Асимметричное шифрование. Как это работает? Как работает шифрование

1. Шифрование происходит с обеих сторон. Ведь если шифровать будет только одна сторона (например только сервер), значит трафик от другой стороны (от клиента) будет не зашифрован. Его можно будет подслушать или даже изменить.

Формально никто не передает никому ключ. В протоколе TLS клиент и сервер должны сгенерировать общий секрет (shared secret), набор из 48 байт. Потом клиент и сервер на основании общего секрета вычисляют ключи: ключ шифрования клиента и ключ шифрования сервера. Процедура вычисления ключей из общего секрета стандартная, и задана в описании протокола TLS. Сервер и клиент знают 2 ключа шифрования, одним шифруют, вторым дешифруют. А теперь самое интересное - как клиент и сервер вычисляют общий секрет. Это зависит от выбранного набора шифров:

• TLS_RSA_WITH_: В данном случае клиент сам создает общий секрет генерируя 48 случайных байт. Затем он шифрует их при помощи публичного RSA ключа, который находится в сертификате сервера. Сервер получает зашифрованные данные, и расшифровывает их при помощи приватного RSA ключа. Данная схема используется редко.
• TLS_DHE_RSA_/TLS_ECDHE_RSA_/TLS_ECDHE_ECDSA_: Здесь используется криптографическая схема Диффи-Хеллмана (DHE) или ее версия на эллиптических кривих (ECDHE). Суть схемы такая: сервер и клиент генерируют случайные большие числа (приватные ключи), вычисляют на их основе другие числа (публичные ключи), и пересылают друг другу. Имея свой приватный ключ и публичный ключ другой стороны, они вычисляют общий секрет. Третья сторона, которая прослушивает канал, видит только 2 публичных ключа, и она не может вычислить общий секрет. После этого все данные, которыми обменивались клиент и сервер для получение этого ключа подписываются сертификатом сервера (RSA или ECDSA подписи). Если клиент доверяет сертификату сервера, он проверяет эту подпись, и если она правильная, начинается уже обмен данными. Это наиболее часто используемая схема.
• Есть еще несколько схем, но они используются очень редко или не используются вообще.

Про перехват. Как я выше описал, перехватывать сообщения здесь бесполезно, так как в первом случае его может расшифровать только сервер, а во втором используется хитрая криптографическая схема.

Алгоритмы шифрования знает и сервер, и клиент. Ведь если клиент не знает, какой алгоритм шифрования, как он будет шифровать данные для отправки? В современной криптографии никто не использует закрытые алгоритмы. Открытые алгоритмы постоянно изучаются лучшими криптографами мира, ищутся уязвимости, и предлагаются решения для их обхода.

В TLS мы условно можем сказать, что алгоритмы меняются, так как каждый раз генерируются другие ключи шифрования. А потом, если вы хотите использовать закрытый алгоритм, например для просмотра веб-страницы, каким образом этот алгоритм может быть закрытый, если ваш компьютер/устройство производит шифрование/дешифрование?

Я упустил/упростил некоторые детали, что бы описать только основные идеи.

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.

Таблица 12.1. Функционирование одноразового блокнота

Сообщение	S	E	N	D	H	E	L	P
Буквы, замененные соответствующими числами	19	5	14	4	8	5	12	16
Одноразовый блокнот	7	9	5	2	12	1	0	6
Добавление

Почта любого владельца ПК может быть перехвачена, а коллегам ничто не мешает ознакомиться с вашими документами. Шифрование - кодирование информации, после которого ее нельзя прочесть без специального ключа, - сумеет защитить ваши данные от любопытных глаз. Когда-то к шифрованию прибегали одни шпионы, но сейчас оно быстро становится мерой разумной предосторожности для всех тех, кто дома или на работе использует компьютер: это лучшее средство сохранить служебную и личную тайну.

Независимо от того, применяется ли автономная утилита или встроенная функция почтовой программы, процесс шифрования происходит одинаково: данные обрабатываются по определенному алгоритму, в результате чего образуется зашифрованный текст. Алгоритму для работы необходимо получить от вас одну переменную - ключ, и из-за этого постороннему сложно, если не невозможно, раскрыть шифр.

Различается шифрование двух типов: симметричное и асимметричное (иначе называемое шифрованием с открытым ключом). При симметричном вы создаете ключ, пропускаете с ним файл через программу и пересылаете результат адресату, а ключ (пароль или другой файл данных) передаете отдельно. Запустив ту же самую шифровальную программу с полученным ключом, адресат сможет прочитать сообщение. Симметричное шифрование не так надежно, как асимметричное, поскольку ключ может быть перехвачен, но из-за высокой скорости оно широко используется в операциях электронной торговли.

Асимметричное шифрование сложнее - и надежнее. Для него нужны два взаимосвязанных ключа: открытый и закрытый. Свой открытый ключ вы сообщаете всем желающим. Он позволяет кодировать данные, но не раскодировать их. Закрытый ключ есть только у вас. Когда кому-то нужно послать вам зашифрованное сообщение, он выполняет шифрование, используя ваш открытый ключ. Получив сообщение, вы расшифровываете его с помощью своего закрытого ключа. За повышенную надежность асимметричного шифрования приходится платить: поскольку вычисления в этом случае сложнее, процедура отнимает больше времени.

Алгоритмы, применяемые для симметричного и асимметричного шифрования, основаны на различных принципах. При симметричном шифровании алгоритм разделяет данные на небольшие блоки, представляет каждый некоторым числом, преобразует эти числа по сложной математической формуле, в которую входит ключ, а затем повторяет преобразование; в некоторых случаях оно выполняется несколько десятков раз.

Алгоритм же асимметричного шифрования рассматривает текст как одно очень большое число. Он возводит это число в степень, которая также является очень большим числом, делит результат на еще одно очень большое число и вычисляет остаток, после чего преобразует этот остаток обратно в текст. Шифровальные программы могут по-разному использовать один и тот же алгоритм, поэтому чтобы получатель мог прочесть сообщение, у него должна быть такая же программа, как и у отправителя.

И наконец, последний фрагмент головоломки - это ключи. Они различаются по длине и, следовательно, по силе: ведь чем длиннее ключ, тем больше число возможных комбинаций. Скажем, если программа шифрования использует 128-битовые ключи, то ваш конкретный ключ будет одной из 3,4 триллиона миллиардов миллиардов миллиардов, или 2128 возможных комбинаций нулей и единиц. Хакер с большей вероятностью выиграет в лотерею, чем взломает такой уровень шифрования методом «грубой силы» (т. е. планомерно пробуя ключи, пока не встретится нужный). Для сравнения: чтобы подобрать на стандартном ПК симметричный 40-битовый ключ, специалисту по шифрованию потребуется около 6 часов. Однако даже шифры со 128-битовым ключом до некоторой степени уязвимы; у профессионалов имеются изощренные методы, которые позволяют взламывать даже самые сложные коды.

Незримые защитники

Шифрование применялось в военных целях с 479 г. до н. э.: как сообщает древнегреческий историк Геродот, секретные донесения на деревянных табличках, покрытых воском, предупредили спартанских вождей о надвигающемся вторжении персов. В информационных системах предприятий шифрование также используется уже много лет. А домашние пользователи начинают приобщаться к нему только сейчас, причем иногда они об этом и не знают.

Так, Microsoft Internet Explorer и Netscape Communicator содержат встроенные средства шифрования для операций электронной торговли. Без каких бы то ни было указаний со стороны пользователя номера кредитных карточек передаются с компьютера пользователя на Web-сервер зашифрованными по симметричному протоколу SSL (Secure Sockets Layer). По умолчанию используются 40-битовые ключи, но для обоих браузеров доступна также версия со 128-битовыми ключами.

Можно сыграть в защите своих данных и более активную роль. Популярные почтовые программы, в том числе Microsoft Outlook и Lotus Notes, в настоящее время позволяют шифровать письма. Многие «почтальоны» поддерживают протокол асимметричного шифрования S/MIME (Secure MIME, защищенный MIME), хотя лишь немногие пользователи его применяют. Для работы с S/MIME требуется цифровой идентификатор - «сертификат», который нужно покупать у компаний, таких как VeriSign, за 15 долл. в год.

Дополнительную защиту могут обеспечить автономные утилиты, которые шифруют не только почтовые сообщения, но и файлы с изображениями, документы, папки на жестком диске и т. д. Наиболее популярной из них является PGP. Ее бесплатную версию для некоммерческого использования можно получить по адресу web.mit.edu/network/pgp.html.

Аналитики предполагают, что применение систем сильного шифрования расширится благодаря недавним изменениям в регулировании экспорта криптографических систем Министерством торговли США. До 13 января большинство программ шифрования проходили по категории вооружений и подпадали под те же экспортные ограничения, что ручные гранаты или ракеты. Экспорт шифровальных программ с ключами длиннее 40 бит запрещался под страхом высокого штрафа или тюрьмы. Новые правила разрешают вывоз из США некоторых систем шифрования. По словам аналитиков, поначалу это не будет иметь серьезного эффекта, поскольку большинство шифровальных программ созданы за пределами Штатов, а импорт ПО этого типа уже был разрешен. Выгоду из изменений в законодательстве должны извлечь производители ПО, которым больше не нужно будет разрабатывать криптографические средства за границей.

Эндрю Брандт, Александра Красне

Об авторах

Эндрю Брандт - внештатный редактор PC World, Александра Красне - редактор и корреспондент PC World.

Симметричное шифрование

1 Чтобы послать зашифрованное сообщение, отправитель сочиняет его и придумывает шифровальный ключ. 2 Он пересылает ключ получателю по каналу, отличному от того, которым пойдет сообщение. 3 Программа шифрования превращает открытый текст в зашифрованный. 4 Зашифрованный текст пересылается получателю. 5 Получатель прочитывает его, используя имеющийся у него ключ.

Асимметричное шифрование

У отправителя и получателя одна и та же программа шифрования. 1 Чтобы кто-либо мог послать вам зашифрованное сообщение, вы заранее генерируете с помощью своей шифровальной программы открытый и закрытый ключи, после чего посылаете соответствующему человеку открытый. 2 Используя алгоритм шифрования и ваш открытый ключ, он получает зашифрованное сообщение. 3 Сообщение пересылается вам. 4 Вы расшифровываете сообщение, используя алгоритм расшифровки и свой закрытый ключ. Чтобы послать ответ, вам понадобится открытый ключ адресата.

Решение задачи определения ключа путем простого перебора всех возможных вариантов, как правило, является непрактичным, за исключением использования очень короткого ключа. Следовательно, если криптоаналитик хочет иметь реальные шансы на вскрытие шифра, он должен отказаться от «лобовых» методов перебора и применить другую стратегию. При раскрытии многих схем шифрования может применяться статистический анализ, использующий частоту появления отдельных символов или их комбинаций. Для усложнения решения задачи вскрытия шифра с использованием статистического анализа К. Шеннон предложил две концепции шифрования, получившие название смешения (confusion ) и диффузии (diffusion ). Смешение – это применение такой подстановки, при которой взаимосвязь между ключом и шифрованным текстом становится как можно более сложной. Применение данной концепции усложняет применение статистического анализа, сужающего область поиска ключа, и дешифрование даже очень короткой последовательности криптограммы требует перебора большого количества ключей. В свою очередь диффузия – это применение таких преобразований, которые сглаживают статистические различия между символами и их комбинациями. В результате использование криптоаналитиком статистического анализа может привести к положительному результату только при перехвате достаточно большого отрезка шифрованного текста.

Реализация целей провозглашаемых данными концепциями достигается путем многократного применения элементарных методов шифрования таких, как метод подстановки, перестановки и скремблирования.

10.4.1. Метод подстановки.

Простейшим и имеющим наибольшую историю является метод подстановки, суть которого заключается в том, что символ исходного текста заменяется другим, выбранным из этого или другого алфавита по правилу, задаваемому ключом шифрования. Местоположение символа в тексте при этом не изменяется. Одним из ранних примеров использования метода постановки является шифр Цезаря , который использовался Гаем Юлием Цезарем во время его Галльских походов. В нем каждая буква открытого текста заменялась другой, взятой из того же алфавита, но циклически сдвинутого на определенное количество символов. Применение данного метода шифрования иллюстрирует пример, представленный на рис.10.3, в котором шифрующее преобразование основано на использовании алфавита с циклическим сдвигом на пять позиций.

Рис. 10.3 , а )

Исходный текст

Криптограмма

Рис. 10.3 , б )

Очевидно, что ключом шифра служит величина циклического сдвига. При выборе другого ключа, чем указано в примере, шифр будет изменяться.

Другим примером классической схемы, основанной на методе подстановки, может служить система шифрования, называемая квадратом Полибиуса . Применительно к русскому алфавиту данная схема может быть описана следующим образом. Первоначально объединяются в одну буквы Е, Ё; И, Й и Ъ, Ь, истинное значение которых в дешифрованном тексте легко восстанавливается из контекста. Затем 30 символов алфавита размещаются в таблицу размером 65, пример заполнения которой представлен на рис. 10.4.

Рис. 10.4.

Шифрование любой буквы открытого текста осуществляется заданием ее адреса (т.е. номера строки и столбца или наоборот) в приведенной таблице. Так, например, слово ЦЕЗАРЬ шифруется с помощью квадрата Полибиуса как 52 21 23 11 41 61. Совершенно ясно, что изменение кода может быть осуществлено в результате перестановок букв в таблице. Следует также заметить, что те, кто посещал экскурсию по казематам Петропавловской крепости, должно быть памятны слова экскурсовода о том, как заключенные перестукивались между собой. Очевидно, что их способ общения полностью подпадает под данный метод шифрования.

Примером полиалфавитного шифра может служить схема, основанная на т.н. прогрессивном ключе Тритемиуса . Основой данного способа шифрования служит таблица, представленная на рис. 10.5, строки которой представляют собой циклически сдвинутые на одну позицию копии исходного алфавита. Так, первая строка имеет нулевой сдвиг, вторая циклически сдвинута на одну позицию влево, третья – на две позиции относительно первой строки и т.д.

Рис. 10.5.

Один из методов шифрования с помощью подобной таблицы состоит в использовании вместо первого символа открытого текста символа из первого циклического сдвига исходного алфавита, стоящего под шифруемым символом, второго символа открытого текста – из строки, соответствующей второму циклическому сдвигу и т.д. Пример шифрования сообщения подобным образом представлен ниже (рис. 10.6).

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.6.

Известны несколько интересных вариантов шифров, основанных на прогрессивном ключе Тритемиуса. В одном из них, называемом методом ключа Вижинера , применяется ключевое слово, которое указывает строки для шифрования и расшифрования каждого последующего символа открытого текста: первая буква ключа указывает строку таблицы на рис. 10.5, с помощью которой шифруется первый символ сообщения, вторая буква ключа определяет строку таблицы, шифрующей второй символ открытого текста и т.д. Пусть в качестве ключа выбрано слово «ТРОМБ», тогда сообщение, зашифрованное с помощью ключа Вижинера, может быть представлено следующим образом (рис. 10.7). Очевидно, что вскрытие ключа возможно осуществить на основе статистического анализа шифрограммы.

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.7.

Разновидностью этого метода является т.н. метод автоматического (открытого ) ключа Вижинера , в котором в качестве образующего ключа используется единственная буква или слово. Этот ключ дает начальную строку или строки для шифрования первого или нескольких первых символов открытого текста аналогично ранее рассмотренному примеру. Затем в качестве ключа для выбора шифрующей строки используются символы открытого текста. В приведенном ниже примере в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.8):

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.8.

Как показывает пример, выбор строк шифрования полностью определяется содержанием открытого текста, т.е. в процесс шифрования вводится обратная связь по открытому тексту.

Еще одной разновидностью метода Вижинера служит метод автоматического (шифрованного ) ключа Вижинера . В нем, подобно шифрованию с открытым ключом, также используется образующий ключ и обратная связь. Отличие состоит в том, что после шифрования с помощью образующего ключа, каждый последующий символ ключа в последовательности берется не из открытого текста, а из получаемой криптограммы. Ниже представлен пример, поясняющий принцип применения данного метода шифрования, в котором, как и ранее, в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.9):

Открытый текст

Шифрованный текст

Рис. 10.9.

Как видно из приведенного примера, хотя каждый последующий символ ключа определяется предшествующим ему символом криптограммы, функционально он зависит от всех предшествующих символов открытого сообщения и образующего ключа. Следовательно, наблюдается эффект рассеивания статистических свойств исходного текста, что затрудняет применение статистического анализа криптоаналитиком. Слабым звеном данного метода является то, что шифрованный текст содержит символы ключа.

По нынешним стандартам шифрование по методу Вижинера не считается защищенным, основным же вкладом является открытие того, что неповторяющиеся ключевые последовательности могут быть образованы с использованием либо самих сообщений, либо функций от сообщений.

Вариантом реализации подстановочной технологии, который в достаточной степени реализует концепцию смешения, служит следующий пример, базирующийся на нелинейном преобразовании. Поток информационных бит предварительно разбивается на блоки длиной m , причем каждый блок представляется одним из различных символов. Затем множество из
символов перемешивается таким образом, чтобы каждый символ заменялся другим символом из этого множества. После операции перемешивания символ вновь превращается вm –битовый блок. Устройство, реализующее описанный алгоритм при
, представлено нарис. 10.10, где в таблице задано правило перемешивания символов множества из
элементов.

Рис. 10.10.

Не составляет труда показать, что существует
различных подстановок или связанных с ними возможных моделей. В связи, с чем при больших значенияхm задача криптоаналитика становится в вычислительном плане практически невозможной. Например, при
число возможных подстановок определяется как
, т.е. представляет собой астрономическое число. Очевидно, что при подобном значенииm данное преобразование с помощью блока подстановки (substitution block , S –блок) можно считать обладающим практической секретностью. Однако его практическая реализация вряд ли возможна, поскольку предполагает существование
соединений.

Убедимся теперь, что S –блок, представленный на рис. 10.10, действительно осуществляет нелинейное преобразование, для чего воспользуемся принципом суперпозиций: преобразование
является линейным, если. Предположим, что
, а
. Тогда, а, откуда следует, чтоS –блок является нелинейным.

10.4.2. Метод перестановки.

При перестановке (или транспозиции ) в соответствии с ключом изменяется порядок следования символов открытого текста, а значение символа при этом сохраняется. Шифры перестановки являются блочными, т. е. исходный текст предварительно разбивается на блоки, в которых и осуществляется заданная ключом перестановка.

Простейшим вариантом реализации данного метода шифрования может служить рассмотренный ранее алгоритм перемежения, суть которого заключается в разбиении потока информационных символов на блоки длиной
, построчной записи его в матрицу памяти размеромстрок истолбцов и считывании по столбцам. Иллюстрацией данному алгоритму служит пример с
на рис. 10.11, в ходе которого производится запись фразыX =«скоро начнется экзаменационная пора». Тогда на выходе устройства перестановки будет получена криптограмма вида

Рис. 10.11.

Рассмотренный вариант метода перестановки может быть усложнен введением ключей
и
, определяющих порядок записи строк и считывания столбцов соответственно, иллюстрацией чему служит таблица на рис. 10.12. Результата преобразования будет иметь следующий вид

Рис. 10.12.

На рис. 10.13 приведен пример бинарной перестановки данных (линейная операция), из которого видно, что данные просто перемешиваются или переставляются. Преобразование осуществляется с помощью блока перестановки (permutation block , P –блок). Технология перестановки, реализуемая этим блоком, имеет один основной недостаток: она уязвима по отношению к обманным сообщениям. Обманное сообщение изображено на рис. 10.13 и заключается в подаче на вход одной единственной единицы при остальных нулях, что позволяет обнаружить одну из внутренних связей. Если криптоаналитику необходимо осуществить анализ подобной схемы с помощью атаки открытого текста, то он отправит последовательность подобных обманных сообщений, смещая при каждой передаче единственную единицу на одну позицию. В результате подобной атаки будут установлены все связи входа и выхода. Данный пример демонстрирует, почему защищенность схемы не должна зависеть от ее архитектуры.

10.4.3. Метод гаммирования .

Попытки приблизиться к совершенной секретности демонстрируют многие современные телекоммуникационные системы, использующие операцию скремблирования. Подскремблированием понимается процесс наложения на коды символов открытого текста кодов случайной последовательности чисел, которую называют также гаммой (по названию буквы  греческого алфавита, используемой в математических формулах для обозначения случайного процесса). Гаммирование относится к поточным методам шифрования, когда следующие друг за другом символы открытого текста последовательно превращаются в символы шифрограммы, что повышает скорость преобразования. Так, например, поток информационных бит поступает на один вход сумматора по модулю 2, изображенного на рис. 10.14, тогда как на второй – скремблирующая двоичная последовательность
. В идеале последовательность
должна быть случайной последовательностью с равновероятными значениями нулей и единиц. Тогда выходной шифрованный поток
будет статистически независимым от информационной последовательности
, а значит, будет выполняться достаточное условие совершенной секретности. В действительности абсолютная случайность
не является необходимой, поскольку в противном случае получатель не сможет восстановить открытый текст. Действительно, восстановление открытого текста на приемной стороне должно производиться по правилу
, так что на приемной стороне должна генерироваться точно такая же скремблирующая последовательность и с той же фазой. Однако вследствие абсолютной случайности
данная процедура становится невозможной.

На практике в качестве скремблирующих широкое применение нашли псевдослучайные последовательности (ПСП), которые могут быть воспроизведены на приемной стороне. В технологии поточного шифрования для формирования ПСП обычно используют генератор на основелинейного регистра сдвига с обратной связью (linear feedback shift register (LFSR)). Типичная структура генератора ПСП, представленная на рис. 10.15, включает регистр сдвига, который состоит из – ичных элементов задержки или разрядов, имеющихвозможных состояний и хранящих некоторый элемент поля
в течение тактового интервала, схема обратной связи, включающей умножители элементов (состояний), хранящихся в разрядах, на константы, и сумматоров. Формирование ПСП описывается рекуррентным соотношением вида

где коэффициенты
– фиксированные константы, принадлежащие
, согласно которому каждый следующий элемент последовательности вычисляется на основанииn предшествующих.

Поскольку число различных состояний регистра конечно (не более ) неизбежна ситуация, когда после некоторого числа тактов состояние повторится в виде одного из ранее случившихся. Однако, стартуя с некоторой начальной загрузки, т.е. фиксированного состояния, схема на рис. 10.15 сформирует только единственную последовательность, определяемую упомянутой рекурсией. Следовательно, повторение состояния регистра ведет к повторению всех последующих генерируемых символов, означающее, что любая ПСП периодична. Более того, в случае нулевого состояния регистра (наличия нулей во всех разрядах) всегда будет формироваться бесконечная вырожденная последовательность, состоящая только из одних нулей. Очевидно, что подобный случай абсолютно бесперспективен, так что нулевое состояние регистра должно быть исключено. В результате остается не более
допустимых состояний регистра, что ограничивает максимально возможный период последовательности величиной, не большей
.

Пример 10.4.1. На рис. 10.16, a , представлена реализация генератора на основе регистра сдвига с линейной обратной связью, формирующего двоичную псевдослучайную последовательность периода
. Отметим, что в случае двоичной ПСП умножение на единицу эквивалентно простому соединению выхода разряда с сумматором. Рис. 10.16,b , иллюстрирует следующие друг за другом содержания регистра (состояния разрядов), а также состояния выхода обратной связи (точка ОС на схеме) при подаче тактовых импульсов. Последовательность считывается в виде последовательных состояний крайнего правого разряда. Считывание состояний других разрядов приводит к копиям той же самой последовательности, сдвинутой на один или два такта.

На первый взгляд можно предположить, что использование ПСП большого периода может обеспечить достаточно высокую защищенность. Так, например, в сотовой системе мобильной связи стандарта IS-95 в качестве скремблирующей используется ПСП периода
в числе элементарных чипов. При чиповой скорости 1.228810 6 симв/сек ее период составляет:

Следовательно, можно предполагать, что поскольку последовательность не повторяется в течение такого длительного периода, то она может рассматриваться случайной и обеспечивать совершенную секретность. Однако существует коренное отличие псевдослучайной последовательности от действительно случайной последовательности: псевдослучайная последовательность формируется согласно некоторому алгоритму. Таким образом, если известен алгоритм, то будет известна и сама последовательность. В результате этой особенности схема шифрования, использующая линейный регистр сдвига с обратной связью, оказывается уязвимой к атаке известного открытого текста.

Для определения отводов обратной связи, начального состояния регистра и всей последовательности криптоаналитику достаточно иметь всего
бит открытого текста и соответствующий им шифрованный текст. Очевидно, что величина 2n значительно меньше периода ПСП, равного
. Проиллюстрируем упомянутую уязвимость на примере.

Пример 10.4.2. Пусть в качестве скремблирующей используется ПСП периода
, генерируемая с помощью рекурсии вида

при начальном состоянии регистра 0001. В результате будет сформирована последовательность . Предположим, что криптоаналитику, которому ничего неизвестно о структуре обратной связи генератора ПСП, удалось получить
бит криптограммы и ее открытого эквивалента:

Тогда, сложив обе последовательности по модулю 2, криптоаналитик получает в свое распоряжение фрагмент скремблирующей последовательности, который показывает состояние регистра сдвига в различные моменты времени. Так, например, первые четыре бита ключевой последовательности отвечают состоянию регистра в некоторый момент времени . Если теперь сдвигать окно, выделяющее четверку битов на одну позицию вправо, то будут получены состояния регистра сдвига в последовательные моменты времени
. Учитывая линейную структуру схемы обратной связи, можно записать, что

где символ ПСП, который вырабатывается схемой обратной связи и подается на вход первого разряда регистра, а
определяет отсутствие или наличиеi –го соединения между выходом разряда регистра сдвига и сумматором, т.е. схему обратной связи.

Анализируя состояния регистра сдвига в четыре последовательные момента времени можно составить следующую систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

Решение данной системы уравнений дает следующие значения коэффициентов:

Таким образом, определив схему соединений обратной связи линейного регистра и зная его состояние в момент времени , криптоаналитик способен воспроизвести скремблирующую последовательность в произвольный момент времени, а значит, способен дешифровать перехваченную криптограмму.

Обобщив рассмотренный пример на случай произвольного регистра сдвига памяти n , исходное уравнение может быть представлено в виде

,

а система уравнений записана в следующей матричной форме

,

где
, а
.

Можно показать, что столбцы матрицы линейно независимы и, значит, существует обратная матрица
. Следовательно

.

Обращение матрицы требует порядка операций, так что при
имеем
, что для компьютера со скоростью работы одна операция за 1мкс потребует 1 сек на обращение матрицы. Очевидно, что слабость регистра сдвига обусловлена линейностью обратной связи.

Чтобы затруднить аналитику вычисление элементов ПСП при сопоставлении фрагментов открытого текста и шифровки, применяется обратная связь по выходу и шифротексту. На рис. 10.17 поясняется принцип введения обратной связи по шифротексту.

Рис. 10.17. Поточное шифрование с обратной связью.

Сначала передается преамбула, в которой содержится информация о параметрах генерируемой ПСП, в том числе и о значении начальной фазы Z 00 . По каждым n сформированным символам шифрограммы вычисляется и устанавливается в генераторе новое значение фазы
. Обратная связь делает метод гаммирования чувствительным к искажениям криптограммы. Так, из-за помех в канале связи могут исказиться некоторые принятые символы, что приведет к вычислению ошибочного значения фазы ПСП и затруднит дальнейшую расшифровку, но после полученияn правильных символов шифрованного текста система восстанавливается. В то же время такое искажение можно объяснить попыткой злоумышленника навязать ложные данные.

Количество людей, которые активно пользуются интернетом растет, как на дрожжах: на работе для решения корпоративных целей и администрирования, дома, в общественных местах. Распространение получают Wi-Fi сети и оборудование, позволяющее беспрепятственно получать доступ к интернету.

Вай фай сеть обладает зашитой в виде пароля, не зная который, подключиться к конкретной сети будет практически невозможно, кроме общественных сетей (кафе, рестораны, торговые центры, точки доступа на улицах) . «Практически» не стоит понимать в буквальном смысле: умельцев, способных «вскрыть» сеть и получить доступ не только к ресурсу роутера, но и к передаваемым внутри конкретной сети данным, достаточно.

Но в этом вступительном слове мы поговорили о подключении к wi-fi — аутентификации пользователя (клиента), когда клиентское устройство и точка доступа обнаруживают друг друга и подтверждают, что могут общаться между собой.

Варианты аутентификации :

• Open - открытая сеть, в которой все подключаемые устройства авторизованы сразу
• Shared - подлинность подключаемого устройства должна быть проверена ключом/паролем
• EAP - подлинность подключаемого устройства должна быть проверена по протоколу EAP внешним сервером

Шифрование — это алгоритм скремблирования (scramble - шифровать, перемешивать) передаваемых данных, изменение и генерация ключа шифрования

Для оборудования wifi были разработаны различные типы шифрования, дающие возможность защищать сеть от взлома, а данные от общего доступа.

На сегодняшний день выделяются несколько вариантов шифрования. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Выделяются и являются самыми распространенными следующие типы:

• OPEN;
• WPA, WPA2;

Первый тип, именуемый не иначе, как OPEN, все требуемую для познания информацию содержит в названии. Зашифровать данные или защитить сетевое оборудование такой режим не позволит, потому как точка доступа будет являться при условии выбора такого типа постоянно открытой и доступной для всех устройств, которыми она будет обнаружена. Минусы и уязвимости такого типа «шифрования» очевидны.

Если сеть открыта, это не значит, что любой может с ней работать. Чтобы пользоваться такой сетью и передавать в ней данные, нужно совпадение используемого метода шифрования. И еще одно условие пользования такой сетью отсутствие MAC-фильтра, который определяет MAC-адреса пользователей, для того, что бы распознать каким устройствам запрещено или разрешено пользоваться данной сетью

WEP

Второй тип, он же WEP, уходит корнями в 90-е годы прошлого века, являясь родоначальником всех последующих типов шифрования. Wep шифрование сегодня – слабейший из всех существующих вариантов организации защиты. Большинство современных роутеров, создаваемых специалистами и учитывающих интересы конфиденциальности пользователей, не поддерживают шифрование wep.

Среди минусов, вопреки факту наличия хоть какой-то защиты (в сравнении с OPEN), выделяется ненадежность: она обусловлена кратковременной защитой, которая активируется на определенные интервалы времени. По истечении этого промежутка, пароль к вашей сети можно будет легко подобрать, а ключ wep будет взломан за время до 1 минуты. Это обусловлено битностью wep ключа, которая составляет в зависимости от характеристик сетевого оборудования от 40 до 100 бит.

Уязвимость wep ключа заключается в факте передачи частей пароля в совокупности с пакетами данных. Перехват пакетов для специалиста – хакера или взломщика – задача, легкая для осуществления. Важно понимать и тот факт, что современные программные средства способны перехватывать пакеты данных и созданы специально для этого.

Таким образом, шифрование wep – самый ненадежный способ защиты вашей сети и сетевого оборудования.

WPA, WPA2

Такие разновидности – самые современные и совершенными с точки зрения организации зашиты на данный момент. Аналогов им не существует. Возможность задать любую удобную пользователю длину и цифробуквенную комбинацию wpa ключа довольно затрудняет жизнь желающим несанкционированно воспользоваться конкретной сетью или перехватить данные этой сети.

Данные стандарты поддерживают различные алгоритмы шифрования, которые могут передаваться после взаимодействия протоколов TKIP и AES. Тип шифрования aes является более совершенным протоколом, чем tkip, и большинством современных роутеров поддерживается и активно используется.

Шифрование wpa или wpa2 – предпочтительный тип как для домашнего использования, так и для корпоративного. Последний дает возможность применения двух режимов аутентификации: проверка паролей для доступа определенных пользователей к общей сети осуществляется, в зависимости от заданных настроек, по режиму PSK или Enterprise.

PSK предполагает доступ к сетевому оборудованию и ресурсам интернета при использовании единого пароля, который требуется ввести при подключении к роутеру. Это предпочтительный вариант для домашней сети, подключение которой осуществляется в рамках небольших площадей определенными устройствами, например: мобильным, персональным компьютером и ноутбуком.

Для компаний, имеющих солидные штаты сотрудников, PSK является недостаточно удобным режимом аутентификации, потому был разработан второй режим – Enterprise. Его использование дает возможность применения множества ключей, который будут храниться на особом выделенном сервере.

WPS

По-настоящему современная и , делает возможным подключение к беспроводной сети при помощи одного нажатия на кнопку. Задумываться о паролях или ключах бессмысленно, но стоит выделить и учитывать ряд серьезных недостатков, касающихся допуска к сетям с WPS.

Подключение посредством такой технологии осуществляется при использовании ключа, включающего в себя 8 символов. Уязвимость типа шифрования заключается в следующем: он обладает серьезной ошибкой, которая взломщикам или хакерам позволяет получить доступ к сети, если им доступны хотя бы 4 цифры из восьмизначной комбинации. Количество попыток подбора пароля при этом составляет порядка нескольких тысяч, однако для современных программных средств это число – смешное. Если измерять процесс форсирования WPS во времени, то процесс займет не более суток.

Стоит отметить и тот факт, что данная уязвимость находиться на стадии совершенствования и поддается исправлению, потому в последующих моделях оборудования с режимом WPS стали внедряться ограничения на количество попыток входа, что существенно затруднило задачу несанкционированного доступа для заинтересованных в этом лиц.

И тем не менее, чтобы повысить общий уровень безопасности, опытные пользователи рекомендуют принципиально отказываться от рассмотренной технологии.

Подводя итоги

Самой современной и по-настоящему надежной методикой организации защиты сети и данных, передаваемых внутри нее, является WPA или ее аналог WPA2.

Первый вариант предпочтителен для домашнего использования определенным числом устройств и пользователей.

Второй, обладающий функцией аутентификации по двум режимам, больше подходит для крупных компаний. Применение его оправдано тем, что при увольнении сотрудников нет необходимости в смене паролей и ключей, потому как определенное количество динамических паролей хранятся на специально выделенном сервере, доступ к которому имеют лишь текущие сотрудники компании.

Следует отметить, что большинство продвинутых пользователей отдают предпочтение WPA2 даже для домашнего использования. С точки зрения организации защиты оборудования и данных, такой метод шифрования является самым совершенным из существующих на сегодняшний день.

Что касается набирающего популярность WPS, то отказаться от него – значит в определенной мере обезопасить сетевое оборудование и информационные данные, передаваемые с его помощью. Пока технология не развита достаточно и не обладает всеми преимуществами, например, WPA2, от ее применения рекомендуется воздержаться вопреки кажущейся простоте применения и удобству. Ведь безопасность сети и передаваемых внутри нее информационных массивов – приоритет для большинства пользователей.