Криптографическая защита информации

 

Криптографическая защита информации.

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Криптография - наука  о защите информации от прочтения  ее посторонними. Защита достигается  шифрованием, т.е. преобразованием, которые  которые делают защищенные входные  данные труднораскрываемыми по входным данным без знания специальной ключевой информации - ключа. Под ключом понимается легко изменяемая часть криптосистемы, хранящаяся в тайне и определяющая, какое шифрующие преобразование из возможных выполняется в данном случае. Криптосистема - семейство выбираемых с помощью ключа обратимых преобразований, которые преобразуют защищаемый открытый текст в шифрограмму и обратно.

 

Желательно, чтобы методы шифрования обладали минимум двумя  свойствами:

 

- законный получатель  сможет выполнить обратное преобразование и расшифровать сообщение;

 

- криптоаналитик противника, перехвативший сообщение, не сможет  восстановить по нему исходное  сообщение без таких затрат  времени и средств, которые  сделают эту работу работу  нецелесообразной.

 

II.Наиболее известные  криптосистемы.

 

1. Классификация криптосистемы.

 

По характеру использования  ключа известные криптосистемы  можно разделить на два типа: симметричные (одноключевые, с секретным ключом) и несимметричные (с открытым ключом).

В первом случае в шифраторе  отправителя и дешифраторе получателя используется один и тот же ключ. Шифратор образует шифртекст, который является функцией открытого текста, конкретный вид функции шифрования определяется секретным ключом. Дешифратор получателя сообщения выполняет обратное преобразования аналогичным образом. Секретный ключ хранится в тайне и передается отправителем сообщения получателя по каналу, исключающему перехват ключа криптоаналитиком противника. Обычно предполагается правило Кирхгофа: стойкость шифра определяется только секретностью ключа, т.е. криптоаналитику известны все детали процесса шифрования и дешифрования, кроме секретного ключа.

Открытый текст обычно имеет произвольную длину если его  размер велик и он не может быть обработан вычислительным устройством  шифратора целиком, то он разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок шифруется в отдельности, не зависимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.

На практике обычно используют два общих принципа шифрования: рассеивание и перемешивание. Рассеивание заключается в распространении влияния одного символа открытого текста на много символов шифртекста: это позволяет скрыть статистические свойства открытого текста. Развитием этого принципа является распространение влияния одного символа ключа на много символов шифрограммы, что позволяет исключить восстановление ключа по частям. Перемешивание состоит в использовании таких шифрующих преобразований, которые исключают восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текста. Распространенный способ достижения хорошего рассеивания состоит в использовании составного шифра, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит небольшой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание. В качестве простых шифров чаще всего используют простые подстановки и перестановки.

Одним из наилучших примеров криптоалгоритма, разработанного в  соответствии с принципами рассеивания  и перемешивания, может служить принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США стандарт шифрования данных DES. Несмотря на интенсивные и тщательные исследования алгоритма специалистами, пока не найдено уязвимых мест алгоритма, на основе которых можно было бы предложить метод криптоанализа, существенно лучший, чем полный перебор ключей. Общее мнение таково: DES - исключительно хороший шифр. В июле 1991 года введен в действие подобный отечественный криптоалгоритм ГОСТ 28147-89.

В то же время блочные  шифры обладают существенным недостатком - они размножают ошибки, возникающие в процессе передачи сообщения по каналу связи. Одиночная ошибка в шифртексте вызывает искажение примерно половины открытого текста при дешифровании. Это требует применения мощных кодов, исправляющих ошибки.

В блочном шифре из двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифрованного текста. Избежать этого позволяют  потоковые шифры, которые, в отличие  от блочных, осуществляют поэлементное шифрование потока данных без задержки в криптосистемы. В общем случае каждый символ открытого текста шифруется, передается и дешифруется независимо от других символов. Иначе, шифруюшее преобразование элемента открытого текста меняется от одного элемента к другому, в то время как для блочных шифров шифрующее преобразование каждого блока остается неизменным. Иногда символ открытого текста может шифроваться с учетом ограниченного числа предшествующих ему символов.

Потоковые шифры основываются на псевдослучайных ключевых последовательностях - сгенерированных определенным образом последовательностях символов с заданными свойствами непредсказуемости (случайности) появления очередного символа. Генераторы ключевых последовательностей обычно базируются на комбинациях регистров сдвига и нелинейных булевых функциях. В качестве нелинейной булевой функции может использоваться криптоалгоритм DES, что соответствует применению DES в режиме обратной связи по выходу (OFB) лил обратной связи по шифртексту (CFB). Наибольший интерес представляет режим CFB , поскольку в ряде случаев режим OFB не обеспечивает требуемой секретности.

Системы потокового шифрования близки к криптосистемам с одноразовым  ключом, в которых размер ключа  равен размеру шифруемого текста. При криптоанализе на основе известного открытого текста стойкость системы определяется нелинейными булевыми функциями, что позволяет оценить криптостойкость системы на основе анализа вида используемых функций. Следовательно, потоковые шифры в отличие от других криптосистем обладают значительно большой анализируемой секретностью. Кроме того, в системах потокового шифрования не происходит размножения ошибок или оно ограничено. По этим причинам, а также ввиду высокой скорости обработки системы потокового шифрования вызывают большое доверие многих потребителей и специалистов.

В криптосистемах с открытым ключом в алгоритмах шифрования и  дешифрования используются разные ключи, каждый из которых не может быть получен из другого (с приемлемыми  затратами). Один ключ используется для  шифрования, другой - для дешифрования. Основной принцип систем с открытым ключом основывается на применении односторонних или необратимых функций и односторонних функций с лазейкой (потайным ходом).

Вычисление ключей осуществляется получателем сообщений, который  оставляет у себя тот ключ, который  он будет потом использовать (то есть секретный ключ). Другой ключ он высылает отправителю сообщений - открытый ключ - не опасаясь его огласки. Пользуясь этим открытым ключом, любой абонент может зашифровать текст и послать его получателю, который сгенерировал данный открытый ключ. Все используемые алгоритмы общедоступны. Важно то, что функции шифрования и дешифрования обратимы лишь тогда, когда они обеспечиваются строго взаимосвязанной парой ключей (открытого и секретного), а открытый ключ должен представлять собой необратимую функцию от секретного ключа. Подобным образом шифртекст должен представлять собой необратимую функцию открытого текста, что в корне отличается от шифрования в системах с секретным ключом.

Исследование необратимых функций  проводилось в основном по следующим направлениям: дискретное возведение в степень - алгоритм DH (Диффи-Хелман), умножение простых чисел - алгоритм RSA (Райвест, Шамир, Адлеман), использование исправляющих ошибки кодов Гоппы, задачи NP-полноты, в частности криптоалгоритм Меркля и Хелмана на основе "задачи об укладке ранца", раскрытый Шамиром, и ряд других, оказавшихся легкораскрываемыми и бесперспективными.

Первая система (DH) обеспечивает открытое распространение ключей, то есть позволяет  отказаться от передачи секретных ключей, и по сегодняшний день считается одной из самых стойких и удобных систем с открытым ключом. Надежность второго метода (RSA) находится в прямой зависимости от сложности разложения больших чисел на множители. Если множители имеют длину порядка 100 десятичных цифр, то в наилучшем из известных способов разложения на множители необходимо порядка 100 млн. лет машинного времени, шифрование же и дешифрование требует порядка 1-2 с на блок. Задачи NP-полноты хорошо известны в комбинаторике и считаются в общем случае чрезвычайно сложными; однако построить соответствующий шифр оказывается весьма непросто.

В системах с открытым ключом, так  же как и в блочных шифрах, необходим  большой размер шифруемого блока, хотя, возможно, и не больший, чем в алгоритме DES, что препятствует, наряду с низкой скоростью шифрования, использованию алгоритмов с открытым ключом в потоковых шифрах. На сегодняшний день высокоэффективные системы с открытым ключом пока не найдены. Почти повсеместно принято ограничение использования криптосистем с открытым ключом - только для управления ключами и для цифровой подписи. Можно представить все существующие крирптосистемы в виде диаграммы криптосистем.

 

 

 

2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

 

2.1 DES-стандарт США на шифрование  данных.

 

Криптография известна с древнейших времен (достаточно вспомнить коды Цезаря) и до недавнего времени оставалась привилегией исключительно государственных и военных учреждений. Ситуация резко изменилась после публикации в 1949 году книги К.Шеннона "Работы по теории информации и кибернетике". Криптография стала объектом пристального внимания многих ученых. Принятие стандарта шифрования DES явилось мощным толчком к широкому применению шифрования в коммерческих системах. Введение этого стандарта - отличный пример унификации и стандартизации средств защиты. Примером системного подхода к созданию единой крупномасштабной системы защиты информации является директива Министерства финансов США 1984 года, согласно которой все общественные и частные организации, ведущие дела с правительством США, обязаны внедрить процедуру шифрования DES; крупнейшие банки Citibank,Chase Manhattan Bank, Manufaktures Hannover Trust, Bank of America, Security Pacific Bank также внедрили эту систему.

Министерство энергетики США располагает  более чем 30 действующими сетями, в которых используется алгоритм DES, Министерство юстиции устанавливает 20000 радиоустройств, располагающих средствами защиты на базе DES. Стандартизация в последнее время приобретает международный характер, подтверждение тому - международный стандарт 1987 года ISO 8372, разработанный на основе криптоалгоритма DES.

В качестве стандартной аппаратуры шифрования можно назвать устройство Cidex-НХ, базирующееся на алгоритме DES; скорость шифрования - от 56 Кбит/с до 7 Мбит/с. Серийно выпускается автономный шифровальный блок DES 2000, в нем также используется процедура шифрования DES; скорость шифрования - от 38,4 Кбит/с до 110 Кбит/с. В различных секторах коммерческой деятельности используется процессор шифрования/дешифрования данных FACOM 2151А на основе алгоритма DES; скорость - от 2,4 Кбит/с до 19,2 Кбит/с. С распространением персональных компьютеров наиболее эффективными для них стали программные средства защиты. Так, разработан пакет программ для шифрования/дешифрования информации СТА (Computer Intelligence Access), реализующий алгоритм DES. Этот же алгоритм использован в пакете SecretDisk (C F Systems) для исключения несанкционированного доступа к дискам.

Таким образом, алгоритм DES представляет собой основной механизм, применявшийся  частными и государственными учреждениями США для защиты информации. В то же время Агенство национальной безопасности, выступающее как эксперт по криптографическим алгоритмам, разрабатывает новые алгоритмы шифрования данных для массового использования. В 1987 году Национальное бюро стандартов после обсуждения подтвердило действие DES; его пересмотр намечалось провести не позднее января 1992 года, и на сегодняшний день действие DES ограничивается исключительно коммерческими системами.

 

2.2 RSA-система с открытым ключом.

Криптографические системы с открытым ключом позволят создать в 90-х годах новую защищенную систему телефонной связи с числом абонентов до 3 миллионов. Компании АТ&Т, Motorola, RCA производят аппараты, допускающие совместную работу; компания GTE разрабатывает систему управления ключами. Поставки первых 75000 телефонов начались в 1987 году. Разработана специализированная интегральная схема IDS-P2 (МВ8763), реализующая алгоритм DH и вычисляющая секретный ключ за 0,9 с. Программная реализация алгоритма RSA осуществлена компанией RSA Data Security, аппаратная реализация того же алгоритма и специализированная интегральная схема выполнены фирмой Sandia. Фирма Cylink выпустила специализированную интегральную схему CY1024, реализующую алгоритм RSA и обеспечивающую скорость шифрования 1000 бит/с.

 

2.3 Системы потокового  шифрования.

При шифрования высокоскоростных магистральных линий, как правило, используют системы потокового шифрования. Устройство SEC-17 обеспечивает скорость шифрования от 256 Кбит/с до 2304 Кбит/с, его ключ состоит из 72 шестнадцатиричных цифр; устройство SEC-15 позволяет иметь более 10я534я0 статистически независимых ключей. Принципы потокового шифрования используются в устройствах fggfhfnehs ibahjdfybz MSDS MARCRYP. В устройстве потокового шифрования CSD 807 в генераторе ключевой последовательности применен 31-разрядный регистр сдвига, в генераторе устройства потокового шифрования SDE 100 используются 2 регистра сдвига.

 

2.4 ГОСТ 28147-89 - отечественный  стандарт шифрования данных.

В нашей стране установлен единый алгоритм криптографического преобразования данных для систем обработки информации в сетях ЭВМ, отделительных комплексах и ЭВМ, который определяется ГОСТ 28147-89.

Алгоритм криптографического преобразования данных предназначен для  аппаратной или программной реализации, удовлетворяет криптографическим  требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации.

Чтобы получить подробные  спецификации алгоритма криптографического преобразования, следует обратиться к ГОСТ 28147-89. Безусловно, приведенный  ниже материал не должен ни при каких  условиях использоваться для программной или аппаратной реализации алгоритма криптографического преобразования.

При описании алгоритма  используются следующие обозначения.

Если L и R - это последовательности бит, то LR будет обозначать конкатенацию последовательностей L и R. Под конкатенацией последовательностей L и R понимается последовательность бит, размерность которой равна сумме размерностей L и R. В этой последовательности биты последовательности R следуют за битами последовательности L. Конкатенация битовых строк является ассоциативной, т.е. запись ABCDE обозначает, что за битами последовательности А следуют биты последовательности В, затем С и т.д.