Средства криптографической защиты гостайны до сих пор приравниваются к оружию. Очень немногие страны мира имеют свои криптографические компании, которые делают действительно хорошие средства защиты информации. Даже во многих развитых странах нет такой возможности: там отсутствует школа, которая позволяла бы эти технологии поддерживать и развивать. Россия одна из немногих стран мира, – может быть таких стран пять, или около того, – где все это развито. Причем и в коммерческом, и в государственном секторе есть компании и организации, которые сохранили преемственность школы криптографии с тех времен, когда она только зарождалась.

Алгоритмы шифрования

На сегодняшний день существует масса алгоритмов шифрования, имеющих значительную стойкость перед криптоанализом (криптографическую стойкость). Принято деление алгоритмов шифрования на три группы:

• Симметричные алгоритмы
• Ассиметричные алгоритмы
• Алгоритмы хэш-функций

Симметричные алгоритмы

Симметричное шифрование предусматривает использование одного и того же ключа и для зашифрования, и для расшифрования. К симметричным алгоритмам применяются два основных требования: полная утрата всех статистических закономерностей в объекте шифрования и отсутствие линейности. Принято разделять симметричные системы на блочные и поточные.

В блочных системах происходит разбиение исходных данных на блоки с последующим преобразованием с помощью ключа.

В поточных системах вырабатывается некая последовательность (выходная гамма), которая в последующем накладывается на само сообщение, и шифрование данных происходит потоком по мере генерирования гаммы. Схема связи с использованием симметричной криптосистемы представлена на рисунке.

Где где М - открытый текст, К - секретный ключ, передаваемый по закрытому каналу, Еn(М) - операция зашифрования, а Dk(M) - операция расшифрования

Обычно при симметричном шифровании используется сложная и многоступенчатая комбинация подстановок и перестановок исходных данных, причем ступеней (проходов) может быть множество, при этом каждой из них должен соответствовать «ключ прохода»

Операция подстановки выполняет первое требование, предъявляемое к симметричному шифру, избавляясь от любых статистических данных путем перемешивания битов сообщения по определенному заданному закону. Перестановка необходима для выполнения второго требования – придания алгоритму нелинейности. Достигается это за счет замены определенной части сообщения заданного объема на стандартное значение путем обращения к исходному массиву.

Симметричные системы имеют как свои преимущества, так и недостатки перед асимметричными.

К преимуществам симметричных шифров относят высокую скорость шифрования, меньшую необходимую длину ключа при аналогичной стойкости, большую изученность и простоту реализации. Недостатками симметричных алгоритмов считают в первую очередь сложность обмена ключами ввиду большой вероятности нарушения секретности ключа при обмене, который необходим, и сложность управления ключами в большой сети.

Примеры симметричных шифров

• ГОСТ 28147-89 - отечественный стандарт шифрования
• 3DES (Triple-DES, тройной DES)
• RC6 (Шифр Ривеста)
• Twofish
• SEED - корейский стандарт шифрования
• Camellia – японский стандарт шифрования
• CAST (по инициалам разработчиков Carlisle Adams и Stafford Tavares)
• XTEA - наиболее простой в реализации алгоритм
• AES – американский стандарт шифрования
• DES – стандарт шифрования данных в США до AES

Асимметричные алгоритмы

Ассиметричные системы также называют криптосистемами с открытым ключом. Это такой способ шифрования данных, при котором открытый ключ передается по открытому каналу (не скрывается) и используется для проверки электронной подписи и для шифрования данных. Для дешифровки же и создания электронной подписи используется второй ключ, секретный.

Само устройство асимметричных криптосистем использует идею односторонних функций ƒ(х), в которых несложно найти х, зная значение самой функции но почти невозможно найти саму ƒ(х), зная только значение х. Примером такой функции может служить телефонный справочник большого города, в котором легко найти номер человека, зная его фамилию и инициалы, но крайне сложно, зная номер, вычислить владельца.

Принцип работы асимметричных систем

Допустим, имеются два абонента: А и В, и абонент В хочет отправить шифрованное сообщение абоненту А. Он зашифровывает сообщение с помощью открытого ключа и передает его уже зашифрованным по открытому каналу связи. Получив сообщение, абонент А подвергает его расшифрованию с помощью секретного ключа и читает.

Здесь необходимо сделать уточнение. При получении сообщения абонент А должен аутентифицировать свою личность перед абонентом В для того, чтобы недоброжелатель не смог выдать себя за абонента А и подменить его открытый ключ своим.

Примеры асимметричных шрифтов

• RSA (Rivest-Shamir-Adleman, Ривест - Шамир - Адлеман)
• DSA (Digital Signature Algorithm)
• Elgamal (Шифросистема Эль-Гамаля)
• Diffie-Hellman (Обмен ключами Диффи - Хелмана)
• ECC (Elliptic Curve Cryptography, криптография эллиптической кривой)

Хеш-функции

Хешированием (от англ. hash) называется преобразование исходного информационного массива произвольной длины в битовую строку фиксированной длины.

Алгоритмов хеш-функций немало, а различаются они своими характеристиками – криптостойкостью, разрядностью, вычислительной сложностью и т.д.

Нас интересуют криптографически стойкие хеш-функции. К таким обычно предъявляют два требования:

• Для заданного сообщения С практически невозможно подобрать другое сообщение С" с таким же хешем
• Практически невозможно подобрать пар сообщений (СС"), имеющих одинаковый хеш.

Требования называются стойкостью к коллизиям первого рода и второго рода соответственно. Для таких функций остается важным и другое требование: при незначительном изменении аргумента должно происходить значительное изменение самой функции. Таким образом, значение хеша не должно давать информации даже об отдельных битах аргумента.

Примеры хеш-алгоритмов

• Adler-32
• SHA-1
• SHA-2 (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512)
• HAVAL
• N-Hash
  • RIPEMD-160
• RIPEMD-256
• RIPEMD-320
• Skein
• Snefru
• Tiger (TTH)
• Whirlpool
• ГОСТ Р34.11-94 (ГОСТ 34.311-95)
• IP Internet Checksum (RFC 1071)

Криптографические примитивы

Для придания зашифрованной информации большей криптографической стойкости, в криптографической системе могут многократно применяться относительно простые преобразования – примитивы. В качестве примитивов могут использоваться подстановки, перестановки, циклический сдвиг или гаммирование.

Квантовая криптография

Криптография в цифровых технологиях

История

Криптография является древнейшей наукой, и первоначальными ее объектами были текстовые сообщения, которые с помощью определенных алгоритмов лишались смысла для всех, не обладающих специальным знанием по дешифровке этого сообщения – ключом.

Изначально использовались методы, сегодня применяемые разве что для головоломок, то есть, на взгляд современника, простейшие. К таким способам шифрования относятся, например, метод замены, когда каждая буква заменяется другой, отстоящей от нее на строго определенном расстоянии в алфавите. Или метод перестановочного шифрования, когда буквы меняют местами в определенной последовательности внутри слова.

В древние времена шифрование применялось главным образом в военном и торговом деле, шпионаже, среди контрабандистов.

Несколько позже ученые-историки определяют дату появления другой родственной науки – стеганография. Эта наука занимается маскировкой самого факта передачи сообщения. Зародилась она в античности, а примером здесь может служить получение спартанским царем Леонидом перед битвой с персами провощенной дощечки с текстом, покрытой сухим легкосмываемым раствором. При очистке оставленные на воске стилусом знаки становились отчетливо видимыми. Сегодня для сокрытия сообщения служат симпатические чернила, микроточки, микропленки и т.д.

С развитием математики стали появляться математические алгоритмы шифрования, но все эти виды криптографической защиты информации сохраняли в разной объемной степени статистические данные и оставались уязвимыми. Уязвимость стала особенно ощутима с изобретением частотного анализа, который был разработан в IX веке нашей эры предположительно арабским энциклопедистом ал-Кинди. И только в XV веке, после изобретения полиалфавитных шрифтов Леоном Баттистой Альберти (предположительно), защита перешла на качественно новый уровень. Однако в середине XVII века Чарлз Бэббидж представил убедительные доказательства частичной уязвимости полиалфавитных шрифтов перед частотным анализом.

Развитие механики позволило создавать приборы и механизмы, облегчающие шифрование – появились такие устройства, как квадратная доска Тритемиуса, дисковый шифр Томаса Джефферсона. Но все эти приборы ри в какое сравнение не идут с теми, были созданы в XX веке. Именно в это время стали появляться различные шифровальные машины и механизмы высокой сложности, например, роторные машины, самой известной из которых является «Энигма »

До бурного развития науки в XX веке криптографам приходилось иметь дело только с лингвистическими объектами, а в ХХ веке открылись возможности применения различных математических методов и теорий, статистики, комбинаторики, теории чисел и абстракной алгебры.

Но настоящий прорыв в криптографической науке произошел с появлением возможности представления любой информации в бинарном виде, разделенной на биты с помощью компьютеров, что позволило создавать шрифты с доселе невиданной криптографической стойкостью. Такие системы шифрования, конечно, могут быть подвергнуты взлому, но временные затраты на взлом себя в подавляющем большинстве случаев не оправдывают.

Сегодня можно говорить о значительных разработках в квантовой криптографии.

Литература

• Баричев С.Г., Гончаров В.В., Серов Р.Е. Основы современной криптографии. - М.: *Варфоломеев А. А., Жуков А. Е., Пудовкина М. А. Поточные криптосистемы. Основные свойства и методы анализа стойкости. М.: ПАИМС, 2000.
• Ященко В. В. Введение в криптографию. СПб.: Питер, 2001. .
• ГОСТ 28147-89. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. М.: ГК СССР по стандартам, 1989.
• ГОСТ Р 34.10-94.Информационная технология. Криптографическая защита информации. *ГОСТ Р 34.11-94. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Функция хэширования. М., 1995.
• ГОСТ Р 34.10-2001 Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи. М., 2001.
• Нечаев В. И. Элементы криптографии (Основы теории защиты информации). М.: Высшая школа, 1999.
• Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. М.: АВР,1996.

Практически все применяемые криптографические методы связаны с разбиением сообщения на большое число частей (или знаков) фиксированного размера, каждая из которых шифруется отдельно, если не независимо. Это существенно упрощает задачу шифрования, так как сообщения обычно имеют различную длину.

Можно выделить три основных метода шифрования : поточный, блочный и с применением обратной связи.

Выделяются следующие четыре характерных признака криптографических методов.

Операции с отдельными битами или блоками.

Зависимость или не зависимость функции шифрования от результатов шифрования предыдущих частей сообщения.

3. Зависимость или независимость шифрования отдельных знаков сообщения от их положения в тексте. Например, при поточном шифровании, различные знаки сообщения шифруются с учетом их положения в сообщении. Это свойство называется позиционной зависимостью или независимостью шифра.

4. Симметрия или асимметрия функции шифрования. Это важное свойство определяет существенное различие между обычными симметричными (одноключевыми) криптосистемами и асимметричными двухключевыми (криптосистемами с открытым ключом). Основное различие между ними состоит в том, что в асимметричной криптосистеме знание ключа шифрования (или расшифрования) недостаточно для раскрытия соответствующего ключа расшифрования (или шифрования).

Основные характеристики криптосистем

криптосистем	Операции с битами или блоками	Зависимость/ независимость от знаков сообщения	Позиционная зависимость/ независимость	Симметрия/ асимметрия
Поточного шифрования		не зависит		симметричная
Блочного шифрования		не зависит	не зависит	симметричная или несимметричная
С обратной связью от шифртекста	биты или блоки		не зависит	симметричная

В криптосистеме, обладающей свойством зависимости функции шифрования от знаков сообщения, может иметь место размножение ошибок. Если, например, при передаче будет искажен бит шифртекста, то после расшифрования открытый текст может содержать большее количество искаженных битов. Ошибки типа "вставка" и "выпадение" могут также привести к катастрофическому размножению ошибок при дешифровании.

Поточные шифры. Поточное шифрование состоит в том, что биты открытого текста складываются по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности.

К преимуществам поточных шифров относятся отсутствие размножения ошибок, простая реализация и высокая скорость шифрования.

Недостатком является необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения. Это связано с тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений должна использоваться одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать опасную угрозу криптостойкости системы и поэтому часто используется дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и используется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с использованием различных последовательностей.

Поточные шифры широко применяются в военных системах и других системах, близких к ним по назначению, для шифрования данных и преобразованных в цифровую форму речевых сигналов. До недавнего времени такие применения были преобладающими для данного метода шифрования. Это объясняется, в частности, относительной простотой конструирования и реализации генераторов хороших шифрующих последовательностей. Но главным фактором, конечно, остается отсутствие размножения ошибок в поточном шифре.

Так как для передачи данных и речевых сообщений в тактических сетях связи используются каналы сравнительно невысокого качества, любая криптографическая система, увеличивающая и без того высокую частоту ошибок, неприменима. В таких случаях обязательно применение криптосистемы, не размножающей ошибки.

Однако размножение ошибок может быть и положительным явлением. Пусть, например, зашифрованные данные должны передаваться по каналу с очень низкой вероятностью ошибки (например, 10 5) и весьма важно, чтобы данные принимались совершенно точно. Это типичная ситуация для вычислительных сетей, где ошибка в единственном бите может привести к катастрофическим последствиям, и поэтому канал связи должен быть очень надежным. В такой ситуации одна ошибка настолько же опасна, как 100 или 1000 ошибок. Но 100 или 1000 ошибок могут быть обнаружены легче, чем одна ошибка. Следовательно, в данном случае размножение ошибок уже не является недостатком шифра.

Стандартным методом генерирования последовательностей для поточного шифрования является метод, применяемый в стандарте шифрования данных DES в режиме обратной связи от выхода.

Блочные шифры. Для блочного шифрования открытый текст сначала разбивается на равные по длине блоки, затем применяется зависящая от ключа функция шифрования для преобразования блока открытого текста длиной т бит в блок шифртекста такой же длины. Важное свойство блочного шифрования состоит в том, что каждый бит блока шифртекста является функцией всех (или почти всех) битов соответствующего блока открытого текста, и никакие два блока открытого текста не могут быть представлены одним и тем же блоком шифртекста. Алгоритм блочного шифрования может использоваться в различных вариантах. Четыре режима шифрования в стандарте DES фактически применимы к любому блочному шифру.

Эти режимы получили следующие названия:

режим прямого шифрования, или шифрования с использованием электронной книги кодов ЕСВ (Electronic code book),

шифрование со сцеплением блоков шифртекста СВС (Cipher block chaining),

шифрование с обратной связью от шифртекста CFB (Cipher feedback),

шифрование с обратной связью от выхода OFB (Output feedback).

Основное преимущество прямого блочного шифрования (electronic code book) состоит в том, что в хорошо сконструированной системе блочного шифрования небольшие изменения в шифртексте вызовут большие и непредсказуемые изменения в соответствующем открытом тексте и наоборот.

Вместе с тем, применение блочного шифра в этом режиме связано с серьезными недостатками. Первый из них состоит в том, что вследствие фиксированного характера шифрования даже при сравнительно большой длине блока, например 50-100 бит, возможен криптоанализ "со словарем" в ограниченной форме.

Ясно, что блок такого размера может повториться в сообщении вследствие большой избыточности в типичном тексте на естественном языке. Это может привести к тому, что идентичные блоки открытого текста длиной т бит в сообщении будут представлены идентичными блоками шифртекста, что дает криптоаналитику некоторую информацию о содержании сообщения.

Другой потенциальный недостаток этого шифра связан с размножением ошибок (это одна из проблем для всех видов шифров, за исключением поточных). Результатом изменения только одного бита в принятом блоке шифртекста будет неправильное расшифрование всего блока. Это, в свою очередь, приведет к появлению от 1 до т искаженных бит в восстановленном исходном тексте.

Вследствие отмеченных недостатков, блочные шифры редко применяются в указанном режиме для шифрования длинных сообщений. Однако, в финансовых учреждениях, где сообщения часто состоят из одного или двух блоков, блочные шифры (в частности, алгоритм DES) широко применяются в этом простом варианте. Поскольку такое применение связано с возможностью частой смены ключа шифрования, вероятность шифрования двух идентичных блоков открытого текста на одном и том же ключе очень мала. Наиболее часто блочные шифры применяются в системах шифрования с обратной связью от шифртекста.

Возможно также образование смешанных (гибридных) систем поточного и блочного шифрования с использованием лучших свойств каждого из этих шифров. В таких системах поточное шифрование комбинируется с псевдослучайными перестановками. Открытый текст сначала шифруется как при обычном поточном шифровании, затем полученный шифртекст разбивается на блоки фиксированного размера. В каждом блоке производится псевдослучайная перестановка под управлением ключа (предпочтительны различные перестановки для отдельных блоков).

Порядок следования этих двух операций может быть изменен на обратный без влияния на основные свойства системы. В результате получается шифр, не размножающий ошибки, но обладающий дополнительным свойством, которого нет у поточного шифра. Это свойство заключается в том, что перехватчик не знает, какому биту открытого текста соответствует бит шифртекста. Благодаря этому зашифрованное сообщение становится более сложным и трудным для раскрытия. Но следует отметить, что это уже не подлинный блочный шифр, в котором каждый бит шифртекста является функцией только одного, а не всех битов открытого текста.

Криптосистема с открытым ключом должна быть системой блочного шифрования, оперирующей с блоками довольно большой длины. Это обусловлено тем, что криптоаналитик, знающий открытый ключ шифрования, мог бы предварительно вычислить и составить таблицу соответствия блоков открытого текста и шифртекста. Если длина блоков мала (например, 30 бит), то число возможных блоков будет не слишком большим (при длине 30 бит это 2 30 -10 9) и может быть составлена полная таблица, дающая возможность моментального дешифрования любого зашифрованного сообщения с использованием известного открытого ключа.

Было предложено много различных криптосистем с открытым ключом, наиболее известной из которых является система RSA (Rivest, Shamir, Adleman). Криптостойкость этой системы основана на трудности разложения больших чисел на простые сомножители и выборе для ключей шифрования и расшифрования двух больших простых чисел.

Известно, что алгоритм RSA не может быть применен для шифрования с большой скоростью. Наиболее оптимизированная программная реализация этого алгоритма оказывается низкоскоростной, а несколько аппаратных реализации обеспечивают скорость шифрования от 10 до 100 Кбит/с (при использовании простых чисел порядка 2 7 ,что представляется минимальной длиной для обеспечения требуемой криптостойкости). Это значит, что применение системы RSA для блочного шифрования ограничено, хотя применение ее для распределения ключей, аутентификации и формирования цифровой подписи представляет интересные возможности. Некоторые известные в настоящее время криптоалгоритмы с открытым ключом допускают более высокую скорость шифрования, чем алгоритм RSA. Однако они пока не являются настолько популярными.

Системы шифрования с обратной связью. Системы шифрования с обратной связью встречаются в различных практических версиях. Как и в системах блочного шифрования, сообщения разбиваются в них на ряд блоков, состоящих из т бит, и для преобразования этих блоков в блоки шифртекста, которые также состоят из т бит, используются специальные функции. Однако, если в блочном шифре такая функция зависит только от ключа, то в шифрах с обратной связью она зависит как от ключа, так и от одного или более предшествующих блоков шифртекста. Такое общее определение шифрования с обратной связью включает в себя как частные случаи большое количество различных типов практически применяемых систем.

Применение криптосистем блочного шифрования с обратной связью дает ряд важных преимуществ . Первое и самое значительное - возможность использования их для обнаружения манипуляций с сообщениями, производимых активными перехватчиками. При этом используется факт размножения ошибок, а также способность таких систем легко генерировать код аутентификации сообщений MAC (message aithentication code). Второе преимущество состоит в том, что шифры СТАК, применяемые вместо блочных шифров, не требуют начальной синхронизации. Это значит, что если начало сообщения пропущено при приеме, то оставшаяся часть его может быть успешно расшифрована (после успешного приема следующих один за другим t бит шифртекста. Отметим также, что системы шифрования с обратной связью используются не только для шифрования сообщений, но также и для их аутентификации.

Криптосистемам блочного шифрования с обратной связью свойственны определенные недостатки . Основной из них - размножение ошибок, т.е. один ошибочный бит при передаче может вызвать от 1 до sm + i ошибок в расшифрованном тексте. Таким образом, требование увеличения t для повышения криптостойкости противоречит системным требованиям, связанным с размножением ошибок. Другой недостаток состоит в том, что разработка и реализация систем шифрования с обратной связью часто оказываются более трудными, чем для систем поточного шифрования. Хотя системы шифрования с обратной связью различных типов находят широкое применение уже в течение многих лет, специальных алгоритмов для таких систем очень мало. В большинстве случаев опубликованные алгоритмы получены из алгоритмов блочного шифрования, преобразованных для специальных применений.

Первый вывод, который можно сделать из проведенного анализа, состоит в том, что в большинстве практических криптосистем применяются алгоритмы или поточного шифрования, или шифрования с обратной связью. Большинство криптосистем поточного шифрования использует алгоритмы для коммерческого сектора (в том числе, алгоритмы, являющиеся собственностью фирм или отдельных пользователей) или секретные правительственные алгоритмы. Такое положение, видимо, сохранится еще в ближайшие годы.

Возможно также, что большинство систем шифрования с обратной связью будет основано на применении алгоритмов блочного шифрования в специальном варианте, в частности, наиболее известного алгоритма блочного шифрования DES. О других методах шифрования можно сказать, что, несмотря на быстрый рост публикаций по криптосистемам с открытым ключом, только одна из них, - система RSA, выдержала испытание временем.

Но алгоритм этой системы связан с серьезными ограничениями в реализации и поэтому не подходит для некоторых криптографических применений. Конечно, можно определенно утверждать, что криптосистемы с открытым ключом оказали значительное влияние на технику шифрования данных. Они находят все возрастающее применение, в основном, для формирования цифровых подписей или для управления ключами в обычных криптосистемах (таких, как ключ шифрования ключей).

Потенциальным пользователям криптографии представляется возможность выбирать между системами поточного шифрования и системами шифрования с обратной связью (возможно, основанными на применении алгоритмов блочного шифрования). Однако имеются определенные области применения, например, финансовые операции, где возможно использование методов прямого блочного шифрования ("electronic codebook"). Выбор криптоалгоритма в значительной мере зависит от его назначения. Некоторые данные, которыми можно руководствоваться при выборе типа шифрования, приведены в таблице.

Доброго времени суток уважаемый пользователь. В этой статье мы поговорим на такие темы, как: Алгоритмы шифрования , Симметричный алгоритм шифрования основные понятия .

Большинство средств защиты информации базируется на использовании криптографических шифров и процедур шифрования и расшифрования .

В соответствии со стандартом шифрования ГОСТ 28147-89 под шифром понимают совокупность обратимых преобразований множества открытых данных на множество зашифрованных данных, задаваемых ключом и алгоритмом криптографического преобразования.

Ключ – это конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования данных , обеспечивающее выбор только одного варианта из всех возможных для данного алгоритма. В симметричных криптоалгоритмах для зашифрования и расшифрования сообщения используется один и тот же блок информации (ключ). Хотя алгоритм воздействия на передаваемые данные может быть известен посторонним лицам, но он зависит от секретного ключа, которым должны обладать только отправитель и получатель. Симметричные криптоалгоритмы выполняют преобразование небольшого блока данных (1 бит либо 32-128 бит) в зависимости от секретного ключа таким образом, что прочесть исходное сообщение можно, только зная этот секретный ключ.

Симметричный алгоритм шифрования.

Симметричные криптосистемы позволяют на основе симметричных криптоалгоритмов кодировать и декодировать файлы произвольной длины. В зависимости от размера блока информации симметричные криптоалгоритмы делятся на блочные шифры и поточные шифры.

Для блочных шифров единицей шифрования является блок из нескольких байтов. Результат шифрования зависит от всех исходных байтов этого блока. Блочное шифрование применяется при пакетной передаче информации и кодировании файлов. Блочные шифры шифруют целые блоки информации (от 4 до 32 байт) как единое целое – это значительно увеличивает стойкость преобразований к атаке полным перебором и позволяет использовать различные математические и алгоритмические преобразования.

Для поточных шифров единицей шифрования является один бит или один байт. Результат обычно зависит от шифрования прошедшего ранее входного потока. Эта схема шифрования применяется в системах передачи потоков информации, то есть в тех случаях, когда передача информации начинается и заканчивается в произвольные моменты времени.

Характерная особенность симметричных блочных алгоритмов заключается в том, что в ходе своей работы они производят преобразование блока входной информации фиксированной длины и получают результирующий блок того же объема, но не доступный для прочтения сторонним лицам, не владеющим ключом. Таким образом, схему работы симметричного блочного шифра можно описать функциями:

Функция

С = ЕК (М),
М = DK (C),
где М – исходный (открытый) блок данных;
С – зашифрованный блок данных.

Ключ К является параметром симметричного блочного криптоалгоритма и представляет собой блок двоичной информации фиксированного размера. Исходный М и зашифрованный С блоки данных также имеют равную фиксированную разрядность (но не обязательно равную длине ключа К).

Методика создания цепочек из зашифрованных блочными алгоритмами байтов позволяет шифровать ими пакеты информации неограниченной длины. Отсутствие статистической корреляции между битами выходного потока блочного шифра используется для вычисления контрольных сумм пакетов данных и в хэшировании паролей. На сегодняшний день разработано достаточно много стойких блочных шифров.

Криптоалгоритм считается идеально стойким, если для прочтения зашифрованного блока данных необходим перебор всех возможных ключей до тех пор, пока расшифрованное сообщение не окажется осмысленным. В общем случае стойкость блочного шифра зависит только от длины ключа и возрастает экспоненциально с ее ростом.

Идеально стойкие криптоалгоритмы должны удовлетворять еще одному важному требованию. При известных исходном и зашифрованном значениях блока ключ, которым произведено это преобразование, можно узнать только путем полного перебора его значений.

Ситуации, в которых постороннему наблюдателю известна часть исходного текста, встречаются довольно часто. Это могут быть стандартные надписи в электронных бланках, фиксированные заголовки форматов файлов, часто встречающиеся в тексте длинные слова или последовательности байтов. Поэтому указанное выше требование не является чрезмерным и также строго выполняется стойкими блочными шифрами.

По мнению Клода Шеннона, для получения стойких блочных шифров необходимо использовать два общих принципа: рассеивание и перемешивание.

Примечание

Рассеивание представляет собой распространение влияния одного знака открытого текста на много знаков шифротекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста…

Примечание

Перемешивание предполагает использование таких шифрующих преобразований, которые усложняют восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текстов. Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость зашифрования и расшифрования при известном пользователю секретном ключе…

Распространенным способом достижения эффектов рассеивания и перемешивания является использование составного шифра, то есть такого, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит свой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание.

В составных шифрах в качестве простых шифров чаще всего используются простые перестановки и подстановки. При перестановке просто перемешивают символы открытого текста, причем конкретный вид перемешивания определяется секретным ключом. При подстановке каждый символ открытого текста заменяют другим символом из того же алфавита, а конкретный вид подстановки также определяется секретным ключом. В современном блочном шифре блоки открытого текста и шифротекста представляют собой двоичные последовательности обычно длиной 64 бита. В принципе каждый блок может принимать 2 в 64 степени значений. Поэтому подстановки выполняются в очень большом алфавите, содержащем до 2 в степени 64 «символов».

При многократном чередовании простых перестановок и подстановок, управляемых достаточно длинным секретным ключом, можно получить очень стойкий шифр с хорошим рассеиванием и перемешиванием.

Все действия, производимые блочным криптоалгоритмом над данными, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Например, 32-битовый блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0 – 4294967295. Кроме того, блок, разрядность которого представляет собой «степень двойки», можно трактовать как сцепление нескольких независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (указанный выше 32-битовый блок можно также представить в виде сцепления двух независимых 16-битовых чисел из диапазона 0 – 65535 или в виде сцепления четырех независимых 8-битовых чисел из диапазона 0 – 255).

Над этими числами блочный криптоалгоритм производит по определенной схеме следующие действия:

1. Математические функции:
– сложение X’ = X + V;
– «исключающее ИЛИ» X’ = X xor V;
– умножение по модулю 2N + 1 X’ = (X*V) mod (2N + 1);
– умножение по модулю 2N X’ = (X*V) mod 2N.
2. Битовые сдвиги:
– арифметический сдвиг влево X’ = X shl V;
– арифметический сдвиг вправо X’ = X shr V;
– циклический сдвиг влево X’ = X rol V;
– циклический сдвиг вправо X’ = X ror V.
3. Табличные подстановки:
– S-box (англ. substitute) X’ = Table .

В качестве параметра V для любого из этих преобразований может использоваться:

• фиксированное число (например, X’ = X + 125).
• число, получаемое из ключа (например, X’ = X + F(K)).
• число, получаемое из независимой части блока (например, X2’ = X2 + F(X1)).

Примечание

Последний вариант используется в схеме, называемой сетью Фейстеля (по имени ее создателя)…

Сеть Фейстеля.

Последовательность выполняемых над блоком операций, комбинации перечисленных выше вариантов V и сами функции F и составляют отличительные особенности конкретного симметричного блочного криптоалгоритма.

Характерным признаком блочных алгоритмов является многократное и косвенное использование материала ключа. Это определяется в первую очередь требованием невозможности обратного декодирования в отношении ключа при известных исходном и зашифрованном текстах. Для решения этой задачи в приведенных выше преобразованиях чаще всего используется не само значение ключа или его части, а некоторая, иногда необратимая функция от материала ключа. Более того, в подобных преобразованиях один и тот же блок или элемент ключа используется многократно. Это позволяет при выполнении условия обратимости функции относительно величины X сделать функцию необратимой относительно ключа K.

Сетью Фейстеля называется схема (метод) обратимых преобразований текста, при котором значение, вычисленное от одной из частей текста, накладывается на другие части. Сеть Фейстеля представляет собой модификацию метода смешивания текущей части шифруемого блока с результатом некоторой функции, вычисленной от другой независимой части того же блока. Эта методика обеспечивает выполнение важного требования о многократном использовании ключа и материала исходного блока информации. Часто структуру сети выполняют таким образом, чтобы использовать для шифрования и расшифрования один и тот же алгоритм – различие состоит только в порядке использования материала ключа.

На основе сети Фейстеля построены американский стандарт шифрования данных DES и наш ГОСТ 28147-89.

Основные современные методы шифрования

Среди разнообразнейших способов шифрования можно выделить следующие основные методы:

• - Алгоритмы замены или подстановки - символы исходного текста заменяются на символы другого (или того же) алфавита в соответствии с заранее определенной схемой, которая и будет ключом данного шифра. Отдельно этот метод в современных криптосистемах практически не используется из-за чрезвычайно низкой криптостойкости.
• - Алгоритмы перестановки - символы оригинального текста меняются местами по определенному принципу, являющемуся секретным ключом. Алгоритм перестановки сам по себе обладает низкой криптостойкостью, но входит в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.
• - Алгоритмы гаммирования - символы исходного текста складываются с символами некой случайной последовательности.
• - Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях исходного текста по некоторой формуле. Многие из них используют нерешенные математические задачи. Например, широко используемый в Интернете алгоритм шифрования RSA основан на свойствах простых чисел.
• - Комбинированные методы. Последовательное шифрование исходного текста с помощью двух и более методов.

Рассмотрим подробнее алгоритмы, построенные на сложных математических преобразованиях и комбинированные методы, как наиболее часто используемые для защиты данных в современных информационных системах.

Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях

Алгоритм RSA

Алгоритм RSA (по первым буквам фамилий его создателей Rivest - Shamir - Adleman) основан на свойствах простых чисел (причем очень больших). Простыми называются такие числа, которые не имеют делителей, кроме самих себя и единицы. А взаимно простыми называются числа, не имеющие общих делителей, кроме 1.

Для начала необходимо выбрать два очень больших простых числа (большие исходные числа нужны для построения больших криптостойких ключей. Например, Unix-программа ssh-keygen по умолчанию генерирует ключи длиной 1024 бита). Как результат перемножения р и q определяется параметр n. Затем выбирается случайное число е, причем оно должно быть взаимно простым с числом (n) = (р - 1)*(q - 1). Отыскивается такое число d, для которого верно соотношение

(e*d) mod (n) = 1.

Mod - остаток от деления, т. е. если e, умноженное на d, поделить (n), то в остатке должно получиться 1. Другими словами, числа (e*d - 1) и (n) должны делиться нацело.

Открытым ключом является пара чисел e и n, а закрытым - d и n. При шифровании исходный текст рассматривается как числовой ряд, и над каждым его числом, которое должно быть меньше n, совершается операция

C(i) = (M(i) e) mod n. (1)

В результате получается последовательность C(i), которая и составит криптотекст. Декодирование информации происходит по формуле

M(i) = (C(i) d) mod n. (2)

Как видно, расшифровка предполагает знание секретного ключа.

Рассмотрим пример на маленьких числах. Пусть р = 3, q = 7. Тогда n = = р*q = 21. Выберем е = 5. Из формулы (d*5) mod 12 = 1 вычисляем d = 17. Следовательно, открытый ключ 17, 21, секретный - 5, 21.

Зашифруем последовательность «2345»:

C 1 = 2 17 mod 21 = 11;

C 2 = 3 17 mod 21 = 12;

C 3 = 4 17 mod 21 = 16;

C 4 = 5 17 mod 21 = 17.

Криптотекст - 11 12 16 17. Проверим расшифровкой:

M 1 = 11 5 mod 21 = 2;

M 2 = 12 5 mod 21 = 3;

M 3 = 16 5 mod 21 = 4;

M 4 = 17 5 mod 21 = 5;

Как видно, результат совпал с изначальным открытым текстом.

Криптосистема RSA широко применяется в Интернете. Когда пользователи подсоединяются к защищенному серверу по протоколу SSL SSL (Secure Socket Layer), протокол защищенных сокетов - протокол, гарантирующий безопасную передачу данных по сети; комбинирует криптографическую систему с открытым ключом и блочное шифрование данных., устанавливает на свой ПК сертификат WebMoney либо подключается к удаленному серверу с помощью Oрen SSH или SecureShell, большинство даже не подозревает, что все эти программы применяют шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA.

Действительно ли эта система так надежна?

С момента своего создания RSA постоянно подвергалась атакам типа brute-force attack (атака методом грубой силы Brute force («грубая сила») - атака, осуществляемая простым перебором всех возможных либо наиболее часто встречающихся ключей (паролей). Во втором случае brute force достаточно часто называют "атакой по словарю".). В 1978 г. авторы алгоритма опубликовали статью, где привели строку, зашифрованную только что изобретенным ими методом. Первому, кто расшифрует сообщение, было назначено вознаграждение в размере 100 долларов, но для этого требовалось разложить на два сомножителя 129-значное число. Это был первый конкурс на взлом RSA. Задачу решили только через 17 лет после публикации статьи.

Криптостойкость RSA основывается на том предположении, что исключительно трудно, если вообще реально, определить закрытый ключ из открытого. Для этого требовалось решить задачу о существовании делителей огромного целого числа. До сих пор ее аналитическими методами никто не решил, и алгоритм RSA можно взломать лишь путем полного перебора. Строго говоря, утверждение, что задача разложения на множители сложна и что взлом системы RSA труден, также не доказано.

Компания RSA (httр://www.rsa.ru) регулярно проводит конкурсы на взлом собственных (и не только собственных) шифров. Предыдущие конкурсы выиграла организация Distributed.net (httр://www.distributed.net), являющаяся Интернет-сообществом добровольцев.

Участники Distributed.net загружают к себе на ПК небольшую программу-клиент, которая подсоединяется к центральному серверу и получает кусочек данных для вычислений. Затем все данные загружаются на центральный сервер, и клиент получает следующий блок исходной информации. И так происходит до тех пор, пока все комбинации не будут перебраны. Пользователи, участники системы, объединяются в команды, а на сайте ведется рейтинг как команд, так и стран. Например, участвующей в конкурсе по взлому RC5-64 (блочный шифр компании RSA, использующий ключ длиной 64 бита) организации Distributed.net удалось осуществить взлом через пять лет (1757 дней) работы. За это время в проекте участвовали 327 856 пользователей и было перебрано более 15,268*10 18 вариантов ключа. Выяснилось, что была (не без юмора) зашифрована фраза «some things are better left unread» («некоторые вещи лучше оставлять непрочтенными»). Общие рекомендации по шифру RC5-64 таковы: алгоритм достаточно стоек для повседневных нужд, но шифровать им данные, остающиеся секретными на протяжении более пяти лет, не рекомендуется».

Вероятностное шифрование

Одной из разновидностей криптосистем с открытым ключом является вероятностное шифрование, разработанное Шафи Гольвассером и Сильвио Минелли. Его суть состоит в том, чтобы алгоритм шифрования Е подчинить вероятностным моделям. В чем же преимущества такого подхода? Для примера, в системе RSA не «маскируются» 0 и 1. Эту проблему успешно решают вероятностные алгоритмы, поскольку они ставят в соответствие открытому тексту М не просто криптотекст С, а некоторый элемент из множества криптотекстов СМ. При этом каждый элемент этого множества выбирается с некоторой вероятностью. Другими словами, для любого открытого текста М результат работы алгоритма Е будет случайной величиной. Может показаться, что в этом случае дешифровать информацию будет невозможно, но это совсем не так. Для того чтобы сделать возможной дешифровку, нужно, чтобы для разных открытых текстов М 1 и М 2 множества СМ 1 и СМ 2 не пересекались. Также хочется сказать, что вероятностные алгоритмы шифрования являются более надежными, нежели детерминированные. В этой области наиболее распространены вероятностное шифрование на основе RSA-функций и криптосистема Эль-Гамала.

Комбинированные методы шифрования

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системе шифрования, является ее высокая криптостойкость. Однако ее повышение для любого метода шифрования приводит, как правило, к существенному усложнению самого процесса шифрования и увеличению затрат ресурсов (времени, аппаратных средств, уменьшению пропускной способности и т.п.), и как следствие - времени работы криптографических систем.

Достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования является комбинированное использование нескольких различных способов шифрования, т.е. последовательное шифрование исходного текста с помощью двух или более методов.

Как показали исследования, стойкость комбинированного шифрования не ниже произведения стойкостей используемых способов.

Строго говоря, комбинировать можно любые методы шифрования и в любом количестве, однако на практике наибольшее распространение получили следующие комбинации:

подстановка + гаммирование;

перестановка + гаммирование;

гаммирование + гаммирование;

подстановка + перестановка;

Типичным примером комбинированного шифра является национальный стандарт США криптографического закрытия данных (DES).

Криптографический стандарт DES

В 1973 г. Национальное бюро стандартов США начало разработку программы по созданию стандарта шифрования данных на ЭВМ. Был объявлен конкурс среди фирм-разработчиков, который выиграла фирма IBM, представившая в 1974 году алгоритм шифрования, известный под названием DES (Data Encryption Standart).

В этом алгоритме входные 64-битовые векторы, называемые блоками открытого текста, преобразуются в выходные 64-битовые векторы, называемые блоками шифротекста, с помощью двоичного 56-битового ключа К. Число различных ключей DES-алгоритма равно 2 56 .

Алгоритм реализуется в течение 16 аналогичных циклов шифрования, где на i-ом цикле используется цикловой ключ K i , представляющий собой алгоритмически вырабатываемую выборку 48 из 56 битов ключа K i , i = 1,2,…,16.

Алгоритм обеспечивает высокую стойкость, однако недавние результаты показали, что современная технология позволяет создать вычислительное устройство стоимостью около 1 млн. долларов США, способное вскрыть секретный ключ с помощью полного перебора в среднем за 3,5 часа.

Из-за небольшого размера ключа было принято решение использовать DES-алгоритм для закрытия коммерческой информации. Практическая реализация перебора всех ключей в данных условиях экономически не целесообразна, так как затраты на реализацию перебора не соответствуют ценности информации, закрываемой шифром.

DES-алгоритм явился первым примером широкого производства и внедрения технических средств в области защиты информации. Национальное бюро стандартов США проводит проверку аппаратных реализаций DES-алгоритма, предложенных фирмами-разработчиками, на специальном тестирующем стенде. Только после положительных результатов проверки производитель получает от Национального бюро стандартов сертификат на право реализации своего продукта. К настоящему времени аттестовано несколько десятков изделий, выполненных на различной элементной базе.

Достигнута высокая скорость шифрования. Она составляет в лучших изделиях 45 Мбит/с. Цена некоторых аппаратных изделий не превышает 100 долларов США.

Основные области применения DES-алгоритма:

хранение данных на компьютерах (шифрование файлов, паролей);

аутентификация сообщений (имея сообщение и контрольную группу, несложно убедиться в подлинности сообщения;

электронная система платежей (при операциях с широкой клиентурой и между банками);

Электронный обмен коммерческой информацией (обмен данными между покупателями, продавцом и банкиром защищен от изменений и перехвата.

Позднее появилась модификация DES - Triple DЕS («тройной DES» - так как трижды шифрует информацию «обычным» алгоритмом DES), свободная от основного недостатка прежнего варианта - короткого ключа; он здесь в два раза длиннее. Но, как оказалось, Triple DES унаследовал другие слабые стороны своего предшественника: отсутствие возможности для параллельных вычислений при шифровании и низкую скорость.

ГОСТ 28147-89

В 1989 году в СССР был разработан блочный шифр для использования в качестве государственного стандарта шифрования данных . Разработка была принята и зарегистрирована как ГОСТ 28147-89. Алгоритм был введен в действие в 1990 году. И хотя масштабы применения этого алгоритма шифрования до сих пор уточняются, начало его внедрения, в частности в банковской системе, уже положено. Алгоритм несколько медлителен, но обладает весьма высокой криптостойкостью.

В общих чертах ГОСТ 28147-89 аналогичен DES. Блок-схема алгоритма ГОСТ отличается от блок-схемыDES-алгоритма лишь отсутствием начальной перестановки и числом циклов шифрования (32 в ГОСТ против 16 в DES-алгоритме).

Ключ алгоритма ГОСТ - это массив, состоящий из 32-мерных векторов X 1 , X 2 ,…X 8 . Цикловой ключ i-го цикла K i равен Xs,где ряду значенийi от 1 до 32 соответствует следующий ряд значений s:

1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,8,7,6,5,4,3,2,1.

В шифре ГОСТ используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства составляет 2 256 . Ни на одной из существующих в настоящее время или предполагаемых к реализации в недалеком будущемкомпьютерных систем общего применения нельзя подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт проектировался с большим запасом, по стойкости он на много порядков превосходит американский стандарт DES с его реальным размером ключа в 56 бит и объемом ключевого пространства всего 2 56 , чего явно недостаточно. Ключ криптоалгоритма ГОСТ длиной 32 байта (256 бит) вчетверо больше ключа DES. Необходимое же на перебор всех ключей время при этом возрастает не в четыре раза, а в 256 32-8 = 256 24 , что выливается уже в астрономические цифры). В этой связи DES может представлять скорее исследовательский или научный, чем практический интерес.

Выводы об использовании современных алгоритмов шифрования

В настоящее время наиболее часто применяются три основных стандарта шифрования:

• - DES;
• - ГОСТ 28147-89 - отечественный метод, отличающийся высокой криптостойкостью;
• - RSA - система, в которой шифрование и расшифровка осуществляется с помощью разных ключей.

Недостатком RSA является довольно низкая скорость шифрования, зато она обеспечивает персональную электронную подпись, основанную на уникальном для каждого пользователя секретном ключе. Характеристики наиболее популярных методов шифрования приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики наиболее распространенных методов шифрования