Власова Л.А. Защита информации

Подождите немного. Документ загружается.

конфиденциальности);

o вычислительных ресурсов (количество памяти в вычислительных

системах, используемых для реализации атаки).

Время жизни некоторых типов информации приведено в табл. 7.

Стойким считается алгоритм, который для своего вскрытия требует от

злоумышленника практически недостижимых вычислительных ресурсов или

недостижимого объёма перехваченных зашифрованных сообщений или времени

раскрытия, которое превышает время жизни интересующей злоумышленника

информации.

Самыми распространёнными на сегодняшний день причинами

осуществления успешных атак на алгоритмы шифрования являются следующие:

 Статистическая структура исторически сложившихся языков.

Существуют определённые символы или их комбинации, наиболее часто

встречающиеся в естественной речи (например, в русском тексте – буква «О»).

Таблица 7

Время жизни информации

Тип информации Время жизни

Военная тактическая информация мин/ч

Информация о выпуске продукции дни/недели

Долгосрочные бизнес-проекты годы

Производственные секреты десятилетия

Секрет создания водородной бомбы Более 40 лет

Информация о разведчиках Более 50 лет

Личная информация Более 50 лет

Дипломатическая тайна Более 65 лет

Информация о переписи населения 100 лет

 При перехвате зашифрованного сообщения для некоторых типов

алгоритмов шифрования можно подсчитать частоту появления определённых

символов и сопоставить их с вероятностями появления определённых символов

или их комбинаций (биграмм, триграмм и т. д.). Это в свою очередь может

привести к однозначному дешифрованию (раскрытию) отдельных участков

зашифрованного сообщения.

 Наличие вероятных слов. Это слова или выражения, появление

которых можно ожидать в перехваченном сообщении (например, для английского

текста – «and», «the», «аrе» и др.).

 Существуют методы, позволяющие сделать зашифрованные

сообщения практически непригодными для статистического анализа и анализа

посредством вероятных слов. К ним относятся следующие.

 Рассеивание. Влияние одного символа открытого сообщения

распространяется на множество символов зашифрованного сообщения. Этот

метод хотя и приводит к увеличению количества ошибок при расшифровке,

однако с его помощью удаётся скрыть статистическую структуру открытого

сообщения.

 Запутывание. Развитие принципа рассеивания. В нём влияние одного

символа ключа распространяется на множество символов зашифрованного

сообщения.

 Перемешивание. Основывается на использовании особых

преобразований исходного сообщения, в результате чего вероятные

последовательности как бы рассеиваются по всему пространству возможных

открытых сообщений. Развитием этого метода явилось применение составных

алгоритмов шифрования, состоящих из последовательности простых операций

перестановки и подстановки.

Примерами изложенных методов служат стандарты шифрования DES и

ГОСТ 28147-89.

6.3. Типы алгоритмов шифрования

Существует два основных типа алгоритмов шифрования:

 алгоритмы симметричного шифрования;

 алгоритмы асимметричного шифрования.

Симметричное шифрование.

Алгоритмы симметричного шифрования основаны на том, что и для

шифрования сообщения, и для его расшифровки используется один и тот же

(общий) ключ (рис. 1).

Одно из главных преимуществ симметричных методов – быстрота

шифрования и расшифровки, а главный недостаток – необходимость передачи

секретного значения ключа получателю.

Неизбежно возникаем проблема: как передать ключ и при этом не позволить

злоумышленникам перехватить его.

Преимущества криптографии с симметричными ключами:

 Высокая производительность.

 Высокая стойкость. При прочих равных условиях стойкость

криптографического алгоритма определяется длиной ключа. При длине

ключа 256 бит необходимо произвести 10

переборов для его

определения.

Недостатки криптографии с симметричными ключами.

 Проблема распределения ключей. Так как для шифрования и расшифровки

используется один и тот же ключ, требуются очень надёжные механизмы для их

распределения (передачи).

 Масштабируемость. Так как и отправитель, и получатель используют

единый ключ, количество необходимых ключей возрастает в геометрической

прогрессии в зависимости от числа участников коммуникации. Для обмена

сообщениями между 10 пользователями необходимо иметь 45 ключей, а для

1000 пользователей – уже 499ˆ500.

 Ограниченное использование. Криптография с секретным ключом

используется для шифрования данных и ограничения доступа к ним, с ее

помощью невозможно обеспечить такие свойства информации, как

аутентичность и

неотрекаемостъ.

Асимметричное шифрование

Асимметричные алгоритмы шифрования (криптография с открытыми

ключами) предполагают использование двух ключей. Первый ключ –

открытый. Он распространяется совершенно свободно, без всяких мер

предосторожности. Второй, закрытый ключ, держится в секрете.

Любое сообщение, зашифрованное с использованием одного из этих ключей,

может быть расшифровано только с использованием парного ему ключа. Как

правило, отправитель сообщения пользуется открытым ключом получателя, а

получатель – своим личным закрытым ключом.

В асимметричной схеме передачи шифрованных сообщений оба ключа

являются производными от единого порождающего мастер-ключа. Когда два

ключа сформированы на основе одного, они зависимы в математическом

смысле, однако в силу вычислительной сложности ни один из них не может быть

вычислен на основании другого. После того, как сформированы оба ключа (и

открытый, и личный, закрытый), мастер-ключ уничтожается, и таким образом

пресекается любая попытка восстановить в дальнейшем значения производных

от него ключей.

Асимметричная схема идеально сочетается с использованием

общедоступных сетей передачи сообщений (например, Интернет). Любой

абонент сети может совершенно свободно переслать открытый ключ своему

партнеру по переговорам, а последний, в роли отправителя сообщения, будет

использовать этот ключ при шифровании отсылаемого сообщения (рис. 2). Это

сообщение сможет расшифровать своим личным ключом только получатель

сообщения, который отсылал раньше соответствующий открытый ключ.

Злоумышленник, перехвативший такой ключ, сможет воспользоваться им только

с единственной целью – передавать законному владельцу ключа какие-нибудь

зашифрованные сообщения.

Недостатком асимметричной схемы являются большие затраты времени на

шифрование и расшифровку, что не разрешает их использование для

оперативного обмена пространными сообщениями в режиме диалога.

Реализация методов асимметричного шифрования требует больших затрат

процессорного времени. Поэтому в чистом виде криптография с открытыми

ключами в мировой практике обычно не применяется.

Рис. 2. Асимметричная схема шифрования

Невозможно сравнивать, что лучше, симметричные или асимметричные

алгоритмы шифрования. Отмечено, что симметричные криптографические

алгоритмы имеют меньшую длину ключа и работают быстрее.

Криптография с секретным и криптография с открытыми ключами

предназначены для решения абсолютно разных проблем. Симметричные

алгоритмы хорошо подходят для шифрования данных, асимметричные

реализуются в большинстве сетевых криптографических протоколов.

Наиболее широкое распространение получили методы, сочетающие

достоинства обеих схем. Принцип работы комбинированных схем заключается в

том, что для очередного сеанса обмена сообщениями генерируется

симметричный (сеансовый) ключ. Затем этот ключ зашифровывается и

пересылается с помощью асимметричной схемы. После завершения текущего

сеанса переговоров симметричный ключ уничтожается.

Шифры замены и перестановки

Было доказано, что в криптографии существуют только два основных типа

преобразований – замены и перестановки, все остальные являются лишь

комбинацией этих двух типов.

В перестановочных шифрах символы открытого текста не изменяются сами

по себе, но изменяют своё местоположение. В шифрах замены один символ

открытого текста замещается символом зашифрованного текста. Подавляющее

большинство современных алгоритмов принадлежат этой группе.

В классической криптографии различают четыре типа шифров замены.

Шифры простой замены. Один символ открытого текста заменяется

символом зашифрованного текста.

Шифры сложной замены. Один символ открытого текста заменяется

одним или несколькими символами зашифрованного. Например: «А» может

быть заменена на «С» или на «РО4Е».

Шифры блочной замены. Один блок символов открытого текста заменяется

блоком закрытого текста. Например: «АВС» может быть заменён на «СРТ» или

на «КАР».

Полиалфавитные шифры замены. Для каждого символа употребляется тот

или иной алфавит в зависимости от ключа, который связан с самим символом

или с его порядком.

Симметричные алгоритмы в зависимости от размера блока преобразуемой

информации разделены на два больших класса – блочные и поточные (рис.3).

В блочных открытый текст разбивается на блоки подходящей длины

(например, размер блоков в DES равен 64 битам) и результат кодирования

(шифрования) фактически зависит от всех исходных байтов этого блока.

В поточных алгоритмах каждый символ открытого текста зашифровывается

(и расшифровывается) независимо от других. Преобразование каждого символа

открытого текста меняется от одного символа к другому, в то время как для

блочных алгоритмов в рамках шифрования блока используется одно и то же

криптографическое преобразование. Схема поточного шифрования применяется

в тех случаях, когда передача информации начинается и заканчивается в

произвольные моменты времени и может случайно прерываться

Рис. 3. Основные типы криптографических алгоритмов

Алгоритмы шифрования

Симметричные Асимметричные

Синхронные

Поточные

Блочные

Синхронизирующие

Стойкость поточных алгоритмов шифрования зависит от того, насколько

выработанная в качестве секретного ключа последовательность символов будет

обладать свойством появления равновероятности очередного символа. Основная

проблема в обеспечении безопасности при использовании поточных алгоритмов

шифрования заключается в том, что выработанную последовательность

недопустимо использовать более одного раза.

Для правильного расшифрования следует подчиниться требованию

синхронности выполнения операций шифраторами на приемной и предающей

сторонах. Существует два метода обеспечения синхронизации работы

шифраторов.

 Самосинхронизирующиеся шифраторы, в которых очередной символ

зависит от определённого количества уже образованных символов. Основной

недостаток этого типа шифраторов заключается в возрастании ошибок при

расшифровании, если произошла ошибка в ходе передачи.

 Синхронные шифраторы, осуществляющие синхронизацию своей работы

только при вхождении в связь; дальнейшая работа на приемной и передающей

сторонах осуществляется синхронно. Основным недостатком этого типа

является необходимость заново устанавливать связь между шифраторами при их

рассинхронизации, хотя они и не обладают свойством разрастания ошибок.

Поточные алгоритмы обладают высокой скоростью шифрования, однако при

программном использовании возникают определенные трудности, что сужает

область их практического применения, хотя структура поточных алгоритмов

шифрования предполагает эффективную аппаратную реализацию.

6.4. Примеры криптографических алгоритмов

Самыми древними методами шифрования были перестановка символов

сообщения или их замена на другие.

В Древней Греции ещё в V–IV вв. до н. э. применяли специальное

шифрующее устройство, состоящее из двух палок одинакового диаметра –

скитал. Одну скиталу оставляли себе, а другую отдавали отъезжающему. Когда

нужно было передать важное секретное сообщение, вырезали длинную и узкую

полосу папируса, наматывали её на скиталу без промежутков так, чтобы вся

поверхность палки была охвачена этой полосой. Оставляя папирус на скитале,

писали на нём всё, что было нужно, а затем снимали полосу и без палки

отправляли адресату. Буквы на полосе были разбросаны в беспорядке, так что

прочитать сообщение мог только тот, кто имел парную скиталу, намотав на неё без

пропусков эту полосу.

Этот шифр является перестановкой, способ его дешифрования принадлежит

Аристотелю. Надо изготовить длинный конус и, начиная с основания,

обёртывать его лентой с шифрованным сообщением, постепенно сдвигая её к

вершине. В какой-то момент начнут просматриваться куски сообщения – так

можно определить секретный ключ – диаметр скиталы.

К шифрам простой замены принадлежит шифр Цезаря. Юлий Цезарь в I в. н.

э. во время войны с галлами заменял в сообщениях первую букву латинского

алфавита (А) на четвёртую (D), вторую (B) – на пятую (E), и так далее, и,

наконец, последнюю – на третью:

ABCDEFGHIJKLMNOPRSTUVWXYZ

DEFGHIJKLMNOPRSTUVWXYZABC

Зашифрованное сообщение об одержанной победе «veni vidi vici»

выгляде-

ло так: «yhql ylgl ylfl». Расшифровка выполняется обратной заменой символов.

Шифр, описанный Конан Дойлем в рассказе «Пляшущие человечки»,

относится к этому же типу. В шифре замены можем быть использована

специальная таблица подстановки, в которую случайным образом вставляются

какие-либо символы. Затем символы в сообщении заменяются

соответствующими символами из таблицы.

Одноразовый шифровальный блокнот

Одноразовый шифровальный блокнот – единственный в теоретическом

смысле стойкий метод шифрования. В его основе лежит та же идея, что и в

шифре Цезаря.

Пусть открытое сообщение записано с помощью символов расширенного

алфавита, состоящего из 33 букв алфавита, 10 знаков препинания {..:;?!()-“} и

знака пробела между словами. Число символов расширенного алфавита в

русском варианте равно 44. Занумеруем их числами от 0 до 43. Тогда любой

передаваемый текст можно рассматривать как последовательность {а

} чисел

множества {0,1,2,…,43}.

В качестве секретного ключа берётся абсолютно случайная

последовательность {с

} из того же множества чисел. Эта последовательность

Лат. «Пришёл, увидел, победил» (Цезарь Ю. Донесение Сенату о победе над понтийским

царём).

должна иметь ту же длину, что и передаваемый текст. Складывая по модулю 44

число а

с соответствующим числом с

ключа (т. е, складывая числа а

и с

и беря

остаток от целочисленного деления их суммы на 44), получаем новое число b

лежащее в промежутке от 0 до 43:

+ с

п=

(mod 44), 0<=b

<=43.

Заменяя цифры последовательности {b

} символами расширенного алфавита,

получим зашифрованный текст.

Чтобы восстановить открытый текст, надо воспользоваться тем же ключом:

= b

n -

(mod 44), 0<=b

<=43.

После однократного шифрования использованный ключ уничтожается и в

дальнейшем больше никогда не применяется. Для того чтобы зашифровать

новое сообщение, отправитель должен воспользоваться новым одноразовым

блокнотом.

В случае использования одноразового шифровального блокнота

потенциально получается ключ бесконечной длины с неограниченным

количеством возможных комбинаций.

Методика шифрования с использованием одноразового шифровального

блокнота обладает исключительной надёжностью, поскольку существует

бесконечно большое число ключей, с помощью которых из зашифрованного

сообщения можно получить осмысленный текст (или правдоподобную

информацию). При этом до тех пор, пока взломщик не получит в своё

распоряжение копию шифровального блокнота, он не сможет узнать, является

ли полученный результат расшифровки в действительности оригинальным

сообщением.

При всей своей привлекательности для этого метода существуют

определённые ограничения, которые не позволяют применять их в практике

передачи информации по компьютерным сетям, и, в частности, в сети Интернет.

Прежде всего последовательность значений в бесконечном ключе должна

быть действительно случайной, а не псевдослучайной. Сформировать

действительно случайную последовательность чисел с помощью компьютера

невозможно.

Другая проблема – в передаче копии блокнота получателю. Размер ключа

(блокнота) должен быть не меньше длины сообщения, которое шифруется с

помощью этого ключа. Далее, после использования, ключ должен быть

уничтожен. Необходимость уничтожить ключ исключает возможность

применения компакт-дисков или цифровых видеодисков.

Еще одна проблема – синхронизация последовательности ключей у

отправителя и получателя сообщения.

Шифрование с использованием операции ХОR

Использование операции ХОR (исключающее ИЛИ) для шифрования

является одной из самых простых разновидностей симметричной схемы, это

шифр простой замены, когда алфавит состоит только из двух символов – 0 и 1.

Шифрование выполняется на уровне отдельных битов в сообщении, оперируя с

двумя строками битов (одна из них – исходное сообщение, вторая – ключ).

Однобитовая операция ХОR дает результат 1, если значения биты-операнды не

равны и 0, если значения обоих битов-операндов совпадают. Получив

последовательность битов, представляющих зашифрованное таким образом

сообщение, его можно расшифровать, выполнив повторно операцию ХОR и

используя в качестве второго операнда тот же самый ключ, который

использовался при шифровании.

Например:

11010110

10101010 - ключ

01111100

10101010 - ключ

11010110

К достоинствам ХОR-шифрования относятся его простота и

«естественность» реализации на ЭВМ, однако этот метод обладает слабой

стойкостью.

Стеганографические методы

Одной из древнейших является форма стеганографических методов, когда

открытое и доступное каждому сообщение заключало в себе другое, скрываемое

послание. К методам этой группы относятся:

 использование известного смещения слов, предложений, абзацев. Метод

основан на изменении положения строк и расстановки слов в предложении, что

обеспечивается вставкой дополнительных пробелов между словами;

 выбор определённых позиций букв (нулевой шифр). Акростих –

частный случай этого метода (например, начальные буквы каждой строки