Криптографическая защита информации

Символом (+) будет обозначаться операция побитового сложения по модулю 2, символом [+] - операция сложения по модулю ( 2 в 32 степени) двух 32-разрядных чисел. Числа суммируются по следующему правилу:

 

A [+] B = A + B ,если A + B <>(2 в 32 степени),

 

A [+] B = A + B -( 2 в 32 степени),если A + B =2 в 32

 

Символом {+} обозначается операция сложения по модулю ((2 в я532я0) -1) двух 32 разрядных чисел. Правила суммирования чисел следующие:

 

A {+} B = A + B,если A+B<>((2 в  32)-1)

 

A {+} B = A + B-((2 в 32)-1),если A + B = (2 в 32)-1

 

Алгоритм криптографического преобразования предусматривает несколько  режимов работы. Но в любом случае для шифрования данных используется ключ, который имеет размерность 256 бит и представляется в виде восьми 32-разрядных чисел Х(i). Если обозначить ключ через W, то

 

W =X(7)X(6)X(5)X(4)X(3)X(2)X(1)X(0)

 

Расшифрование выполняется  по тому же ключу, что и зашифрование, но этот процесс является инверсией процесса зашифрования данных.

Первый и самый простой  режим - замена. Открытые данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на блоки  по 64 бит в каждом, которые можно  обозначить Т(j).

Очередная последовательность бит Т(j) разделяется на две последовательности В(О) (левые или старшие биты) и А(О) (правые или младшие биты), каждая из которых содержит 32 бита. Затем выполняется итеративный процесс шифрования, который описывается следующими формулами:

 

1. A(i)=f(A(i-1) [+] X(j) (+) B(i-1)),

 

и B(i)=A(i-1),

 

если i=1,2,...,24,j=(i-1) mod 8;

 

2. A(i)=f(A(i-1) [+] X(j) (+) B(i-1)),

 

и B(i)=A(i-1),

 

если i=25,26,...,31,j=32-i;

 

3. A(32)=A(31),

 

и B(32)=f(A(31) [+] X(0)) (+) B(31),

 

если i=32.

 

Здесь i обозначается номер итерации (i=1,2,...,32). Функция f называется функцией шифрования. Ее аргументом является сумма по модулю 2 в я532я0 числа А(i), полученного на предыдущем шаге итерации, и числа Х(j) ключа (размерность каждого из этих чисел равна 32 знакам).

Функция шифрования включает две операции над полученной 32-разрядной  суммой. Первая операция называется подстановкой К. Блок подстановки К состоит  из восьми узлов замены К(1) ... К(8) с  памятью 64 бит каждый. Поступающий  на блок подстановки 32-разрядный вектор разбивается на восемь последовательно идущих 4-разрядный вектор соответствующим узлом замены, представляющим собой таблицу из шестнадцати целых чисел в диапазоне 0....15.

Входной вектор определяет адрес строки в таблице, число  из которой является выходным вектором. Затем 4-разрядные выходные векторы последовательно объединяются в 32-разрядный вектор. Таблицы блока подстановки К содержит ключевые элементы, общие для сети ЭВМ и редко изменяемые.

Вторая операция - циклический  сдвиг влево 32-разрядного вектора, полученного в результате подстановки К. 64-разрядный блок зашифрованных данных Тш представляется в виде

 

Тш = А(32) В(32)

 

Остальные блоки открытых данных в режиме простой замены зашифровываются  аналогично.

Следует иметь в виду, что режим простой замены допустимо использовать для шифрования данных только в ограниченных случаях. К этим случаям относится выработка ключа и зашифрование его с обеспечением имитозащиты для передачи по каналам связи или хранения в памяти ЭВМ.

Следующий режим шифрования называется режимом гаммирования. Открытые данные, разбитые на 64-разрядные блоки Т(i) (i=1,2,...,m, где m определяется объемом шифруемых данных), зашифровываются в режиме гаммирования путем поразрядного сложения по модулю 2 с гаммой шифра Гш, которая вырабатывается блоками по 64 бит, т.е.

 

Гш = ( Г(1),Г(2), ...,Г(i), ...,Г(m) ).

 

Число двоичных разрядов в блоке Т(m) может быть меньше 64, при этом неиспользованная для  шифрования часть гаммы шифра  из блока Г(m) отбрасывается.

Уравнение зашифрования данных в режиме гаммирования может быть представлено в следующем виде:

 

Ш(i)=A(Y(i-1) [+] C2),

 

Z(i-1) {+ }C1 (+) T(i)=Г(i) (+) T(i).

 

В этом уравнении Ш(i) обозначает 64-разрядный блок зашифрованного текста, А - функцию шифрования в режиме простой  замены (аргументами этой функции являются два 32-разрядного числа), С1 и С2 - константы, заданные в ГОСТ 28147-89. Величины Y(i) и Z(i) определяются итерационно по мере формирования гаммы, следующим образом:

 

(Y(0),Z(0))=A(S),

 

где S - 64-разрядная двоичная последовательность (синхропосылка);

 

(Y(i),Z(i))=(Y(i-1) [+] C2,Z(i-1) {+} C1), для i=1,2,..,m

 

Расшифрование данных возможно только при наличии синхропосылки, которая не является секретным элементом  шифра и может храниться в  памяти ЭВМ или передаваться по каналам  связи вместе с зашифрованными данными.

Режим гаммирования с  обратной связью очень похож на режим  гаммирования. Как и в режиме гаммирования, открытые данные, разбитые на 64-разрядные  блоки Т(i) (i=1,2,....,m, где m определяет ся объемом шифруемых данных), зашифровывается путем поразрядного сложения по модулю 2 с гаммой шифра Гш, которая вырабатывается блоками по 64 бит:

 

Гш=(Г(1),Г(2),...,Г(i),...,Г(m)).

 

Число двоичных разрядов в блоке Т(m) может быть меньше 64, при этом неиспользованная для  шифрования часть гаммы шифра из блока Г(m) отбрасывается.

Уравнение зашифрования данных в режиме гаммирования с обратной связью может быть представлено в  следующем виде:

 

Ш(1) = A(S) (+) T(1) = Г(1) (+) T(1),

 

Ш(i) = A(Ш(i-1)) (+) T(i) = Г(i) (+) T(i),

 

для i=2,3,...,m

 

Здесь Ш(i) обозначает 64-разрядный блок зашифрованного текста, А - функцию шифрования в режиме простой замены. Аргументом функции на первом шаге итеративного алгоритма является 64-разрядный синхропосылка, а на всех последующих - предыдущий блок зашифрованых данных Ш(i-1).

В ГОСТ 28147-89 определяется процесс выработки имитовставки, который единообразен для любого из режимов шифрования данных. Имитовставка - это блок из p бит ( имитовставка Иp), который вырабатывается любо перед  шифрованием всего сообщения, либо параллельно с шифрованием по блокам. Первые блоки открытых данных, которые участвуют в выработке имитовставки, могут содержать служебную информацию (например, адресную часть, время, синхропосылку) и не зашифровываться. Значение параметра p (число двоичных разрядов в имитовставке) определяется криптографическими требованиями с учетом того, что вероятность навязывания ложных помех равна 1/2я5р

Для получения имитовставки открытые данные представляются в виде 64-разрядных блоков Т(i) (i=1,2,..., m где m определяется объемом шифруемых данных). Первый блок открытых данных Т(1) подвергается преобразованию, соответствующему первым 16 циклам алгоритма зашифрования в режиме простой замены. Причем в качестве ключа для выработки имитовставки используется ключ, по которому шифруются данные.

Полученное6 после 16 циклов работы 64-пазрядное число суммируется  по модулю 2 со вторым блоком открытых данных Т(2). Результат суммирования снова подвергается преобразованию, соответствующему первым 16 циклам алгоритма  зашифрования в режиме простой замены.

Полученное 64-разрядное  число суммируется по модулю 2 с  третьим блоком открытых данных Т(3) и т.д. Последний блок Т(m), при необходимости  дополненный до полного 64-разрядного блока нулями, суммируется по модулю 2 с результатом работы на шаге m-1, после чего зашифровывается в режиме простой замены по первым 16 циклам работы алгоритма. Из полученного 64-разрядного числа выбирается отрезок Ир длиной р бит.

Имитовставка Ир передается по каналу связи или в память ЭВМ  после зашифрованных данных. Поступившие зашифрованные данные расшифровываются и из полученных блоков открытых данных Т(i) вырабатывается имитовставка Ир, которая затем сравнивается с имитовставкой Ир, полученной из канала связи или из памяти ЭВМ. В случае несовпадения имитовставок все расшифрованные данные считаются ложными.

 

 

III.Сравнение криптографических  методов.

 

Метод шифрования с использованием датчика псевдо-случайных чисел  наиболее часто используется в программной  реализации системы криптографической  защиты данных.Это объясняется тем,что, он достаточно прост для программирования и позволяет создавать алгоритмы с очень высокой криптостойкостью.Кроме того,эффективность данного метода шифрования достаточно высока.Системы, основанные на этом методе позволяют зашиифровать в секунду от нескольких десятков до сотен Кбайт данных.

Основным преимуществом метода DES является то,что он стандартный.Важной характеристикой этого алгоритма  является его гибкость при реализации и использовании в различных  приложениях обработки данных.Каждый блок данных шифруется независимо от других,поэтому можно осуществлять независимую передачу блоков данных и произвольный доступ к зашифрованным данным.Ни временная,ни позиционная синхронизация для операций шифрования не нужна.

Алгоритм вырабатывает зашифрованные данные,в которых каждый бит является функцией от всех битов открытых данных и всех битов ключей.Различие лишь в одном бите данных даёт в результате равные вероятности изменения для каждого бита зашифрованных данных.

DES может быть реаализован аппаратно и программно,но базовый алгоритм всё же рассчитан на реализацию в электронных устройствах специального назначения.

Это свойство DES выгодно отличает его  от метода шифрования с использованием датчика ПСЧ,поскольку большинство  алгоритмов шифрования построенных на основе датчиков ПСЧ,не характеризуются всеми преимуществами DES. Однако и DES обладает рядом недостатков.

Самым существенным недостатком DES считается  малый размер ключа.Стандарт в настоящее  время не считается неуязвимым,хотя и очень труден для раскрытия (до сих пор не были зарегистрированы случаи несанкционированной дешифрации.Ещё один недостаток DES заключается в том,что одинаковые данные будут одинаково выглядеть в зашифрованном тексте.

Алгоритм криптографического преобразования,являющийся отечественным стандартом и определяемый ГОСТ 28147-89,свободен от недостатков стандартаа DES и в то же время облаадает всеми его преимуществами. Кроме того в него заложен метод,с помощью которого можно зафиксировать необнаруженную случайную или умышленную модификацию зашифрованной информации.

Однако у алгоритма есть очень  существенный недостаток,который заключается  в том,что его программная реализация очень сложна и практически лишена всякого смысла.

Теперь остановимся на методе RSA.Он является очень перспективным,поскольку для зашифрования информации не требуется передачи ключа другим пользователям.Но в настоящее время кэтому методу относятся с подозрительностью,поскольку не сущесствует строго доказательства,что не существует другого способа определения секретного ключа по известному,кроме как определения делителей целых чисел.

В остальном метод RSA обладает только достоинствами.К числу этих достоинств следует отнести очень высокую  криптостойкость,довольно простую  программную и аппаратную реализации. Следует заметить,что использование этого метода для криптографической защиты данных неразрывно связано с очень высоким уровнем развития вычислительной техники.