Криптографические средства защиты информации

• Введение
• 1.Экскурс в историю электронной криптографии
• 1.1 Основные задачи криптографии
• 1.2 Криптография сегодня
• 2. Основные понятия
• 2.1 Криптография
• 2.2 Конфиденциальность
• 2.3 Целостность
• 2.4 Аутентификация
• 2.5 Цифровая подпись
• 3. Криптографические средства защиты
• 3.1 Криптосистемы
• 3.2 Принципы работы Криптосистемы
• 3.2.1 Методология с использованием ключа
• 3.2.1.1 Симметричная (секретная методология)
• 3.2.1.2 Асимметричная (открытая методология)
• 3.3 Распространение ключей
• 3.4 Алгоритмы шифрования
• 3.4.1 Симметричные алгоритмы
• 3.4.2 Асимметричные алгоритмы
• 3.5 Хэш-функции
• 3.6 Механизмы аутентификации
• 3.7 Электронные подписи и временные метки
• 3.8 Стойкость шифра
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Криптография — наука о защите информации от прочтения ее посторонними. Защита достигается шифрованием, т. е. преобразованием, которые делают защищенные входные данные труднораск-рываемыми по входным данным без знания специальной ключевой ин-формации — ключа. Под ключом понимается легко изменяемая часть криптосистемы, хранящаяся в тайне и определяющая, какое шифрующие преобразование из возможных выполняется в данном случае. Крипто-система — семейство выбираемых с помощью ключа обратимых преобра-зований, которые преобразуют защищаемый открытый текст в шифрог-рамму и обратно.
• Желательно, чтобы методы шифрования обладали минимум двумя свойствами:
• — законный получатель сможет выполнить обратное преобразование и расшифровать сообщение;
• — криптоаналитик противника, перехвативший сообщение, не сможет восстановить по нему исходное сообщение без таких затрат времени и средств, которые сделают эту работу нецелесообразной.
• Цель курсовой работы: познакомиться с основами криптографической защиты информации. Для достижения данной цели в работе рассмотрены:
• 1. история криптографии, в которую включены основные задачи криптографии;
• 2. основные понятия криптографии (конфиденциальность, целостность, аутентификация, цифровая подпись);
• 3. криптографические средства защиты (криптосистемы, принципы работы криптосистемы, распространение ключей, алгоритмы шифрования и т. д.).
• 1.Экскурс в историю электронной криптографии
• Появление в середине двадцатого столетия первых электронно-вычислительных машин кардинально изменило ситуацию в области шифрования (криптографии). С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль — информационная индустрия. В 60-х и частично в 70-х годах проблема защиты информации решалась достаточно эффективно применением в основном организационных мер. К ним относились, прежде всего, режимные мероприятия, охрана, сигнализация и простейшие программные средства защиты информации. Эффективность использования указанных средств достигалась за счет концентрации информации на вычислительных центрах, как правило, автономных, что способствовало обеспечению защиты относительно малыми средствами. «Рассосредоточение» информации по местам ее хранения и обработки, чему в немалой степени способствовало появление в огромных количествах дешевых персональных компьютеров и построенных на их основе локальных и глобальных национальных и транснациональных сетей ЭВМ, использующих спутниковые каналы связи, создание высокоэффективных систем разведки и добычи информации, обострило ситуацию с защитой информации.
• Проблема обеспечения необходимого уровня защиты информации оказалась (и это предметно подтверждено как теоретическими исследованиями, так и опытом практического решения) весьма сложной, требующей для своего решения не просто осуществления некоторой совокупности научных, научно-технических и организационных мероприятий и применения специфических средств и методов, а создания целостной системы организационных мероприятий и применения специфических средств и методов по защите информации.
• Объем циркулирующей в обществе информации стабильно возрастает. Популярность всемирной сети Интернет в последние годы способствует удваиванию информации каждый год. Фактически, на пороге нового тысячелетия человечество создало информационную цивилизацию, в которой от успешной работы средств обработки информации зависит благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем качестве. Произошедшие за этот период изменения можно охарактеризовать следующим образом:
• -объемы обрабатываемой информации возросли за полвека на несколько порядков;
• -доступ к определенным данным позволяет контролировать значительные материальные и финансовые ценности;
• -информация приобрела стоимость, которую даже можно подсчитать;
• -характер обрабатываемых данных стал чрезвычайно многообразным и более не сводится к исключительно текстовым данным;
• -информация полностью «обезличилась», т. е. особенности ее материального представления потеряли свое значение — сравните письмо прошлого века и современное послание по электронной почте;
• -характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился, и наряду с классической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного прочтения и искажения возникли новые задачи сферы защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых «бумажных» технологий — например, подпись под электронным документом и вручение электронного документа «под расписку» — речь о подобных «новых» задачах криптографии еще впереди;
• -субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них программе;
• -вычислительные «способности» современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей высокой сложности, так и возможности аналитиков по их взлому. Перечисленные выше изменения привели к тому, что очень быстро после распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок, причем сразу по нескольким направлениям:
• Во-первых, были разработаны стойкие блочные с секретным ключом, предназначенные для решения классической задачи — обеспечения секретности и целостности, передаваемых или хранимых данных, они до сих пор остаются «рабочей лошадкой» криптографии, наиболее часто используемыми средствами криптографической защиты;
• Во-вторых, были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задача подписи цифрового документа и открытого распределения ключей. В современном мире информационный ресурс стал одним из наиболее мощных рычагов экономического развития. Владение информацией необходимого качества в нужное время и в нужном месте является залогом успеха в любом виде хозяйственной деятельности. Монопольное обладание определенной информацией оказывается зачастую решающим преимуществом в конкурентной борьбе и предопределяет, тем самым, высокую цену «информационного фактора» .
• Широкое внедрение персональных ЭВМ вывело уровень «информатизации» деловой жизни на качественно новую ступень. Ныне трудно представить себе фирму или предприятие (включая самые мелкие), которые не были бы вооружены современными средствами обработки и передачи информации. В ЭВМ на носителях данных накапливаются значительные объемы информации, зачастую носящей конфиденциальный характер или представляющей большую ценность для ее владельца.

• 1.1. Основные задачи криптографии.
• Задача криптографии, т. е. тайная передача, возникает только для информации, которая нуждается в защите. В таких случаях говорят, что информация содержит тайну или является защищаемой, приватной, конфиденциальной, секретной. Для наиболее типичных, часто встречающихся ситуаций такого типа введены даже специальные понятия:
• — государственная тайна;
• — военная тайна;
• — коммерческая тайна;
• — юридическая тайна;
• — врачебная тайна и т. д.
• Далее мы будем говорить о защищаемой информации, имея в виду следующие признаки такой информации:
• 1. имеется какой-то определенный круг законных пользователей, которые имеют право владеть этой информацией;
• 2. имеются незаконные пользователи, которые стремятся овладеть этой информацией с тем, чтобы обратить ее себе во благо, а законным пользователям во вред.

1.2. Криптография сегодня

Криптография — это наука об обеспечении безопасности данных. Она занимается поисками решений четырех важных проблем безопасности — конфиденциальности, аутентификации, целостности и контроля участников взаимодействия. Шифрование — это преобразование данных в нечитабельную форму, используя ключи шифрования-расшифровки. Шифрование позволяет обеспечить конфиденциальность, сохраняя информацию в тайне от того, кому она не предназначена.

2. Основные понятия.

Целью настоящего раздела является определение основных понятий криптографии.

2.1. Криптография.

В переводе с греческого языка слово криптография означает тайнопись. Смысл этого термина выражает основное предназначение криптографии — защитить или сохранить в тайне необходимую информацию.

Криптография дает средства для защиты информации, и поэтому она является частью деятельности по обеспечению безопасности информации.

Существуют различные методы защиты информации. Можно, например, физически ограничить доступ к информации путем хранения ее в надежном сейфе или строго охраняемом помещении. При хранении информации такой метод удобен, однако при ее передаче приходится использовать другие средства.

Можно воспользоваться одним из известных методов сокрытия информации:

· скрыть канал передачи информации, используя нестандартный способ передачи сообщений;

· замаскировать канал передачи закрытой информации в открытом канале связи, например, спрятав информацию в безобидном «контейнере» с использованием тех или других стенографических способов либо обмениваясь открытыми сообщениями, смысл которых согласован заранее;

· существенно затруднить возможность перехвата, противником передаваемых сообщений, используя специальные методы передачи по широкополосным каналам, сигнала под уровнем шумов, либо с использованием «прыгающих» несущих частот и т. п.

В отличие от перечисленных методов криптография не «прячет» передаваемые сообщения, а преобразует их в форму, недоступную для понимания противником. При этом обычно исходят из предположения о полном контроле противником канала связи. Это означает, что противник может не только пассивно перехватывать передаваемые сообщения для последующего их анализа, но и активно изменять их, а также отправлять поддельные сообщения от имени одного из абонентов.

Также существуют и другие проблемы защиты передаваемой информации. Например, при полностью открытом обмене возникает проблема достоверности полученной информации. Для ее решения необходимо обеспечить:

· проверку и подтверждение подлинности содержания источника сообщения;

· предотвращение и обнаружение обмана и других умышленных нарушений со стороны самих участников информационного обмена.

Для решения этой проблемы обычные средства, применяемые при построении систем передачи информации, подходят далеко не всегда. Именно криптография дает средства для обнаружения обмана в виде подлога или отказа от ранее совершенных действий, а также других неправомерных действий.

Поэтому, современная криптография является областью знаний, связанной с решением таких проблем безопасности информации, как конфиденциальность, целостность, аутентификация и невозможность отказа сторон от авторства. Достижение этих требований и составляет основные цели криптографии.

Обеспечение конфиденциальности-решение проблемы защиты информации от ознакомления с ее содержанием со стороны лиц, не имеющих права доступа к ней.

Обеспечение целостности-гарантирование невозможности несанкционированного изменения информации. Для гарантии целостности необходим простой и надежный критерий обнаружения любых манипуляций с данными. Манипуляции с данными включают вставку, удаление и замену.

Обеспечение аутентификации-разработка методов подтверждения подлинности сторон (идентификация) и самой информации в процессе информационного взаимодействия. Информация, передаваемая по каналу связи, должна быть аутентифицирована по источнику, времени создания, содержанию данных, времени пересылки и т. д.

Обеспечение невозможности отказа от авторства или приписывания авторства-предотвращение возможности отказа субъектов от некоторых из совершенных ими действий. Рассмотрим средства для достижения этих целей более подробно.

2.2 Конфиденциальность

Традиционной задачей криптографии является проблема обеспечения конфиденциальности информации при передаче сообщений по контролируемому противником каналу связи. В простейшем случае эта задача описывается взаимодействием трех субъектов (сторон). Владелец информации, называемый обычно отправителем, осуществляет преобразование исходной (открытой) информации (сам процесс преобразования называется шифрованием) в форму передаваемых получателю по открытому каналу связи шифрованных сообщений с целью ее защиты от противника.

Рис. 1. Передача шифрованной информации

Отправитель Противник Получатель

Под противником понимается любой субъект, не имеющий права ознакомления с содержанием передаваемой информации. В качестве противника может выступать криптоаналитик, владеющий методами раскрытия шифров. Законный получатель информации осуществляет расшифрование полученных сообщений. Противник пытается овладеть защищаемой информацией (его действия обычно называют атаками). При этом он может совершать как пассивные, так и активные действия. Пассивные атаки связаны с прослушиванием, анализом трафика, перехватом, записью передаваемых шифрованных сообщений, дешифрованием, т. е. попытками «взломать» защиту с целью овладения информацией.

При проведении активных атак противник может прерывать процесс передачи сообщений, создавать поддельные (сфабрикованные) или модифицировать передаваемые шифрованные сообщения. Эти активные действия называют имитации и подмены соответственно.

Под шифром обычно понимается семейство обратимых преобразований, каждое из которых определяется некоторым параметром, называемым ключом, а также порядком применения данного преобразования, называемым режимом преобразования. Формальное определение шифра будет дано ниже.

Ключ— это важнейший компонент шифра, отвечающий за выбор преобразования, применяемого для зашифрования конкретного сообщения. Обычно ключ представляет собой некоторую буквенную или числовую последовательность. Эта последовательность как бы «настраивает» алгоритм шифрования.

Каждое преобразование однозначно определяется ключом и описывается некоторым криптографическим алгоритмом. Один и тот же криптографический алгоритм может применяться для шифрования в различных режимах. Тем самым реализуются различные способы шифрования (простая замена, гаммирование т.п.). Каждый режим шифрования имеет как свои преимущества, так и недостатки. Поэтому выбор режима зависит от конкретной ситуации. При расшифровании используется криптографический алгоритм, который в общем случае может отличаться от алгоритма, применяемого для зашифрования сообщения. Соответственно могут различать ключи зашифрования и расшифрования. Пару алгоритмов зашифрования и расшифрования обычно называют шифрсистемой, а реализующие их устройства — шифртехникой.

2.3. Целостность

Наряду с конфиденциальностью не менее важной задачей является обеспечение целостности информации, другими словами, — неизменности ее в процессе передачи или хранении. Решение этой задачи предполагает разработку средств, позволяющих обнаруживать не столько случайные искажения (для этой цели вполне подходят методы теории кодирования с обнаружением и исправлением ошибок), сколько целенаправленное навязывание противником ложной информации. Для этого в передаваемую информацию вносится избыточность. Как правило, это достигается добавлением к сообщению некоторой проверочной комбинации, вычисляемой с помощью специального алгоритма и играющей роль контрольной суммы для проверки целостности полученного сообщения. Главное отличие такого метода от методов теории кодирования состоит в том, что алгоритм выработки проверочной комбинации является «криптографическим», то есть зависящим от секретного ключа. Без знания секретного ключа вероятность успешного навязывания противником искаженной или ложной информации мала. Такая вероятность служит мерой имитостойкости шифра, то есть способности самого шифра противостоять активным атакам со стороны противника.

2.4. Аутентификация

Аутентификация — установление подлинности. В общем случае этот термин может относиться ко всем аспектам информационного взаимодействия: сеансу связи, сторонам, передаваемым сообщениям и т. д.

Установление подлинности (то есть проверка и подтверждение) всех аспектов информационного взаимодействия является важной составной частью проблемы обеспечения достоверности получаемой информации. Особенно остро эта проблема стоит в случае не доверяющих друг другу сторон, когда источником угроз может служить не только третья сторона (противник), но и сторона, с которой осуществляется взаимодействие.

Рассмотрим эти вопросы.

Применительно к сеансу связи (транзакции) аутентификация означает проверку: целостности соединения, невозможности повторной передачи данных противником и своевременности передачи данных. Для этого, как правило, используют дополнительные параметры, позволяющие «сцепить» передаваемые данные в легко проверяемую последовательность. Это достигается, например, путем вставки в сообщения некоторых специальных чисел или меток времени. Они позволяют предотвратить попытки повторной передачи, изменения порядка следования или обратной отсылки части переданных сообщений. При этом такие вставки в передаваемом сообщении необходимо защищать (например, с помощью шифрования) от возможных подделок и искажений.

Применительно к сторонам взаимодействия аутентификация означает проверку одной из сторон того, что взаимодействующая сторона — именно та, за которую она себя выдает. Часто аутентификацию сторон называют также идентификацией.

Основным средством для проведения идентификации являются протоколы идентификации, позволяющие осуществлять идентификацию (и аутентификацию) каждой из участвующих во взаимодействии и не доверяющих друг другу сторон. Различают протоколы односторонней и взаимной идентификации.

Протокол — это распределенный алгоритм, определяющий последовательность действий каждой из сторон. В процессе выполнения протокола идентификации каждая из сторон не передает никакой информации о своем секретном ключе, а хранит его у себя и использует для формирования ответных сообщений на запросы, поступающие при выполнении протокола.

Наконец, применительно к самой информации аутентификация означает проверку того, что информация, передаваемая по каналу, является подлинной по содержанию, источнику, времени создания, времени пересылки и т. д.

Проверка подлинности содержания информации сводится, по сути, к проверке ее неизменности (с момента создания) в процессе передачи или хранения, то есть проверке целостности.

Аутентификация источника данных означает подтверждение того, что исходный документ был создан именно заявленным источником.

Заметим, что если стороны доверяют друг другу и обладают общим секретным ключом, то аутентификацию сторон можно обеспечить применением кода аутентификации. Действительно, каждое успешно декорированное получателем сообщение может быть создано только отправителем, так как только он знает их общий секретный ключ. Для не доверяющих друг другу сторон решение подобных задач с использованием общего секретного ключа становится невозможным. Поэтому при аутентификации источника данных нужен механизм цифровой подписи, который будет рассмотрен ниже.

В целом, аутентификация источника данных выполняет ту же роль, что и протокол идентификации. Отличие заключается только в том, что в первом случае имеется некоторая передаваемая информация, авторство которой требуется установить, а во втором требуется просто установить сторону, с которой осуществляется взаимодействие.

2.5. Цифровая подпись

В некоторых ситуациях, например в силу изменившихся обстоятельств, отдельные лица могут отказаться от ранее принятых обстоятельств. В связи с этим необходим некоторый механизм, препятствующий подобным попыткам.

Так как в данной ситуации предполагается, что стороны не доверяют друг другу, то использование общего секретного ключа для решения поставленной проблемы становится невозможным. Отправитель может отказаться от факта передачи сообщения, утверждая, что его создал сам получатель (отказ от авторства). Получатель легко может модифицировать, подменить или создать новое сообщение, а затем утверждать, что оно получено от отправителя (приписывание авторства). Ясно, что в такой ситуации арбитр при решении спора не будет иметь возможность установить истину.

Основным механизмом решения этой проблемы является так называемая цифровая подпись.

Схема цифровой подписи включает два алгоритма, один — для вычисления, а второй — для проверки подписи. Вычисление подписи может быть выполнено только автором подписи. Алгоритм проверки должен быть общедоступным, чтобы проверить правильность подписи мог каждый.

Для создания схемы цифровой подписи можно использовать симметричные шифрсистемы. В этом случае подписью может служить само зашифрованное на секретном ключе сообщение. Однако основной недостаток таких подписей состоит в том, что они являются одноразовыми: после каждой проверки секретный ключ становится известным. Единственный выход из этой ситуации в рамках использования симметричных шифрсистем — это введение доверенной третьей стороны, выполняющей функции посредника, которому доверяют обе стороны. В этом случае вся информация пересылается через посредника, он осуществляет перешифрование сообщений с ключа одного из абонентов на ключ другого. Естественно, эта схема является крайне неудобной.

Два подхода к построению системы цифровой подписи при использовании шифрсистем с открытым ключом:

1. В преобразовании сообщения в форму, по которой можно восстановить само сообщение и тем самым проверить правильность «подписи». В данном случае подписанное сообщение имеет ту же длину, что и исходное сообщение. Для создания такого «подписанного сообщения» можно, например, произвести зашифрование исходного сообщения на секретном ключе автора подписи. Тогда каждый может проверить правильность подписи путем расшифрования подписанного сообщения на открытом ключе автора подписи;

2. Подпись вычисляется и передается вместе с исходным сообщением. Вычисление подписи заключается в преобразовании исходного сообщения в некоторую цифровую комбинацию (которая и является подписью). Алгоритм вычисления подписи должен зависеть от секретного ключа пользователя. Это необходимо для того, чтобы воспользоваться подписью мог бы только владелец ключа. В свою очередь, алгоритм проверки правильности подписи должен быть доступен каждому. Поэтому этот алгоритм зависит от открытого ключа пользователя. В данном случае длина подписи не зависит от длины подписываемого сообщения.

С проблемой цифровой подписи возникла проблема построения бесключевых криптографических хэш-функций. Дело в том, что при вычислении цифровой подписи оказывается более удобным осуществить сначала хэш-функции, то есть свертку текста в некоторую комбинацию фиксированной длины, а затем уже подписывать полученную комбинацию с помощью секретного ключа. При этом функция хэширования, хотя и не зависит от ключа и является открытой, должна быть «криптографической». Имеется в виду свойство односторонности этой функции: по значению комбинациисвертки никто не должен иметь возможность подобрать соответствующее сообщение.

В настоящее время имеются стандарты на криптографические хэш-функции, утверждаемые независимо от стандартов на криптографические алгоритмы и схемы цифровой подписи.

3. Криптографические средства защиты.

Криптографическими средствами защиты называются специальные средства и методы преобразования информации, в результате которых маскируется ее содержание. Основными видами криптографического закрытия являются шифрование и кодирование защищаемых данных. При этом шифрование есть такой вид закрытия, при котором самостоятельному преобразованию подвергается каждый символ закрываемых данных; при кодировании защищаемые данные делятся на блоки, имеющие смысловое значение, и каждый такой блок заменяется цифровым, буквенным или комбинированным кодом. При этом используется несколько различных систем шифрования: заменой, перестановкой, гаммированием, аналитическим преобразованием шифруемых данных. Широкое распространение получили комбинированные шифры, когда исходный текст последовательно преобразуется с использованием двух или даже трех различных шифров.

3.1 Криптосистемы

Криптосистема работает по определенной методологии (процедуре). Она состоит из :

ь одного или более алгоритмов шифрования (математических формул);

ь ключей, используемых этими алгоритмами шифрования;

ь системы управления ключами;

ь незашифрованного текста;

ь и зашифрованного текста (шифртекста).

Ключ Ключ Текст алгоритм шифртекст алгоритм Текст

шифрования расшифровки

Методология

Согласно методологии сначала к тексту применяются алгоритм шифрования и ключ для получения из него шифртекста. Затем шифртекст передается к месту назначения, где тот же самый алгоритм используется для его расшифровки, чтобы получить снова текст. Также в методологию входят процедуры создания ключей и их распространения (не показанные на рисунке).

3.2 Принципы работы Криптосистемы.

Типичный пример изображения ситуации, в которой возникает задача криптографии (шифрования) изображён на рис. 1:

А В

П

Рис.2

На рис. 2. А и В — законные пользователи защищённой информации, они хотят обмениваться информацией по общедоступному каналу связи. П — незаконный пользователь (противник, хакер), который хочет перехватывать передаваемые по каналу связи сообщения и попытаться извлечь из них интересную для него информацию. Эту простую схему можно считать моделью типичной ситуации, в которой применяются криптографические методы защиты информации или просто шифрование. Исторически в криптографии закрепились некоторые военные слова (противник, атака на шифр и др.). Они наиболее точно отражают смысл соответствующих криптографических понятий. Вместе с тем широко известная военная терминология, основанная на понятии кода (военно-морские коды, коды Генерального штаба, кодовые книги, кодобозначения и т. п.), уже не применяется в теоретической криптографии. Дело в том, что за последние десятилетия сформировалась теория кодирования — большое научное направление, которое разрабатывает и изучает методы защиты информации от случайных искажений в каналах связи.

Криптография занимается методами преобразования информации, которые бы не позволили противнику извлечь ее из перехватываемых сообщений. При этом по каналу связи передается уже не сама защищаемая информация, а результат ее преобразования с помощью шифра, и для противника возникает сложная задача вскрытия шифра. Вскрытие (взламывание) шифра — процесс получения защищаемой информации из шифрованного сообщения без знания примененного шифра.

Противник может пытаться не получить, а уничтожить или модифицировать защищаемую информацию в процессе ее передачи. Это — совсем другой тип угроз для информация, отличный от перехвата и вскрытия шифра. Для защиты от таких угроз разрабатываются свои специфические методы.

Следовательно, на пути от одного законного пользователя к другому информация должна защищаться различными способами, противостоящими различным угрозам. Возникает ситуация цепи из разнотипных звеньев, которая защищает информацию. Естественно, противник будет стремиться найти самое слабое звено, чтобы с наименьшими затратами добраться до информации. А значит, и законные пользователи должны учитывать это обстоятельство в своей стратегии защиты: бессмысленно делать какое-то звено очень прочным, если есть заведомо более слабые звенья («принцип равнопрочности защиты»).

Придумывание хорошего шифра дело трудоемкое. Поэтому желательно увеличить время жизни хорошего шифра и использовать его для шифрования как можно большего количества сообщений. Но при этом возникает опасность, что противник уже разгадал (вскрыл) шифр и читает защищаемую информацию. Если же в шифре сеть сменный ключ то, заменив ключ, можно сделать так, что разработанные противником методы уже не дают эффекта.

3.2.1 Методология с использованием ключа

В этой методологии алгоритм шифрования объединяет ключ с текстом для создания шифртекста. Безопасность систем шифрования такого типа зависит от конфиденциальности ключа, используемого в алгоритме шифрования, а не от хранения в тайне самого алгоритма. Многие алгоритмы шифрования общедоступны и были хорошо проверены благодаря этому (например, DES). Но основная проблема, связанная с этой методологией, состоит в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия до передачи ключей?

Другой проблемой является аутентификация. При этом существуют две серьезных проблемы:

· Сообщение шифруется кем-то, кто владеет ключом в данный момент. Это может быть владелец ключа;

· Но если система скомпрометирована, это может быть другой человек.

· Когда участники взаимодействия получают ключи, откуда они могут узнать, что эти ключи на самом деле были

· созданы и посланы уполномоченным на это лицом?

Существуют две методологии с использованием ключей — симметричная (с секретным ключом) и асимметричная (с открытым ключом). Каждая методология использует свои собственные процедуры, свои способы распределения ключей, типы ключей и алгоритмы шифрования и расшифровки ключей. Так как терминология, используемая этими методологиями, может показаться непонятной, дадим определения основным терминам:

3.2.1.1 Симметричная (секретная) методология

В этой методологии и для шифрования, и для расшифровки отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия. Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровке автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель — единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей. Проблемой, которая будет актуальна и для других криптосистем, является вопрос о том, как безопасно распространять симметричные (секретные) ключи. Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Порядок использования систем с симметричными ключами:

1. Безопасно создается, распространяется и сохраняется симметричный секретный ключ.

2. Отправитель создает электронную подпись с помощью расчета хэш-функции для текста и присоединения полученной строки к тексту.

3. Отправитель использует быстрый симметричный алгоритм шифрования-расшифровки вместе с секретным симметричным ключом к полученному пакету (тексту вместе с присоединенной электронной подписью) для получения зашифрованного текста. Неявно, таким образом, производится аутентификация, так как только отправитель знает симметричный секретный ключ и может зашифровать этот пакет.

4. Только получатель знает симметричный секретный ключ и может расшифровать этот пакет.

5. Отправитель передает зашифрованный текст. Симметричный секретный ключ никогда не передается по незащищенным каналам связи.

6. Получатель использует тот же самый симметричный алгоритм шифрования-расшифровки вместе с тем же самым симметричным ключом (который уже есть у получателя) к зашифрованному тексту для восстановления исходного текста и электронной подписи. Его успешное восстановление аутентифицирует кого-то, кто знает секретный ключ.

7. Получатель отделяет электронную подпись от текста.

8. Получатель создает другую электронную подпись с помощью расчета хэш-функции для полученного текста.

9. Получатель сравнивает две этих электронных подписи для проверки целостности сообщения (отсутствия его искажения).

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология, являются:

· Kerberos, который был разработан для аутентификации доступа к ресурсам в сети, а не для верификации данных. Он использует центральную базу данных, в которой хранятся копии секретных ключей всех пользователей.

· Сети банкоматов (ATM Banking Networks). Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются. В них также используются симметричные методологии.

3.2.1.2 Асимметричная (открытая) методология

В этой методологии ключи для шифрования и расшифровки разные, хотя и создаются вместе. Один ключ делается известным всем, а другой держится в тайне. Хотя можно шифровать и расшифровывать обоими ключами, данные, зашифрованные одним ключом, могут быть расшифрованы только другим ключом. Все асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования, хотя алгоритмы шифрования на эллиптических кривых могут смягчить эту проблему.

Брюс Шнейер в книге «Прикладная криптография: протоколы, алгоритмы и исходный текст на C» приводит следующие данные об эквивалентных длинах ключей.

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения и только он шифруется асимметричными алгоритмами. Само сообщение шифруется с использованием этого временного сеансового ключа и алгоритма шифрования/расшифровки, описанного в пункте 2.2.1.1. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю. Получатель использует тот же самый асимметричный алгоритм шифрования и свой секретный ключ для расшифровки сеансового ключа, а полученный сеансовый ключ используется для расшифровки самого сообщения. В асимметричных криптосистемах важно, чтобы сеансовые и асимметричные ключи были сопоставимы в отношении уровня безопасности, который они обеспечивают. Если используется короткий сеансовый ключ (например, 40-битовый DES), то не имеет значения, насколько велики асимметричные ключи. Хакеры будут атаковать не их, а сеансовые ключи. Асимметричные открытые ключи уязвимы к атакам прямым перебором отчасти из-за того, что их тяжело заменить. Если атакующий узнает секретный асимметричный ключ, то будет скомпрометирован не только текущее, но и все последующие взаимодействия между отправителем и получателем.

Порядок использования систем с асимметричными ключами:

1. Безопасно создаются и распространяются асимметричные открытые и секретные ключи (см. раздел 2.2 ниже). Секретный асимметричный ключ передается его владельцу. Открытый асимметричный ключ хранится в базе данных X.500 и администрируется центром выдачи сертификатов (по-английски — Certification Authority или CA). Подразумевается, что пользователи должны верить, что в такой системе производится безопасное создание, распределение и администрирование ключами. Более того, если создатель ключей и лицо или система, администрирующие их, не одно и то же, то конечный пользователь должен верить, что создатель ключей на самом деле уничтожил их копию.

2. Создается электронная подпись текста с помощью вычисления его хэш-функции. Полученное значение шифруется с использованием асимметричного секретного ключа отправителя, а затем полученная строка символов добавляется к передаваемому тексту (только отправитель может создать электронную подпись).

3. Создается секретный симметричный ключ, который будет использоваться для шифрования только этого сообщения или сеанса взаимодействия (сеансовый ключ), затем при помощи симметричного алгоритма шифрования/расшифровки и этого ключа шифруется исходный текст вместе с добавленной к нему электронной подписью — получается зашифрованный текст (шифр-текст).

4. Теперь нужно решить проблему с передачей сеансового ключа получателю сообщения.

5. Отправитель должен иметь асимметричный открытый ключ центра выдачи сертификатов (CA). Перехват незашифрованных запросов на получение этого открытого ключа является распространенной формой атаки. Может существовать целая система сертификатов, подтверждающих подлинность открытого ключа CA. Стандарт X.509 описывает ряд методов для получения пользователями открытых ключей CA, но ни один из них не может полностью защитить от подмены открытого ключа CA, что наглядно доказывает, что нет такой системы, в которой можно было бы гарантировать подлинность открытого ключа CA.

6. Отправитель запрашивает у CA асимметричный открытый ключ получателя сообщения. Этот процесс уязвим к атаке, в ходе которой атакующий вмешивается во взаимодействие между отправителем и получателем и может модифицировать трафик, передаваемый между ними. Поэтому открытый асимметричный ключ получателя «подписывается» CA. Это означает, что CA использовал свой асимметричный секретный ключ для шифрования асимметричного открытого ключа получателя. Только CA знает асимметричный секретный ключ CA, поэтому есть гарантии того, что открытый асимметричный ключ получателя получен именно от CA.

7. После получения асимметричный открытый ключ получателя расшифровывается с помощью асимметричного открытого ключа CA и алгоритма асимметричного шифрования/расшифровки. Естественно, предполагается, что CA не был скомпрометирован. Если же он оказывается скомпрометированным, то это выводит из строя всю сеть его пользователей. Поэтому можно и самому зашифровать открытые ключи других пользователей, но где уверенность в том, что они не скомпрометированы?

8. Теперь шифруется сеансовый ключ с использованием асимметричного алгоритма шифрования-расшифровки и асимметричного ключа получателя (полученного от CA и расшифрованного).

9. Зашифрованный сеансовый ключ присоединяется к зашифрованному тексту (который включает в себя также добавленную ранее электронную подпись).

10. Весь полученный пакет данных (зашифрованный текст, в который входит помимо исходного текста его электронная подпись, и зашифрованный сеансовый ключ) передается получателю. Так как зашифрованный сеансовый ключ передается по незащищенной сети, он является очевидным объектом различных атак.

11. Получатель выделяет зашифрованный сеансовый ключ из полученного пакета.

12. Теперь получателю нужно решить проблему с расшифровкой сеансового ключа.

13. Получатель должен иметь асимметричный открытый ключ центра выдачи сертификатов (CA).

14. Используя свой секретный асимметричный ключ и тот же самый асимметричный алгоритм шифрования получатель расшифровывает сеансовый ключ.

15. Получатель применяет тот же самый симметричный алгоритм шифрования-расшифровки и расшифрованный симметричный (сеансовый) ключ к зашифрованному тексту и получает исходный текст вместе с электронной подписью.

16. Получатель отделяет электронную подпись от исходного текста.

17. Получатель запрашивает у CA асимметричный открытый ключ отправителя.

18. Как только этот ключ получен, получатель расшифровывает его с помощью открытого ключа CA и соответствующего асимметричного алгоритма шифрования-расшифровки.

19. Затем расшифровывается хэш-функция текста с использованием открытого ключа отправителя и асимметричного алгоритма шифрования-расшифровки.

20. Повторно вычисляется хэш-функция полученного исходного текста.

21. Две эти хэш-функции сравниваются для проверки того, что текст не был изменен.

3.3 Распространение ключей

Ясно, что в обеих криптосистемах нужно решать проблему распространения ключей.

В симметричных методологиях эта проблема стоит более остро, и поэтому в них ясно определяется, как передавать ключи между участниками взаимодействия до начала взаимодействия. Конкретный способ выполнения этого зависит от требуемого уровня безопасности. Если не требуется высокий уровень безопасности, то ключи можно рассылать с помощью некоторого механизма доставки (например, с помощью простой почты или курьерской службы). Банки, например, используют почту для рассылки PIN-кодов. Для обеспечения более высокого уровня безопасности более уместна ручная доставка ключей ответственными за это людьми, возможно по частям несколькими людьми.

Асимметричные методологии пытаются обойти эту проблему с помощью шифрования симметричного ключа и присоединения его в таком виде к зашифрованным данным. А для распространения открытых асимметричных ключей, используемых для шифрования симметричного ключа, в них используются центры сертификации ключей. CA, в свою очередь, подписывают эти открытые ключи с помощью секретного асимметричного ключа CA. Пользователи такой системы должны иметь копию открытого ключа CA. Теоретически это означает, что участникам взаимодействия не нужно знать ключей друг друга до организации безопасного взаимодействия.

Сторонники асимметричных систем считают, что такого механизма достаточно для обеспечения аутентичности абонентов взаимодействия. Но проблема все равно остается. Пара асимметричных ключей должна создаваться совместно. Оба ключа, независимо от того, доступны они всем или нет, должны быть безопасно посланы владельцу ключа, а также центру сертификации ключей. Единственный способ сделать это — использовать какой-либо способ доставки при невысоких требованиях к уровню безопасности, и доставлять их вручную — при высоких требованиях к безопасности.

Проблема с распространением ключей в асимметричных системах состоит в следующем:

· X.509 подразумевает, что ключи безопасно раздаются, и не описывает способ решения этой проблемы — а только указывает на существование этой проблемы. Не существует стандартов для решения этого. Для безопасности ключи должны доставляться вручную (независимо от того, симметричные они или асимметричные).

· Нет надежного способа проверить, между какими компьютерами осуществляется взаимодействие. Есть вид атаки, при котором атакующий маскируется под CA и получает данные, передаваемые в ходе взаимодействия. Для этого атакующему достаточно перехватить запрос к центру сертификации ключей и подменить его ключи своими. Эта атака может успешно продолжаться в течение длительного времени.

· Электронная подпись ключей центром сертификации ключей не всегда гарантирует их аутентичность, так как ключ самого CA может оказаться скомпрометированным. X.509 описывает способ электронной подписи ключей CA центрами сертификации ключей более высокого уровня и называет его «путь сертификации». X.509 рассматривает проблемы, связанные с проверкой корректности открытого ключа, предполагая, что эта проблема может быть решена только при отсутствии разрыва в цепочке доверенных мест в распределенном справочнике открытых ключей пользователей. Нет способа обойти это.

· X.509 предполагает, что пользователь уже имеет доступ к открытому ключу CA. Как это осуществляется, в нем не определяется.

· Компрометация центра сертификации ключей весьма реальная угроза. Компрометация CA означает. Что все пользователи этой системы будут скомпрометированы. И никто не будет знать об этом. X.509 предполагает, что все ключи, включая ключи самого CA, хранятся в безопасном месте. Внедрение системы справочников X.509 (где хранятся ключи) довольно сложно, и уязвимо к ошибкам в конфигурации. В настоящее время слишком мало людей обладают техническими знаниями, необходимыми для правильного администрирования таких систем. Более того, понятно, что на людей, занимающих такие важные должности, может быть оказано давление.

· CA могут оказаться узким местом. Для обеспечения устойчивости к сбоям X.509 предлагает, чтобы база данных CA была реплицирована с помощью стандартных средств X.500; это значительно увеличит стоимость криптосистемы. А при маскараде под CA будет трудно определить, какая система была атакована. Более того, все данные из базы данных CA должны посылаться по каналам связи каким-то образом.

· Система справочников X.500 сложна в установке, конфигурировании и администрировании. Доступ к этому справочнику должен предоставляться либо с помощью дополнительной службы подписки, либо организации придется самой ее организовывать. Сертификат X.509 предполагает, что каждый человек имеет уникальное имя. Выделение имен людям — задача еще одной доверенной службы — службы именования.

· Сеансовые ключи, несмотря на то, что шифруются, все-таки передаются по незащищенным каналам связи.

Несмотря на все эти серьезные недостатки, пользователь должен неявно доверять асимметричной криптосистеме.

Управлением ключами называется их распределение, аутентификация и регламентация порядка использования. Независимо от вида используемой криптосистемы ключами надо управлять. Безопасные методы управления ключами очень важны, так как многие атаки на криптосистемы имеют объектом атаки процедуры управления ключами.