Методы криптографический защиты информации в компьютерных системах и сетях

2. Контроль  входа на компьютер. При включении  ПК устройство требует от пользователя  ввести персональную информацию (например, вставить дискету с  ключами). Работа будет разрешена  только после того, как устройство  опознает предъявленные ключи и сочтет их «своими». В противном случае придется разбирать системный блок и вынимать оттуда шифратор, чтобы загрузиться (однако, как известно, информация на ПК тоже может быть зашифрована).

3. Контроль  целостности файлов операционной  системы. Это не позволит злоумышленнику в ваше отсутствие изменить какие-либо данные. Шифратор хранит в себе список всех важных файлов с заранее рассчитанными для каждого контрольными суммами (или хэш - значениями), и если при следующей загрузке не совпадет эталонная сумма хотя бы с одним из них, компьютер будет блокирован.

     Плата со всеми перечисленными возможностями  называется устройством криптографической  защиты данных - УКЗД.

     Шифратор, выполняющий контроль входа на ПК и проверяющий целостность операционной системы, называется также «электронным замком». Ясно, что аналогия неполная - обычные замки существенно уступают этим интеллектуальным устройствам. Понятно, что последним не обойтись без программного обеспечения - необходима утилита, с помощью которой формируются ключи для пользователей и ведется их список для распознавания «свой/чужой». Кроме того, требуется приложение для выбора важных файлов и расчета их контрольных сумм. Эти программы обычно доступны только администратору по безопасности, который должен предварительно настроить все УКЗД для пользователей, а в случае возникновения проблем разбираться в их причинах.

     Вообще, поставив на свой компьютер УКЗД, вы будете приятно удивлены уже при следующей загрузке: устройство проявится через несколько секунд после включения, как минимум сообщив о себе и попросив ключи. Шифратор всегда перехватывает управление при загрузке ПК (когда BIOS компьютера поочередно опрашивает все вставленное в него «железо»), после чего не так-то легко получить его обратно. УКЗД позволит продолжить загрузку только после всех своих проверок. Кстати, если ПК по какой-либо причине не отдаст управление шифратору, тот, немного подождав, все равно его заблокирует. И это также прибавит работы администратору по безопасности. [7]

Структура шифраторов.

     Рассмотрим  теперь, из чего должно состоять УКЗД, чтобы выполнять эти непростые функции:

1. Блок  управления - основной модуль шифратора,  который «заведует» работой всех  остальных. Обычно реализуется  на базе микроконтроллера, сейчас  их предлагается немало и можно выбрать подходящий. Главное - быстродействие и достаточное количество внутренних ресурсов, а также внешних портов для подключения всех необходимых модулей.

2. Контролер системной шины ПК (например, РCI). Через него осуществляется основной обмен данными между УКЗД и компьютером.

3. Энергонезависимое  запоминающее устройство (ЗУ) - обычно на базе микросхем флэш-памяти. Оно должно быть достаточно емким (несколько мегабайт) и допускать большое число циклов записи. Здесь размещается программное обеспечение микроконтроллера, которое выполняется при инициализации устройства (т.е. когда шифратор перехватывает управление при загрузке компьютера).

4. Память  журнала. Тоже представляет собой  энергонезависимое ЗУ; это действительно  еще одна флэш-микросхема: во избежание возможных коллизий память для программ и для журнала не должны объединяться.

5. Шифропроцессор (или несколько) - это специализированная  микросхема или микросхема программируемой  логики РLD - Рrogrammable Logic Device. Собственно, он и шифрует данные. Подробнее об этом немного позже.

6. Генератор  случайных чисел. Обычно представляет  собой некое устройство, дающее  статически случайный шум. Это  может быть шумовой диод. А  перед использованием по специальным  правилам белый шум преобразуется  в цифровую форму.

7. Блок  ввода ключевой информации. Обеспечивает  защищенный прием ключей с  ключевого носителя, через него  также вводится информация о  пользователе для решения вопроса  «свой/чужой».

8. Блок  коммутаторов. Помимо перечисленных  выше основных функций, УКЗД  может по велению администратора безопасности отключать возможность работы с внешними устройствами: дисководами, CD-ROM, параллельными и последовательными портами, шиной USB и т.д. Если пользователь работает с настолько важной информацией, что ее нельзя ни печатать, ни копировать, УКЗД при входе на компьютер заблокирует все внешние устройства, включая даже сетевую карту. [7]

Шифропроцессор.

     Шифрование  в УКЗД должно выполняться так, чтобы  посторонним невозможно было узнать ключи и каким-либо образом повлиять на реализуемые алгоритмы. Иногда бывает полезно засекретить и правила преобразования ключей. Поэтому шифропроцессор логически состоит из нескольких структурных единиц:

1. Вычислитель  - набор регистров, сумматоров, блоков  подстановки и т.п., связанных  между собой шинами передачи данных. Собственно, он и выполняет криптографические действия, причем должен делать это максимально быстро. На вход вычислитель получает открытые данные, которые следует зашифровать, и ключ шифрования, который, как известно, является случайным числом. А шифрование - это сложное математическое преобразование, поэтому его результат тоже очень похож на выбор случайных величин (попробуйте сжать зашифрованный файл каким-нибудь архиватором - при использовании серьезного алгоритма защиты это будет невозможно).

2. Блок  управления. На самом деле это  аппаратно реализованная программа,  управляющая вычислителем. Если  по какой-нибудь причине программа изменится, его работа начнет давать сбой. Это чревато, например, появлением данных в открытом виде вместо зашифрованного (хотя это крайний случай; более вероятно получение такой шифровки, которую ни вы сами, ни кто-либо еще уже не расшифрует никогда). Поэтому программа должна не только надежно храниться и устойчиво функционировать, но и регулярно проверять сама себя. Кстати, внешний блок управления (описанный выше) тоже периодически посылает ей контрольные задачи. На практике для большей уверенности ставят два шифропроцессора. Которые постоянно сравнивают свои результаты (если они не совпадают, шифрование придется повторить). Все это требуется для обеспечения неизменности алгоритма шифрования.

3. Буфер  ввода-вывода необходим для повышения  производительности устройства: пока  шифруется первый блок данных, загружается следующий и т.д.  То же самое происходит и на выходе. Такая конвейерная передача данных серьезно увеличивает скорость шифрования. [7]

Быстродействие.

     Кстати, о скорости. Разумеется любому пользователю ПК желательно, чтобы присутствие  в его компьютере УКЗД не отражалось на удобстве работы( конечно, если человек выполняет только разрешенные действия). Но, естественно шифрование данных отнимает некоторое время, причем раньше приходилось просто ждать, когда закончится шифрование, например, локального диска. В Windows позволялось заняться чем-то параллельно, но еще несколько лет назад шифраторы отвлекали на себя значительные ресурсы процессора, поэтому одновременно без заметного торможения можно было только раскладывать пасьянс. Современные УКЗД шифруют данные без помощи центрального процессора ПК. В шифратор лишь передается команда, а затем он сам извлекает данные из ОЗУ компьютера, шифрует их и кладет в указанное место. Процессор же при этом вполне может выполнять другие задачи. Исследования современных УКЗД показывают, что во время их работы производительность ПК практически не снижается.

     Возможно  применение и нескольких УКЗД на одном  компьютере, например на криптографическом  маршрутизаторе: один шифрует отправляемую в Интернет информацию, второй принимаемую. Производительность такой системы  не вносит задержек в работу локальной сети Fast Ethernet (100 Мбит/с).

     Потоковая скорость обработки данных - это  один из основных параметров, по которым  оценивают аппаратные шифраторы. Она  изменяется в мегабайтах в секунду  и зависит прежде всего от сложности  алгоритма шифрования. Проще всего оценить ее по формуле:

V = F x K / n,

где F - тактовая частота,

K - размер  стандартного блока шифрования,

n - число  тактов, требующееся на преобразование  стандартного блока. 

     Например, отечественный алгоритм ГОСТ 28147-89 имеет  быстродействие 32 такта на 8-байтовый блок, а значит, теоретически скорость шифрования должна стремиться к 25 Мбайт/с  при тактовой частоте 100 Мгц. Однако скорости аппаратной реализации этого  алгоритма - 8-9 Мбайт/с. Ограничения являются чисто технологическими: отсутствие необходимого уровня разработок или элементной базы. Хотелось бы отметить, что программная реализация криптоГОСТа на ПК при тактовой частоте процессора 1 Ггц достигает 12-16 Мбайт/с. Хотя в этом случае аппаратная скорость шифрования теоретически могла бы быть около 250 Мбайт/с.

Шифраторы для защиты сетей.

     Для защиты передаваемой в Сеть информации можно использовать как обычный  шифратор, так и проходной (ПШ), который, помимо всего вышеперечисленного, является также полноценным сетевым адаптером Ethernet (т.е. шифратор и сетевой адаптер выполнены в качестве одной РCI-платы). Его достоинства в том, что он полностью контролирует весь обмен данными в по сети, а обойти его (как изнутри, так и снаружи) просто невозможно.

     ПШ  являются достаточно сложными устройствами, так как они вместо центрального процессора компьютера вынуждены выполнять  дополнительные функции по обработке  информации. Обычно в ПШ ставят два  шифропроцессора: один из них отвечает за шифрование отправляемых данных, а другой расшифровывает принимаемые. Такое устройство может хранить в себе несколько сотен ключей, чтобы каждый блок информации был зашифрован на своем, отличном от других. Это делает все ключи абсолютно недоступными злоумышленникам, но несколько затрудняет процесс управления ими.

     Технические трудности в течение определенного  времени не позволяли разрабатывать  надежные и быстродействующие ПШ. Однако с появлением на рынке дорогих, но очень качественных микросхем  РLD решились многие проблемы создания сложных многофункциональных устройств, что стимулировало выпуск первых отечественных проходных шифраторов.

     Кстати, ПШ допускает и другое применение: он может стоять в разрыве между  жестким диском компьютера и его  контроллером. В этом случае все, что пишется на HDD, будет автоматически шифроваться.

     Разработчики  аппаратных шифраторов и программного обеспечения для них, полагают, что  уже скоро будут созданы УКЗД, осуществляющие управление не только работой дисководов, CD-ROM и портов ввода-вывода, но и всеми ресурсами ПК, т.е. компьютеру останется только передавать данные между процессором и оперативной памятью и обрабатывать их, все остальное сделает само УКЗД. Ясно, что абсолютному большинству пользователей это не потребуется. Но там, где ведется работа с важными и конфиденциальными документами, информациия должна быть серьезна защищена. [7]

Загрузка  ключей шифрования.

     Есть  еще одна особенность, касающаяся безопасности: чтобы у злоумышленника не было совсем никаких шансов, необходимо ключи загружать в шифратор, минуя оперативную память компьютера, где их теоретически можно перехватить и даже подменить. Для этого УКЗД дополнительно содержит порты ввода-вывода, например COM или USB, к которым напрямую подключаются разные устройства чтения ключевых носителей. Это могут быть любые смарт-карты, специальные USB-ключи или электронные таблетки Touch Memory (их очень часто используют, например, для домофонов).

     Помимо  прямого ввода ключей в УКЗД, многие из таких носителей обеспечивают и их надежное хранение - даже украв USB-ключ, без специального кода доступа к его содержимому не подобраться. [7]

Как программы используют шифратор.

     Установленный на компьютер шифратор может использоваться сразу несколькими программами, например программой прозрачного шифрования, «прогоняющей» данные сквозь шифратор, и программой электронной подписи, использующей для вычисления подписи получаемые от шифратора случайные числа.

     Для того чтобы не возникало коллизий при одновременном обращении  к шифратору разных программ (представим, что одна из них шифрует логический диск, а вторая на другом ключе расшифровывает файл: если не управлять очередью выполнения шифратором их требований, получится абракадабра), ставят специальное программное обеспечение управления ими (рис №). Такое ПО выдает команды через драйвер шифратора и передает последнему данные, следя за тем, чтобы потоки информации от разных источников не пересекались, а также за тем, чтобы в шифраторе всегда находились нужные ключи. Таким образом УКЗД выполняет два принципиально разных вида команд: