асимметричных систем
• При использовании длинного ключа сложно взломать

Слабые стороны:

• Требует безопасного механизма передачи ключей
• Каждой паре пользователей нужен уникальный ключ; по мере увеличении количества пользователей, возрастающее число ключей может сделать управление ими просто нереальной задачей
• Обеспечивает конфиденциальность, но не обеспечивает аутентификацию или неотказуемость

Ниже приведены некоторые примеры симметричных алгоритмов, которые будут подробно рассмотрены позднее в разделе «Блочные и поточные шифры».

• RC4 , RC5 и RC6

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 208, “Symmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)

В криптографии с симметричными ключами для зашифрования и расшифрования используется один и тот же секретный ключ, тогда как в системах с открытыми ключами для этих целей используются различные (асимметричные ) ключи. При этом два отличающихся асимметричных ключа связаны между собой математически. Если сообщение зашифровано одним ключом, для его расшифрования требуется другой ключ.

В системах с открытыми ключами, создается пара ключей, один из которых является закрытым, другой – открытым. Открытый ключ (public key) может быть известен всем, а закрытый ключ (private key) должен знать только его владелец. Часто открытые ключи хранятся в каталогах и базах данных адресов электронной почты, общедоступных всем желающим использовать эти ключи для зашифрования и расшифрования данных при взаимодействии с отдельными людьми. Рисунок 6-9 иллюстрирует использование отличающихся асимметричных ключей.
Открытый и закрытый ключи асимметричной криптосистемы математически связаны, однако наличие у кого-то открытого ключа другого человека не позволяет узнать соответствующий ему закрытый ключ. Таким образом, если злоумышленник получит копию открытого ключа Боба, это вовсе не значит, что он с помощью какого-то математического волшебства сможет получить соответствующий ему закрытый ключ Боба. Однако, если кто-то получит закрытый ключ Боба, возникнет большая проблема. Поэтому никто кроме владельца не должен иметь доступа к закрытому ключу.

Рисунок 6-9. Асимметричная криптосистема

Если Боб зашифровал данные на своем закрытом ключе, получателю потребуется открытый ключ Боба, чтобы расшифровать их. Получатель может не только расшифровать сообщение Боба, но и ответить Бобу зашифрованным сообщением. Для этого ему нужно зашифровать свой ответ на открытом ключе Боба, тогда Боб сможет расшифровать этот ответ с помощью своего закрытого ключа. При использовании асимметричного алгоритма, невозможно зашифровывать и расшифровывать сообщение одним и тем же ключом, эти ключи, хотя и связаны математически, они не совпадают (в отличие от симметричных алгоритмов). Боб может зашифровать данные на своем закрытом ключе, тогда получатель сможет расшифровать их на открытом ключе Боба. Расшифровывая сообщение на открытом ключе Боба, получатель может быть уверен, что сообщение действительно исходит от Боба, ведь сообщение может быть расшифровано на открытом ключе Боба только в том случае, если оно было зашифровано на соответствующем закрытом ключе Боба. Это обеспечивает возможность аутентификации, т.к. Боб является (предположительно) единственным, кто имеет этот закрытый ключ. Если получатель хочет быть уверен, что единственным, кто сможет прочитать его ответ, будет Боб, он должен зашифровать свое сообщение Бобу на его открытом ключе. Тогда только Боб сможет расшифровать это сообщение, поскольку только у него есть необходимый для этого закрытый ключ.

Кроме того, получатель может решить зашифровать данных на своем закрытом ключе, а не на открытом ключе Боба. Что это ему даст? Аутентификацию. Боб будет знать, что сообщение пришло от него и не могло придти ни от кого другого. Если он зашифровывает данные на открытом ключе Боба, это не обеспечит аутентификацию, т.к. кто угодно может получить открытый ключ Боба. Если он использует свой закрытый ключ для зашифрования данных, тогда Боб может быть уверен, что сообщение исходит именно от него. Симметричные ключи не обеспечивают аутентификацию, т.к. обе стороны используют один и тот же ключ, что не может гарантировать, что сообщение исходит от конкретного человека.

Если отправителю в большей степени важна конфиденциальность передаваемой информации, ему следует зашифровать свое сообщение на открытом ключе получателя. Это называют безопасным форматом сообщения (secure message format), поскольку только человек, имеющий соответствующий закрытый ключ, сможет расшифровать это сообщение.

Если же отправителю в большей степени важна аутентификация, ему следует зашифровывать передаваемые данные на своем закрытом ключе. Это позволит получателю быть уверенным в том, что зашифровал данные именно тот человек, который имеет соответствующий закрытый ключ. Если отправитель шифрует данные на открытом ключе получателя, это не обеспечивает возможность аутентификации, т.к. открытый ключ доступен всем.

Шифрование данных на закрытом ключе отправителя называют открытым форматом сообщения (open message format), т.к. любой человек может расшифровать эти данные с помощью общедоступного открытого ключа отправителя. Конфиденциальность при этом не обеспечивается.

Оба ключа, как закрытый, так и открытый, могут использоваться и для зашифрования, и для расшифрования данных. Не подумайте, что открытый ключ нужен только для зашифрования, а закрытый – только для расшифрования. При этом следует понимать, что если данные зашифрованы на закрытом ключе, они не могут быть расшифрованы на нем же. Зашифрованные на закрытом ключе данные могут быть расшифрованы на соответствующем ему открытом ключе. И наоборот.

Асимметричный алгоритм работает медленнее, чем симметричный алгоритм, т.к. симметричные алгоритмы выполняют относительно простые математические функции над битами в процессах зашифрования и расшифрования. Они заменяют и перемешивают (перемещают) биты, что не очень сложно и не сильно загружает процессор. Причина их устойчивости к взлому заключается в том, что они выполняют эти функции много раз. Таким образом, в симметричных алгоритмах набор битов проходит более длинную серию замен и перестановок.

Асимметричные алгоритмы медленнее симметричных алгоритмов, т.к. они используют гораздо более сложную математику для выполнения своих функций, что требует больше процессорного времени. Однако асимметричные алгоритмы могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость в зависимости от используемого алгоритма. Кроме того, асимметричные системы позволяют использовать более простой и управляемый процесс распространения ключей, по сравнению с симметричными системами и не имеют проблем с масштабируемостью, которые есть у симметричных систем. Причина этих различий в том, что при использовании асимметричных систем вы можете отправлять свой открытый ключ всем людям, с которыми вы хотите взаимодействовать, а не использовать для каждого из них отдельный секретный ключ. Далее, в разделе «Гибридные методы шифрования» в этом Домене мы рассмотрим, как эти две системы могут использоваться совместно для получения наилучшего результата.

ПРИМЕЧАНИЕ. Криптография с открытым ключом – это асимметричная криптография. Эти термины взаимозаменяемы.

Ниже указаны сильные и слабые стороны алгоритмов с асимметричными ключами:

Сильные стороны

• Лучше процесс распространения ключей, чем в симметричных системах
• Лучше масштабируемость, чем в симметричных системах
• Могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость

Слабые стороны

• Работают гораздо медленнее симметричных систем
• Выполняют сложные математические преобразования

Ниже приведены примеры алгоритмов с асимметричными ключами.

• Криптосистема на основе эллиптических кривых (ECC – Elliptic curve cryptosystem)
• Алгоритм Диффи-Хеллмана Diffie-Hellman
• Эль Гамаль (El Gamal)
• Алгоритм цифровой подписи (DSA – Digital Signature Algorithm)
• Knapsack

Эти алгоритмы мы рассмотрим далее в этом Домене, в разделе «Типы асимметричных систем».

В Таблице 6-1 приведено краткое резюме основных отличий между симметричными и асимметричными системами.

Таблица 6-1. Различия между симметричными и асимметричными системами

ПРИМЕЧАНИЕ . Цифровые подписи будут рассмотрены позднее в разделе «Цифровые подписи».

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 210, “Asymmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)
• Frequently Asked Questions About Today’s Cryptography, Version 4.1, Section 2.1.4.5, “What Is Output Feedback Mode?” by RSA Laboratories

Существует два основных типа симметричных алгоритмов: блочные шифры, которые работают с блоками битов, и потоковые шифры, которые обрабатывают по одному биту за раз.

Если для зашифрования и расшифрования данных используется блочный шифр , сообщение делится на блоки битов. Затем эти блоки передаются на обработку математическим функциям, по одному блоку за раз. Представьте, что вам нужно зашифровать сообщение для мамы с помощью блочного шифра, который работает с блоками по 64 бита. Длина вашего сообщения составляет 640 бит, поэтому оно делится на 10 отдельных блоков по 64 бита. Каждый блок последовательно передается на вход математической функции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока каждый блок не будет преобразован в шифротекст. После этого вы отправляете зашифрованное сообщение вашей маме. Она использует такой же блочный шифр и тот же ключ. Эти 10 блоков шифротекста последовательно передаются в алгоритм в обратной последовательности до тех пор, пока не будет получен исходный открытый текст.

Для обеспечения стойкости шифра, в нем должны в достаточной степени использоваться два основных метода: перемешивание (confusion) и рассеивание (diffusion). Перемешивание обычно выполняется с помощью подстановки, тогда как рассеивание – с помощью перестановки. Чтобы шифр был действительно стойким, он должен использовать оба эти метода, чтобы сделать процесс обратного инжиниринга практически невозможным. На уровень перемешивания и рассеивания указывают случайность значения ключа и сложность применяемых математических функций.

В алгоритмах рассеивание может происходить как на уровне отдельных битов в блоках, так и на уровне самих блоков. Перемешивание выполняется с помощью сложных функций подстановки, чтобы злоумышленник не мог понять, каким образом заменялись исходные значения и получить оригинальный открытый текст. Представьте, что у меня есть 500 деревянных блоков, на каждый их которых нанесена буква. Я выстраиваю их в линию, чтобы составить из них сообщение (открытый текст). Затем я заменяю 300 из этих блоков блоками из другого набора (перемешивание путем подстановки). Затем я переставляю все эти блоки (рассеивание посредством перемешивания) и оставляю эту кучу. Чтобы вы смогли восстановить мое исходное предложение, вам нужно заменить блоки правильными и расставить их в правильной последовательности. Удачи!

Перемешивание выполняется для создания взаимосвязи между ключом и получаемым в результате шифротекстом. Эта взаимосвязь должна быть максимально сложной, чтобы невозможно было вскрыть ключ на основе анализа шифротекста. Каждое значение в шифротексте должно зависеть от нескольких частей ключа, но для наблюдателя эта связь между значениями ключа и значениями шифротекста должна выглядеть полностью случайной.

Рассеивание, с другой стороны, означает, что один бит открытого текста оказывает влияние на несколько бит шифротекста. Замена значения в открытом тексте должна приводить к замене нескольких значений в шифротексте, а не одного. Фактически, в действительно стойком блочном шифре, при замене одного бита в открытом тексте, должны изменяться около 50% битов в шифротексте. Т.е. при изменении всего одного бита в открытом тексте, изменится около половины шифротекста.

Блочные шифры в своих методах работы используют и перемешивание, и рассеивание. На Рисунке 6-10 показан концептуальный пример простого блочного шифра. Ему передано для обработки четыре блока длиной по четыре бита каждый. Рассматриваемый блочный алгоритм имеет два уровня четырехбитных боксов замещения, называемых S-боксами. Каждый S-бокс содержит таблицы подстановки, используемые алгоритмом в качестве инструкций по шифрованию битов.

Рисунок 6-10. Сообщение разделяется на блоки битов, над которыми выполняются функции замещения и рассеивание

Ключ указывает (см. Рисунок 6-10), какие должны использоваться S-боксы в процесе перемешивания исходного сообщения из читаемого открытого текста в нечитаемый шифротекст. Каждый S-бокс содержит различные методы подстановки и перестановки, которые могут быть выполнены над каждым блоком. Это очень простой пример. В реальности большинство блочных шифров работает с блоками размером по 32, 64 или 128 бит и может использовать гораздо больше S-боксов.

Как было сказано ранее, блочные шифры выполняют математические функции над блоками битов. В отличие от них, поточные шифры (stream cipher) не делят сообщение на блоки. Они обрабатывют сообщение, как поток битов, и выполняют математические функции над каждым битом отдельно.

При использовании поточного шифра, в процессе шифрования каждый бит открытого текста преобразуется в бит шифротекста. Поточные шифры используют генератор ключевого потока, который производит поток битов, объединяемых с помощью операции XOR с битами открытого текста, с целью получения шифротекста. Это показано на Рисунке 6-11.

Рисунок 6-11. В поточном шифре биты, сгенерированные генератором ключевого потока, объединяются посредством XOR с битами открытого текста сообщения

ПРИМЕЧАНИЕ . Этот процесс очень похож на использование одноразовых шифровальных блокнотов, описанных ранее. Отдельные биты в одноразовом блокноте используются для шифрования отдельных битов сообщения с помощью операции XOR, а в поточном алгоритме отдельные биты создаются генератором ключевого потока, также используемым для шифрования битов сообщения с использованием операции XOR.

Если криптосистема зависит только от симметричного поточного алгоритма, атакующий может получить копию открытого текста и результирующий шифротекст, объединить их вместе с помощью операции XOR и получить в результате использованный ключевой поток, которым он может воспользоваться в дальнейшем для расшифрования других сообщений. Поэтому умные люди решили вставлять ключ в этот поток.

В блочных шифрах ключ определяет, какие функции применяются к открытому тексту и в каком порядке. Ключ обеспечивает случайность процесса шифрования. Как было сказано ранее, большинство алгоритмов шифрования является открытыми, поэтому люди знают, как они работают. Секретом является только ключ. В поточных шифрах случайность также обеспечивается с помощью ключа, делая максимально случайным поток битов, с которыми объединяется открытый текст. Эта концепция показана на Рисунке 6-12. Как вы можете увидеть на этом рисунке, и отправитель, и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока, чтобы иметь возможность правильно зашифровывать и расшифровывать информацию.

Рисунок 6-12. Отправитель и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока

Векторы инициализации (IV – Initialization vectors) – это случайные значения, которые используются алгоритмом для обеспечения отсутствия шаблонов в процессе шифрования. Они используются совместно с ключами и их не нужно шифровать при отправке получателю. Если вектор инициализации не используется, два одинаковых открытых текста, зашифрованные на одном и том же ключе, дадут в результате один и тот же шифротекст. Такой шаблон существенно упростит задачу атакующего по взлому метода шифрования и вскрытию ключа. Если в вашем сообщении есть повторяющаяся часть (фраза или слово), вам нужно убедиться, что при шифровании каждой повторяющейся части открытого текста сообщения, создается различный шифротекст, т.е. не будет создаваться шаблон. Именно для обеспечения большей случайности в процессе шифрования и используется вектор инициализации совместно с ключом.

Стойкие и эффективные поточные шифры имеют следующие характеристики:

• Длинные периоды неповторяющихся шаблонов в значениях ключевого потока . Биты, генерируемые ключевым потоком должны быть случайны.
• Статистически непредсказуемый ключевой поток . Биты, получаемые на выходе генератора ключевого потока, не должны быть предсказуемы.
• Ключевой поток не имеет линейной связи с ключом . Если кто-то получил значения ключевого потока, это не должно привести к получению им значения ключа.
• Статистически равномерный ключевой поток (примерно равное количество нулей и единиц) . В ключевом потоке не должны преобладать нули или единицы.

Поточные шифры требуют обеспечения случайности и шифруют по одному биту за раз. Это требует больше ресурсов процессора, чем при использовании блочного шифра, поэтому поточные шифры больше подходят для реализации на аппаратном уровне. А блочные шифры, поскольку они не требуют столько ресурсов процессора, проще реализовывать на программном уровне.

ПРИМЕЧАНИЕ . Конечно, существуют и блочные шифры, реализованные на аппаратном уровне, и поточные шифры, работающие на программном уровне. Указанное выше утверждение просто является «лучшей практикой», рекомендациями по разработке и внедрению.


Поточные шифры и Одноразовые шифровальные блокноты. Поточные шифры обеспечивают тот же тип защиты, что и одноразовые шифровальные блокноты , поэтому они работают похожим образом. Поточные шифры в действительности не могут обеспечить такой же уровень защиты, как одноразовые шифровальные блокноты, т.к. они реализуются в виде программного обеспечения и автоматизированных средств. Однако за счет этого поточные шифры более практичны.

Ранее мы рассмотрели симметричные и асимметричные алгоритмы и отметили, что симметричные алгоритмы работают быстро, но имеют некоторые недостатки (плохая масштабируемость, сложное управление ключами, обеспечение только конфиденциальности), а асимметричные алгоритмы не имеют этих недостатков, но они очень медленные. Теперь рассмотрим гибридные системы, которые используют одновременно симметричные и ассиметричные методы шифрования.

Совместное использование асимметричных и симметричных алгоритмов

Криптография с открытым ключом использует два ключа (открытый и закрытый), сгенерированные асимметричным алгоритмом, она применяется для защиты ключей шифрования и их распространения. Секретный ключ генерируется симметричным алгоритмом и используется для основного процесса шифрования. В этом и заключается гибридное использование двух различных алгоритмов: симметричного и асимметричного. Каждый алгоритм имеет свои преимущества и недостатки, а их совместное использование позволяет взять лучшее от каждого из них.

В гибридном подходе две эти технологии дополняют друг друга, каждая выполняет свои функции. Симметричный алгоритм создает ключи, используемые для шифрования основного объема данных, а асимметричный алгоритм создает ключи, используемые для автоматизированного распространения симметричных ключей.

Симметричный ключ используется для шифрования отправляемых вами сообщений. Когда ваш друг получает зашифрованное вами сообщение, ему нужно расшифровать его, для чего ему требуется симметричный ключ, на котором зашифровано ваше сообщение. Но вы не хотите отправлять этот ключ незащищенным образом, т.к. сообщение может быть перехвачено и незащищенный ключ может быть извлечен из него злоумышленником для последующего использования в целях расшифрования и ознакомления с вашими сообщениями. Не следует использовать для шифрования сообщений симметричный ключ, если для него не обеспечена надлежащая защита. Для обеспечения защиты симметричного ключа можно использовать асимметричный алгоритм, с помощью которого он может быть зашифрован (см. Рисунок 6-13). Но зачем нам использовать симметричный ключ для шифрования сообщений, а асимметричный ключ для шифрования симметричного ключа? Как было сказано ранее, асимметричный алгоритм работает медленно, т.к. он использует более сложную математику. А поскольку ваше сообщение, скорее всего, будет длиннее ключа, для его шифрования разумнее использовать более быстрый алгоритм (симметричный), а для шифрования ключа подойдет медленный (асимметричный), но обеспечивающий дополнительные сервисы безопасности.

Рисунок 6-13. В гибридной системе асимметричный ключ используется для шифрования симметричного ключа, а симметричный ключ используется для шифрования сообщений

Как это работает в реальности? Предположим, что Билл отправляет Полу сообщение и хочет, чтобы только Пол мог прочитать его. Билл зашифровывает сообщение на секретом ключе, теперь он имеет шифротекст и симметричный ключ. Ключ должен быть защищен, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на асимметричном ключе. Асимметричные алгоритмы используют закрытый и открытый ключи, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на открытом ключе Пола. Теперь у Билла есть шифротекст сообщения и шифротекст симметричного ключа. Почему Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола, а не на своем закрытом ключе? Если бы Билл зашифровал его на собственном закрытом ключе, кто угодно мог бы расшифровать его на открытом ключе Билла и получить симметричный ключ. Однако Биллу не нужно, чтобы любой, имеющий его открытый ключ, мог читать его сообщения Полу. Биллу нужно, чтобы такая возможность была только у Пола. Итак, Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола. Если Пол хорошо защищал свой закрытый ключ, только он один сможет прочитать сообщение Билла.

Пол получает сообщение Билла и использует свой закрытый ключ, чтобы расшифровать симметричный ключ. Затем Пол использует симметричный ключ, чтобы расшифровать сообщение. Теперь Пол может прочитать важное и конфиденциальное сообщение от Билла.

Когда мы говорим, что Билл использует ключ для зашифрования сообщения, а Пол использует тот же ключ для расшифрования, это не значит, что они выполняют все эти операции вручную. Современное программное обеспечение делает все это за нас, не требуя от нас особых знаний для его использования.

Здесь все достаточно просто, вам нужно запомнить следующие аспекты:

• Асимметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование, используя закрытый и открытый ключи, которые математически связаны между собой.
• Симметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование с использованием общего секретного ключа.
• Симметричный (секретный) ключ используется для шифрования реальных сообщений.
• Открытый ключ используются для зашифрования симметричного ключа с целью его безопасной передачи.
• Секретный ключ – это то же самое, что симметричный ключ.
• Асимметричный ключ может быть закрытым или открытым.

Итак, при использовании гибридной системы, симметричный алгоритм создает секретный ключ, используемый для шифрования данных или сообщений, а асимметричный ключ шифрует секретный ключ.

Сеансовый ключ (session key) – это симметричный ключ, используемый для шифрования сообщений, которыми обмениваются два пользователя. Сеансовый ключ ничем не отличается от симметричного ключа, описанного ранее, но он действителен только в рамках одного коммуникационного сеанса между пользователями.

Если у Тани есть симметричный ключ, который она постоянно использует для шифрования сообщений между ней и Лансом, этот симметричный ключ не нужно перегенерировать или изменять. Они просто используют один и тот же ключ каждый раз при взаимодействии с использованием шифрования. Однако длительное повторное использование одного и того же ключа повышает вероятность его перехвата и компрометации безопаных коммуникаций. Чтобы избежать этого, следует генерировать новый симметричный ключ каждый раз, когда Тане и Лансу нужно взаимодействовать, и использовать его лишь на протяжении одного сеанса связи, а затем уничтожать (см. Рисунок 6-14). Даже если им потребуется снова взаимодействовать всего через час, будет сгенерирован новый сеансовый ключ.

Рисунок 6-14. Сеансовый ключ генерируется для каждого сеанса взаимодействия пользователей и действует только в рамках этого сеанса

Цифровые конверты. При первом знакомстве людей с вопросами криптографии, совместное использование симметричных и асимметричных алгоритмов может вызвать непонимание. Однако эти концепции очень важно понять, поскольку они действительно являются ядром, фундаментальными концепциями криптографии. Этот процесс используется не только в почтовом клиенте или в нескольких продуктах, он определяет весть порядок обработки данных и симметричных ключей при их передаче.
Совместное использование этих двух технологий называется гибридным подходом, но у него есть и более общее название – цифровой конверт (digital envelope).

Сеансовый ключ обеспечивает более высокий уровень защиты, по сравнению со статичным симметричным ключом, т.к. он действителен только на один сеанс связи между двумя компьютерами. Если атакующий сможет перехватить сеансовый ключ, он сможет использовать его для несанкционированного доступа к передаваемой информации только в течение небольшого периода времени.

Если двум компьютерам нужно взаимодействовать с применением шифрования, сначала они должны пройти процесс «рукопожатия», в рамках которого они договариваются об алгоритме шифрования, который будет использоваться для передачи сеансового ключа, предназначенного для дальнейшего шифрования данных в процессе взаимодействия компьютеров. По сути, два компьютера устанавливают виртуальное соединение друг с другом, которое называют сеансом. После завершения сеанса, каждый компьютер уничтожает любые структуры данных, созданные для этого сеанса, освобождает ресурсы и, в том числе, уничтожает использованный сеансовый ключ. Эти вещи операционная система и приложения выполняют в фоновом режиме и пользователю не нужно заботиться об этом. Однако специалист по безопасности должен понимать различия между типами ключей и связанные с ними вопросы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Закрытые и симметричные ключи не должны храниться и/или передаваться в виде открытого текста. Хотя это кажется очевидным, уже множество программных продуктов было скомпрометировано именно по этой причине.

Проблемы беспроводной безопасности. Мы рассматривали различные стандарты 802.11 и протокол WEP в Домене 05 . Среди обширного списка проблем WEP, есть проблема, связанная с шифрованием данных. Если для шифрования беспроводного трафика используется только WEP, в таком случае в большинстве реализаций используется только один статистический симметричный ключ для шифрования пакетов. Одним из изменений и преимуществ стандарта 802.11i является то, что он обеспечивает шифрование каждого пакета уникальным сеансовым ключом.

В наш компьютерный век человечество все больше отказывается от хранения информации в рукописном или печатном виде, предпочитая для документы. И если раньше крали просто бумаги или пергаменты, то сейчас взламывают именно электронную информацию. Сами же алгоритмы шифрования данных были известны еще с незапамятных времен. Многие цивилизации предпочитали зашифровывать свои уникальные знания, чтобы они могли достаться только человеку сведущему. Но давайте посмотрим, как все это отображается на нашем мире.

Что собой представляет система шифрования данных?

Для начала следует определиться с тем, что собой представляют криптографические системы вообще. Грубо говоря, это некий специальный алгоритм записи информации, который был бы понятен только определенному кругу людей.

В этом смысле постороннему человеку все, что он видит, должно (а в принципе, так и есть) казаться бессмысленным набором символов. Прочесть такую последовательность сможет только тот, кто знает правила их расположения. В качестве самого простого примера можно определить алгоритм шифрования с написанием слов, скажем, задом наперед. Конечно, это самое примитивное, что можно придумать. Подразумевается, что если знать правила записи, восстановить исходный текст труда не составит.

Зачем это нужно?

Для чего все это придумывалось, наверное, объяснять не стоит. Посмотрите, ведь какие объемы знаний, оставшиеся от древних цивилизаций, сегодня находятся в зашифрованном виде. То ли древние не хотели, чтобы мы это узнали, то ли все это было сделано, чтобы человек смог ними воспользоваться только тогда, когда достигнет нужного уровня развития - пока что об этом можно только гадать.

Впрочем, если говорить о сегодняшнем мире, защита информации становится одной из самых больших проблем. Посудите сами, ведь сколько имеется документов в тех же архивах, о которых правительства некоторых стран не хотели бы распространяться, сколько секретных разработок, сколько новых технологий. А ведь все это, по большому счету, и является первоочередной целью так называемых хакеров в классическом понимании этого термина.

На ум приходит только одна фраза, ставшая классикой принципов деятельности Натана Ротшильда: «Кто владеет информацией, тот владеет миром». И именно поэтому информацию приходится защищать от посторонних глаз, дабы ей не воспользовался кто-то еще в своих корыстных целях.

Криптография: точка отсчета

Теперь, прежде чем рассматривать саму структуру, которую имеет любой алгоритм шифрования, немного окунемся в историю, в те далекие времена, когда эта наука только зарождалась.

Считается, что искусство сокрытия данных активно начало развиваться несколько тысячелетий назад до нашей эры. Первенство приписывают древним шумерам, царю Соломону и египетским жрецам. Только много позже появились те же рунические знаки и символы, им подобные. Но вот что интересно: иногда алгоритм шифрования текстов (а в то время шифровались именно они) был таков, что в той же один символ мог означать не только одну букву, но и целое слово, понятие или даже предложение. Из-за этого расшифровка таких текстов даже при наличии современных криптографических систем, позволяющих восстановить исходный вид любого текста, становится абсолютно невозможной. Если говорить современным языком, это достаточно продвинутые, как принято сейчас выражаться, симметричные алгоритмы шифрования. На них остановимся отдельно.

Современный мир: виды алгоритмов шифрования

Что касается защиты конфиденциальных данных в современно мире, отдельно стоит остановиться еще на тех временах, когда компьютеры были человечеству неизвестны. Не говоря уже о том, сколько бумаги перевели алхимики или те же тамплиеры, пытаясь скрыть истинные тексты об известных им знаниях, стоит вспомнить, что со времени возникновения связи проблема только усугубилась.

И тут, пожалуй, самым знаменитым устройством можно назвать немецкую шифровальную машину времен Второй мировой под названием «Энигма», что в переводе с английского означает «загадка». Опять же, это пример того, как используются симметричные алгоритмы шифрования, суть которых состоит в том, что шифровщик и дешифровальщик знают ключ (алгоритм), изначально примененный для сокрытия данных.

Сегодня такие криптосистемы используются повсеместно. Самым ярким примером можно считать, скажем, алгоритм являющийся международным стандартом. С точки зрения компьютерной терминологии, он позволяет использовать ключ длиной 256 бит. Вообще современные алгоритмы шифрования достаточно разнообразны, а разделить их условно можно на два больших класса: симметричные и асимметричные. Они, в зависимости от области назначения, сегодня применяются очень широко. И выбор алгоритма шифрования напрямую зависит от поставленных задач и метода восстановления информации в исходном виде. Но в чем же состоит разница между ними?

Симметричные и асимметричные алгоритмы шифрования: в чем разница

Теперь посмотрим, какое же кардинальное различие между такими системами, и на каких принципах строится их применение на практике. Как уже понятно, алгоритмы шифрования бывают связаны с геометрическими понятиями симметрии и асимметрии. Что это значит, сейчас и будет выяснено.

Симметричный алгоритм шифрования DES, разработанный еще в 1977 году, подразумевает наличие единого ключа, который, предположительно, известен двум заинтересованным сторонам. Зная такой ключ, нетрудно применить его на практике, чтобы прочитать тот же бессмысленный набор символов, приведя его, так сказать, в читабельный вид.

А что представляют собой асимметричные алгоритмы шифрования? Здесь применяются два ключа, то есть для кодирования исходной информации использует один, для расшифровки содержимого - другой, причем совершенно необязательно, чтобы они совпадали или одновременно находились у кодирующей и декодирующей стороны. Для каждой из них достаточно одного. Таким образом, в очень высокой степени исключается попадание обоих ключей в третьи руки. Однако, исходя из современной ситуации, для многих злоумышленников кражи такого типа особо проблемой и не являются. Другое дело - поиск именно того ключа (грубо говоря, пароля), который подойдет для расшифровки данных. А тут вариантов может быть столько, что даже самый современный компьютер будет обрабатывать их в течение нескольких десятков лет. Как было заявлено, ни одна из имеющихся в мире компьютерных систем взломать доступ к нему и получить то, что называется «прослушкой», не может и не сможет в течение ближайших десятилетий.

Наиболее известные и часто применяемые алгоритмы шифрования

Но вернемся в мир компьютерный. Что на сегодня предлагают основные алгоритмы шифрования, предназначенные для защиты информации на современном этапе развития компьютерной и мобильной техники?

В большинстве стран стандартом де-факто является криптографическая система AES на основе 128-битного ключа. Однако параллельно с ней иногда используется и алгоритм который хоть и относится к шифрованию с использованием открытого (публичного) ключа, тем не менее является одним из самых надежных. Это, кстати, доказано всеми ведущими специалистами, поскольку сама система определяется не только степенью шифрования данных, но и сохранением целостности информации. Что касается ранних разработок, к коим относится алгоритм шифрования DES, то он безнадежно устарел, а попытки его замены начали проводиться еще в 1997 году. Вот тогда-то на его основе и возник новый расширенный (Advanced) стандарт шифрования AES (сначала с ключом 128 бит, потом - с ключом 256 бит).

Шифрование RSA

Теперь остановимся на технологии RSA которая относится к системе асимметричного шифрования. Предположим, один абонент отправляет другому информацию, зашифрованную при помощи этого алгоритма.

Для шифрования берутся два достаточно больших числа X и Y, после чего вычисляется их произведение Z, называемое модулем. Далее выбирается некое постороннее число A, удовлетворяющее условию: 1< A < (X - 1) * (Y - 1). Оно обязательно должно быть простым, то есть не иметь общих делителей с произведением (X - 1) * (Y - 1), равным Z. Затем происходит вычисление числа B, но только так, что (A * B - 1) делится на (X - 1) * (Y - 1). В данном примере A - открытый показатель, B - секретный показатель, (Z; A) - открытый ключ, (Z; B) - секретный ключ.

Что происходит при пересылке? Отправитель создает зашифрованный текст, обозначенный как F, с начальным сообщением M, после чего следует A и умножение на модуль Z: F = M**A*(mod Z). Получателю остается вычислить несложный пример: M = F**B*(mod Z). Грубо говоря, все эти действия сводятся исключительно к возведению в степень. По тому же принципу работает и вариант с создание цифровой подписи, но уравнения тут несколько сложнее. Чтобы не забивать пользователю голову алгеброй, такой материал приводиться не будет.

Что же касается взлома, то алгоритм шифрования RSA ставит перед злоумышленником практически нерешаемую задачу: вычислить ключ B. Это теоретически можно было бы сделать с применением доступных средств факторинга (разложением на сомножители исходных чисел X и Y), однако на сегодняшний день таких средств нет, поэтому сама задача становится не то что трудной - она вообще невыполнима.

Шифрование DES

Перед нами еще один, в прошлом достаточно эффективный алгоритм шифрования с максимальной длиной блока 64 бита (символа), из которой значащими являются только 56. Как уже было сказано выше, эта методика уже устарела, хотя достаточно долго продержалась в качестве стандарта криптосистем, применяемых в США даже для оборонной промышленности.

Суть его симметричного шифрования заключается в том, что для этого применяется некая последовательность из 48 бит. При этом для операций используется 16 циклов из выборки ключей в 48 бит. Но! Все циклы по принципу действия аналогичны, поэтому на данный момент вычислить искомый ключ труда не составляет. К примеру, один из самых мощных компьютеров в США стоимостью более миллиона долларов «ломает» шифрование в течение примерно трех с половиной часов. Для машин рангом ниже на то, чтобы вычислить даже последовательность в максимальном ее проявлении, требуется не более 20 часов.

Шифрование AES

Наконец, перед нами самая распространенная и, как считалось до недавнего времени, неуязвимая система - алгоритм шифрования AES. Он сегодня представлен в трех модификациях - AES128, AES192 и AES256. Первый вариант применяется больше для обеспечения информационной безопасности мобильных устройств, второй задействован на более высоком уровне. Как стандарт, эта система была официально внедрена в 2002 году, причем сразу же ее поддержка была заявлена со стороны корпорации Intel, производящей процессорные чипы.

Суть ее, в отличие от любой другой симметричной системы шифрования, сводится к вычислениям на основе полиноминального представления кодов и операций вычисления с двумерными массивами. Как утверждает правительство Соединенных Штатов, для взлома ключа длиной 128 бит дешифратору, пусть даже самому современному, потребуется порядка 149 триллионов лет. Позволим себе не согласиться с таким компетентным источником. Компьютерная техника за последние сто лет сделала скачок, соизмеримый с так что особо обольщаться не стоит, тем более что сегодня, как оказалось, существуют системы шифрования и покруче, чем те, которые США объявили совершенно стойкими ко взлому.

Проблемы с вирусами и дешифровкой

Конечно же, речь идет о вирусах. В последнее время появились довольно специфичные вирусы-вымогатели, которые шифруют все содержимое жесткого диска и логических разделов на зараженном компьютере, после чего жертва получает письмо с уведомлением о том, что все файлы зашифрованы, а расшифровать их может только указанный источник после оплаты кругленькой суммы.

При этом, что самое важное, указывается, что при шифровании данных была применена система AES1024, то есть длина ключа в четыре раза больше ныне существующей AES256, а количество вариантов при поиске соответствующего дешифратора возрастает просто неимоверно.

А если исходить из заявления правительства США о сроке, отводимом для дешифрования ключа длиной 128 бит, то что можно сказать о времени, которое потребуется на поиск решения для случая с ключом и его вариантами длиной 1024 бита? Вот тут-то США и прокололись. Они ведь считали, что их система компьютерной криптографии совершенна. Увы, нашлись какие-то спецы (судя по всему, на постсоветском пространстве), которые превзошли «незыблемые» американские постулаты по всем параметрам.

При всем этом даже ведущие разработчики антивирусного ПО, в том числе «Лаборатория Касперского», специалисты, создавшие «Доктора Веба», корпорация ESET и многие другие мировые лидеры просто разводят руками, дескать, на расшифровку такого алгоритма попросту нет средств, умалчивая при этом о том, что и времени не хватит. Конечно, при обращении в службу поддержки предлагается отправить зашифрованный файл и, если есть, желательно его оригинал - в том виде, в каком он был до начала шифрования. Увы, даже сравнительный анализ пока не дал ощутимых результатов.

Мир, которого мы не знаем

Да что там говорить, если мы гонимся за будущим, не имея возможности расшифровать прошлое. Если посмотреть на мир нашего тысячелетия, можно заметить, что тот же римский император Гай Юлий Цезарь в некоторых своих посланиях использовал симметричные алгоритмы шифрования. Ну а если взглянуть на Леонардо да Винчи, так вообще становится как-то не по себе от одного осознания того, что в области криптографии этот человек, чья жизнь покрыта неким флером тайны, на века превзошел свою современность.

До сих пор многим не дает покоя так называемая «улыбка Джоконды», в которой есть что-то такое притягательное, чего современный человек понять не способен. Кстати сказать, на картине относительно недавно были найдены некие символы (в глазу, на платье и т. д.), которые явно свидетельствуют о том, что во всем этом содержится какая-то зашифрованная великим гением информация, которую сегодня, увы, извлечь мы не в состоянии. А ведь мы даже не упомянули о разного рода масштабных конструкциях, которые способны были перевернуть понимание физики того времени.

Конечно, некоторые умы склоняются исключительно к тому, что в большинстве случаев было использовано так называемое «золотое сечение», однако и оно не дает ключа ко всему тому огромному хранилищу знаний, которое, как считается, либо нам непонятно, либо потеряно навеки. По всей видимости, криптографам предстоит проделать еще неимоверную кучу работы, чтобы понять, что современные алгоритмы шифрования порой не идут ни в какое сравнение с наработками древних цивилизаций. К тому же, если сегодня существуют общепринятые принципы защиты информации, то те, которые использовались в древности, к сожалению, нам совершенно недоступны и непонятны.

И еще одно. Существует негласное мнение, что большинство древних текстов невозможно перевести только потому, что ключи к их дешифровке тщательно охраняются тайными обществами вроде масонов, иллюминатов и т. д. Даже тамплиеры оставили тут свой след. Что уж говорить о том, что до сих пор абсолютно недоступной остается библиотека Ватикана? Не там ли хранятся основные ключи к пониманию древности? Многие специалисты склоняются именно к этой версии, считая, что Ватикан намеренно утаивает эту информацию от общества. Так это или нет, пока не знает никто. Но одно можно утверждать совершенно точно - древние системы криптографии ни в чем не уступали (а может, и превосходили) тем, что используются в современном компьютерном мире.

Вместо послесловия

Напоследок стоит сказать, что здесь были рассмотрены далеко не все аспекты, связанные с нынешними криптографическими системами и методиками, которые они используют. Дело в том, что в большинстве случаев пришлось бы приводить сложные математические формулы и представлять вычисления, от которых у большинства пользователей просто голова кругом пойдет. Достаточно взглянуть на пример с описанием алгоритма RSA, чтобы сообразить, что все остальное будет выглядеть намного сложнее.

Тут главное - понять и вникнуть, так сказать, в суть вопроса. Ну а если говорить о том, что представляют собой современные системы, предлагающие хранить конфиденциальную информацию таким образом, чтобы она была доступна ограниченному кругу пользователей, здесь выбор невелик. Несмотря на наличие множества криптографических систем, те же алгоритмы RSA и DES явно проигрывают специфике AES. Впрочем, и большинство современных приложений, разработанных для совершенно разнящихся между собой операционных систем, используют именно AES (естественно, в зависимости от области применения и устройства). Но вот «несанкционированная» эволюция этой криптосистемы, мягко говоря, многих, особенно ее создателей, повергла в шок. Но в целом, исходя из того, что имеется на сегодняшний день, многим пользователям нетрудно будет понять, что такое криптографические системы шифрования данных, зачем они нужны и как работают.

Алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Секретная связь на основе симметричной криптосистемы.

Для организации секретной связи традиционно используются симметричные шифрсистемы. «Штатными» Действующими лицами таких протоколов секретной связи являются отправитель, адресат и посредник, обеспечивающий пользователей ключами. Для рассмотрения вопросов защиты информации следует добавить в этот список «нештатных» участников: пассивного и активного нарушителя. Задача протокола – передать секретное сообщение x от отправителя адресату. Последовательность действий выглядит следующим образом:
1. Отправитель и адресат договариваются об используемой симметричной шифрсистеме, т.е. о семействе отображений E = {}, kK.
2. Отправитель и адресат договариваются о секретном ключе связи k, т.е. об используемом отображении E.
3. Отправитель шифрует открытый текст x с помощью отображения , т.е. создаёт криптограмму y = (x).
4. Криптограмма y передаётся по линии связи адресату.
5. Адресат расшифровывает криптограмму y используя тот же ключ k и отображение ^(-1), обратное к отображению Ek и читает сообщение x= ^(-1)(y).
Шаг 2 протокола реализуется с помощью посредника, третьей стороны, которую условно можно назвать центром генерации и распределения ключей (ЦГРК) (некоторые протоколы секретной связи на основе асимметричных шифрсистем не использую посредника, в них функции ЦГРК выполняются пользователями).
Существенной особенностью протокола является секретность ключа k который передается отправителю и адресату либо в открытом виде по каналу связи, защищённому от действий криптоаналитика, либо в шифрованном виде по открытому каналу связи. Защищённый канал может иметь относительно невысокую пропускную способность, но должен надёжно защищать ключевую информацию от несанкционированного доступа. Ключ k должен оставаться в секрете до, во время и после реализации протокола, иначе нарушитель, завладев ключом, может расшифровать криптограмму и прочитать сообщение. Отправитель и адресат могут выполнить шаг 1 протокола публично (секретность шифрсистемы необязательна), но шаг 2 они должны выполнить секретно (секретность ключа обязательна).
Такая необходимость вызвана тем, что линии связи, в особенности протяжённые, уязвимы с точки зрения вмешательства пассивного и активного нарушителей. Пассивный нарушитель (криптоаналитик), желая получить доступ к сообщению x, контролирует линию связи на шаге 4 протокола. Не вмешиваясь в реализацию протокола, он перехватывает криптограмму y с целью раскрытия шифра.

Криптоанализ симметричной криптосистемы.

Разрабатывая шифрсистему, криптограф обычно исходит из следующих предположений о возможностях криптоаналитика:
1. Криптоаналитик контролирует линию связи.
2. Криптоаналитику известно устройство семейства E отображений шифра.
3. Криптоаналитику неизвестен ключ k, т.е. неизвестно отображение , использованное для получения криптограммы y.
В этих условиях криптоаналитик пытается решить следующие задачи, называемые задачами дешифрования.
1. Определить открытый текст x и использованный ключ k по перехваченной криптограмме y, т.е. построить такой алгоритм дешифрования , при котором (y)=(x,k). Данная постановка задачи предполагает использование криптоаналитиком статистических свойств открытого текста.
2. Определить использованный ключ k по известному открытому и шифрованному текстам, т.е. построить такой алгоритм дешифрования , при котором (x,y)=k. Такая постановка задачи имеет смысл, когда криптоаналитик перехватил несколько криптограмм, полученных с использование ключа k, и располагает открытыми текстами не для всех перехваченных криптограмм. В этом случае, решив задачу дешифрования второго типа, он «прочтёт» все открытые тексты, зашифрованные с использованием ключа k.
3. Определить используемый ключ k по специально подобранному открытому тексту x и соответствующему шифрованному тексту y, т.е. построить алгоритм дешифрования x такой, что x(y)=k. Подобная постановка задачи возникает тогда, когда криптоаналитик имеет возможность тестирования криптосистемы, т.е. генерирования криптограммы для специально подобранного открытого текста. Чаще такая постановка задачи возникает при анализе асимметричных систем. имеется разновидность этой задачи дешифрования, когда используется специально подобранный шифртекст.
Для решения задач дешифрования криптоаналитик использует или шифрованное сообщение y, или пару (x,y), состоящую из открытого и шифрованного сообщений, или комплект таких сообщений или пар сообщений. Эти сообщения или комплекты сообщений называют шифрматериалом. Используемым для дешифрования количеством шифрматериала называется длина этих сообщений или суммерная длина комплекта сообщений. Количество шифрматериала является важной характеристикой метода дешифрования. Расстоянием единственности шифра называется наименьшее число знаков шифрованного текста, необходимых для однозначного определения ключа. Во многих практических случаях оно равно длине ключа, если ключ и криптограмма суть слова из равномощных алфавитов. При одинаковом количестве шифрматериала дешифровальные задачи первого типа отличаются более высокой вычислительной сложностью по сравнению с задачами второго и третьего типа, наименьшую вычислительную сложность имеют задачи тестирования.
В ряде случаев криптоаналитик может решить задачу восстановления семейства E отображений шифра по известной паре (x,y) открытого и шифрованного текстов, пользуясь некоторыми дополнительными условаиями. Эта задача может быть сформулирована как «дешифровка чёрного ящика» по известным входам и соответствующим выходам.
Активный нарушитель нарушает реализацию протокола. Он может прервать связь на шаге 4, полагая, что отправитель не сможет больше ничего сообщить адресату. Он может также перехватить сообщение и заменить его своим собственным. Если бы активный нарушитель узнал ключ (контролируя шаг 2 или проникнув в криптосистему), он мог бы зашифровать своё сообщение и отправить его адресату вместо перехваченного сообщения, что не вызвало бы у последнего никаких подозрений. Не зная ключа, активный нарушитель может создать лишь случайную криптограмму, которая после расшифрования предстанет случайной последовательностью.

Требования к протоколу.

Рассмотренный протокол подразумевает доверие отправителя, адресата и третьей стороны в лице ЦГРК. Это является слабостью данного протокола. Впрочем, абсолютных гарантий безупречности того или иного протокола не существует, так как выполнение любого протокола связано с участием людей и зависит, в частности, от квалификации и надёжности персонала. Таки образом, по организации секретной связи с использованием симметричной криптосистемы можно сделать следующие выводы.
1. Протокол должен защищать открытый текст и ключ от несанкционированного доступа постороннего лица на всех этапах передачи информации от источника к получателю сообщений. Секретность ключа более важна, чем секретность нескольких сообщений, шифруемых на этом ключе. Если ключ скомпрометирован (украден, угадан, раскрыт, выкуплен), то нарушитель, имеющий ключ, может расшифровать все зашифрованные на этом ключе сообщения. Кроме того, нарушитель сможет имитировать одну из переговаривающихся сторон и генерировать фальшивые сообщения с целью ввести в заблуждение другую сторону. При частой смене ключей эта проблема сводится к минимуму.
2. Протокол не должен допускать выхода в линию связи «лишней» информации, предоставляющей криптоаналитику противника дополнительные возможности дешифрования криптограмм. Протокол должен защищать информацию не только от посторонних лиц, но и от взаимного обмана действующих лиц протокола.
3. Если допустить, что каждая пара пользователей сети связи использует отдельный ключ, то число необходимых ключей равно n*(n-1)/2 для n пользователей. Это означает, что при большом n генерация, хранение и распределение ключей становится трудоёмкой проблемой.