22
Сила доказуемо стойких криптоалгоритмов определена именно
сложностью решения самой популярной математической задачи, решить
которую пытались многие математики, и которая становится общепризнанно
сложной.
В качестве примера приводят системы DH (Диффи-Хеллмана) и RSA
(Ривеста-Шамира-Адельмана), базирующиеся на сложностях дискретного
логарифмирования и деления целого числа на множители.
Плюсом доказуемо стойких алгоритмов становится отличная
изученность задач, лежащих в их основе, а минусом - недоступность в случае
особой важности оперативной модификации криптоалгоритмов, т. е. нет
гибкости.
Увеличение стойкости реализовано именно методом повышения
размера математической задачи или ее заменой, что, зачастую, влечет некие
перемены в аппаратуре, применяемой для шифрования.
Предположительно стойкие крипто алгоритмы базируются на
сложности реализации частной математической задачи, которая заключается
в хорошо известных задачах, доступных для решения одному или нескольким
человек.
Наглядные примеры: шифры ГОСТ 28147-89, AES, FEAL.
Предположительно стойкие крипто алгоритмы отражает минимальная
изученность математических задач, на которых и базируется крипто
стойкость.
Но подобные шифры имеют большую гибкость, что дает возможность
при нахождении слабых мест не отвергать алгоритмы, а именно дорабатывать
их.
Разработка новых методов крипто анализа и увеличение эффективности
текущих методов нужны для исследования стойкости криптографических
средств, а также для создания методов их взлома.
23
Любой новый метод крипто анализа ведет к пересмотру безопасности
шифров, к которым он применим.
Деление криптографических систем основано на следующих 3
параметрах:
1. Количество применяемых ключей;
2. Тип операций по переводу открытого текста в закрытый;
3. Принцип обработки открытого текста.
По числу применяемых ключей можно разделить на:
• Симметричные криптосистемы;
• Асимметричные криптосистемы.
Если отправитель и получатель применяют идентичный ключ, система
шифрования называется симметричной, системой с 1 ключом, системой с
секретным ключом, схемой классического шифрования. (Например, DES,
CAST, RC5, IDEA, Blowfish).
Если отправитель и получатель применяют свои ключи, система
становится асимметричной, системой с 2 ключами, схемой шифрования с
открытым ключом. (RSA, Эль-Гамаля).
2) По типу операций по преобразованию открытого текста в
шифрованный.
Подстановочные шифры - шифрование основано на замещении каждого
элемента открытого текста (бита, буквы, группы битов или букв) другим
элементом. (Цезаря, Плейфейера, Хилла);
Перестановочные шифры – шифрование основано на изменении порядка
следования элементов открытого текста. (Лесенка, перестановка столбцов);
Продукционные шифры – шифрование основано на комбинации
нескольких операций замены и перестановки.
Продукционные шифры применяются в большинстве реальных
современных систем шифрования. (DES).
24
3) По методу обработки открытого текста.
Блочные шифры – Блочными называются шифры, в которых
логической единицей шифрования является некоторый блок открытого текста,
после преобразования которого получается блок шифрованного текста такой
же длины. Например: DES, шифр Файстеля.
Поточные шифры – подразумевают шифрование всех элементов
открытого текста последовательно, одного за другим (бит за битом, байт за
байтом).
Примерами классических поточных шифров являются шифры Виженера
(с автоматическим выбором ключа) и Вернама.
Блочные шифры изучены гораздо лучше.
Считается, что они обладают более широкой областью применения, чем
поточные.
Большинство сетевых приложений, в которых применяется схема
традиционного шифрования, используют блочные шифры.
Симметричные системы шифрования считаются методом
криптозащиты, где для шифрования и расшифровывания используется единый
криптографический ключ.
До создания схемы асимметричного шифрования одним из
существовавших способов было симметричное шифрование.
Ключ алгоритма держался в секрете обеими сторонами.
Алгоритм шифрования определяется сторонами еще до начала обмена
сообщениями.
Шифровальная система с открытым ключом (асимметричный шифр)
является системой шифрования или электронной подписи (ЭП), где открытый
ключ передаётся по незащищенному каналу и применяется для проверки ЭП
и для шифрования сообщения.
25
Для создания ЭП и для расшифровки сообщения также применяется
закрытый ключ.
Криптографические системы с открытым ключом сегодня очень
популярны именно в различных сетевых протоколах, к примеру, в таких
протоколах, как TLS и его предшественнике SSL, в SSH.
Также применяется в PGP, S/MIME.
Такая схема была разработана исследователем Тахером Эль-Гамалем
ещё в 1984 году.
Эль-Гамаль создал один из вариантов алгоритма Диффи-Хеллмана,
модифицировав систему Диффи-Хеллмана и получил два алгоритма,
применяемые для шифрования и для поддержания определения именно
пользователя.
В отличие от RSA, алгоритм Эль-Гамаля не прошел патентование,
потому и стал дешевой альтернативой, поскольку не требовалась оплата
взносов за лицензию.
Безопасность схемы Эль-Гамаля определена сложностью вычисления
дискретных логарифмов в конечном поле.
Чтобы создать пару ключей (открытый ключ - секретный ключ), для
начала определяют некоторое большое простое число Р и большое целое число
G в соотношении G<Р.
Числа Р и G могут находится среди группы пользователей.
Далее выбирают случайное целое число X в соотношении Х<Р. Число Х
считается секретным ключом и сохраняется в тайне.
ГОСТ Р34.10-1994, принятый в 1994 году в РФ, определил процедуру
формирования и проверки ЭЦП, базировался на схеме Эль-Гамаля.
С 2001 г. Применяется новый ГОСТ Р 34.10-2001, включающий
арифметику эллиптических кривых, находящимися над простыми полями
Галуа.
26
Есть большое количество алгоритмов, базирующихся на схеме Эль-
Гамаля:
алгоритм KCDSA,
DSA,
ECDSA,
схема Шнорра.
Методика применения системы ЭЦП включает в себя наличие сети
абонентов, отправляющих друг другу определенные заверенные электронные
документы.
Для каждого абонента создается пара ключей: секретный и открытый
ключ.
Другими словами, открытый ключ становится необходимым
инструментом, помогающим проверить целостность и неизменность
электронного документа и автора подписи.
RSA представляет собой криптографический алгоритм с открытым
ключом, основывающийся на вычислительной сложности задачи
факторизации определенно больших целых чисел.
IDEA представляет собой симметричный блочный алгоритм шифровки
данных, зарегистрированный фирмой из Швеции - Ascom.
Алгоритм, описанный ГОСТ 28147-89, с длиной ключа шифрования 256
бит шифрует данные блоками по 64 бит (эти алгоритмы зовутся блочными),
которые делятся на пару субблоков по 32 бит (N1 и N2).
Первый субблок анализируется определенным образом, после чего его
параметр суммируется со значением второго субблока (сложение реализовано
по модулю 2, т. е. используется логическая операция XOR - "исключающее
или"), а затем эти субблоки переходят на места друг друга.
Такое преобразование реализуется несколько этапов (или раундов): 16
или 32 в зависимости от стадии действия алгоритма.
27
В отличие от алгоритма ГОСТ 28147-89, который очень долго был в
секрете, американский стандарт шифрования AES, заменяющий DES,
отбирался на открытом конкурсе, где все компании, организации и частные
лица, заинтересованные в процессе, могли комментировать и анализировать
алгоритмы-претенденты.
В отличие от российского типа шифра, алгоритм Rijndael включал в себя
блок данных в виде 2-мерного байтового массива размерностью 4X4, 4X6 или
4X8 (возможно применение отдельных фиксированных размеров шифруемого
блока данных).
Все операции реализуются с отдельными байтами массива, а также с
отдельными столбцами и строками.
Некоторые из асимметричных алгоритмов применяются для создания
цифровой подписи (ЦП).
ЦП называют блок данных, созданный при помощи некоторого
секретного ключа.
При этом благодаря этому открытому ключу происходит проверка, что
данные были реально сгенерированы при помощи именно этого секретного
ключа.
Алгоритм генерации ЦП поддерживает невозможность создания
подписи без секретного ключа, которая в случае проверки может быть
правильной.
ЦП применяются для указания, что сообщение пришло точно от
конкретного отправителя (поскольку лишь отправитель по идее имеет
секретный ключ, равный его открытому ключу).
Также ЦП применяются для установки штампа времени (timestamp) на
документах: персона, которой мы можем доверять, визирует документ со
оттиском времени с использованием своего секретного ключа и тем самым
28
говорит, что документ уже имел место быть в момент, указанный в штампе
времени.
ЦП часто используется для подтверждения того, что документ относится
к определенному лицу.
Это реализовано так: открытый ключ и данные о том, к кому от
относится, подписываются стороной, которой можно доверять.
При этом доверять стороне подписания можно лишь в рамках того, что
ее ключ был передан третьей стороной.
Поэтому имеет место иерархия доверия.
Понятно, что один ключ становится корнем иерархии (и ему мы
доверяем a-priori, и не из-за того, что он уже кем-то подписан).
В обобщенной инфраструктуре ключей есть малое количество корневых
ключей сети (к примеру, наделенные властью гос. агентства, именуемые также
сертификационными агентствами).
В распределенной инфраструктуре не нужно иметь универсальные для
всех корневые ключи, и любая сторона может доверять своему набору
корневых ключей.
Подобная концепция является сетью доверия (web of trust) и
применяется, к примеру, в PGP.
ЦП документа обычно делается следующим образом: из документа
преобразуется так называемый дайджест (message digest) к которому
добавляются конкретные данные о том, кто визирует документ, отметку
времени и т.д.
Итоговая строка далее зашифровывается секретным ключом
подписывающего лица, непосредственно с применением того или иного
алгоритма.
Итоговый зашифрованный набор бит и является подписью.
К подписи часто прилагается открытый ключ визирующего.
29
Получатель изначально должен решить, может ли он доверять тому, что
открытый ключ принадлежит тому, кому может принадлежать, и затем
производит дешифровку подписи с применением открытого ключа.
Если подпись нормально расшифрована, и ее содержимое аналогично
самому документу (дайджест и др.), то сообщение можно считать
подтвержденным.
Сейчас в свободном доступе есть несколько алгоритмов создания и
проверки цифровых подписей.
Самым известным из них является алгоритм RSA.
Шифрующие хэш-функции применяются для создания дайджеста
сообщения в рамках составления цифровой подписи.
Хэш-функции отражают сообщение в имеющее конечный размер хэш-
значение (hash value) так, чтобы все множество доступных сообщений
расходилось одинаково по множеству хэш-значений.
А сама криптографическая хэш-функция реализует это таким образом,
что почти нельзя подогнать документ к указанному хэш-значению.
Шифрующие хэш-функции чаще всего производят значения длиной в
128 и более бит.
Это число получается больше, чем количество сообщений, которые
будут когда-либо созданы в мире.
Много отличных криптографических хэш-функций доступно бесплатно.
Самые популярные включают MD5 и SHA.
Шифр генераторы случайных чисел составляют случайные числа,
применяемые в криптографических приложениях для генерации ключей.
Стандартные генераторы случайных чисел, используемые во многих
языках программирования и программных средах, не могут удовлетворить
всех нужд криптографии.
30
Это связано с тем, что они были реализованы для получения
статистически случайного распределения, и криптоаналитики могут знать
поведение таких случайных генераторов).
В идеале случайные числа базируются на настоящем физическом
источнике случайных данных, которые нельзя предсказать.
Произведенный от физического источника шум обрабатывается
криптографической хэш-функцией так, чтобы каждый бит имел отношение к
каждому биту.
Для хранения случайных данных применяют объемный пул.
Всегда лучше иметь некий шум окружения - от задержки в устройствах,
уровня времени применения ресурсов и т.д.
Главным тут становится получение данных, непредсказуемых именно
для внешнего наблюдателя.
Для реализации этого, случайный пул должен включать в себя как
минимум 128 бит настоящей энтропии.
Генераторы псевдослучайных данных чаще всего применяют большой
пул, включающий случайные данные.
Когда нужна следующая порция бит, тогда пул перемещается путем
шифровки со неизвестным ключом (обычно берут из неиспользованной пока
части пула) так, чтобы конкретно каждый бит пула зависел от любого другого
бита.
При верном проектировании надежный шифровальный генератор
случайных чисел создать довольно просто, но данный вопрос зачастую
попросту упускают из вида, забывая о такой "мелочи".
Поэтому следует отметить важность шифровального генератора
случайных чисел, в случае, если он сделан плохо, он становится самым
уязвимым местом системы.
Выводы по главе 1.
31
В результате выполнения первой главы были рассмотрены
теоретические основы использования криптографических средств защиты
информации.
Объектами защиты информации являются вычислительные системы,
сети и телекоммуникации, т.е. компьютерная система (КС) или
автоматизированная система обработки данных (АСОД) объекта, ее связи с
другими удаленными КС, а также средства общения людей (коммуникации).
При постановке задач защиты информации определяют перечень
вероятных угроз, включающий их источники, а также технические и
организационные методы защиты.
При выборе схемы защиты информации большое значение имеет
объективная надежность и наличие сертификата, что дает гарантию о
недоступности защищаемой информации злоумышленнику.
Важно различать два вида защиты информации носителя - защита
носителя и защита непосредственно информации.
Изучены уровни защиты в комплексных системах защиты информации.
А также был проведен анализ криптографических методов защиты.