Симметричное и асимметричное шифрование для новичков. Криптографическая защита информации александра прохорова

19.07.2019

В симметричной криптосистеме шифрования используется один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования информации. Это означает, что любой, кто имеет доступ к ключу шифрования, может расшифровать сообщение. С целью предотвращения несанкционированного раскрытия зашифрованной информации все ключи шифрования в симметричных криптосистемах должны держаться в секрете. Именно поэтому симметричные криптосистемы называют криптосистемами с секретным ключом – ключ шифрования должен быть доступен только тем, кому предназначено сообщение. Симметричные криптосистемы называют еще одноключевыми криптографическими системами. Схема симметричной криптосистемы шифрования показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Система симметричной криптосистемы шифрования

Данные криптосистемы характеризуются наиболее высокой скоростью шифрования, и с их помощью обеспечивается как конфиденциальность и подлинность, так и целостность передаваемой информации.

Конфиденциальность передачи информации с помощью симметричной криптосистемы зависит от надежности шифра и обеспечения конфиденциальности ключа шифрования. Обычно ключ шифрования представляет собой файл или массив данных и хранится на персональном ключевом носителе, например дискете или смарт-карте; обязательно принятие мер, обеспечивающих недоступность персонального ключевого носителя кому-либо, кроме его владельца.

Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.

Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитоприставки), вырабатываемого по секретному ключу. Имитоприставка является разновидностью контрольной суммы, то есть некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитоприставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитоприставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитоприставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.

Симметричное шифрование идеально подходит для шифрования информации «для себя», например с целью предотвратить несанкционированный доступ к ней в отсутствие владельца. Это может быть как архивное шифрование выбранных файлов, так и прозрачное (автоматическое) шифрование целых логических или физических дисков.

Обладая высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации. Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.

Перед началом обмена зашифрованными данными необходимо обменяться секретными ключами со всеми адресатами. Передача секретного ключа симметричной криптосистемы не может быть осуществлена по общедоступным каналам связи, секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу.

Существуют реализации алгоритмов симметричного шифрования для абонентского шифрования данных – то есть для отправки шифрованной информации абоненту, например, через Интернет. Использование одного ключа для всех абонентов подобной криптографической сети недопустимо по соображениям безопасности. Действительно, в случае компрометации (утери, хищения) ключа под угрозой будет находиться документооборот всех абонентов. В этом случае может быть использована матрица ключей (рис. 4.4).

Матрица ключей представляет собой таблицу, содержащую ключи парной связи абонентов. Каждый элемент таблицы предназначен для связи абонентов i и j и доступен только двум данным абонентам. Соответственно, для всех элементов матрицы ключей соблюдается равенство

. (4.3)

Рис.4.4. Матрица ключей

Каждая i -я строка матрицы представляет собой набор ключей конкретного абонента i для связи с остальными N - 1 абонентами. Наборы ключей (сетевые наборы) распределяются между всеми абонентами криптографической сети. Аналогично сказанному выше, сетевые наборы должны распределяться по защищенным каналам связи или из рук в руки.

Характерной особенностью симметричных криптоалгоритмов является то, 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. Схему работы симметричного блочного шифра можно описать функциями

где М – исходный (открытый) блок данных; С – зашифрованный блок данных.

Ключ К является параметром симметричного блочного криптоалгоритма и представляет собой блок двоичной информации фиксированного размера. Исходный М и зашифрованный С блоки данных также имеют фиксированную разрядность, равную между собой, но необязательно равную длине ключа К .

Блочные шифры являются той основой, на которой реализованы практически все симметричные криптосистемы. Симметричные криптосистемы позволяют кодировать и декодировать файлы произвольной длины. Практически все алгоритмы используют для преобразований определенный набор обратимых математических преобразований.

Методика создания цепочек из зашифрованных блочными алгоритмами байтов позволяет шифровать ими пакеты информации неограниченной длины. Отсутствие статистической корреляции между битами выходного потока блочного шифра используется для вычисления контрольных сумм пакетов данных и в хэшировании паролей.

Криптоалгоритм считается идеально стойким, если для прочтения зашифрованного блока данных необходим перебор всех возможных ключей до тех пор, пока расшифрованное сообщение не окажется осмысленным. В общем случае стойкость блочного шифра зависит только от длины ключа и возрастает экспоненциально с ее ростом.

Для получения стойких блочных шифров использовать два общих принципа:

¨ рассеивание – собой распространение влияния одного знака открытого текста на много знаков шифртекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста.

¨ перемешивание – использование таких шифрующих преобразований, которые усложняют восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текстов.

Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость зашифрования и расшифрования при известном пользователю секретном ключе.

Распространенным способом достижения эффектов рассеивания и перемешивания является использование составного шифра, то есть такого, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит свой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание.

В составных шифрах в качестве простых шифров чаще всего используются простые перестановки и подстановки. При перестановке просто перемешивают символы открытого текста, причем конкретный вид перемешивания определяется секретным ключом. При подстановке каждый символ открытого текста заменяют другим символом из того же алфавита, а конкретный вид подстановки также определяется секретным ключом. Следует заметить, что в современном блочном шифре блоки открытого текста и шифртекста представляют собой двоичные последовательности обычно длиной 64 или 128 бит. При длине 64 бит каждый блок может принимать 2 64 значений. Поэтому подстановки выполняются в очень большом алфавите, содержащем до 2 64 ~ 10 19 «символов».

При многократном чередовании простых перестановок и подстановок, управляемых достаточно длинным секретным ключом, можно получить стойкий шифр с хорошим рассеиванием и перемешиванием.

Все действия, производимые блочным криптоалгоритмом над данными, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Например, 32-битный блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0...4294 967 295. Кроме того, блок, разрядность которого представляет собой «степень двойки», можно трактовать как сцепление нескольких независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (указанный выше 32-битный блок можно также представить в виде сцепления двух независимых 16-битных чисел из диапазона 0...65 535 или в виде сцепления четырех независимых 8-битных чисел из диапазона 0...255).

Над этими числами блочный криптоалгоритм производит по определенной схеме действия, перечисленные в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Действия, выполняемые криптоалгоритмами над числами

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(K ));

¨ число, получаемое из независимой части блока (например, Х 2" = Х 2 + F (Х 1)).

Последовательность выполняемых над блоком операций, комбинации перечисленных выше вариантов V и сами функции F и составляют отличительные особенности конкретного симметричного блочного криптоалгоритма.

Характерным признаком блочных алгоритмов является многократное и косвенное использование материала ключа. Это определяется 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, 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 К .

Кафедра информационно-коммуникационных технологий

СОВРЕМЕННЫЕ СИММЕТРИЧНЫЕ И АССИМЕТРИЧНЫЕ КРИПТОСИСТЕМЫ

Методические указания к лабораторной работе по курсу

Москва 2009

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

Цель работы

Описание и программная реализация одного из предложенных алгоритмов.

Теоретические сведения

Методы и средства защиты информации

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

Рис. 1. Классификация методов и средств защиты информации

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

Препятствия физически преграждают нарушителю путь к защищаемым данным.

Маскировка представляет собой метод защиты данных путем их криптографического закрытия.

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

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

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

Формальные средства защиты

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

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

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

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

Неформальные средства защиты

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

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

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

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

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

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

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

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

· достаточная криптостойкость (надежность закрытия данных);

· простота процедур шифрования и расшифрования;

· незначительная избыточность информации за счет шифрования;

· нечувствительность к небольшим ошибкам шифрования и др.

В той или иной мере этим требованиям отвечают:

· шифры перестановок:

· шифры замены;

· шифры гаммирования;

· шифры, основанные на аналитических преобразованиях шифруемых данных.

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

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

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

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

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

Процессы шифрования и расшифрования осуществляются в рамках некоторой криптосистемы.

1.1 Традиционные симметричные криптосистемы. Принципы криптографической защиты информации

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

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

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

Единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в тайне обеими сторонами, осуществляться меры по защите доступа к каналу, на всем пути следования криптограммы, или сторонами взаимодействия посредством криптообьектов, сообщений, если данный канал взаимодействия под грифом "Не для использования третьими лицами". Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Основные сведения

Алгоритмы шифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования , а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.

Классическими примерами таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы , перечисленные ниже:

Простая перестановка
Одиночная перестановка по ключу
Двойная перестановка
Перестановка «Магический квадрат»

Простая перестановка

Простая перестановка без ключа - один из самых простых методов шифрования. Сообщение записывается в таблицу по столбцам. После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифртекста он считывается по строкам. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.

Одиночная перестановка по ключу

Более практический метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу, очень похож на предыдущий. Он отличается лишь тем, что колонки таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы.

Двойная перестановка

Для дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Этот способ известен под названием двойная перестановка. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины её строк и столбцов отличались от длин в первой таблице. Лучше всего, если они будут взаимно простыми. Кроме того, в первой таблице можно переставлять столбцы, а во второй строки. Наконец, можно заполнять таблицу зигзагом, змейкой, по спирали или каким-то другим способом. Такие способы заполнения таблицы если и не усиливают стойкость шифра, то делают процесс шифрования гораздо более занимательным.

Перестановка «Магический квадрат»

Магическими квадратами называются квадратные таблицы со вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.

В квадрат размером 4 на 4 вписывались числа от 1 до 16. Его магия состояла в том, что сумма чисел по строкам, столбцам и полным диагоналям равнялась одному и тому же числу - 34. Впервые эти квадраты появились в Китае, где им и была приписана некоторая «магическая сила».

После этого шифрованный текст записывается в строку (считывание производится слева направо, построчно):
.ирдзегюСжаоеянП

При расшифровывании текст вписывается в квадрат, и открытый текст читается в последовательности чисел «магического квадрата». Программа должна генерировать «магические квадраты» и по ключу выбирать необходимый. Размер квадрата больше чем 3х3.

История

Требования

Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру. Для этого шифр должен иметь «эффект лавины » - должно происходить сильное изменение шифроблока при 1-битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).

Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия f(a) xor f(b) == f(a xor b)), в противном случае облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.

Общая схема

В настоящее время симметричные шифры - это:

блочные шифры . Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами . Результатом повторения раундов является лавинный эффект - нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.
поточные шифры , в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования . Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.

Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.

Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля . Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K), где D - порция данных размером вдвое меньше блока шифрования, а K - «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость - обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля - почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие - обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что значительно облегчает аппаратную реализацию.

Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины». Операция перестановки линейна - f(a) xor f(b) == f(a xor b)

Операции подстановки выполняются как замена значения некоей части сообщения (часто в 4, 6 или 8 бит) на стандартное, жестко встроенное в алгоритм иное число путём обращения к константному массиву. Операция подстановки привносит в алгоритм нелинейность.

Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S-блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x, а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата - то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.

Параметры алгоритмов

Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:

длина ключа
число раундов
длина обрабатываемого блока
сложность аппаратной/программной реализации
сложность преобразования

Виды симметричных шифров

блочные шифры

AES (англ. Advanced Encryption Standard ) - американский стандарт шифрования
ГОСТ 28147-89 - советский и российский стандарт шифрования, также является стандартом СНГ
DES (англ. Data Encryption Standard ) - стандарт шифрования данных в США
3DES (Triple-DES, тройной DES)
RC2 (Шифр Ривеста (Rivest Cipher или Ron’s Cipher))
IDEA (International Data Encryption Algorithm, международный алгоритм шифрования данных)
CAST (по инициалам разработчиков Carlisle Adams и Stafford Tavares)

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, гдеи для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (риc. 2.1). Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровании 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.

Рис. 2.1

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология, являются, например, сети банкоматов. Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются.

Из симметричных алгоритмов шифрования широкое использование получил алгоритм шифрования DES (изобретенный фирмой IBM), который рекомендован в открытых секторах экономики США. Этот алгоритм был изначально обречен на лимитированную продолжительность жизни вследствие ограничения длинны ключа до 56 битов.

В начале 1997 г. алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит, был брошен вызов. 17 июня 1997 г., через 140 дней ключ был расшифрован. Это означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начале 1998 г., следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES стал полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит.

Положение усугубляется тем, что по законодательству США к экспорту в качестве программных продуктов разрешены системы шифрования с ключом не более 128 бит. То есть, покупая шифросистему с ключом 1024 или 2048 и более бит, надо знать, что при смене ключа активной (изменяющейся) частью будет часть ключа в 128 бит. Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпроментирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится в том случае, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема состоит в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим. Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный и открытый ключи).

Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете.

Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя , а расшифровать его может только владелец секретного ключа (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных. Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями. Это похоже на коробку с двумя дверцами с разных сторон. Каждая такая дверца имеет свой замок. В коробку кладут документ, запирают, отпирают с другой стороны ключом получателя. При этом используется теория простых чисел. Такой алгоритм криптографической защиты получил название RSA.

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. RSA превратился в промышленный стандарт алгоритма с асимметричными ключами, используемый в бизнесе для цифровой подписи и шифрования.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования заключаются в сложности замены скомпрометированного ключа, а недостатки асимметричной системы – в относительно низкой скорости работы. По криптостойкости длине ключа в 128 бит симметричной системы соответствует ключ в 2304 бита асимметричной.

В настоящее время распространение получили системы шифрования, использующие комбинированный алгоритм, позволяющий при высокой скорости шифрования, присущей AES использовать открытую пересылку ключей шифрования (как в RSA).

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения. Сообщение шифруется с использованием этого временного симметричного сеансового ключа. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. Поскольку сеансовый ключ гораздо короче самого сообщения время его шифрования будет сравнительно небольшим. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю (рис. 2.3).

Рис. 2.3

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 (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Криптографические системы с открытым ключом в настоящее время широко применяются в различных сетевых протоколах, в частности, в протоколах TLS и его предшественнике SSL (лежащих в основе HTTPS), в SSH. Также используется в PGP, S/MIME.

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

Секретная связь на основе симметричной криптосистемы.

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

Криптоанализ симметричной криптосистемы.

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

Требования к протоколу.

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