Криптографическая защита информации

Александра Прохорова

Фрагмент из книги Александра Прохорова "Интернет: Как это работает", информацию о книге можно найти по адресу .

Рассмотрим конкретный пример. Пусть директор фирмы А отправляет директору фирмы В важный документ по электронной почте (рис. 1). Какие возникают проблемы с точки зрения безопасности коммуникации?

Получая письмо, директор фирмы В задается следующими вопросами. Действительно ли данный документ был отправлен директором А (идентификация отправителя). Ведь есть вероятность, что письмо пришло от другого лица, которое выдает себя за директора фирмы А. Не был ли документ перехвачен и изменен на пути доставки (аутентификация послания). Не был ли документ прочитан кем-либо кроме получателя (сохранение тайны)

Электронное письмо и прикрепленные файлы можно без труда прочитать в промежуточных пунктах его путешествия по Сети, например, на сервере провайдера

Известно, что сохранения тайны (конфиденциальности послания) можно достичь путем шифрования данных. Оказывается, на базе шифрования можно решить все три перечисленные задачи, и занимается этими вопросами криптография.

Криптография (от греч. "cryptos" - тайный) - это наука и технология шифрования важной информации для защиты ее от изменений и неавторизованного доступа. Криптография служит не только для перевода текстов в нечитаемую зашифрованную форму, но позволяет также решить задачи аутентификации и идентификации пользователей при работе их в Сети.

Криптография является основой безопасных коммуникаций. На рис. 1 мы привели пример переписки двух корреспондентов. Следует отметить, что в Сети мы общаемся не только с людьми, но и с различными службами. Например, когда мы собираемся скачать с какого-либо сервера программу, нам тоже важно знать, что данный сервер принадлежит именно фирме-разработчику, а не фирме-пирату, который незаконно распространяет пиратское ПО.

Шифрование с помощью ключа

Процесс шифрования с помощью ключа заключается в том, что открытый текст комбинируется с цепочкой чисел (ключом) по правилам некоторого алгоритма (криптографического алгоритма) с целью получения зашифрованного сообщения.

Предположим, что мы хотим зашифровать открытый текст "Привет Вася" с помощью простейшего алгоритма - замены букв их номерами в алфавите. В результате мы получим зашифрованный текст вида: 17 18 10 3 6 20 3 1 19 33. Очевидно, что если посторонний узнает алгоритм шифрования, то использовать его в дальнейшем невозможно.

Избежать данного недостатка возможно используя шифрование с ключом. Для того, чтобы пояснить суть процесса шифрования с ключом, приведем простой пример (рис. 3).

Выпишем буквы текста и под ними запишем их номера в алфавите. Третей строчкой запишем буквы ключа, повторяя это слово на всю строку. Под буквами ключа запишем их номера в алфавите, а в четвертой строчке запишем сумму, которая и будет зашифрованным сообщением: 20 19 29 36 и т.д.

Зная ключ и алгоритм, легко расшифровать сообщение: 20 - 3 = 17, а семнадцатая буква алфавита это "П" и т.д. Даже если злоумышленнику известен алгоритм, но не известен ключ, сообщение прочитать без длительной процедуры подбора ключа невозможно. Таким образом, один алгоритм можно использовать со многими ключами для разных каналов связи, закрепив за каждым корреспондентом отдельный ключ.

Очевидно, что чем длиннее ключ шифра, тем больше необходимо переборов различных комбинаций при расшифровке и тем соответственно сложнее раскодировать сообщение. Шифры с ключами длиной более 128 бит называют сильными.

Принцип шифрования с секретным ключом

Шифрование с симметричным ключом

Рассмотрим конкретный пример: пусть корреспонденты А и В пишут друг другу письмо (рис. 4). Каждый имеет свой секретный ключ (определенный секретный код), который можно использовать для шифрования данных, перед отправкой в Сеть. Для того, чтобы нагляднее изобразить схему шифрования, будем пользоваться пиктограммами (рис. 2), то есть изображать ключ в виде обычного ключа, а зашифрованное сообщение в виде документа заклеенного в конверт. Тогда процесс шифрования и расшифровки можно представить в виде рис. 3.

Схема шифрования с секретным (симметричным) ключом

Пользователь А зашифровывает сообщение своим секретным ключом, отсылает сообщение по Сети, а получатель В (пользуясь таким же секретным ключом) расшифровывает сообщение. Если посмотреть на рисунок, нетрудно убедиться, что схема симметрична. Левый и правый пользователь пользуются одинаковыми (симметричными) ключами, поэтому данный вид шифрования получил название шифрования с симметричным ключом.

Проблема шифрования с секретным ключом имеет определенные недостатки. Прежде всего, симметричное шифрование не позволяет решить проблему аутентификации. Например, А может написать письмо некоему третьему лицу С и заявить, что это сделал В.

Симметричный ключ должен быть установлен на компьютер отправителя и получателя до обмена секретными сообщениями. То есть заранее необходимо знать какие именно два компьютера будут "разговаривать" между собой. Очевидно, что шифрование для безопасного общения в Интернет имеет смысл в том случае, когда корреспондентам не нужно встречаться лично. Проблема возникает при передаче секретного ключа. Действительно. Если А передаст В секретный ключ в незашифрованном виде, то его могут перехватить. Если ключ послать в зашифрованном виде, то В не сможет его получить. Для переписки с несколькими корреспондентами необходимо иметь по одному ключу на каждого корреспондента, что неудобно. Для того, чтобы решить вышеуказанные проблемы, была предложена схема асимметричного шифрования (шифрования с публичным ключом).

Шифрование с публичным ключом

Шифрование с помощью публичного ключа основано на использовании пары ключей: закрытого (частного) и открытого (публичного) ключей.

Послание можно зашифровать и частным, и публичным ключом, а расшифровать только вторым ключом из пары. То есть послание, зашифрованное частным ключом можно расшифровать только публичным и наоборот. Частный ключ известен только владельцу, и его нельзя никому передавать, в то время как публичный ключ распространяется открыто всем корреспондентам.

Пару ключей - частный и публичный - можно использовать как для решения задач аутентификации (рис. 4), так и секретности (конфиденциальности) (рис. 6).

Согласно первой схеме (рис. 4): пользователь А заранее отсылает публичный ключ своим корреспондентам В и С, а затем отправляет им сообщение, зашифрованное своим частным ключом.

Сообщение мог послать только А (лишь он обладает частным ключом), то есть проблема аутентификации обеспечена. Но, например, B не уверен, что письмо не прочитал также С. Таким образом, проблема конфиденциальности не обеспечена

Схема, обеспечивающая секретность (конфиденциальность), представлена на рис. 6.

Сообщение может прочесть только А, так как лишь он обладает частным ключом, раскрывающим сообщение, то есть проблема конфиденциальности решена. Но А не может быть уверен, что сообщение не прислал B, выдающий себя за С. Таким образом, проблема аутентификации не решена

Для того чтобы обеспечить конфиденциальный обмен сообщениями в переписке двух лиц необходимо иметь две пары ключей рис 5.

Для того, чтобы обеспечить конфиденциальный обмен сообщениями в переписке двух лиц, необходимо иметь две пары ключей

При шифровании с помощью ключевой пары у Вас нет необходимости рассылать свой публичный ключ всем корреспондентам. Гораздо удобнее выложить этот ключ в Сети на некоем сервере с открытым доступом. Тогда каждый, может скачать данный ключ и послать Вам секретное сообщение, которое не прочтет никто кроме Вас.

13 июня 2017 в 13:37

Симметричное и асимметричное шифрование. Разбор алгоритма передачи шифрованных данных между серверами

• Алгоритмы ,
• Информационная безопасность ,
• Криптография

Условимся, что машина, которая передает шифрованные данные - это всегда машина A, а машина, которая их принимает - имеет условное обозначение B.

Библиотека решает два возможных случая (при необходимости довнесу функционал):

2) Случай, когда имеется машина и ей необходимо передать шифрованные данные на другую машину (B). В этом случае инициатором передачи является первая машина (А).

Библиотека реализует оба варианта, под каждый из которых есть демо:

Для первого случая в папке server_b_1 есть скрипт testGetDataFromA.php
Для второго случая в папке server_a_1 есть скрипт testPushDataToB.php

Библиотека для обоих случаев одна и та же Encode.php, но для первого случая требуются одни дополнительные скрипты, для второго случая другие, поэтому во избежании путаницы я разнес их функционально на папку server_a_1 и server_b_1 (возможно последующие версии библиотеки будут иметь другую структуру). Таким образом если для обоих машинах необходима реализация и первого случая передачи и второго - каждая такая машина будет иметь у себя обе папки.

Теперь о том как реализованы оба решения:

Суть обоих случаев сводится к тому, что машины обмениваются симметричным ключом для передачи шифрованного текста. Для этого обмена используется ассиметричное шифрование, а именно, одна из машин (X) генерирует пару ключей (публичный и приватный) и передает публичный ключ второй машине. Вторая машина генерирует симметричный ключ этим публичным ключом и возвращает первой, которая его расшифровывает своим приватным ключом. Отличие заключается в том кто является инициатором передачи - в случае если шифрованный текст нужно получить одна последовательность действий, если передать - другая. Рассмотренная библиотека так же делает дополнительные проверки, которые сводятся к тому, что вместе с шифрованным с помощью публичного ключа симметричного ключа передаются данные, которые знают только обе машины и которые можно менять раз в годик (или даже передавать в каждой транзакции если кто захочет поиграть с кодом).

Перед началом разбора реализации укажу лишь, что шифрование симметричного ключа происходит с использованием php функций шифрования Mcrypt по следующей схеме:

$encrypted_data = urlencode(base64_encode(mcrypt_encrypt(MCRYPT_RIJNDAEL_256, $sinc_key, $notice_text, MCRYPT_MODE_ECB))); $test_decrypted = trim(mcrypt_decrypt(MCRYPT_RIJNDAEL_256,$sinc_key, base64_decode(urldecode($encrypted_data)),MCRYPT_MODE_ECB));
Работа с асимметричным шифрованием происходит с использованием php OpenSSL

Итак:

Рассмотрю сначала упрощенные схемы обоих, указанных в самом начале случаев передачи, а потом более детально.

1) Случай, когда имеется машина (B), которой нужны данные от машины A (например, ей нужно получить толкен клиента) и эти данные должны быть получены безопасно. Т.е. инициатором передачи является машина B.

Машина B генерирует пару ключей (приватный и публичный) и делает запрос на машину A, отослав публичный ключ (приватный оставив у себя). Машина А генерирует симметричный ключ, шифрует им требуемую к передаче секретную информацию N. После этого машина А возвращает зашифрованный публичным ключом симметричный ключ, а так же зашифрованную симметричным ключом секретную информацию N. Машина B расшифровывает данные своим приватным ключом. В расшифрованных данных она получает симметричный ключ и зашифрованные им данные. С помощью симметричного ключа она расшифровывает секретные данные.

Нет гарантии, что машина A - именно наша машина, а не ФСБ-шника Анатолия. Поэтому реализация этого алгоритма библиотекой немного изменена подполнительной проверкой:

(Демо скрипта - server_b_1/testGetDataFromA.php)

На обоих машинах прописан секретный ключ SIGNATURE_KEY, который учавствует в дополнительной проверке. Машина B генерирует пару ключей (приватный и публичный), ключ текущей коннекции и делает запрос (http://.../server_a_1/getDataToB.php) на машину A, отослав ключ текущей коннекции и публичный ключ (приватный оставив у себя). Машина А генерирует симметричный ключ, шифрует им требуемую к передаче секретную информацию N. Также формируются допданные M, которые представляют собой md5 от строки содержащей SIGNATURE_KEY и ключ текущей коннекции. После этого машина А возвращает зашифрованную публичным ключом строку из симметричного ключа и допданных М, а так же зашифрованную симметричным ключом секретную информацию N. Машина B расшифровывает данные с симметричным ключом своим приватным ключом, генерирует строку, подданным М (поскольку вполне может вычислить md5 от строки содержащей SIGNATURE_KEY и ключ текущей коннекции). Если допданные совпадают (что является просто дополнительной проверкой для каждой транзакции, что машина A знает SIGNATURE_KEY, а следовательно - наша машина), машина В извлекает симметричный ключ с помощью которого она расшифровывает секретную информацию N.

2)Случай, когда имеется машина и ей необходимо передать шифрованные данные на другую машину (B). В этом случае инициатором передачи является первая машина (А).

Упрощенный алгоритм такой передачи сводится к следующему:

Перед передачей на машину B машине A нужен публичный ключ машины B чтобы передать информацию. Для этого она (машина А) сначала делает запрос на получение публичного ключа машине B. После получения машина A генерирует симметричный ключ, шифруем им требуемую информацию и все это шифрует полученным публичным ключом. Данные передаются машине В, которая расшифровывает пакет своим приватным ключом и симметричным ключом расшифровывает данные.

Нет гарантии, что мы получили публичный ключ от машины B, а не от ФСБ-шника Петрова. Поэтому реализация этого алгоритма библиотекой немного изменена дополнительными проверками:

(Демо скрипта - server_a_1/testPushDataToB.php)

На обоих машинах прописан секретный ключ SIGNATURE_KEY, который участвует в дополнительной проверке. Машина A, сгенерировав md5 от ключа текущей коннекции и SIGNATURE_KEY отправляет эти данные (вместе с незашифрованым ключом текущей коннекции) машине B (http://.../server_b_1/get_public_key.php), которая генерирует публичный ключ только если у нее получается такой же md5 от своего SIGNATURE_KEY и полученного ключа текущей коннекции. Это не решает вопроса, что публичный ключ будет получен именно от машины A, а не от машины ФСБ-шника Василия, но гарантирует машеине B, что она генерирует публичный ключ именно для машины A (хотя генерация публичного ключа - дело вообще говоря произвольное, но даже тут лучше перестраховаться). Вместе с публичным ключом генерируется md5 от SIGNATURE_KEY и вторым ключом текущей коннекции. Второй ключ текущей коннекции - произвольный хеш. Данные публичного ключа, второго ключа произвольной коннекции и указанный md5 возвращаются на машину A. Получив второй ключ произвольной коннекции машина A, зная SIGNATURE_KEY генерирует проверочный md5 и если он совпадает с тем, что машина получила - публичный ключ считается именно от машины B, а не от Василия.

Далее машина A (тут уже схема аналогична первому случаю передачи данных) генерирует симметричный ключ и доп проверку, которая представляет собой md5 от SIGNATURE_KEY и ключа текущей коннекции. Эти данные шифруются публичным ключом от машины B. Далее данные вместе с ключом текущей коннекции отправляются на машину B (http://.../server_b_1/pushDataFromA.php), которая генерирует на основе полученного из этих данных ключа текущей коннекции и SIGNATURE_KEY md5, сверяет с полученным, что дает гарантию, что данные не от ФСБ-шника Николая. Если все в порядке и проверка пройдена - с помощью приватного ключа извлекается симметричный ключ, которым уже расшифровывается сообщение.

Буду рад, если кому-то пригодится эта информация.

Единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Информатика. Защита информации: Симметричное шифрование. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

PGP.01 Понимание асимметричного шифрования

Шифр Цезаря. Симметричное шифрование

Субтитры

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».

16	3	2	13
5	10	11	8
9	6	7	12
4	15	14	1

Шифрование по магическому квадрату производилось следующим образом. Например, требуется зашифровать фразу: «ПриезжаюСегодня.». Буквы этой фразы вписываются последовательно в квадрат согласно записанным в них числам: позиция буквы в предложении соответствует порядковому числу. В пустые клетки ставится точка.

16.	3 и	2 р	13 д
5 з	10 е	11 г	8 ю
9 С	6 ж	7 а	12 о
4 е	15 я	14 н	1 П

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

определенный алгоритм шифрования, на вход которому подаются исходное незашифрованное сообщение, называемое также plaintext , и ключ. Выходом алгоритма является зашифрованное сообщение, называемое также ciphertext . Ключ является значением, не зависящим от шифруемого сообщения. Изменение ключа должно приводить к изменению зашифрованного сообщения.

Зашифрованное сообщение передается получателю. Получатель преобразует зашифрованное сообщение в исходное незашифрованное сообщение с помощью алгоритма дешифрования и того же самого ключа, который использовался при шифровании, или ключа, легко получаемого из ключа шифрования .

Незашифрованное сообщение будем обозначать P или M, от слов plaintext и message. Зашифрованное сообщение будем обозначать С, от слова ciphertext .

Безопасность, обеспечиваемая традиционной криптографией , зависит от нескольких факторов.

Во-первых, криптографический алгоритм должен быть достаточно сильным, чтобы передаваемое зашифрованное сообщение невозможно было расшифровать без ключа, используя только различные статистические закономерности зашифрованного сообщения или какие-либо другие способы его анализа.

Во-вторых, безопасность передаваемого сообщения должна зависеть от секретности ключа, но не от секретности алгоритма. Алгоритм должен быть проанализирован специалистами, чтобы исключить наличие слабых мест, при наличии которых плохо скрыта взаимосвязь между незашифрованным и зашифрованным сообщениями. К тому же при выполнении этого условия производители могут создавать дешевые аппаратные чипы и свободно распространяемые программы, реализующие данный алгоритм шифрования .

В-третьих, алгоритм должен быть таким, чтобы нельзя было узнать ключ, даже зная достаточно много пар (зашифрованное сообщение, незашифрованное сообщение), полученных при шифровании с использованием данного ключа.

Клод Шеннон ввел понятия диффузии и конфузии для описания стойкости алгоритма шифрования.

Диффузия - это рассеяние статистических особенностей незашифрованного текста в широком диапазоне статистических особенностей зашифрованного текста. Это достигается тем, что значение каждого элемента незашифрованного текста влияет на значения многих элементов зашифрованного текста или, что то же самое, любой элемент зашифрованного текста зависит от многих элементов незашифрованного текста.

Конфузия - это уничтожение статистической взаимосвязи между зашифрованным текстом и ключом.

Если Х - это исходное сообщение и K - криптографический ключ , то зашифрованный передаваемый текст можно записать в виде

Получатель, используя тот же ключ, расшифровывает сообщение

Противник, не имея доступа к K и Х, должен попытаться узнать Х , K или и то, и другое.

Алгоритмы симметричного шифрования различаются способом, которым обрабатывается исходный текст. Возможно шифрование блоками или шифрование потоком.

Блок текста рассматривается как неотрицательное целое число, либо как несколько независимых неотрицательных целых чисел. Длина блока всегда выбирается равной степени двойки. В большинстве блочных алгоритмов симметричного шифрования используются следующие типы операций:

Эти операции циклически повторяются в алгоритме, образуя так называемые раунды . Входом каждого раунда является выход предыдущего раунда и ключ, который получен по определенному алгоритму из ключа шифрования K . Ключ раунда называется подключом . Каждый алгоритм шифрования может быть представлен следующим образом:

Рис. 2.2.

Области применения

Стандартный алгоритм шифрования должен быть применим во многих приложениях:

• Шифрование данных . Алгоритм должен быть эффективен при шифровании файлов данных или большого потока данных.
• Создание случайных чисел. Алгоритм должен быть эффективен при создании определенного количества случайных бит.
• Хэширование. Алгоритм должен эффективно преобразовываться в одностороннюю хэш-функцию .

Платформы

Стандартный алгоритм шифрования должен быть реализован на различных платформах, которые, соответственно, предъявляют различные требования.

• Алгоритм должен эффективно реализовываться на специализированной аппаратуре, предназначенной для выполнения шифрования/ дешифрования .
• Большие процессоры. Хотя для наиболее быстрых приложений всегда используется специальная аппаратура, программные реализации применяются чаще. Алгоритм должен допускать эффективную программную реализацию на 32-битных процессорах.
• Процессоры среднего размера. Алгоритм должен работать на микроконтроллерах и других процессорах среднего размера.
• Малые процессоры. Должна существовать возможность реализации алгоритма на смарт-картах , пусть даже с учетом жестких ограничений на используемую память.

Дополнительные требования

Алгоритм шифрования должен, по возможности, удовлетворять некоторым дополнительным требованиям.

• Алгоритм должен быть простым для написания кода, чтобы минимизировать вероятность программных ошибок.
• Алгоритм должен иметь плоское пространство ключей и допускать любую случайную строку бит нужной длины в качестве возможного ключа . Наличие слабых ключей нежелательно.
• Алгоритм должен легко модифицироваться для различных уровней безопасности и удовлетворять как минимальным, так и максимальным требованиям.
• Все операции с данными должны осуществляться над блоками, кратными байту или 32-битному слову.

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 .