Сайт о телевидении

По меткому определению аналитиков CNews, год 2005-й в России прошел под девизом «защищаемся от внутренних угроз». Те же тенденции отчетливо наблюдались и в прошедшем году. Учитывая недавние инциденты, связанные с кражей баз данных и их последующей свободной продажей, многие компании стали серьезнее задумываться о проблеме безопасности своих информационных ресурсов и разграничении доступа к конфиденциальным данным. Как известно, 100%-ная гарантия сохранности ценной информации практически невозможна, но технологически свести такие риски к минимуму можно и нужно. Для этих целей большинство разработчиков средств информационной безопасности предлагают комплексные решения, сочетающие шифрование данных с контролем сетевого доступа. Попробуем рассмотреть такие системы более детально.

На рынке средств защиты от несанкционированного доступа представлено достаточно много разработчиков программно-аппаратных комплексов шифрования для серверов, хранящих и обрабатывающих конфиденциальную информацию (Aladdin, SecurIT, "Физтехсофт" и т. д.). Разобраться в тонкостях каждого предлагаемого решения и выбрать наиболее подходящее подчас непросто. К сожалению, зачастую авторы сравнительных статей, посвященных шифросредствам, не учитывая специфики этой категории продуктов, проводят сравнение по удобству использования, богатству настроек, дружелюбности интерфейса и т. п. Такое сравнение оправдано, когда речь идет о тестировании Интернет-пейджеров или менеджеров закачек, но вряд ли приемлемо при выборе решения для защиты конфиденциальной информации.

Наверное, с этим утверждением мы не откроем Америку, но такие характеристики, как производительность, стоимость и многие другие не критичны при выборе системы шифрования. Та же производительность важна не для всех систем и не всегда. Скажем, если в организации пропускная способность локальной сети небольшая, но доступ к зашифрованной информации будут иметь только два сотрудника, пользователи вряд ли вообще заметят систему шифрования, даже самую «неторопливую».

Многие другие особенности и параметры таких программно-аппаратных комплексов также носят избирательный характер: для кого-то они критичны, а кому-то безразличны. Поэтому мы попробуем предложить альтернативный вариант сравнения средств защиты от несанкционированного доступа и утечки конфиденциальной информации - по наиболее важным и действительно ключевым параметрам.

Штирлиц, вам шифровка!

При выборе системы для защиты данных прежде всего стоит обратить внимание на то, какие алгоритмы шифрования в них используются. Теоретически, приложив достаточно усилий, злоумышленник может взломать любую криптографическую систему. Вопрос заключается лишь в том, сколько работы ему потребуется для этого проделать. В принципе фактически любая задача взлома криптографической системы количественно сравнима с поиском, выполняемым путем полного перебора всех возможных вариантов.

По мнению специалистов, любой современной криптографической системе вполне достаточно 128-битового уровня безопасности. Это означает, что для успешной атаки на такую систему потребуется как минимум 2128 шагов. Согласно закону Мура, адаптированному к криптографии, достаточно даже 110 или 100 бит, однако криптографических алгоритмов, рассчитанных на такие ключи, не существует.

Сам алгоритм должен быть максимально широко распространен. Никому не известные «самописные» алгоритмы не проанализированы специалистами в области криптографии и могут содержать опасные уязвимости. С учетом этого достаточно надежными могут быть признаны алгоритмы ГОСТ, AES, Twofish, Serpent с длиной ключа 128, 192 или 256 бит.

Отдельного рассмотрения заслуживают асимметричные алгоритмы шифрования. В них для шифрования и расшифрования используются разные ключи (отсюда и название). Эти ключи образуют пару и генерируются, как правило, самим пользователем. Для шифрования информации используется так называемый открытый ключ. Этот ключ общеизвестен, и любой желающий может зашифровать адресуемое пользователю сообщение с его помощью. Закрытый ключ используется для расшифрования сообщения и известен только самому пользователю, который хранит его в секрете.

Общепринятый способ распространения и хранения открытых ключей пользователей - цифровые сертификаты формата X.509. В простейшем случае цифровой сертификат - это своего рода электронный паспорт, который содержит информацию о пользователе (имя, идентификатор, адрес электронной почты и т. п.), об открытом ключе клиента, об Удостоверяющем центре, изготовившем сертификат, а также серийный номер сертификата, срок действия и т. д.

Удостоверяющий центр (УЦ) - это третья доверительная сторона, которая наделена высоким уровнем доверия пользователей и обеспечивает комплекс мероприятий для использования сертификатов доверяющими сторонами. По сути это компонент системы управления сертификатами, предназначенный для формирования электронных сертификатов подчиненных центров и пользователей, удостоверенных электронно-цифровой подписью УЦ. В простейшем случае используются так называемые самоподписанные сертификаты, когда пользователь сам выступает в роли своего удостоверяющего центра.

Общепризнано, что при использовании асимметричных алгоритмов шифрования стойкость, эквивалентная 128-битному симметричному алгоритму, достигается при использовании ключей длиной не менее 1024 бит. Это связано с особенностями математической реализации таких алгоритмов.

Помимо непосредственно алгоритмов шифрования стоит обратить внимание и на способ их реализации. Программно-аппаратный комплекс может иметь встроенные алгоритмы шифрования или использовать внешние подключаемые модули. Второй вариант предпочтительнее по трем причинам. Во-первых, можно повышать уровень безопасности в соответствии с растущими потребностями компании, используя более стойкие алгоритмы. Опять-таки, в случае изменения требований политики безопасности (например, если компании потребуется переход на сертифицированные криптопровайдеры) можно будет оперативно заменить имеющиеся алгоритмы шифрования без существенных задержек или сбоев в работе. Понятно, что в случае встроенного алгоритма это гораздо сложнее.

Второй плюс внешней реализации заключается в том, что такое шифросредство не подпадает под соответствующие законодательные ограничения на его распространение, в том числе экспортно-импортные, и не требует наличия соответствующих лицензий ФСБ у партнеров компании, занимающихся его распространением и внедрением.

В-третьих, не стоит забывать о том, что реализация алгоритма шифрования - далеко не тривиальная задача. Правильная реализация требует большого опыта. Скажем, ключ шифрования никогда не должен находиться в оперативной памяти компьютера в явном виде. В серьезных продуктах этот ключ разделяется на несколько частей, при этом на каждую из них накладывается случайная маска. Все операции с ключом шифрования выполняются по частям, а на итоговый результат накладывается обратная маска. Уверенности в том, что разработчик учел все эти тонкости при самостоятельной реализации алгоритма шифрования, к сожалению, нет.

Ключ от квартиры, где деньги лежат

Еще один фактор, влияющий на степень защищенности данных, - принцип организации работы с ключами шифрования. Здесь есть несколько вариантов, и перед выбором конкретной системы шифрования настоятельно рекомендуется поинтересоваться, как она устроена: где хранятся ключи шифрования, как они защищены и т. д. К сожалению, зачастую сотрудники компании-разработчика не в состоянии объяснить даже базовых принципов работы их продукта. Особенно это замечание относится к менеджерам по продажам: простейшие вопросы нередко ставят их в тупик. Пользователю же, решившему защитить свою конфиденциальную информацию, желательно разобраться во всех тонкостях.

Для определенности будем называть ключ, используемый для шифрования данных, мастер-ключом. Для их генерации на сегодняшний день чаще всего используются следующие подходы.

Первый подход - мастер-ключ генерируется на основе некоторых входных данных и используется при шифровании данных. В дальнейшем для получения доступа к зашифрованной информации пользователь вновь предоставляет системе те же самые входные данные для генерации мастер-ключа. Сам мастер-ключ, таким образом, нигде не хранится. В качестве входных данных могут выступать пароль, какой-либо файл, сохраненный на внешнем носителе, и т. п. Основной недостаток этого способа - невозможность создать резервную копию мастер-ключа. Утрата любого компонента входных данных ведет к утрате доступа к информации.

Второй подход - мастер-ключ генерируется с использованием генератора случайных чисел. Затем он шифруется каким-либо алгоритмом и после этого сохраняется вместе с данными или же на внешнем носителе. Для получения доступа сначала расшифровывается мастер-ключ, а потом - сами данные. Для шифрования мастер-ключа целесообразно использовать алгоритм той же стойкости, что и для шифрования самих данных. Менее стойкие алгоритмы снижают безопасность системы, а использовать более стойкий бессмысленно, так как безопасность это не повышает. Такой подход позволяет создавать резервные копии мастер-ключа, которые можно в дальнейшем использовать для восстановления доступа к данным в случае форс-мажорных обстоятельств.

Как известно, надежность криптографической системы в целом определяется надежностью самого слабого ее звена. Злоумышленник всегда может атаковать наименее стойкий алгоритм из двух: шифрования данных или шифрования мастер-ключа. Рассмотрим эту проблему более подробно, имея в виду, что ключ, на котором происходит шифрование мастер-ключа, также получают на основе некоторых входных данных.

Вариант первый: парольный

Пользователь вводит некоторый пароль, на основе которого (с использованием, например, хэш-функции) генерируется ключ шифрования (рис. 1). Фактически надежность системы в этом случае определяется только сложностью и длиной пароля. Но надежные пароли неудобны: запомнить бессмысленный набор из 10-15 символов и вводить его каждый для получения доступа к данным не так просто, а если таких паролей несколько (допустим, для доступа к разным приложениям), то и вовсе нереально. Парольная защита также подвержена атакам методом прямого перебора, а установленный клавиатурный шпион легко позволит злоумышленнику получить доступ к данным.

Рис. 1. Шифрование мастер-ключа с использованием пароля.

Вариант второй: внешнее хранение

На внешнем носителе размещаются некоторые данные, используемые для генерации ключа шифрования (рис. 2). Простейший вариант - использовать файл (так называемый ключевой файл), находящийся на дискете (компакт-диске, USB-флэш-устройстве и т. п.) Этот способ надежнее варианта с паролем. Для генерации ключа служит не десяток символов пароля, а значительное количество данных, например, 64 или даже 128 байт.

Рис. 2. Шифрование мастер-ключа с использованием данных с внешнего носителя.

В принципе ключевой файл можно разместить и на жестком диске компьютера, но значительно безопасней хранить его отдельно от данных. Не рекомендуется в качестве ключевых файлов использовать файлы, создаваемые какими-либо общеизвестными приложениями (*.doc, *xls, *.pdf и т. д.) Их внутренняя структурированность может дать злоумышленнику дополнительную информацию. Например, все файлы, созданные архиватором WinRAR, начинаются с символов «Rar!» - это целых четыре байта.

Недостаток данного способа - возможность для злоумышленника легко скопировать файл и создать дубликат внешнего носителя. Таким образом, пользователь, даже на короткое время утративший контроль над этим носителем, фактически уже не может быть на 100% уверен в конфиденциальности своих данных. В качестве внешнего носителя иногда применяются электронные USB-ключи или смарт-карты, но при этом данные, используемые для генерации ключа шифрования, просто сохраняются в памяти этих носителей и так же легко доступны для считывания.

Вариант третий: защищенное внешнее хранение

Данный способ во многом схож с предыдущим. Важное его отличие в том, что для получения доступа к данным на внешнем носителе пользователь обязательно должен ввести PIN-код. В качестве внешнего носителя используются токены (электронные USB-ключи или смарт-карты). Данные, используемые для генерации ключа шифрования, размещаются в защищенной памяти токена и не могут быть прочитаны злоумышленником без знания соответствующего PIN-кода (рис. 3).

Рис. 3. Шифрование мастер-ключа с использованием защищенного внешнего носителя.

Утрата токена еще не означает раскрытия самой информации. Для защиты от прямого подбора PIN-кода ставится аппаратная временная задержка между двумя последовательными попытками или аппаратное же ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода (например, 15), после чего токен просто блокируется.

Поскольку токен может использоваться в разных приложениях, а PIN-код один и тот же, можно обманным путем вынудить пользователя ввести свой PIN-код в подложной программе, после чего считать необходимые данные из закрытой области памяти токена. Некоторые приложения кэшируют значение PIN-кода в рамках одного сеанса работы, что также несет в себе определенный риск.

Вариант четвертый: смешанный

Возможен вариант, когда для генерации ключа шифрования одновременно используются пароль, ключевой файл на внешнем носителе и данные в защищенной памяти токена (рис. 4). Такой способ довольно сложен в повседневном использовании, поскольку требует от пользователя дополнительных действий.

Рис. 4. Шифрование мастер-ключа с использованием нескольких компонентов.

Многокомпонентная система также значительно сильнее подвержена рискам утраты доступа: достаточно потерять один из компонентов, и доступ без использования заранее созданной резервной копии становится невозможен.

Вариант пятый: с асимметричным шифрованием

Отдельного рассмотрения заслуживает один подход к организации безопасного хранения мастер-ключа, лишенный основных недостатков описанных выше вариантов. Именно этот способ представляется нам оптимальным.

Дело в том, что современные токены (рис. 5) позволяют не только хранить в закрытой памяти данные, но выполняют аппаратно целый ряд криптографических преобразований. Например, смарт-карты, а также USB-ключи, представляющие собой полнофункциональные смарт-карты, а не их аналоги, реализуют асимметричные алгоритмы шифрования. Примечательно, что при этом пара открытый - закрытый ключ генерируется также аппаратно. Важно, что закрытый ключ на смарт-картах хранится как write-only, т. е. он используется операционной системой смарт-карты для криптографических преобразований, но не может быть прочитан или скопирован пользователем. Фактически пользователь сам не знает свой закрытый ключ - он только им обладает.

Данные, которые необходимо расшифровать, передаются операционной системе смарт-карты, аппаратно ею расшифровываются с помощью закрытого ключа и передаются обратно в расшифрованном виде (рис. 6). Все операции с закрытым ключом возможны только после ввода пользователем PIN-кода смарт-карты. Такой подход успешно используется во многих современных информационных системах для аутентификации пользователя. Применим он и для аутентификации при доступе к зашифрованной информации.

Рис. 6. Шифрование мастер-ключа с использованием асимметричного алгоритма шифрования.

Мастер-ключ шифруется с помощью открытого ключа пользователя. Для получения доступа к данным пользователь предъявляет свою смарт-карту (или USB-ключ, являющийся полнофункциональной смарт-картой) и вводит ее PIN-код. Затем мастер-ключ аппаратно расшифровывается с помощью закрытого ключа, хранящегося на смарт-карте, и пользователь получает доступ к данным. Такой подход сочетает в себе безопасность и удобство использования.

В первых четырех вариантах очень важен выбор способа генерации ключа шифрования на основе пароля и/или данных с внешнего носителя. Уровень безопасности (в криптографическом смысле), обеспечиваемый этим способом, должен быть не ниже, чем уровень безопасности остальных компонентов системы. Скажем, вариант, когда мастер-ключ просто хранится на внешнем носителе в инвертированном виде, крайне уязвим и небезопасен.

Современные токены поддерживают асимметричные алгоритмы с длиной ключа 1024 или 2048 бит, обеспечивая тем самым соответствие надежности алгоритма шифрования мастер-ключа и алгоритма шифрования самих данных. Аппаратное ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода нивелирует риск его подбора и позволяет применять достаточно простой для запоминания PIN-код. Использование одного устройства с несложным PIN-кодом повышает удобство без ущерба для безопасности.

Создать дубликат смарт-карты не может даже сам пользователь, так как невозможно скопировать закрытый ключ. Это также позволяет без опасения использовать смарт-карту совместно с любыми другими программами.

Техподдержку вызывали?

Есть еще один критерий выбора, который зачастую остается без внимания, но при этом относится к разряду критических. Речь идет о качестве технической поддержки.

Не вызывает сомнения, что защищаемая информация имеет высокую ценность. Быть может, ее утрата принесет меньший вред, чем публичное раскрытие, но определенное неудобство будет иметь место в любом случае. Оплачивая продукт, вы в числе прочего платите и за то, что он будет нормально функционировать, а в случае сбоя вам оперативно помогут разобраться в проблеме и устранить ее.

Основная сложность заключается в том, что заранее оценить качество техподдержки довольно сложно. Ведь существенную роль служба техподдержки начинает играть на поздних стадиях внедрения, на этапе опытной эксплуатации и по завершении внедрения, в процессе сопровождения системы. Критериями качества технической поддержки можно считать время реакции на запрос, полноту ответов и компетентность специалистов. Рассмотрим их более подробно.

Зачастую эквивалентом качества работы службы технической поддержки считается скорость реакции на запрос. Тем не менее оперативные, но неправильные рекомендации могут принести значительно больший вред, чем простое их отсутствие.

Представляется разумным отдавать предпочтение российским разработкам или по крайней мере зарубежным фирмам, имеющим представительство в России. Разговаривая со специалистом на родном языке, вы скорее поймете друг друга. Если продукт иностранный, будьте готовы к возможным временным задержкам. Это может происходить потому, что ваши вопросы будут переводиться на, скажем, английский, а ответы разработчика - обратно на русский. Качество перевода оставим на совести специалистов техподдержки. Нужно учитывать и то, что у зарубежного поставщика может не быть круглосуточной поддержки, а в результате из-за разницы во времени у вас будет, например, всего один час в день, чтобы задать вопрос.

Списки частых вопросов (FAQ) могут стать источником дополнительной информации не только о самом продукте, но и о компетентности специалистов, работающих в компании. Например, отсутствие такого раздела наводит на мысль о непопулярности данного продукта или об отсутствии в организации специалистов, занимающихся техподдержкой и способных написать базу знаний по обращениям пользователей. Забавно, но на некоторых сайтах в ответах на частые вопросы встречаются ошибки, в том числе и в названии самого продукта.

Выхожу один я на дорогу...

Как видно, в процессе выбора можно зайти достаточно далеко. Наверняка у каждого найдутся свои собственные, важные именно для него критерии сравнения. В конце концов никто не запрещает сравнивать длительность гарантийных сроков, качество упаковки и соответствие цветовой гаммы брэнда компании-производителя корпоративному стилю вашей организации. Главное - правильно расставить весовые коэффициенты.

В любом случае прежде всего нужно трезво оценивать угрозы и критичность данных, а средства обеспечения безопасности желательно выбирать, руководствуясь тем, насколько успешно они справляются со своей основной задачей - обеспечением защиты от несанкционированного доступа. В противном случае деньги лучше потратить на менеджер закачек из Интернета или на "пасьянсы".

Сергей Панасенко ,
начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «Анкад»,
[email protected]

Основные понятия

Процесс преобразования открытых данных в зашифрованные и наоборот принято называть шифрованием, причем две составляющие этого процесса называют соответственно зашифрованием и расшифрованием. Математически данное преобразование представляется следующими зависимостями, описывающими действия с исходной информацией:

С = Ek1(M)

M" = Dk2(C),

где M (message) - открытая информация (в литературе по защите информации часто носит название "исходный текст");
C (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст (или криптограмма);
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над исходным текстом;
k1 (key) - параметр функции E, называемый ключом зашифрования;
M" - информация, полученная в результате расшифрования;
D (decryption) - функция расшифрования, выполняющая обратные зашифрованию криптографические преобразования над шифртекстом;
k2 - ключ, с помощью которого выполняется расшифрование информации.

Понятие "ключ" в стандарте ГОСТ 28147-89 (алгоритм симметричного шифрования) определено следующим образом: "конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований". Иными словами, ключ представляет собой уникальный элемент, с помощью которого можно изменять результаты работы алгоритма шифрования: один и тот же исходный текст при использовании различных ключей будет зашифрован по-разному.

Для того, чтобы результат расшифрования совпал с исходным сообщением (т. е. чтобы M" = M), необходимо одновременное выполнение двух условий. Во-первых, функция расшифрования D должна соответствовать функции зашифрования E. Во-вторых, ключ расшифрования k2 должен соответствовать ключу зашифрования k1.

Если для зашифрования использовался криптостойкий алгоритм шифрования, то при отсутствии правильного ключа k2 получить M" = M невозможно. Криптостойкость - основная характеристика алгоритмов шифрования и указывает прежде всего на степень сложности получения исходного текста из зашифрованного без ключа k2.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории: симметричного и асимметричного шифрования. Для первых соотношение ключей зашифрования и расшифрования определяется как k1 = k2 = k (т. е. функции E и D используют один и тот же ключ шифрования). При асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 вычисляется по ключу k2 таким образом, что обратное преобразование невозможно, например, по формуле k1 = ak2 mod p (a и p - параметры используемого алгоритма).

Симметричное шифрование

Свою историю алгоритмы симметричного шифрования ведут с древности: именно этим способом сокрытия информации пользовался римский император Гай Юлий Цезарь в I веке до н. э., а изобретенный им алгоритм известен как "криптосистема Цезаря".

В настоящее время наиболее известен алгоритм симметричного шифрования DES (Data Encryption Standard), разработанный в 1977 г. До недавнего времени он был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Несмотря на то, что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 г.

Мы не будем рассматривать DES подробно (почти во всех книгах из списка дополнительных материалов есть его подробнейшее описание), а обратимся к более современным алгоритмам шифрования. Стоит только отметить, что основная причина изменения стандарта шифрования - его относительно слабая криптостойкость, причина которой в том, что длина ключа DES составляет всего 56 значащих бит. Известно, что любой криптостойкий алгоритм можно взломать, перебрав все возможные варианты ключей шифрования (так называемый метод грубой силы - brute force attack). Легко подсчитать, что кластер из 1 млн процессоров, каждый из которых вычисляет 1 млн ключей в секунду, проверит 256 вариантов ключей DES почти за 20 ч. А поскольку по нынешним меркам такие вычислительные мощности вполне реальны, ясно, что 56-бит ключ слишком короток и алгоритм DES необходимо заменить на более "сильный".

Сегодня все шире используются два современных криптостойких алгоритма шифрования: отечественный стандарт ГОСТ 28147-89 и новый криптостандарт США - AES (Advanced Encryption Standard).

Стандарт ГОСТ 28147-89

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89 (рис. 1), имеет длину ключа шифрования 256 бит. Он шифрует информацию блоками по 64 бит (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бит (N1 и N2). Субблок N1 обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - "исключающее или"), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз ("раундов"): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции.

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

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N1 разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены (Substitution box - S-box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция. В таблицу записываются выходные значения блоков. Блок данных определенной размерности (в нашем случае - 4-бит) имеет свое числовое представление, которое определяет номер выходного значения. Например, если S-box имеет вид 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 и на вход пришел 4-бит блок "0100" (значение 4), то, согласно таблице, выходное значение будет равно 15, т. е. "1111" (0 а 4, 1 а 11, 2 а 2 ...).

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммирования с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифрования каждого 64-бит блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-бит подключи используются в следующей последовательности:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K0, K1 и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифрование в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7 - в раундах с 1-го по 8-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0, K7, K6 и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифрования каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2 (см. рис. 1).

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

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

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (232 - 1) с константой C1 = 224 + 216 + 28 + 24, а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 232 с константой C2 = 224 + 216 + 28 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

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

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифрование или расшифрование), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифрования гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (таблица).

Зашифрование и расшифрование в режиме гаммирования

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

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

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров N1 и N2, начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 2). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рис. 2. Выработка гаммы шифра в режиме гаммирования с обратной связью.

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

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

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

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается очень сильным алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод "грубой силы". Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Стандарт AES

В отличие от алгоритма ГОСТ 28147-89, который долгое время оставался секретным, американский стандарт шифрования AES, призванный заменить DES, выбирался на открытом конкурсе, где все заинтересованные организации и частные лица могли изучать и комментировать алгоритмы-претенденты.

Конкурс на замену DES был объявлен в 1997 г. Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST - National Institute of Standards and Technology). На конкурс было представлено 15 алгоритмов-претендентов, разработанных как известными в области криптографии организациями (RSA Security, Counterpane и т. д.), так и частными лицами. Итоги конкурса были подведены в октябре 2000 г.: победителем был объявлен алгоритм Rijndael, разработанный двумя криптографами из Бельгии, Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Даймен (Joan Daemen).

Алгоритм Rijndael не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название "сеть Фейстеля" и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. Особенность сети Фейстеля состоит в том, что входное значение разбивается на два и более субблоков, часть из которых в каждом раунде обрабатывается по определенному закону, после чего накладывается на необрабатываемые субблоки (см. рис. 1).

В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4X4, 4X6 или 4X8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael выполняет четыре преобразования: BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 3); SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 4). При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное число байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4X4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются соответственно на 1, 2 и 3 байта. Далее идет MC (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 5), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу c(x). И, наконец, AK (AddRoundKey) - добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который, в свою очередь, определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 6).

Рис. 3. Операция BS.

Рис. 4. Операция SR.

Рис. 5. Операция MC.

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

Расшифрование выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для MC - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию: c(x) * d(x) = 1. Добавление ключа AK является обратным самому себе, поскольку в нем используется только операция XOR. Эти обратные операции применяются при расшифровании в последовательности, обратной той, что использовалась при зашифровании.

Rijndael стал новым стандартом шифрования данных благодаря целому ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Его отличают несравнимо лучшие возможности распараллеливания вычислений по сравнению с другими алгоритмами, представленными на конкурс. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

Недостатком же алгоритма можно считать лишь свойственную ему нетрадиционную схему. Дело в том, что свойства алгоритмов, основанных на сети Фейстеля, хорошо исследованы, а Rijndael, в отличие от них, может содержать скрытые уязвимости, которые могут обнаружиться только по прошествии какого-то времени с момента начала его широкого распространения.

Асимметричное шифрование

Алгоритмы асимметричного шифрования, как уже отмечалось, используют два ключа: k1 - ключ зашифрования, или открытый, и k2 - ключ расшифрования, или секретный. Открытый ключ вычисляется из секретного: k1 = f(k2).

Асимметричные алгоритмы шифрования основаны на применении однонаправленных функций. Согласно определению, функция y = f(x) является однонаправленной, если: ее легко вычислить для всех возможных вариантов x и для большинства возможных значений y достаточно сложно вычислить такое значение x, при котором y = f(x).

Примером однонаправленной функции может служить умножение двух больших чисел: N = P*Q. Само по себе такое умножение - простая операция. Однако обратная функция (разложение N на два больших множителя), называемая факторизацией, по современным временным оценкам представляет собой достаточно сложную математическую задачу. Например, разложение на множители N размерностью 664 бит при P ? Q потребует выполнения примерно 1023 операций, а для обратного вычисления х для модульной экспоненты y = ax mod p при известных a, p и y (при такой же размерности a и p) нужно выполнить примерно 1026 операций. Последний из приведенных примеров носит название - "Проблема дискретного логарифма" (DLP - Discrete Logarithm Problem), и такого рода функции часто используются в алгоритмах асимметричного шифрования, а также в алгоритмах, используемых для создания электронной цифровой подписи.

Еще один важный класс функций, используемых в асимметричном шифровании, - однонаправленные функции с потайным ходом. Их определение гласит, что функция является однонаправленной с потайным ходом, если она является однонаправленной и существует возможность эффективного вычисления обратной функции x = f-1(y), т. е. если известен "потайной ход" (некое секретное число, в применении к алгоритмам асимметричного шифрования - значение секретного ключа).

Однонаправленные функции с потайным ходом используются в широко распространенном алгоритме асимметричного шифрования RSA.

Алгоритм RSA

Разработанный в 1978 г. тремя авторами (Rivest, Shamir, Adleman), он получил свое название по первым буквам фамилий разработчиков. Надежность алгоритма основывается на сложности факторизации больших чисел и вычисления дискретных логарифмов. Основной параметр алгоритма RSA - модуль системы N, по которому проводятся все вычисления в системе, а N = P*Q (P и Q - секретные случайные простые большие числа, обычно одинаковой размерности).

Секретный ключ k2 выбирается случайным образом и должен соответствовать следующим условиям:

1

где НОД - наибольший общий делитель, т. е. k1 должен быть взаимно простым со значением функции Эйлера F(N), причем последнее равно количеству положительных целых чисел в диапазоне от 1 до N, взаимно простых с N, и вычисляется как F(N) = (P - 1)*(Q - 1) .

Открытый ключ k1 вычисляется из соотношения (k2*k1) = 1 mod F(N) , и для этого используется обобщенный алгоритм Евклида (алгоритм вычисления наибольшего общего делителя). Зашифрование блока данных M по алгоритму RSA выполняется следующим образом: C = M[в степени k1] mod N . Заметим, что, поскольку в реальной криптосистеме с использованием RSA число k1 весьма велико (в настоящее время его размерность может доходить до 2048 бит), прямое вычисление M[в степени k1] нереально. Для его получения применяется комбинация многократного возведения M в квадрат с перемножением результатов.

Обращение данной функции при больших размерностях неосуществимо; иными словами, невозможно найти M по известным C, N и k1. Однако, имея секретный ключ k2, при помощи несложных преобразований можно вычислить M = Ck2 mod N. Очевидно, что, помимо собственно секретного ключа, необходимо обеспечивать секретность параметров P и Q. Если злоумышленник добудет их значения, то сможет вычислить и секретный ключ k2.

Какое шифрование лучше?

Основной недостаток симметричного шифрования - необходимость передачи ключей "из рук в руки". Недостаток этот весьма серьезен, поскольку делает невозможным использование симметричного шифрования в системах с неограниченным числом участников. Однако в остальном симметричное шифрование имеет одни достоинства, которые хорошо видны на фоне серьезных недостатков шифрования асимметричного.

Первый из них - низкая скорость выполнения операций зашифрования и расшифрования, обусловленная наличием ресурсоемких операций. Другой недостаток "теоретический" - математически криптостойкость алгоритмов асимметричного шифрования не доказана. Это связано прежде всего с задачей дискретного логарифма - пока не удалось доказать, что ее решение за приемлемое время невозможно. Излишние трудности создает и необходимость защиты открытых ключей от подмены - подменив открытый ключ легального пользователя, злоумышленник сможет обеспечить зашифрование важного сообщения на своем открытом ключе и впоследствии легко расшифровать его своим секретным ключом.

Тем не менее эти недостатки не препятствуют широкому применению алгоритмов асимметричного шифрования. Сегодня существуют криптосистемы, поддерживающие сертификацию открытых ключей, а также сочетающие алгоритмы симметричного и асимметричного шифрования. Но это уже тема для отдельной статьи.

Время жизни информации

§ При перехвате зашифрованного сообщения для некоторых типов алгоритмов шифрования можно подсчитать частоту появления определённых символов и сопоставить их с вероятностями появления определённых символов или их комбинаций (биграмм, триграмм и т. д.). Это в свою очередь может привести к однозначному дешифрованию (раскрытию) отдельных участков зашифрованного сообщения.

§ Наличие вероятных слов. Это слова или выражения, появление которых можно ожидать в перехваченном сообщении (например, для английского текста – «and», «the», «аrе» и др.).

§ Существуют методы, позволяющие сделать зашифрованные сообщения практически непригодными для статистического анализа и анализа посредством вероятных слов. К ним относятся следующие.

§ Рассеивание. Влияние одного символа открытого сообщения распространяется на множество символов зашифрованного сообщения. Этот метод хотя и приводит к увеличению количества ошибок при расшифровке, однако с его помощью удаётся скрыть статистическую структуру открытого сообщения.

§ Запутывание. Развитие принципа рассеивания. В нём влияние одного символа ключа распространяется на множество символов зашифрованного

сообщения.

§ Перемешивание. Основывается на использовании особых преобразований исходного сообщения, в результате чего вероятные последовательности как бы рассеиваются по всему пространству возможных открытых сообщений. Развитием этого метода явилось применение составных алгоритмов шифрования, состоящих из последовательности простых операций перестановки и подстановки.

Примерами изложенных методов служат стандарты шифрования DES и ГОСТ 28147-89.

Существует два основных типа алгоритмов шифрования:

§ алгоритмы симметричного шифрования;

§ алгоритмы асимметричного шифрования.

Симметричное шифрование .

Алгоритмы симметричного шифрования основаны на том, что и для шифрования сообщения, и для его расшифровки используется один и тот же (общий) ключ (рис. 1).

Одно из главных преимуществ симметричных методов – быстрота шифрования и расшифровки, а главный недостаток – необходимость передачи секретного значения ключа получателю.

Неизбежно возникаем проблема: как передать ключ и при этом не позволить злоумышленникам перехватить его.

Преимущества криптографии с симметричными ключами:

· Высокая производительность.

· Высокая стойкость. При прочих равных условиях стойкость криптографического алгоритма определяется длиной ключа. При длине ключа 256 бит необходимо произвести 10 77 переборов для его определения.

Недостатки криптографии с симметричными ключами.

§ Проблема распределения ключей. Так как для шифрования и расшифровки используется один и тот же ключ, требуются очень надёжные механизмы для их распределения (передачи).

§ Масштабируемость. Так как и отправитель, и получатель используют единый ключ, количество необходимых ключей возрастает в геометрической прогрессии в зависимости от числа участников коммуникации. Для обмена сообщениями между 10 пользователями необходимо иметь 45 ключей, а для 1000 пользователей – уже 499 500.

§ Ограниченное использование. Криптография с секретным ключом используется для шифрования данных и ограничения доступа к ним, с ее помощью невозможно обеспечить такие свойства информации, как аутентичность и

неотрекаемостъ.

Асимметричное шифрование

Асимметричные алгоритмы шифрования (криптография с открытыми ключами) предполагают использование двух ключей. Первый ключ – открытый. Он распространяется совершенно свободно, без всяких мер предосторожности. Второй, закрытый ключ, держится в секрете.

Любое сообщение, зашифрованное с использованием одного из этих ключей, может быть расшифровано только с использованием парного ему ключа. Как правило, отправитель сообщения пользуется открытым ключом получателя, а получатель – своим личным закрытым ключом.

В асимметричной схеме передачи шифрованных сообщений оба ключа являются производными от единого порождающего мастер-ключа. Когда два ключа сформированы на основе одного, они зависимы в математическом смысле, однако в силу вычислительной сложности ни один из них не может быть вычислен на основании другого. После того, как сформированы оба ключа (и открытый, и личный, закрытый), мастер-ключ уничтожается, и таким образом пресекается любая попытка восстановить в дальнейшем значения производных от него ключей.

Асимметричная схема идеально сочетается с использованием общедоступных сетей передачи сообщений (например, Интернет). Любой абонент сети может совершенно свободно переслать открытый ключ своему партнеру по переговорам, а последний, в роли отправителя сообщения, будет использовать этот ключ при шифровании отсылаемого сообщения (рис. 2). Это сообщение сможет расшифровать своим личным ключом только получатель сообщения, который отсылал раньше соответствующий открытый ключ. Злоумышленник, перехвативший такой ключ, сможет воспользоваться им только с единственной целью – передавать законному владельцу ключа какие-нибудь зашифрованные сообщения.

Недостатком асимметричной схемы являются большие затраты времени на шифрование и расшифровку, что не разрешает их использование для оперативного обмена пространными сообщениями в режиме диалога. Реализация методов асимметричного шифрования требует больших затрат процессорного времени. Поэтому в чистом виде криптография с открытыми ключами в мировой практике обычно не применяется.

Рис. 2. Асимметричная схема шифрования

Невозможно сравнивать, что лучше, симметричные или асимметричные алгоритмы шифрования. Отмечено, что симметричные криптографические алгоритмы имеют меньшую длину ключа и работают быстрее.

Криптография с секретным и криптография с открытыми ключами предназначены для решения абсолютно разных проблем. Симметричные алгоритмы хорошо подходят для шифрования данных, асимметричные реализуются в большинстве сетевых криптографических протоколов.

Наиболее широкое распространение получили методы, сочетающие достоинства обеих схем. Принцип работы комбинированных схем заключается в том, что для очередного сеанса обмена сообщениями генерируется симметричный (сеансовый) ключ. Затем этот ключ зашифровывается и пересылается с помощью асимметричной схемы. После завершения текущего сеанса переговоров симметричный ключ уничтожается.

Шифрование является наиболее широко используемым криптографическим методом сохранения конфиденциальности информации, он защищает данные от несанкционированного ознакомления с ними. Для начала рассмотрим основные методы криптографической защиты информации. Словом, криптография - наука о защите информации с использованием математических методов. Существует и наука, противоположная криптографии и посвященная методам вскрытия защищенной информации - криптоанализ . Совокупность криптографии и криптоанализа принято называть криптологией . Криптографические методы могут быть классифицированы различным образом, но наиболее часто они подразделяются в зависимости от количества ключей, используемых в соответствующих криптоалгоритмах (см. рис. 1):

1. Бесключевые, в которых не используются какие-либо ключи.
2. Одноключевые - в них используется некий дополнительный ключевой параметр - обычно это секретный ключ.
3. Двухключевые, использующие в своих вычислениях два ключа: секретный и открытый.

Рис. 1. Криптоалгоритмы

Обзор криптографических методов

Шифрование является основным методом защиты; рассмотрим его подробно далее.

Стоит сказать несколько слов и об остальных криптографических методах:

1. Электронная подпись используется для подтверждения целостности и авторства данных. Целостность данных означает, что данные не были случайно или преднамеренно изменены при их хранении или передаче.
   Алгоритмы электронной подписи используют два вида ключей:
   • секретный ключ используется для вычисления электронной подписи;
   • открытый ключ используется для ее проверки.
   При использовании криптографически сильного алгоритма электронной подписи и при грамотном хранении и использовании секретного ключа (то есть при невозможности использования ключа никем, кроме его владельца) никто другой не в состоянии вычислить верную электронную подпись какого-либо электронного документа.
2. Аутентификация позволяет проверить, что пользователь (или удаленный компьютер) действительно является тем, за кого он себя выдает. Простейшей схемой аутентификации является парольная - в качестве секретного элемента в ней используется пароль, который предъявляется пользователем при его проверке. Такая схема доказано является слабой, если для ее усиления не применяются специальные административно-технические меры. А на основе шифрования или хэширования (см. ниже) можно построить действительно сильные схемы аутентификации пользователей.
3. Существуют различные методы криптографического контрольного суммирования:
   • ключевое и бесключевое хэширование;
   • вычисление имитоприставок;
   • использование кодов аутентификации сообщений.
   Фактически, все эти методы различным образом из данных произвольного размера с использованием секретного ключа или без него вычисляют некую контрольную сумму фиксированного размера, однозначно соответствующую исходным данным.
   Такое криптографическое контрольное суммирование широко используется в различных методах защиты информации, например:
   • для подтверждения целостности любых данных в тех случаях, когда использование электронной подписи невозможно (например, из-за большой ресурсоемкости) или является избыточным;
   • в самих схемах электронной подписи - "подписывается" обычно хэш данных, а не все данные целиком;
   • в различных схемах аутентификации пользователей.
4. Генераторы случайных и псевдослучайных чисел позволяют создавать последовательности случайных чисел, которые широко используются в криптографии, в частности:
   • случайные числа необходимы для генерации секретных ключей, которые, в идеале, должны быть абсолютно случайными;
   • случайные числа применяются во многих алгоритмах электронной подписи;
   • случайные числа используются во многих схемах аутентификации.
   Не всегда возможно получение абсолютно случайных чисел - для этого необходимо наличие качественных аппаратных генераторов. Однако, на основе алгоритмов симметричного шифрования можно построить качественные генераторы псевдослучайных чисел.

Шифрование информации - это преобразование открытой информации в зашифрованную (которая чаще всего называется шифртекстом или криптограммой ), и наоборот. Первая часть этого процесса называется зашифрованием , вторая - расшифрованием .

Можно представить зашифрование в виде следующей формулы:

С = E k1 (M),

где:
M (message) - открытая информация,
С (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст,
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над M ,
k1 (key) - параметр функции E , называемый ключом зашифрования.

В стандарте ГОСТ 28147-89 (стандарт определяет отечественный алгоритм симметричного шифрования) понятие ключ определено следующим образом: "Конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований".

Ключ может принадлежать определенному пользователю или группе пользователей и являться для них уникальным. Зашифрованная с использованием конкретного ключа информация может быть расшифрована только с использованием только этого же ключа или ключа, связанного с ним определенным соотношением.

Аналогичным образом можно представить и расшифрование:

M" = D k2 (C),

где:
M" - сообщение, полученное в результате расшифрования,
D (decryption) - функция расшифрования; так же, как и функция зашифрования, выполняет криптографические преобразования над шифртекстом,
k2 - ключ расшифрования.

Для получения в результате расшифрования корректного открытого текста (то есть того самого, который был ранее зашифрован: M" = M), необходимо одновременное выполнение следующих условий:

1. Функция расшифрования должна соответствовать функции зашифрования.
2. Ключ расшифрования должен соответствовать ключу зашифрования.

При отсутствии верного ключа k2 получить исходное сообщение M" = M с помощью правильной функции D невозможно. Под словом "невозможно" в данном случае обычно понимается невозможность вычисления за реальное время при существующих вычислительных ресурсах.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории (см. рис. 1):

1. Алгоритмы симметричного шифрования.
2. Алгоритмы асимметричного шифрования.

В алгоритмах симметричного шифрования для расшифрования обычно используется тот же самый ключ, что и для зашифрования, или ключ, связанный с ним каким-либо простым соотношением. Последнее встречается существенно реже, особенно в современных алгоритмах шифрования. Такой ключ (общий для зашифрования и расшифрования) обычно называется просто ключом шифрования .

В асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 легко вычисляется из ключа k2 таким образом, что обратное вычисление невозможно. Например, соотношение ключей может быть таким:

k1 = a k2 mod p,

где a и p - параметры алгоритма шифрования, имеющие достаточно большую размерность.

Такое соотношение ключей используется и в алгоритмах электронной подписи.

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

Симметричное шифрование менее удобно из-за того, что при передаче зашифрованной информации кому-либо необходимо, чтобы адресат заранее получил ключ для расшифрования информации. У асимметричного шифрования такой проблемы нет (поскольку открытый ключ можно свободно передавать по сети), однако, есть свои проблемы, в частности, проблема подмены открытого ключа и медленная скорость шифрования. Наиболее часто асимметричное шифрование используется в паре с симметричным - для передачи ключа симметричного шифрования, на котором шифруется основной объем данных. Впрочем, схемы хранения и передачи ключей - это тема отдельной статьи. Здесь же позволю себе утверждать, что симметричное шифрование используется гораздо чаще асимметричного, поэтому остальная часть статьи будет посвящена только симметричному шифрованию.

Симметричное шифрование бывает двух видов:

• Блочное шифрование - информация разбивается на блоки фиксированной длины (например, 64 или 128 бит), после чего эти блоки поочередно шифруются. Причем, в различных алгоритмах шифрования или даже в разных режимах работы одного и того же алгоритма блоки могут шифроваться независимо друг от друга или "со сцеплением" - когда результат зашифрования текущего блока данных зависит от значения предыдущего блока или от результата зашифрования предыдущего блока.
• Поточное шифрование - необходимо, прежде всего, в тех случаях, когда информацию невозможно разбить на блоки - скажем, некий поток данных, каждый символ которых должен быть зашифрован и отправлен куда-либо, не дожидаясь остальных данных, достаточных для формирования блока. Поэтому алгоритмы поточного шифрования шифруют данные побитно или посимвольно. Хотя стоит сказать, что некоторые классификации не разделяют блочное и поточное шифрование, считая, что поточное шифрование - это шифрование блоков единичной длины.

Рассмотрим, как выглядят изнутри алгоритмы блочного симметричного шифрования.Структура алгоритмов шифрования

Подавляющее большинство современных алгоритмов шифрования работают весьма схожим образом: над шифруемым текстом выполняется некое преобразование с участием ключа шифрования, которое повторяется определенное число раз (раундов). При этом, по виду повторяющегося преобразования алгоритмы шифрования принято делить на несколько категорий. Здесь также существуют различные классификации, приведу одну из них. Итак, по своей структуре алгоритмы шифрования классифицируются следующим образом:

1. Алгоритмы на основе сети Фейстеля.

   Сеть Фейстеля подразумевает разбиение обрабатываемого блока данных на несколько субблоков (чаще всего - на два), один из которых обрабатывается некоей функцией f() и накладывается на один или несколько остальных субблоков. На рис. 2 приведена наиболее часто встречающаяся структура алгоритмов на основе сети Фейстеля.
   
   

   Рис. 2. Структура алгоритмов на основе сети Фейстеля.

   Дополнительный аргумент функции f() , обозначенный на рис. 2 как Ki , называется ключом раунда . Ключ раунда является результатом обработки ключа шифрования процедурой расширения ключа, задача которой - получение необходимого количества ключей Ki из исходного ключа шифрования относительно небольшого размера (в настоящее время достаточным для ключа симметричного шифрования считается размер 128 бит). В простейших случаях процедура расширения ключа просто разбивает ключ на несколько фрагментов, которые поочередно используются в раундах шифрования; существенно чаще процедура расширения ключа является достаточно сложной, а ключи Ki зависят от значений большинства бит исходного ключа шифрования.

   Наложение обработанного субблока на необработанный чаще всего выполняется с помощью логической операции "исключающее или" - XOR (как показано на рис. 2). Достаточно часто вместо XOR здесь используется сложение по модулю 2 n , где n - размер субблока в битах. После наложения субблоки меняются местами, то есть в следующем раунде алгоритма обрабатывается уже другой субблок данных.

   Такая структура алгоритмов шифрования получила свое название по имени Хорста Фейстеля (Horst Feistel) - одного из разработчиков алгоритма шифрования Lucifer и разработанного на его основе алгоритма DES (Data Encryption Standard) - бывшего (но до сих пор широко используемого) стандарта шифрования США. Оба этих алгоритма имеют структуру, аналогичную показанной на рис. 2. Среди других алгоритмов, основанных на сети Фейстеля, можно привести в пример отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89, а также другие весьма известные алгоритмы: RC5, Blowfish, TEA, CAST-128 и т.д.

   На сети Фейстеля основано большинство современных алгоритмов шифрования - благодаря множеству преимуществ подобной структуры, среди которых стоит отметить следующие:

   • Алгоритмы на основе сети Фейстеля могут быть сконструированы таким образом, что для зашифрования и расшифрования могут использоваться один и тот же код алгоритма - разница между этими операциями может состоять лишь в порядке применения ключей Ki; такое свойство алгоритма наиболее полезно при его аппаратной реализации или на платформах с ограниченными ресурсами; в качестве примера такого алгоритма можно привести ГОСТ 28147-89.

Алгоритмы на основе сети Фейстеля являются наиболее изученными - таким алгоритмам посвящено огромное количество криптоаналитических исследований, что является несомненным преимуществом как при разработке алгоритма, так и при его анализе.

Существует и более сложная структура сети Фейстеля, пример которой приведен на рис. 3.



Рис. 3. Структура сети Фейстеля.

Такая структура называется обобщенной или расширенной сетью Фейстеля и используется существенно реже традиционной сети Фейстеля. Примером такой сети Фейстеля может служить алгоритм RC6.

2. Алгоритмы на основе подстановочно-перестановочных сетей (SP-сеть - Substitution-permutation network).

   В отличие от сети Фейстеля, SP-сети обрабатывают за один раунд целиком шифруемый блок. Обработка данных сводится, в основном, к заменам (когда, например, фрагмент входного значения заменяется другим фрагментом в соответствии с таблицей замен, которая может зависеть от значения ключа Ki ) и перестановкам, зависящим от ключа Ki (упрощенная схема показана на рис. 4).
   
   

   Рис. 4. Подстановочно-перестановочная сеть.

   Впрочем, такие операции характерны и для других видов алгоритмов шифрования, поэтому, на мой взгляд, название "подстановочно-перестановочная сеть" является достаточно условным.

   SP-сети распространены существенно реже, чем сети Фейстеля; в качестве примера SP-сетей можно привести алгоритмы Serpent или SAFER+.

3. Алгоритмы со структурой "квадрат" (Square).

   Для структуры "квадрат" характерно представление шифруемого блока данных в виде двумерного байтового массива. Криптографические преобразования могут выполняться над отдельными байтами массива, а также над его строками или столбцами.

   Структура алгоритма получила свое название от алгоритма Square, который был разработан в 1996 году Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Деймен (Joan Daemen) - будущими авторами алгоритма Rijndael, ставшего новым стандартом шифрования США AES после победы на открытом конкурсе. Алгоритм Rijndael также имеет Square-подобную структуру; также в качестве примера можно привести алгоритмы Shark (более ранняя разработка Риджмена и Деймен) и Crypton. Недостатком алгоритмов со структурой "квадрат" является их недостаточная изученность, что не помешало алгоритму Rijndael стать новым стандартом США.
   
   

   Рис. 5. Алгоритм Rijndael.

   На рис. 5 приведен пример операции над блоком данных, выполняемой алгоритмом Rijndael.

Алгоритмы с нестандартной структурой, то есть те алгоритмы, которые невозможно причислить ни к одному из перечисленных типов. Ясно, что изобретательность может быть безгранична, поэтому классифицировать все возможные варианты алгоритмов шифрования представляется сложным. В качестве примера алгоритма с нестандартной структурой можно привести уникальный по своей структуре алгоритм FROG, в каждом раунде которого по достаточно сложным правилам выполняется модификация двух байт шифруемых данных (см. рис. 6).



Рис. 6. Модификация двух байт шифруемых данных.

Строгие границы между описанными выше структурами не определены, поэтому достаточно часто встречаются алгоритмы, причисляемые различными экспертами к разным типам структур. Например, алгоритм CAST-256 относится его автором к SP-сети, а многими экспертами называется расширенной сетью Фейстеля. Другой пример - алгоритм HPC, называемый его автором сетью Фейстеля, но относимый экспертами к алгоритмам с нестандартной структурой.

Существует два основных типа шифрования: с секретным ключом и с открытым ключом. При шифровании с секретным ключом требуется, чтобы все стороны, имеющие право на прочтение информации, имели один и тот же ключ . Это позволяет свести общую проблему безопасности информации к проблеме обеспечения защиты ключа. Шифрование с открытым ключом является наиболее широко используемым методом шифрования. Он обеспечивает конфиденциальность информации и гарантию того, что информация остается неизменной в процессе передачи.

В чем суть шифрования на секретном ключе ?

Шифрование на секретном ключе также называется симметричным шифрованием, так как для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ . На рисунке 12.2 показан базовый принцип шифрования с секретным ключом. Как видно из рисунка, отправитель и получатель информации должны иметь одинаковый ключ .

Рис. 12.2.

Шифрование с секретным ключом обеспечивает конфиденциальность информации в зашифрованном состоянии. Расшифровать сообщение могут только те лица, которым известен ключ . Любое изменение в сообщении, внесенное во время передачи, будет обнаружено, так как после этого не удастся правильно расшифровать сообщение. Шифрование с секретным ключом не обеспечивает аутентификацию, поскольку любой пользователь может создавать, шифровать и отправлять действительное сообщение.

В общем, шифрование с секретным ключом быстро и легко реализуется с помощью аппаратных или программных средств.

Подстановочные шифры

Подстановочные шифры существуют уже около 2500 лет. Самым ранним примером является шифр Атбаш. Он возник примерно в 600 году до н.э. и заключался в использовании еврейского алфавита в обратном порядке.

Юлий Цезарь использовал подстановочный шифр , который так и назывался - шифр Цезаря. Этот шифр заключался в замещении каждой буквы другой буквой, расположенной в алфавите на три буквы дальше от шифруемой. Таким образом, буква A преобразовывалась в D, B преобразовывалась в E, а Z преобразовывалась в C.

Из этого примера видно, что подстановочный шифр обрабатывает за один раз одну букву открытого текста . Сообщение может быть прочитано обоими абонентами при использовании одной и той же схемы подстановки. Ключом в шифре подстановки является либо число букв сдвига, либо полностью переупорядоченный алфавит .

Подстановочные шифры имеют один большой недостаток - неизменная частота букв в исходном алфавите. В английском языке, например, буква "E" является наиболее часто используемой. Если заменить ее другой буквой, то чаще всего будет использоваться новая буква (при рассмотрении большого числа сообщений). При помощи такого анализа подстановочный шифр может быть взломан. Дальнейшая разработка анализа частоты вхождений букв позволяет получить наиболее часто встречающиеся комбинации из двух и трех букв. С помощью такого анализа можно взломать любой подстановочный шифр , если атакующий получит достаточное количество шифрованного текста.

Одноразовые блокноты

Одноразовые блокноты (One- time Pad , OTP ) являются единственной теоретически невзламываемой системой шифрования. Одноразовый блокнот представляет собой список чисел в случайном порядке, используемый для кодирования сообщения (см. табл. 12.1). Как видно из названия системы, OTP может использоваться только один раз. Если числа в OTP являются действительно случайными, OTP имеет большую длину, чем сообщение, и используется только один раз, то шифрованный текст не предоставляет какого-либо механизма для восстановления исходного ключа (т. е. самого OTP ) и, следовательно, сообщений.

Одноразовые блокноты используются в информационных средах с очень высоким уровнем безопасности (но только для коротких сообщений). Например, в Советском Союзе OTP использовался для связи разведчиков с Москвой. Двумя основными недостатками OTP являются генерация действительно случайных блокнотов и проблема распространения блокнотов. Очевидно, что если блокнот выявляется, то раскрывается и та информация , которую он защищает. Если блокноты не являются действительно случайными, могут быть выявлены схемы, которые можно использовать для проведения анализа частоты встречаемых символов.