Алгоритмы криптографической защиты информации

• Введение
• 1. Информационная безопасность и модели защиты информации
• 1.1 Категории информационной безопасности
• 1.2 Абстрактные модели защиты информации
• 1.3 Обзор наиболее распространенных методов «взлома»
• 2. Криптографические методы защиты информации
• 2.1 Классификация криптоалгоритмов
• 2.2 Симметричные криптоалгоритмы
• 2.3 Блочный шифр DES
• 2.4 Разработка программы для алгоритма DES
• 3.Криптосистема
• 3.1 Функции криптосистем
• 3.2 Алгоритмы создания цепочек
• 3.3 Обзор методик рандомизации сообщений
• 3.4 Общие сведения об асимметричных криптоалгоритмах
• 3.5 Алгоритм RSA
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложение
• Введение
• В современном компьютерном сообществе атаки на информацию стали обыденной практикой. Злоумышленники используют как ошибки в написании и администрировании программ, так и методы социальной психологии для получения желаемой информации. Криптография — наука о способах двунаправленного преобразования информации с целью конфиденциальной передачи ее по незащищенному каналу между двумя станциями, разделенными в пространстве и/или времени. Криптография, используя достижения в первую очередь математики, позволяет модифицировать данные таким образом, что никакие самые современные ЭВМ за разумный период времени не могут восстановить исходный текст, известный только отправителю и получателю.
• Последнее время сообщения об атаках на информацию, о хакерах и компьютерных взломах наполнили все средства массовой информации. Дать определение этому действию на самом деле очень сложно, поскольку информация, особенно в электронном виде, представлена сотнями различных видов. Информацией можно считать и отдельный файл, и базу данных, и одну запись в ней, и целиком программный комплекс. И все эти объекты могут подвергнуться и подвергаются атакам со стороны некоторой социальной группы лиц.
• При хранении, поддержании и предоставлении доступа к любому информационному объекту его владелец, либо уполномоченное им лицо, накладывает явно либо самоочевидно набор правил по работе с ней. Умышленное их нарушение классифицируется как атака на информацию.
• С массовым внедрением компьютеров во все сферы деятельности человека объем информации, хранимой в электронном виде вырос в тысячи раз. И теперь скопировать за полминуты и унести дискету с файлом, содержащим план выпуска продукции, намного проще, чем копировать или переписывать кипу бумаг. А с появлением компьютерных сетей даже отсутствие физического доступа к компьютеру перестало быть гарантией сохранности информации.
• Каковы возможные последствия атак на информацию? В первую очередь, конечно, многих будут интересовать экономические потери:
• · Раскрытие коммерческой информации может привести к серьезным прямым убыткам на рынке;
• · Известие о краже большого объема информации обычно серьезно влияет на репутацию фирмы, приводя косвенно к потерям в объемах торговых операций;
• · Фирмы-конкуренты могут воспользоваться кражей информации, если та осталась незамеченной, для того чтобы полностью разорить фирму, навязывая ей фиктивные либо заведомо убыточные сделки;
• · Подмена информации как на этапе передачи, так и на этапе хранения в фирме может привести к огромным убыткам;
• · Многократные успешные атаки на фирму, предоставляющую какой-либо вид информационных услуг, снижают доверие к фирме у клиентов, что сказывается на объеме доходов;
• · Естественно, компьютерные атаки могут принести и огромный моральный ущерб.
• Криптография — наука о защите информации от прочтения ее посторонними. Защита достигается шифрованием, т. е. преобразованием, которые делают защищенные входные данные труднораскрываемыми по входным данным без знания специальной ключевой информации — ключа. Под ключом понимается легко изменяемая часть криптосистемы, хранящаяся в тайне и определяющая, какое шифрующие преобразование из возможных выполняется в данном случае. Криптосистема — семейство выбираемых с помощью ключа обратимых преобразований, которые преобразуют защищаемый открытый текст в шифрограмму 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 данной работы: исследование методов и алгоритмов криптографической защиты информации.
• Для достижения данной цели в работе рассмотрены:
• 1. основы криптографии, в которую включены классификация криптографии, основные задачи криптографии и др. вопросы;
• 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. Информационная безопасность и модели защиты информации

1.1 Категории информационной безопасности

Информация с точки зрения информационной безопасности обладает следующими категориями:

конфиденциальность — гарантия того, что конкретная информация доступна только тому кругу лиц, для кого она предназначена; нарушение этой категории называется хищением либо раскрытием информации

целостность — гарантия того, что информация сейчас существует в ее исходном виде, то есть при ее хранении или передаче не было произведено несанкционированных изменений; нарушение этой категории называется фальсификацией сообщения

аутентичность — гарантия того, что источником информации является именно то лицо, которое заявлено как ее автор; нарушение этой категории также называется фальсификацией, но уже автора сообщения

апеллируемость — довольно сложная категория, но часто применяемая в электронной коммерции — гарантия того, что при необходимости можно будет доказать, что автором сообщения является именно заявленный человек, и не может являться никто другой; отличие этой категории от предыдущей в том, что при подмене автора, кто-то другой пытается заявить, что он автор сообщения, а при нарушении апеллируемости — сам автор пытается «откреститься» от своих слов, подписанных им однажды.

В отношении информационных систем применяются иные категории:

надежность — гарантия того, что система ведет себя в нормальном и внештатном режимах так, как запланировано

точность — гарантия точного и полного выполнения всех команд

контроль доступа — гарантия того, что различные группы лиц имеют различный доступ к информационным объектам, и эти ограничения доступа постоянно выполняются

контролируемость — гарантия того, что в любой момент может быть произведена полноценная проверка любого компонента программного комплекса;

контроль идентификации — гарантия того, что клиент, подключенный в данный момент к системе, является именно тем, за кого себя выдает

устойчивость к умышленным сбоям — гарантия того, что при умышленном внесении ошибок в пределах заранее оговоренных норм система будет вести себя так, как оговорено заранее.

1.2 Абстрактные модели защиты информации

Одной из первых моделей была опубликованная в 1977 модель Биба (Biba). Согласно ей все субъекты и объекты предварительно разделяются по нескольким уровням доступа, а затем на их взаимодействия накладываются следующие ограничения: 1) субъект не может вызывать на исполнение субъекты с более низким уровнем доступа; 2) субъект не может модифицировать объекты с более высоким уровнем доступа. Как видим, эта модель очень напоминает ограничения, введенные в защищенном режиме микропроцессоров Intel 80 386+ относительно уровней привилегий.

Модель Гогена-Мезигера (Goguen-Meseguer), представленная ими в 1982 году, основана на теории автоматов. Согласно ей система может при каждом действии переходить из одного разрешенного состояния только в несколько других. Субъекты и объекты в данной модели защиты разбиваются на группы — домены, и переход системы из одного состояния в другое выполняется только в соответствии с так называемой таблицей разрешений, в которой указано какие операции может выполнять субъект, скажем, из домена C над объектом из домена D. В данной модели при переходе системы из одного разрешенного состояния в другое используются транзакции, что обеспечивает общую целостность системы.

Сазерлендская (от англ. Sutherland) модель защиты, опубликованная в 1986 году, делает акцент на взаимодействии субъектов и потоков информации. Так же как и в предыдущей модели, здесь используется машина состояний со множеством разрешенных комбинаций состояний и некоторым набором начальных позиций. В данной модели исследуется поведение множественных композиций функций перехода из одного состояния в другое.

Важную роль в теории защиты информации играет модель защиты Кларка-Вильсона (Clark-Wilson), опубликованная в 1987 году и модифицированная в 1989. Основана данная модель на повсеместном использовании транзакций и тщательном оформлении прав доступа субъектов к объектам. Но в данной модели впервые исследована защищенность третьей стороны в данной проблеме — стороны, поддерживающей всю систему безопасности. Эту роль в информационных системах обычно играет программа-супервизор. Кроме того, в модели Кларка-Вильсона транзакции впервые были построены по методу верификации, то есть идентификация субъекта производилась не только перед выполнением команды от него, но и повторно после выполнения. Это позволило снять проблему подмены автора в момент между его идентификацией и собственно командой. Модель Кларка-Вильсона считается одной из самых совершенных в отношении поддержания целостности информационных систем.

1.3 Обзор наиболее распространенных методов «взлома»

Злоумышленники исключительно тщательно изучают системы безопасности перед проникновением в нее. Очень часто они находят очевидные и очень простые методы «взлома» системы, которые создатели просто «проглядели», создавая возможно очень хорошую систему идентификации или шифрования.

Терминалы защищенной информационной системы

Терминалы — это точки входа пользователя в информационную сеть. В том случае, когда к ним имеют доступ несколько человек или вообще любой желающий, при их проектировании и эксплуатации необходимо тщательное соблюдение целого комплекса мер безопасности.

Получение пароля на основе ошибок администратора и пользователей

Дальнейшие действия взломщика, получившего доступ к терминальной точке входа, могут развиваться по двум основным направлениям: а) попытки выяснения пароля прямо или косвенно; б) попытки входа в систему совершенно без знания пароля, основываясь на ошибках в реализации программного или аппаратного обеспечения.

Социальная психология и иные способы получения ключа

Иногда злоумышленники вступают и в прямой контакт с лицами, обладающими нужной им информацией, разыгрывая довольно убедительные сцены. «Жертва» обмана, поверившая в реальность рассказанной ей по телефону или в электронном письме ситуации, сама сообщает пароль злоумышленнику.

Терминалы защищенной информационной системы

Несмотря на самоочевидность, все-таки наиболее распространенным способом входа в систему при атаках на информацию остается вход через официальный log-in запрос системы. Вычислительная техника, которая позволяет произвести вход в систему, называется в теории информационной безопасности терминалом. Терминология восходит ко временам суперЭВМ и тонких «терминальных» клиентов. Если система состоит всего из одного персонального компьютера, то он одновременно считается и терминалом и сервером. Доступ к терминалу может быть физическим, в том случае, когда терминал — это ЭВМ с клавиатурой и дисплеем, либо удаленным — чаще всего по телефонной линии (в этом случае терминалом является модем, подключенный либо непосредственно к системе, либо к ее физическому терминалу).

При использовании терминалов с физическим доступом необходимо соблюдать следующие требования:

Защищенность терминала должна соответствовать защищенности помещения: терминалы без пароля могут присутствовать только в тех помещениях, куда имеют доступ лица соответствующего или более высокого уровня доступа. Отсутствие имени регистрации возможно только в том случае, если к терминалу имеет доступ только один человек, либо если на группу лиц, имеющих к нему доступ, распространяются общие меры ответственности. Терминалы, установленные в публичных местах должны всегда запрашивать имя регистрации и пароль.

Системы контроля за доступом в помещение с установленным терминалом должны работать полноценно и в соответствии с общей схемой доступа к информации.

В случае установки терминала в местах с широким скоплением народа клавиатура, а если необходимо, то и дисплей должны быть оборудованы устройствами, позволяющими видеть их только работающему в данный момент клиенту (непрозрачные стеклянные или пластмассовые ограждения, шторки, «утопленная» модель клавиатуры).

;При использовании удаленных терминалов необходимо соблюдать следующие правила:

Любой удаленный терминал должен запрашивать имя регистрации и пароль. Того, что якобы никто не знает шестизначного номера вашего служебного модема, отнюдь не достаточно для конфиденциальности вашей системы. Все дело в том, что при наличии программного обеспечения, которое не составит труда найти в сети Интернет, и тонового набора для одного звонка достаточно 4 секунд. Это означает, что за 1 минуту можно перебрать около 15 номеров телефонной станции с тем, чтобы узнать существует ли на этом телефонном номере модем. За час таким образом можно перебрать 1000 номеров, а за рабочий день с повтором в ночное время (это стандартная методика) — всю АТС (10.000 номеров).

Вторым требованием является своевременное отключение всех модемов, не требующихся в данный момент фирме (например, по вечерам, либо во время обеденного перерыва), либо не контролируемых в данный момент Вашими сотрудниками.

По возможности рекомендуется использовать схему возвратного звонка от модема, поскольку она гарантирует с уровнем надежности АТС то, что удаленный клиент получил доступ с определенного телефонного номера.

Из log-in запроса терминала рекомендуется убрать все непосредственные упоминания имени фирмы, ее логотипы и т. п. — это не позволит компьютерным вандалам, просто перебирающим номера с модемами, узнать log-in экран какой фирмы они обнаружили. Для проверки правильности соединения вместо имени фирмы можно использовать неординарную приветственную фразу, какой-либо афоризм либо просто фиксированную последовательность букв и цифр, которые будут запоминаться у постоянных операторов этого терминала.

Также на входе в систему рекомендуется выводить на экран предупреждение о том, что вход в систему без полномочий на это преследуется по закону. Во-первых, это послужит еще одним предостережением начинающим злоумышленникам, а во-вторых, будет надежным аргументом в пользу атакованной фирмы в судебном разбирательстве, если таковое будет производиться.

Безотносительно от физического или коммутируемого доступа к терминалу, линия, соединяющая терминал (коммутируемый, либо установленный в публичном месте) с зоной ядра информационной системы должна быть защищена от прослушивания, либо же весь обмен информацией должен вестись по конфиденциальной схеме идентификации и надежной схеме аутентификации клиента — этим занимаются криптосистемы.

Получение пароля на основе ошибок администратора и пользователей

Перебор паролей по словарю являлся некоторое время одной из самых распространенных техник подбора паролей. В настоящее время, как хоть самый малый результат пропаганды информационной безопасности, он стал сдавать свои позиции. Хотя развитие быстродействия вычислительной техники и все более сложные алгоритмы составления слов-паролей не дают «погибнуть» этому методу. Технология перебора паролей родилась в то время, когда самым сложным паролем было скажем слово «brilliant», а в русифицированных ЭВМ оно же, но для «хитрости» набранное в латинском режиме, но глядя на русские буквы (эта тактика к сожалению до сих пор чрезвычайно распространена, хотя и увеличивает информационную насыщенность пароля всего на 1 бит). В то время простенькая программа со словарем в 5000 существительных давала положительный результат в 60% случаев[4]. Огромное число инцидентов со взломами систем заставило пользователей добавлять к словам 1−2 цифры с конца, записывать первую и/или последнюю букву в верхнем регистре, но это увеличило время на перебор вариантов с учетом роста быстродействия ЭВМ всего в несколько раз.

Следующей модификацией подбора паролей является проверка паролей, устанавливаемых в системах по умолчанию. В некоторых случаях администратор программного обеспечения, проинсталлировав или получив новый продукт от разработчика, не удосуживается проверить, из чего состоит система безопасности. Как следствие, пароль, установленный в фирме разработчике по умолчанию, остается основным паролем в системе. В сети Интернет можно найти огромные списки паролей по умолчанию практически ко всем версиям программного обеспечения, если они устанавливаются на нем производителем.

Основные требования к информационной безопасности, основанные на анализе данного метода, следующие:

· Вход всех пользователей в систему должен подтверждаться вводом уникального для клиента пароля.

· Пароль должен тщательно подбираться так, чтобы его информационная емкость соответствовала времени полного перебора пароля. (Данная задача будет рассмотрена на практическом занятии). Для этого необходимо детально инструктировать клиентов о понятии «простой к подбору пароль», либо передать операцию выбора пароля в ведение инженера по безопасности.

· Пароли по умолчанию должны быть сменены до официального запуска системы и даже до сколь либо публичных испытаний программного комплекса. Особенно это относится к сетевому программному обеспечению.

· Все ошибочные попытки войти в систему должны учитываться, записываться в файл журнала событий и анализироваться через «разумный» промежуток времени.

Если в системе предусмотрена возможность блокирования клиента либо всей системы после определенного количества неудачных попыток входа, этой возможностью необходимо воспользоваться. Если же Вы являетесь разработчиком системы безопасности, данную возможность несомненно необходимо предусмотреть, так как она является основным барьером к подбору паролей полным перебором. Разумно блокировать клиента после 3-ей подряд неправильной попытки набора пароля, и, соответственно, блокировать систему после K=max (int (N*0.1*3)+1, 3) неудачных попыток входа за некоторый период (час, смену, сутки). В данной формуле N — среднее количество подключающихся за этот период к системе клиентов, 0.1 — 10%-ный предел «забывчивости пароля», 3 — те же самые три попытки на вспоминание пароля. Естественно, информация о блокировании клиента или системы должна автоматически поступать на пульт контроля за системой. В момент отправки пакета подтверждения или отвержения пароля в системе должна быть установлена разумная задержка (2−5 секунд). Это не позволит злоумышленнику, попав на линию с хорошей связью до объекта атаки перебирать по сотне тысяч паролей за секунду.

Все действительные в системе пароли желательно проверять современными программами подбора паролей, либо оценивать лично администратору системы[14,25].

Через определенные промежутки времени необходима принудительная смена пароля у клиентов. Наиболее часто используемыми интервалами смены пароля являются год, месяц и неделя (в зависимости от уровня конфиденциальности информации и частоты входа в систему).

Все неиспользуемые в течение долгого времени имена регистрации должны переводиться в закрытое (недоступное для регистрации) состояние. Это относится к сотрудникам, находящимся в отпуске, на больничном, в командировке, а также к именам регистрации, созданным для тестов, испытаний системы и т. п.

От сотрудников и всех операторов терминала необходимо требовать строгое неразглашение паролей, отсутствие каких-либо взаимосвязей пароля с широкоизвестными фактами и данными, и отсутствие бумажных записей пароля «из-за плохой памяти» .

Получение пароля на основе ошибок в реализации

Следующей по частоте использования является методика получения паролей из самой системы. Однако, здесь уже нет возможности дать какие-либо общие рекомендации, поскольку все методы атаки зависят только от программной и аппаратной реализации конкретной системы. Основными двумя возможностями выяснения пароля являются несанкционированный доступ к носителю, содержащему их, либо использование недокументированных возможностей и ошибок в реализации системы.

Первая группа методов основана на том, что любой системе приходится где-либо хранить подлинники паролей всех клиентов для того, чтобы сверять их в момент регистрации. При этом пароли могут храниться как в открытом текстовом виде, как это имеет место во многих клонах UNIX, так и представленные в виде малозначащих контрольных сумм (хеш-значений), как это реализовано в ОС Windows, Novell NetWare и многих других. Проблема в том, что в данном случае для хранения паролей на носителе не может быть использована основная методика защиты — шифрование. Действительно, если все пароли зашифрованы каким-либо ключом, то этот ключ тоже должен храниться в самой системе для того, чтобы она работала автоматически, не спрашивая каждый раз у администратора разрешение «Пускать или не пускать определенного пользователя. Поэтому, получив доступ к подобной информации, злоумышленник может либо восстановить пароль в читабельном виде (что бывает довольно редко), либо отправлять запросы, подтвержденные данным хеш-значением, не раскодируя его. Все рекомендации по предотвращению хищений паролей состоят в проверке не доступен ли файл с паролями, либо таблица в базе данных, хранящая эти пароли, кому-либо еще кроме администраторов системы, не создается ли системой резервных файлов, в местах доступных другим пользователям и т. п.. В принципе, поскольку кража паролей является самым грубым вторжением в систему, разработчики уделяют ей довольно пристальное внимание, и соблюдения всех рекомендаций по использованию системы обычно достаточно для предотвращения подобных ситуаций.

Получение доступа к паролям благодаря недокументированным возможностям систем встречается в настоящее время крайне редко. Ранее эта методика использовалась разработчиками намного чаще в основном в целях отладки, либо для экстренного восстановления работоспособности системы.

Следующей распространенной технологией получения паролей является копирование буфера клавиатуры в момент набора пароля на терминале. Этот метод используется редко, так для него необходим доступ к терминальной машине с возможностью запуска программ. Но если злоумышленник все-таки получает подобный доступ, действенность данного метода очень высока:

Работа программы-перехватчика паролей (так называемого «троянского коня») на рабочей станции незаметна.

Подобная программа сама может отправлять результаты работы на заранее заданные сервера или анонимным пользователям, что резко упрощает саму процедуру получения паролей хакером, и затрудняет поиск и доказательство его вины. У нас в Казахстане, например, широкое распространение получила подобная троянская программа, подписывающаяся к самораспаковывающимся архивам.

Двумя основными методами борьбы с копированием паролей являются:

— адекватная защита рабочих станций от запуска сторонних программ: а) отключение сменных носителей информации (гибких дисков), б) специальные драйвера, блокирующие запуск исполнимых файлов без ведома оператора, либо администратора, в) мониторы, уведомляющие о любых изменениях системных настроек и списка автоматически запускаемых программ, очень мощная, но неудобная мера — система единовременных паролей (при каждой регистрации в системе клиентам с очень высоким уровнем ответственности самой системой генерируется новый пароль)[24,28].

Сканирование современными антивирусными программами также может помочь в обнаружении «троянских» программ, но только тех из них, которые получили широкое распространение по стране. А следовательно, программы, написанные злоумышленниками специально для атаки на Вашу систему, будут пропущены антивирусными программами без каких-либо сигналов.

Следующий метод получения паролей относится только к сетевому программному обеспечению. Проблема заключается в том, что во многих программах не учитывается возможность перехвата любой информации, идущей по сети — так называемого сетевого трафика. Первоначально, с внедрением локальных компьютерных сетей так оно и было. Сеть располагалась в пределах 2−3 кабинетов, либо здания с ограниченным физическим доступом к кабелям. Однако, стремительное развитие глобальных сетей затребовало на общий рынок те же версии программного обеспечения без какого-либо промедления для усиления безопасности. Теперь мы пожинаем плоды этой тенденции. Более половины протоколов сети Интернет передают пароли в нешифрованном виде — открытым текстом. К ним относятся протоколы передачи электронной почты SMTP и POP3, протокол передачи файлов FTP, одна из схем авторизации на WWW-серверах.

Современное аппаратное и программное обеспечение позволяет получать всю информацию, проходящую по сегменту сети, к которому подключен конкретный компьютер, и анализировать ее в реальном масштабе времени. Возможны несколько вариантов прослушивания трафика: 1) это может сделать служащий компании со своего рабочего компьютера, 2) злоумышленник, подключившийся к сегменту с помощью портативной ЭВМ или более мобильного устройства. Наконец, трафик, идущий от Вас к Вашему партнеру или в другой офис по сети Интернет, технически может прослушиваться со стороны Вашего непосредственного провайдера, со стороны любой организации, предоставляющей транспортные услуги для сети Интернет (переписка внутри страны в среднем идет через 3−4 компании, за пределы страны — через 5−8). Кроме того, если в должной мере будет реализовываться план СОРМ (система оперативно-розыскных мероприятий в компьютерных сетях), то возможно прослушивание и со стороны силовых ведомств страны.

Для комплексной защиты от подобной возможности кражи паролей необходимо выполнять следующие меры:

· Физический доступ к сетевым кабелям должен соответствовать уровню доступа к информации.

· При определении топологии сети следует при любых возможностях избегать широковещательных топологий. Оптимальной единицей сегментирования является группа операторов с равными правами доступа, либо если эта группа составляет более 10 человек, то комната или отдел внутри группы. Ни в коем случае на одном кабеле не должны находиться операторы с разными уровнями доступа, если только весь передаваемый трафик не шифруется, а идентификация не производится по скрытой схеме без открытой передачи пароля.

· Ко всем информационным потокам, выходящим за пределы фирмы, должны применяться те же правила, что и только что описанные выше для объединения разноуровневых терминалов.

Строение файлов, их заголовки и расположение в любой операционной системе может быть прочитано при использовании соответствующего программного обеспечения. Данная проблема решается гораздо проще и дешевле — с помощью криптографии[16].

2. Криптографические методы защиты информации

2.1 Классификация криптоалгоритмов

В зависимости от наличия либо отсутствия ключа кодирующие алгоритмы делятся на тайнопись и криптографию. В зависимости от соответствия ключей шифрования и дешифрования — на симметричные и асимметричные. В зависимости от типа используемых преобразований — на подстановочные и перестановочные. В зависимости от размера шифруемого блока — на потоковые и блочные шифры.

В отношении криптоалгоритмов существует несколько схем классификации, каждая из которых основана на группе характерных признаков. Таким образом, один и тот же алгоритм «проходит» сразу по нескольким схемам, оказываясь в каждой из них в какой-либо из подгрупп.

Основной схемой классификации всех криптоалгоритмов является следующая:

Тайнопись. Отправитель и получатель производят над сообщением преобразования, известные только им двоим. Сторонним лицам неизвестен сам алгоритм шифрования.

Криптография с ключом. Алгоритм воздействия на передаваемые данные известен всем сторонним лицам, но он зависит от некоторого параметра — «ключа», которым обладают только отправитель и получатель.

Симметричные криптоалгоритмы. Для зашифровки и расшифровки сообщения используется один и тот же блок информации (ключ).

Асимметричные криптоалгоритмы. Алгоритм таков, что для зашифровки сообщения используется один («открытый») ключ, известный всем желающим, а для расшифровки — другой («закрытый»), существующий только у получателя.

В дальнейшем подробнее рассмотрим криптографии с ключом, так как большинство специалистов именно по отношению к этим криптоалгоритмам используют термин криптография, что вполне оправдано.

В зависимости от характера воздействий, производимых над данными, алгоритмы подразделяются на:

§ Перестановочные.

Блоки информации (байты, биты, более крупные единицы) не изменяются сами по себе, но изменяется их порядок следования, что делает информацию недоступной стороннему наблюдателю.

§ Подстановочные.

Сами блоки информации изменяются по законам криптоалгоритма. Подавляющее большинство современных алгоритмов принадлежит этой группе.

В зависимости от размера блока информации криптоалгоритмы делятся на:

§ Потоковые шифры.

Единицей кодирования является один бит. Результат кодирования не зависит от прошедшего ранее входного потока. Схема применяется в системах передачи потоков информации, то есть в тех случаях, когда передача информации начинается и заканчивается в произвольные моменты времени и может случайно прерываться. Наиболее распространенными предствателями поточных шифров являются скремблеры.

§ Блочные шифры

Единицей кодирования является блок из нескольких байтов (в настоящее время 4−32). Результат кодирования зависит от всех исходных байтов этого блока. Схема применяется при пакетной передаче информации и кодировании файлов[8,27].

2.2 Симметричные криптоалгоритмы

2.2.1 Скремблеры

Скремблерами называются программные или аппаратные реализации алгоритма, позволяющего шифровать побитно непрерывные потоки информации. Сам скремблер представляет из себя набор бит, изменяющихся на каждом шаге по определенному алгоритму. После выполнения каждого очередного шага на его выходе появляется шифрующий бит — либо 0, либо 1, который накладывается на текущий бит информационного потока операцией XOR.

В последнее время сфера применения скремблирующих алгоритмов значительно сократилась. Это объясняется в первую очередь снижением объемов побитной последовательной передачи информации, для защиты которой были разработаны данные алгоритмы. Практически повсеместно в современных системах применяются сети с коммутацией пакетов, для поддержания конфиденциальности которой используются блочные шифры. А их криптостойкость превосходит, и порой довольно значительно, криптостойкость скремблеров.

Суть скремблирования заключается в побитном изменении проходящего через систему потока данных. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах является XOR — «побитное исключающее ИЛИ». Параллельно прохождению информационного потока в скремблере по определенному правилу генерируется поток бит — кодирующий поток. Как прямое, так и обратное шифрование осуществляется наложением по XOR кодирующей последовательности на исходную.

Генерация кодирующей последовательности бит производится циклически из небольшого начального объема информации — ключа по следующему алгоритму. Из текущего набора бит выбираются значения определенных разрядов и складываются по XOR между собой. Все разряды сдвигаются на 1 бит, а только что полученное значение («0» или «1») помещается в освободившийся самый младший разряд. Значение, находившееся в самом старшем разряде до сдвига, добавляется в кодирующую последовательность, становясь очередным ее битом.

Рис. 2.1.схема скремблирования

Из теории передачи данных криптография заимствовала для записи подобных схем двоичную систему записи. По ней изображенный на рисунке скремблер записывается комбинацией «10 011₂» — единицы соответствуют разрядам, с которых снимаются биты для формирования обратной связи.

Рассмотрим пример кодирования информационной последовательности 10 111₂ скремблером 101₂ с начальным ключом 110₂.

скремблер код. бит инф.бит рез-т

1 1 0 _

_

1 1 1 _ _

_ 0 XOR 0 = 0

0 1 1 _ _

_ 1 XOR 1 = 0

1 0 1 _

1 XOR 0 = 1

Устройство скремблера предельно просто. Его реализация возможна как на электронной, так и на электрической базе, что и обеспечило его широкое применение в полевых условиях. Более того, тот факт, что каждый бит выходной последовательности зависит только от одного входного бита, еще более упрочило положение скремблеров в защите потоковой передачи данных. Это связано с неизбежно возникающими в канале передаче помехами, которые могут исказить в этом случае только те биты, на которые они приходятся, а не связанную с ними группу байт, как это имеет место в блочных шифрах[25].

Декодирование заскремблированных последовательностей происходит по той же самой схеме, что и кодирование. Именно для этого в алгоритмах применяется результирующее кодирование по «исключающему ИЛИ» — схема, однозначно восстановимая при раскодировании без каких-либо дополнительных вычислительных затрат. Произведем декодирование полученного фрагмента.

Главная проблема шифров на основе скремблеров — синхронизация передающего (кодирующего) и принимающего (декодирующего) устройств. При пропуске или ошибочном вставлении хотя бы одного бита вся передаваемая информация необратимо теряется. Поэтому, в системах шифрования на основе скремблеров очень большое внимание уделяется методам синхронизации. На практике для этих целей обычно применяется комбинация двух методов: а) добавление в поток информации синхронизирующих битов, заранее известных приемной стороне, что позволяет ей при ненахождении такого бита активно начать поиск синхронизации с отправителем, и б) использование высокоточных генераторов временных импульсов, что позволяет в моменты потери синхронизации производить декодирование принимаемых битов информации «по памяти» без синхронизации.

Число бит, охваченных обратной связью, то есть разрядность устройства памяти для порождающих кодирующую последовательность бит называется разрядностью скремблера.

Возможны различные типы графов состояния скремблера. На рисунке 2.2. приведены примерные варианты для 3-разрядного скремблера. В случае «А» кроме всегда присутствующего цикла «000″ >>» 000″ мы видим еще два цикла — с 3-мя состояниями и 4-мя. В случае «Б» мы видим цепочку, которая сходится к циклу из 3-х состояний и уже никогда оттуда не выходит. И наконец, в случае «В» все возможные состояния кроме нулевого, объединены в один замкнутый цикл. Очевидно, что именно в этом случае, когда все 2^N-1 состояний системы образуют цикл, период повторения выходных комбинаций максимален, а корреляция между длиной цикла и начальным состоянием скремблера (ключом), которая привела бы к появлению более слабых ключей, отсутствует.

Например, в 8-битном скремблере, при охвате 0-го, 1-го, 6-го и 7-го разрядов действительно за время генерации 255 бит последовательно проходят все числа от 1 до 255, не повторяясь ни разу.

Схемы с выбранными по данному закону обратными связями называются генераторами последовательностей наибольшей длины (ПНД), и именно они используются в скремблирующей аппаратуре. Из множества генераторов ПНД заданной разрядности во времена, когда они реализовывались на электрической или минимальной электронной базе выбирались те, у которых число разрядов, участвующих в создании очередного бита, было минимальным. Обычно генератора ПНД удавалось достичь за 3 или 4 связи. Сама же разрядность скремблеров превышала 30 бит, что давало возможность передавать до 2⁴⁰ бит = 100 Мбайт информации без опасения начала повторения кодирующей последовательности.

Рис. 2.2. Графы состояния скремблера 3 разряда

ПНД неразрывно связаны с математической теорией неприводимых полиномов. Оказывается, достаточно чтобы полином степени N не был представим по модулю 2 в виде произведения никаких других полиномов, для того, чтобы скремблер, построенный на его основе, создавал ПНД. Например, единственным неприводимым полиномом степени 3 является x³+x+1, в двоичном виде он записывается как 1011₂ (единицы соответствуют присутствующим разрядам). Скремблеры на основе неприводимых полиномов образуются отбрасыванием самого старшего разряда (он всегда присутствует, а следовательно, несет информацию только о степени полинома), так на основе указанного полинома, мы можем создать скремблер 011₂ с периодом зацикливания 7(=2³-1). Естественно, что на практике применяются полиномы значительно более высоких порядков. А таблицы неприводимых полиномов любых порядков можно всегда найти в специализированных математических справочниках.

Существенным недостатком скремблирующих алгоритмов является их нестойкость к фальсификации[20,30].

Пример Криптоалгоритма на Паскале приведен в приложений 1. Схему криптоалгоритма смотрите в приложений 2.

2.2.2 Блочные шифры

На сегодняшний день разработано достаточно много стойких блочных шифров. Практически все алгоритмы используют для преобразований определенный набор биективных (обратимых) математических преобразований

Сетью Фейштеля называется метод обратимых преобразований текста, при котором значение, вычисленное от одной из частей текста, накладывается на другие части. Часто структура сети выполняется таким образом, что для шифрования и дешифрования используется один и тот же алгоритм — различие состоит только в порядке использования материала ключа.

Блочный алгоритм TEA приведен как пример одного из самых простых в реализации стойких криптоалгоритмов.

В 1998 году был объявлен открытый конкурс на криптостандарт США на несколько первых десятилетий XXI века. Победителем конкурса был признан бельгийский блочный шифр Rijndael. Он претендует на стандарт де-факто блочного шифрования во всем мире.

Характерной особенностью блочных криптоалгоритмов является тот факт, что в ходе своей работы они производят преобразование блока входной информации фиксированной длины и получают результирующий блок того же объема, но недоступный для прочтения сторонним лицам, не владеющим ключом. Таким образом, схему работы блочного шифра можно описать функциями Z=EnCrypt (X, Key) и X=DeCrypt (Z, Key)

Ключ Key является параметром блочного криптоалгоритма и представляет собой некоторый блок двоичной информации фиксированного размера. Исходный (X) и зашифрованный (Z) блоки данных также имеют фиксированную разрядность, равную между собой, но необязательно равную длине ключа.

Блочные шифры являются основой, на которой реализованы практически все криптосистемы. Методика создания цепочек из зашифрованных блочными алгоритмами байт позволяет шифровать ими пакеты информации неограниченной длины. Такое свойство блочных шифров, как быстрота работы, используется асимметричными криптоалгоритмами, медлительными по своей природе. Отсутствие статистической корреляции между битами выходного потока блочного шифра используется для вычисления контрольных сумм пакетов данных и в хешировании паролей.

Следующие разработки всемирно признаны стойкими алгоритмами и публикаций об универсальных методах их взлома в средствах массовой информации на момент создания материала не встречалось.

Криптоалгоритм именуется идеально стойким, если прочесть зашифрованный блок данных можно только перебрав все возможные ключи, до тех пор, пока сообщение не окажется осмысленным. Так как по теории вероятности искомый ключ будет найден с вероятностью ½ после перебора половины всех ключей, то на взлом идеально стойкого криптоалгоритма с ключом длины N потребуется в среднем 2^N-1 проверок. Таким образом, в общем случае стойкость блочного шифра зависит только от длины ключа и возрастает экспоненциально с ее ростом. Даже предположив, что перебор ключей производится на специально созданной многопроцессорной системе, в которой благодаря диагональному параллелизму на проверку 1 ключа уходит только 1 такт, то на взлом 128 битного ключа современной технике потребуется не менее 10²¹ лет. Естественно, все сказанное относится только к идеально стойким шифрам, которыми, например, с большой долей уверенности являются приведенные в таблице выше алгоритмы.

Кроме этого условия к идеально стойким криптоалгоритмам применяется еще одно очень важное требование, которому они должны обязательно соответствовать. При известных исходном и зашифрованном значениях блока ключ, которым произведено это преобразование, можно узнать также только полным перебором. Ситуации, в которых постороннему наблюдателю известна часть исходного текста встречаются повсеместно. Это могут быть стандартные надписи в электронных бланках, фиксированные заголовки форматов файлов, довольно часто встречающиеся в тексте длинные слова или последовательности байт. В свете этой проблемы описанное выше требование не является ничем чрезмерным и также строго выполняется стойкими криптоалгоритмами, как и первое.

Таким образом, на функцию стойкого блочного шифра Z=EnCrypt (X, Key) накладываются следующие условия:

ь Функция EnCrypt должна быть обратимой.

ь Не должно существовать иных методов прочтения сообщения X по известному блоку Z, кроме как полным перебором ключей Key.

ь Не должно существовать иных методов определения каким ключом Key было произведено преобразование известного сообщения X в сообщение Z, кроме как полным перебором ключей.

Все действия, производимые над данными блочным криптоалгоритмом, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Так, например, 32-битный блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0.4'294'967'295. Кроме того, блок, разрядность которого обычно является «степенью двойки», можно трактовать как несколько независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (рассмотренный выше 32-битный блок можно также представить в виде 2 независимых чисел из диапазона 0.65 535 или в виде 4 независимых чисел из диапазона 0.255).

Над этими числами блочным криптоалгоритмом и производятся по определенной схеме следующие действия (см. таблицу 2.1. слева даны условные обозначения этих операций на графических схемах алгоритмов) :

Таблица 2.1. Схема блочного криптоалгоритма

В качестве параметра V для любого из этих преобразований может использоваться:

· фиксированное число (например, X'=X+125);

· число, получаемое из ключа (например, X'=X+F (Key));

· число, получаемое из независимой части блока (например, X₂'=X₂+F (X₁)) .

Последний вариант используется в схеме, названной по имени ее создателя сетью Фейштеля (нем. Feistel).

Последовательность выполняемых над блоком операций, комбинации перечисленных выше вариантов V и сами функции F и составляют «ноу-хау» каждого конкретного блочного криптоалгоритма.

Характерным признаком блочных алгоритмов является многократное и косвенное использование материала ключа. Это диктуется в первую очередь требованием невозможности обратного декодирования в отношении ключа при известных исходном и зашифрованном текстах. Для решения этой задачи в приведенных выше преобразованиях чаще всего используется не само значение ключа или его части, а некоторая, иногда необратимая (небиективная) функция от материала ключа. Более того, в подобных преобразованиях один и тот же блок или элемент ключа используется многократно. Это позволяет при выполнении условия обратимости функции относительно величины X сделать функцию необратимой относительно ключа Key.

Поскольку операция зашифровки или расшифровки отдельного блока в процессе кодирования пакета информации выполняется многократно (иногда до сотен тысяч раз), а значение ключа и, следовательно, функций V_i(Key) остается неизменным, то иногда становится целесообразно заранее однократно вычислить данные значения и хранить их в оперативной памяти совместно с ключом. Поскольку эти значения зависят только от ключа, то они в криптографии называются материалом ключа. Необходимо отметить, что данная операция никак не изменяет ни длину ключа, ни криптостойкость алгоритма в целом. Здесь происходит лишь оптимизация скорости вычислений путем кеширования (англ. caching) промежуточных результатов. Описанные действия встречаются практически во многих блочных криптоалгоритмах и носят название расширение ключа (англ. key scheduling)[]7,33].

Сеть Фейштеля

Сеть Фейштеля является дальнейшей модификацией описанного выше метода смешивания текущей части шифруемого блока с результатом некоторой функции, вычисленной от другой независимой части того же блока. Эта методика получила широкое распространение, поскольку обеспечивает выполнение требования о многократном использовании ключа и материала исходного блока информации.

Независимые потоки информации, порожденные из исходного блока, называются ветвями сети. В классической схеме их две. Величины V_i именуются параметрами сети, обычно это функции от материала ключа. Функция F называется образующей. Действие, состоящее из однократного вычисления образующей функции и последующего наложения ее результата на другую ветвь с обменом их местами, называется циклом или раундом (англ. round) сети Фейштеля. Оптимальное число раундов K — от 8 до 32. Важно то, что увеличение количества раундов значительно увеличивает криптоскойстость любого блочного шифра к криптоанализу. Возможно, эта особенность и повлияла на столь активное распространение сети Фейштеля — ведь при обнаружении, скажем, какого-либо слабого места в алгоритме, почти всегда достаточно увеличить количество раундов на 4−8, не переписывая сам алгоритм. Часто количество раундов не фиксируется разработчиками алгоритма, а лишь указываются разумные пределы (обязательно нижний, и не всегда — верхний) этого параметра.

Сеть Фейштеля обладает тем свойством, что даже если в качестве образующей функции F будет использовано необратимое преобразование, то и в этом случае вся цепочка будет восстановима. Это происходит вследствие того, что для обратного преобразования сети Фейштеля не нужно вычислять функцию F^-1.

Рис. 2.3. Сеть Фейштеля

Более того, как нетрудно заметить, сеть Фейштеля симметрична. Использование операции XOR, обратимой своим же повтором, и инверсия последнего обмена ветвей делают возможным раскодирование блока той же сетью Фейштеля, но с инверсным порядком параметров V_i. Заметим, что для обратимости сети Фейштеля не имеет значение является ли число раундов четным или нечетным числом. В большинстве реализаций схемы, в которых оба вышеперечисленные

Рисунок 2.4. Модификация сети Фейштеля.

условия (операция XOR и уничтожение последнего обмена) сохранены, прямое и обратное преобразования производятся одной и той же процедурой, которой в качестве параметра передается вектор величин V_i либо в исходном, либо в инверсном порядке.

С незначительными доработками сеть Фейштеля можно сделать и абсолютно симметричной, то есть выполняющей функции шифрования и дешифрования одним и тем же набором операций. Математическим языком это записывается как «Функция EnCrypt тождественно равна функции DeCrypt». Если мы рассмотрим граф состояний криптоалгоритма, на котором точками отмечены блоки входной и выходной информации, то при каком-то фиксированном ключе для классической сети Фейштеля мы будем иметь картину, изображенную на рис. 2.4а, а во втором случае каждая пара точек получит уникальную связь, как изображено на рис. 2.4б. Модификация сети Фейштеля, обладающая подобными свойствами приведена на рисунке 2.4. Как видим, основная ее хитрость в повторном использовании данных ключа в обратном порядке во второй половине цикла. Необходимо заметить, однако, что именно из-за этой недостаточно исследованной специфики такой схемы (то есть потенциальной возможности ослабления зашифрованного текста обратными преобразованиями) ее используют в криптоалгоритмах с большой осторожностью.

Модификацию сети Фейштеля для большего числа ветвей применяют гораздо чаще. Это в первую очередь связано с тем, что при больших размерах кодируемых блоков (128 и более бит) становится неудобно работать с математическими функциями по модулю 64 и выше. Как известно, основные единицы информации обрабатываемые процессорами на сегодняшний день — это байт и двойное машинное слово 32 бита. Поэтому все чаще и чаще в блочных криптоалгоритмах встречается сеть Фейштеля с 4-мя ветвями. Самый простой принцип ее модификации изображен на рисунке 2.5а. Для более быстрого перемешивания информации между ветвями (а это основная проблема сети Фейштеля с большим количеством ветвей) применяются две модифицированные схемы, называемые «type-2» и «type-3». Они изображены на рисунках 2.5б и 2.5 В.

Рис. 2.5. модифицированные схемы, называемые «type-2» и «type-3

Сеть Фейштеля надежно зарекомендовала себя как криптостойкая схема произведения преобразований, и ее можно найти практически в любом современном блочном шифре. Незначительные модификации касаются обычно дополнительных начальных и оконечных преобразований (англоязычный термин — whitening) над шифруемым блоком. Подобные преобразования, выполняемые обычно также либо «исключающим ИЛИ» или сложением имеют целью повысить начальную рандомизацию входного текста. Таким образом, криптостойкость блочного шифра, использующего сеть Фейштеля, определяется на 95% функцией F и правилом вычисления V_i из ключа. Эти функции и являются объектом все новых и новых исследований специалистов в области криптографии.

Блочный шифр TEA

Рассмотрим один из самых простых в реализации, но признанно стойких криптоалгоритмов — TEA (Tiny Encryption Algorithm).