Криптографические методы защиты информации. Криптография. Классификация шифров и их особенности

Криптология (от греч. cryptos – тайный и logos – слово) – наука, занимающаяся шифрованием и дешифрованием. Криптология состоит из двух частей – криптографии и криптоанализа. Криптография – наука о построении криптографических систем, используемых с целью защиты информации. Криптоанализ – наука о методах анализа криптографических систем, цель анализа – разработка методов раскрытия информации, защищаемой криптосистемой . На протяжении всей истории человечества основным фактором развития криптологии было противоборство методов защиты информации и методов её раскрытия.

Оновные задачи криптографии

В настоящее время криптогарфические функции применяются для решения следующих задач защиты информации:
1. Обеспечение конфиденциальности информации .
2. Обеспечение целостности информации .
3. Аутентификация информации .
4. Удостоверение авторства по отношению к сообщению или документу.
5. Обеспечение неотслеживаемости информации .

Основные понятия криптографии.

Криптография – самостоятельная наука с особым предметом исследований и специфическими методами исследования, и, несомненно, эта наука имеет математическую природу. Наиболее отчётливо многообразие связей криптологии с математикой проявилось в двадцатом веке. Большое влияние на это имел выход в свет фундаментальный труд К. Шеннона «Теория связи в секретных системах». Впрочем и до этого события история криптологии была отмечена замечателльными научными трудами и практическим вкладом в криптоаналитические разработки многих математиков, таких, как Л. Б. Альберти(XVв.), Б. Виженер, Ф. Виета(XVI-XVII вв.), Л. Эйлер(XVIII в.) и др.

Современная криптология

Современная криптология базируется на многих математических дисциплинах: линейная алгебра, теория групп, полугрупп, теория автоматов, математический анализ, теория дискретных функций, теория чисел, комбинаторный анализ, теория вероятностей и математическая статистика, теория кодирования, теория информации, теория сложности вычислений… Для полноты описания научных основ криптологии следует упомянуть физические и инженерные науки, такие, как теория связи, теория электромагнитного поля, квантовая физика, компьютерные науки и др. Методы исследования в криптографии и криптоанализе во многом схожи, но задачи этих разделов криптологии различаются существенно.

Криптографическая система

Криптографическая система применяется для решения различных задач защиты информации соответствующими действующими лицами или сторонами, при этом устанавливается определённый порядок взаимодействия сторон, называемый криптографическим протоколом . Семейство криптографических функций в совокупности с используемыми криптографическими протоколами образуют криптосистему (криптографическую систему). Функции криптосистемы зависят от параметра k, называемого ключом криптосистемы. Ключ криптосистемы принадлежит конечному множеству допустимых значений ключа, которое именуется ключевым множеством криптосистемы. Выбранный ключ k однозначно определяет криптографическую функцию криптосистемы.

Ключ криптосистемы

Практическое использование ключа криптосистемы подразумевает реализацию так называемого жизненного цикла ключа, т.е. выполнение таких действий с ключом, как генерация, распределение (рассылка) между пользователями, хранение, установка (с целью реализации при данном ключе криптографической функции для защиты информации), смена и уничтожение ключей. Протоколы, управляющие жизненным циклом ключей, называются ключевыми протоколами. Ключевое множество и ключевые протоколы образуют ключевую подсистему криптографической системы. В зависимости от задач защиты информации различают и выполняющие эти задачи криптографические системы. Для обеспечения конфиденциальности информации используется система шифрования, реализующая семейство E биективных функций множества сообщений, называемое шифром: E = {}, kK.

Аутентификация сторон

Для аутентификации сторон протокола используется система идентификации, для аутентификации сообщений – система имитозащиты, для обеспечения неотказуемости от авторства – система электронной цифровой подписи (ЭЦП).
Сообщение, к которому применяется криптографическая функция шифра, называют открытым текстом, а само применение функции шифра к открытому тексту называется шифрованием или зашифрованием. Результат шифрования открытого текста называется шифрованным текстом или криптограммой.
Шифр E можно рассматривать как семейство отображений , биективных по первой переменной, где X* и Y* - соответственно множество открытых и шифрованных текстов. Биективность функций шифра обеспечивает возможность восстановления открытого текста по шифрованному тексту. Применение к криптограмме обратного отображения с использованием известного ключа называется расшифрованием.
Раскрытие криптоаналитиком информации, защищаемой шифром, называют дешифрованием (ключ расшифрования криптоаналитику неизвестен, т.е. неизвестно, какое именно отображение из семейства E использовано для шифрования). Разработанный криптоаналитиком метод раскрытия шифра или информации , защищаемой шифром, называют криптоаналитической атакой.

Стойкость

Способность криптосистемы противостоять атакам криптоаналитика называется её криптографической стойкостью . Как правило, криптографическая стойкость системы измеряется вычислительными и временными затратами, достаточными для её вскрытия, в некоторых случаях – объёмом материальных затрат.
По величине стойкости криптографические системы классифицируются на системы временной стойкости и гарантированной стойкости. Последние обеспечивают защиту информации в течение длительного времени, несмотря на усилия нарушителя, располагающего значительными материальными, интеллектуальными и вычислительными ресурсами. Следовательно, криптосистема гарантированной стойкости должна быть способна реализовать большое число различных функций, иначе секретная информация может быть раскрыта с помощью тотального перебора функций расшифрования. Более того, устройство системы гарантированной стойкости должно связывать любую попытку её взлома с неизбежным решением трудоёмкой задачи, а именно, задачи нерешаемой с использованием самых передовых современных технологий в течение практически приемлемого временного периода.

Классификация криптосистем .

По принципам использования ключей криптосистемы разделены на системы с секретным и открытым ключом.

Симметричные криптосистемы

Системы с секретным ключом (основная статья "Симметричная криптосистема") используются на протяжении нескольких тысячелетий до настоящего времени и основаны на классическом принципе обеспечения конфиденциальности и информации: а именно, на секретности используемого ключа для всех, кроме лиц, допущенных к информации. Такие криптосистемы называют также симметричными в связи с тем, что ключи, используемые в них для реализации прямых и обратных криптографических функций, обладают определённой симметрией (часто они совпадают). Защита информации с помощью симметричных криптосистем обеспечивается секретностью ключа.

В настоящее время симметричные шифры - это:

Блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами. Результатом повторения раундов является лавинный эффект - нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.

Поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования. Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.

Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.

Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля. Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K) , где D - порция данных, размером вдвое меньше блока шифрования, а K - «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость - обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля - почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие - обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что сильно облегчает аппаратную реализацию. Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины».

Операция перестановки линейна -

Операции подстановки выполняются как замена значения некоей части сообщения (часто в 4, 6 или 8 бит) на стандартное, жестко встроенное в алгоритм иное число путем обращения к константному массиву. Операция подстановки привносит в алгоритм нелинейность.

Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S -блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x , а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата - то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.

Криптосистема с открытым ключом

Системы с открытым ключом (основная статья "Асимметричная криптосистема") были предложены американскими криптографами Диффи и Хеллманом в 1975году, в настоящее время они активно применяются для защиты информации. Другое их название – асимметричные системы , так как в них ключи шифрования и расшифрования не связаны явным отношением симметрии или равенства. Ключ шифрования может быть открытым, известным для всех, но расшифровать сообщение может только пользователь, обладающий секретным ключом расшифрования, который, во избежание путаницы с ключом симметричной системы, обычно называют закрытым ключом. Вычисление ключа расшифрования по ключу шифрования, т.е. раскрытие шифра, увязано с решением математических задач, характеризуемых высокой сложностью решения. К таким задачам относятся, например, задача поиска делителей большого натурального числа и задача логарифмирования в конечных полях большого порядка. Идея криптографии с открытым ключом очень тесно связана с идеей односторонних функций, то есть таких функций f(x) , что по известному x довольно просто найти значение f(x) , тогда как определение x из f(x) невозможно за разумный срок.

Пусть K - пространство ключей, а e и d - ключи шифрования и расшифрования соответственно. E - функция шифрования для произвольного ключа eϵK , такая что:

Здесь cϵC , где C - пространство шифротекстов, а mϵM , где M - пространство сообщений. D - функция расшифрования, с помощью которой можно найти исходное сообщение m , зная шифротекст c:

{E: eϵK} - набор шифрования, а {D: dϵK} - соответствующий набор для расшифрования. Каждая пара (E, D) имеет свойство: зная E , невозможно решить уравнение E(m)=c , то есть для данного произвольного шифротекста cϵC , невозможно найти сообщение mϵM . Это значит, что по данному e невозможно определить соответствующий ключ расшифрования d . E является односторонней функцией, а d - лазейкой. Ниже показана схема передачи информации лицом А лицу В. Они могут быть как физическими лицами, так и организациями и так далее. Но для более лёгкого восприятия принято участников передачи отождествлять с людьми, чаще всего именуемыми Алиса и Боб. Участника, который стремится перехватить и расшифровать сообщения Алисы и Боба, чаще всего называют Евой.

Шифрование - способ преобразования открытой информации в закрытую и обратно. Применяется для хранения важной информации в ненадёжных источниках или передачи её по незащищённым каналам связи. Согласно ГОСТ 28147-89, шифрование подразделяется на процесс зашифровывания и расшифровывания.

В зависимости от алгоритма преобразования данных, методы шифрования подразделяются на гарантированной или временной криптостойкости.

Если безопасность алгоритма основана на сохранении самого алгоритма в тайне, это ограниченный алгоритм. Ограниченные алгоритмы представляют только исторический интерес, но они не соответствуют сегодняшним требованиям стойкости. Большая или изменяющаяся группа пользователей не может использовать такие алгоритмы, так как всякий раз, когда пользователь покидает группу, ее члены должны переходить на другой алгоритм. Алгоритм должен быть заменен и, если кто-нибудь извне случайно узнает секрет .

Также, ограниченные алгоритмы не допускают качественного контроля или стандартизации. У каждой группы пользователей должен быть свой уникальный алгоритм. Несмотря на эти основные недостатки, ограниченные алгоритмы необычайно популярны для приложений с низким уровнем безопасности. Пользователи либо не понимают проблем, связанных с безопасностью своих систем, либо не заботятся о них.

Современная криптография решает эти проблемы с помощью ключа К (рисунок 2.3). Такой ключ может быть любым значением, выбранным из большого множества. Множество возможных ключей называют пространством ключей.

Рисунок 2.3 - Принцип работы систем шифрования с ключом

В настоящее время можно выделить следующие методы шифрования в зависимости от структуры используемых ключей .

1. Симметричное шифрование - посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, но неизвестна некоторая секретная информация - ключ, одинаковый для отправителя и получателя сообщения.

2. Асимметричное шифрование - посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неизвестен закрытый ключ, известный только получателю.

Для данных методов можно выделить следующие криптографические примитивы.

Бесключевые:

Хеш-функции - преобразование входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются функциями свёртки, а их результаты называют хешем, хеш-кодом или дайджестом сообщения;

Односторонние перестановки - примитивные подстановки других символов, входящих в алфавит либо из специально созданного другого алфавита, основанные на заранее определенном секретном алгоритме замены символов.

Симметричные схемы:

Шифры (блочные, потоковые) - способ шифрования, в котором для зашифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями;

Хеш-функции - аналогичные бесключевым, но на основании заранее определенного ключа;

Генераторы псевдослучайных чисел - алгоритм, генерирующий последовательность чисел, элементы которой почти независимы друг от друга и подчиняются заданному распределению (обычно равномерному). Распределение определяется на основании заранее заданного ключа;

Примитивы идентификации - любой идентификатор, например текст, изображение, радиосигнал и т. д., которые преобразуются в соответствии с определенным ключом и сравниваются с эталоном или требованиями к идентификатору, на предмет их допустимости.

Асимметричные схемы:

Шифры - система шифрования, при которой открытый ключ передаётся по открытому (то есть незащищённому, доступному для наблюдения) каналу и используется для шифрования сообщения. Для расшифрования сообщения используется секретный ключ;

ЭЦП - реквизит электронного документа, позволяющий установить отсутствие искажения информации в электронном документе с момента формирования ЭЦП и проверить принадлежность подписи владельцу сертификата ключа ЭЦП. Значение реквизита получается в результате криптографического преобразования информации с использованием закрытого ключа ЭЦП;

Примитивы идентификации.

В соответствии с выполняемыми задачами по защите информации можно выделить два основных класса криптографических систем :

• криптосистемы, обеспечивающие секретность информации;
• криптосистемы, обеспечивающие подлинность (аутентичность) информации.

Такое разделение обусловлено тем, что задача защиты секретности информации (сохранения ее в тайне) принципиально отличается от задачи защиты подлинности (аутентичности) информации, а поэтому должна решаться другими криптографическими методами.

Классификация криптосистем в соответствии с выполняемыми ими задачами по защите информации представлена на рис. 10.1.

Криптосистемы, обеспечивающие секретность информации, разделяются на системы шифрования и системы криптографического кодирования информации.

Системы шифрования информации исторически являются самыми первыми криптографическими системами. Например, в одном из первых трудов о военном искусстве, принадлежащим перу Энея Тактикуса, в главе «О секретных сообщениях», описывались принципы построения и использования в древней Спарте (IV век до нашей эры) средств шифрования информации. Спартанцы для передачи сообщений с театров военных действий использовали так называемую скиталу – механический шифратор в виде цилиндра. При шифровании сообщение записывалось побуквенно на узкую ленту, намотанную на скиталу, вдоль образующей этого цилиндра. После этого лента разматывалась и в промежутках дописывались произвольные буквы. Неизвестным для противоборствующей стороны ключом являлся диаметр скиталы. Интересно отметить, что первое дошедшее до нас имя криптоаналитика также связано со скиталой: Аристотель предложил перехваченную ленту с зашифрованным сообщением наматывать на конус, и то место, где появлялось осмысленная фраза, определяло неизвестный диаметр скиталы (ключ системы шифрования).

В общем случае шифрование сообщения (информации) есть обратимое преобразование сообщения, не зависящее от самого сообщения, с целью скрытия его содержания. Зашифрованное сообщение называется шифрограммой. Преобразование сообщения в шифрограмму описывается функцией шифрования; преобразование шифрограммы в сообщение описывается функцией дешифрования.

Другим методом обеспечения секретности информации является криптографическое кодирование. Криптографическое кодирование информации есть в общем случае преобразование по ключу сообщений в кодограммы, зависящее от самих сообщений, с целью скрытия их содержания. Системами криптографического кодирования информации называются криптографические системы, в которых защита информации по ключу основана на использовании ее избыточности. Термин «криптографическое кодирование» используется, чтобы подчеркнуть отличие этого вида криптографического преобразования от других видов некриптографических преобразований информации, таких как помехоустойчивое кодирование и эффективное кодирование (главы 4 и 5).

Криптосистемы аутентификации информации предназначены для контроля ее подлинности, но в ряде случаев они способны эффективно обеспечить контроль целостности сообщений при различных деструктивных воздействиях.

Данный класс криптосистем может быть разделен в зависимости от решаемой задачи на системы аутентификации информации (сообщений) и системы аутентификации источников информации (корреспондентов, пользователей, сетей, систем и т. п.). Методы аутентификации информации различаются в зависимости от условий обеспечения подлинности информации.

Рассмотрим пример, когда требуется проверить подлинность информации, передаваемой от отправителя к ее получателю, безусловно доверяющих друг другу; пользователи друг друга не могут обманывать и только внешний нарушитель может искажать информацию. Криптосистемы аутентификации сообщений для таких условий используют формирование и проверку имитовставок сообщений. В соответствии с ГОСТ 28147-89 имитовставка это отрезок информации фиксированной длины, полученный по определенному правилу из открытых данных и ключа, и добавленный к зашифрованным данным для обеспечения имитозащиты. Имитозащита сообщений – их преобразование для защиты от навязывания нарушителем ложных и ранее передававшихся сообщений. Получатель зашифрованного сообщения и его имитовставки, имея такой же секретный ключ, способен из расшифрованного сообщения заново сформировать имитовставку и при ее совпадении с полученной имитовставкой из канала связи убедиться в отсутствии искажений.

В случае, когда требуется проверить подлинность информации, передаваемой от отправителя к ее получателю, не доверяющих друг другу, криптосистемы аутентификации на основе имитовставок не эффективны.

Подлинность информации в условиях взаимного недоверия сторон может быть обеспечена с использованием так называемой цифровой подписи сообщения, формируемой отправителем и проверяемой получателем сообщений. Невозможность выполнения каких-либо действий отправителя за получателя и получателя за отправителя при использовании цифровой подписи сообщения обусловлена тем, что они для формирования и проверки цифровой подписи используют различную ключевую информацию. Большинство криптографических систем и протоколов аутентификации объектов построены на основе криптосистем цифровой подписи сообщений.

Криптосистемы, обеспечивающие доступность информации, в настоящее время не являются самостоятельным классом и строятся на основе принципов, заимствованных из криптосистем аутентификации информации и криптосистем обеспечения секретности информации.

Таким образом, краткое рассмотрение возможных методов защиты информации свидетельствует о том, что многие задачи защиты информации наиболее эффективно решаются криптографическими методами, а ряд задач вообще может быть решен только с использованием криптографических методов защиты информации.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Самарский Государственный Университет»

Механико-математический факультет

Кафедра безопасности информационных систем

Специальность «компьютерная безопасность »

Криптографические методы защиты информации

Выполнил студент

курса 1 группы 19101.10

Гришина Анастасия Сергеева

________

Научный руководитель

старший преподаватель

Панфилов А.Г.

________

Самара 2013

Введение

Криптология как наука и основные её термины

Классификация криптосистем

Требования к криптосистемам

Принцип Кергосффа

Основные современные методы шифрования

Управление ключами

Заключение

Введение

С самого начала человеческой истории возникла потребность передачи и хранения информации.

Известное выражение гласит: «Кто владеет информацией, тот владеет миром». Вопросы защиты информации стояли перед человечеством всегда.

Информацию используют все люди без исключения. Каждый человек решает для себя, какую информацию ему необходимо получить, какая информация не должна быть доступна другим и т.д. Человеку легко, хранить информацию, которая у него в голове, а как быть, если информация занесена в «мозг машины», к которой имеют доступ многие люди. В процессе научно-технической революции появились новые способы хранения и передачи информации и, конечно же, люди стали нуждаться в новых средствах защиты информации.

К. основным средствам защиты, используемым для создания механизма обеспечения безопасности, относятся следующие.

Технические средства реализуются в виде электрических, электромеханических и электронных устройств. Вся совокупность технических средств делится на аппаратные и физические. Под аппаратными средствами принято понимать технику или устройства, которые сопрягаются с подобной аппаратурой по стандартному интерфейсу. Например, система опознания и разграничения доступа к информации (посредством паролей, записи кодов и другой информации на различные карточки). Физические средства реализуются в виде автономных устройств и систем. Например, замки на дверях, где размещена аппаратура, решетки на окнах, источники бесперебойного питания, электромеханическое оборудование охранной сигнализации. Так, различают наружные системы охраны («Ворон», GUARDWIR, FPS и др.), ультразвуковые системы (Cyclops и т.д.), системы прерывания луча (Pulsar 30В и т.п.), телевизионные системы (VМ216 и др.), радиолокационные системы («ВИТИМ» и т.д.), система контроля вскрытия аппаратуры и др.

Программные средства представляют собой программное обеспечение, специально предназначенное для выполнения функций защиты информации. В такую группу средств входят: механизм шифрования (криптографии - специальный алгоритм, который запускается уникальным числом или битовой последовательностью, обычно называемым шифрующим ключом; затем по каналам связи передается зашифрованный текст, а получатель имеет свой ключ для дешифрования информации), механизм цифровой подписи, механизмы контроля доступа, механизмы обеспечения целостности данных, механизмы постановки графика, механизмы управления маршрутизацией, механизмы арбитража, антивирусные программы, программы архивации (например, zip, rar, arj и др.), защита при вводе и выводе информации и т.д.

Организационные средства защиты представляют собой организационно-технические и организационно-правовые мероприятия, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации вычислительной техники, аппаратуры телекоммуникаций для обеспечения защиты информации. Организационные мероприятия охватывают все структурные элементы аппаратуры на всех этапах их жизненного цикла (строительство помещений, проектирование компьютерной информационной системы банковской деятельности, монтаж и наладка оборудования, использование, эксплуатация).

Морально-этические средства защиты реализуются в виде всевозможных норм, которые сложились традиционно или складываются по мере распространения вычислительной техники и средств связи в обществе. Эти нормы большей частью не являются обязательными как законодательные меры, однако несоблюдение их обычно ведет к потере авторитета и престижа человека. Наиболее показательным примером таких норм является Кодекс профессионального поведения членов Ассоциации пользователей ЭВМ США.

Законодательные средства защиты определяются законодательными актами страны, которыми регламентируются правила пользования, обработки и передачи информации ограниченного доступа и устанавливаются меры ответственности за нарушение этих правил.

Подробнее остановимся на программных средствах защиты информации, а точнее на криптографических методах защиты информации.

Криптология как наука и основные её термины

Наука, занимающаяся вопросами безопасной связи (т.е посредством зашифрованных сообщений называется криптологией (kryptos - тайный, logos - наука). Она в свою очередь разделяется на два направления криптографию и криптоанализ.

Криптография - наука о создании безопасных методов связи, о создании стойких (устойчивых к взлому) шифров. Она занимается поиском математических методов преобразования информации.

Криптоанализ - данный раздел посвящен исследованию возможности чтения сообщений без знания ключей, т. е. связана непосредственно со взломом шифров. Люди, занимающиеся криптоанализом и исследованием шифров называютсякриптоаналитиками .

Шифр - совокупность обратимых преобразований множества открытых текстов (т.е. исходного сообщения) на множество зашифрованных текстов, проводимых с целью их защиты. Конкретный вид преобразования определяется с помощью ключа шифрования.

Определим еще несколько понятий, которые необходимо усвоить, чтобы чувствовать себя уверенно. Во-первых, зашифрование - процесс применения шифра к открытому тексту. Во-вторых, расшифрование - процесс обратного применения шифра к зашифрованному тексту. И в третьих, дешифрование - попытка прочесть зашифрованный текст без знания ключа, т.е. взлом шифротекста или шифра. Здесь следует подчеркнуть разницу между расшифрованием и дешифрованием. Первое действие проводится законным пользователем , знающим ключ, а второе - криптоаналитиком или мощным хакером.

Криптографическая система - семейство преобразований шифра и совокупность ключей (т.е алгоритм + ключи). Само по себе описание алгоритма не является криптосистемой. Только дополненное схемами распределения и управления ключами оно становится системой. Примеры алгоритмов - описания DES, ГОСТ28.147-89. Дополненные алгоритмами выработки ключей, превращаются в криптосиситемы. Как правило, описание алгоритма шифрования уже включает в себя все необходимые части.

Классификация криптосистем

Современные криптосистемы классифицируют следующим образом:

Криптосистемы могут обеспечивать не только секретность передаваемых сообщений, но и их аутентичность (подлинность), а также подтверждение подлинности пользователя.

Симметричные криптосистемы (с секретным ключом - secret key systems)- данные криптосистемы построены на основе сохранения в тайне ключа шифрования. Процессы зашифрования и расшифрования используют один и тот же ключ. Секретность ключа является постулатом. Основная проблема при применении симметричных криптосистем для связи заключается в сложности передачи обоим сторонам секретного ключа. Однако данные системы обладают высоким быстродействием. Раскрытие ключа злоумышленником грозит раскрытием только той информации, что была зашифрована на этом ключе. Американский и Российский стандарты шифрования DES и ГОСТ28.147-89, кандидаты на AES - все эти алгоритмы являются представителями симметричных криптосистем.

Асимметричные криптосистемы (системы открытого шифрования - о.ш., с открытым ключом и т.д.- public key systems ) - смысл данных криптосистем состоит в том, что для зашифрования и расшифрования используются разные преобразования. Одно из них - зашифрование - является абсолютно открытым для всех. Другое же - расшифрование - остается секретным. Таким образом, любой, кто хочет что-либо зашифровать, пользуется открытым преобразованием. Но расшифровать и прочитать это сможет лишь тот, кто владее секретным преобразованием. В настоящий момент во многих асимметричных криптосистемах вид преобразования определяется ключом. Т.е у пользователя есть два ключа - секретный и открытый. Открытый ключ публикуется в общедоступном месте, и каждый, кто захочет послать сообщение этому пользователю - зашифровывает текст открытым ключом. Расшифровать сможет только упомянутый пользователь с секретным ключом. Таким образом, пропадает проблема передачи секретного ключа (как у симметричных систем). Однако, несмотря на все свои преимущества, эти криптосистемы достаточно трудоемки и медлительны. Стойкость асимметричных криптосистем базируется, в основном, на алгоритмической трудности решить за приемлимое время какую-либо задачу. Если злоумышленнику удастся построить такой алгоритм, то дискредетирована будет вся система и все сообщения, зашифрованые с помощью этой системы. В этом состоит главная опасность асимметричных криптосистем в отличие от симметричных. Примеры - системы о.ш. RSA, система о.ш. Рабина и т.д.

Требования к криптосистемам

П роцесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация отличается существенно большей стоимостью, однако ей присущи и преимущества: высокая производительность, простота, защищенность и т.д. Программная реализация более практична, допускает известную гибкость в использовании. Для современных криптографических систем защиты информации сформулированы следующие общепринятые требования:

зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа;

число операций, необходимых для определения использованного ключа шифрования по фрагменту шифрованного сообщения и соответствующего ему открытого текста, должно быть не меньше общего числа возможных ключей;

число операций, необходимых для расшифровывания информации путем перебора всевозможных ключей должно иметь строгую нижнюю оценку и выходить за пределы возможностей современных компьютеров (с учетом возможности использования сетевых вычислений);

знание алгоритма шифрования не должно влиять на надежность защиты;

незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения даже при использовании одного и того же ключа;

структурные элементы алгоритма шифрования должны быть неизменными;

дополнительные биты, вводимые в сообщение в процессе шифрования, должен быть полностью и надежно скрыты в шифрованном тексте;

длина шифрованного текста должна быть равной длине исходного текста;

не должно быть простых и легко устанавливаемых зависимостью между ключами, последовательно используемыми в процессе шифрования;

любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту информации;

алгоритм должен допускать как программную, так и аппаратную реализацию, при этом изменение длины ключа не должно вести к качественному ухудшению алгоритма шифрования.

Принцип Кергосффа

При́нцип Керкго́ффса - правило разработки криптографическихсистем, согласно которому в засекреченном виде держится только определённый набор параметров алгоритма, называемыйключом, а остальные детали могут быть открыты без снижения стойкости алгоритма ниже допустимых значений. Другими словами, при оценке надёжности шифрования необходимо предполагать, что противник знает об используемой системе шифрования всё, кроме применяемыхключей.

Впервые данный принцип сформулировал в XIX векеголландский криптографОгюст Керкгоффс.Шеннонсформулировал этот принцип (вероятно, независимо от Керкгоффса) следующим образом: «враг может знать систему». Широко применяется в криптографии.

Общие сведения

Сущность принципа заключается в том, что чем меньше секретов содержит система, тем выше её безопасность. Так, если утрата любого из секретов приводит к разрушению системы, то система с меньшим числом секретов будет надёжней. Чем больше секретов содержит система, тем более она ненадёжна и потенциально уязвима. Чем меньше секретов в системе - тем выше её прочность.

Принцип Керкгоффса направлен на то, чтобы сделать безопасность алгоритмов и протоколов независимой от их секретности; открытость не должна влиять на безопасность.

Большинство широко используемых систем шифрования, в соответствии с принципом Керкгоффса, используют известные, не составляющие секрета криптографические алгоритмы. С другой стороны, шифры, используемые в правительственной и военной связи, как правило, засекречены; таким образом создаётся «дополнительный рубеж обороны».

Шесть требований Керкгоффса

Требования к криптосистеме впервые изложены в книге Керкгоффса «Военная криптография» (издана в 1883 году). Шесть основных требований к криптосистеме, все из которых до настоящего времени определяют проектирование криптографически стойких систем, в переводе с французского звучат так:

шифр должен быть физически, если не математически, невскрываемым

система не должна требовать секретности, на случай, если она попадёт в руки врага

ключ должен быть простым, храниться в памяти без записи на бумаге, а также легко изменяемым по желанию корреспондентов

зашифрованный текст должен [без проблем] передаваться по телеграфу

аппарат для шифрования должен быть легко переносимым, работа с ним не должна требовать помощи нескольких лиц

аппарат для шифрования должен быть относительно прост в использовании, не требовать значительных умственных усилий или соблюдения большого количества правил

Второе из этих требований и стало известно как «принцип Керкгоффса».

Также важным, впервые строго сформулированным выводом «Военной криптографии» является утверждение криптоанализакак единственного верного способа испытанияшифров.

Основные современные методы шифрования

Среди разнообразнейших способов шифровании 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. Самым распространенным примером считается шифрование файлов «имя пользователя.рwl», в которых операционная система Microsoft Windows 95 хранит пароли к сетевым ресурсам данного пользователя (пароли на вход в NT-серверы, пароли для DialUр-доступа в Интернет и т.д.). Когда пользователь вводит свой пароль при входе в Windows 95, из него по алгоритму шифрования RC4 генерируется гамма (всегда одна и та же), применяемая для шифрования сетевых паролей. Простота подбора пароля обусловливается в данном случае тем, что Windows всегда предпочитает одну и ту же гамму.

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.

Управление ключами

Кроме выбора подходящей для конкретной ИС криптографической системы, важная проблема - управление ключами. Как бы ни была сложна и надежна сама криптосистема, она основана на использовании ключей. Если для обеспечения конфиденциального обмена информацией между двумя пользователями процесс обмена ключами тривиален, то в ИС, где количество пользователей составляет десятки и сотни управление ключами - серьезная проблема.

Под ключевой информацией понимается совокупность всех действующих в ИС ключей. Если не обеспечено достаточно надежное управление ключевой информацией, то завладев ею, злоумышленник получает неограниченный доступ ко всей информации.

Управление ключами - информационный процесс, включающий в себя три элемента:

* генерацию ключей;

* накопление ключей;

* распределение ключей.

Рассмотрим, как они должны быть реализованы для того, чтобы обеспечить безопасность ключевой информации в ИС.

Генерация ключей

В самом начале разговора о криптографических методах было сказано, что не стоит использовать неслучайные ключи с целью легкости их запоминания. В серьезных ИС используются специальные аппаратные и программные методы генерации случайных ключей. Как правило используют датчики ПСЧ. Однако степень случайности их генерации должна быть достаточно высоким. Идеальным генераторами являются устройства на основе «натуральных» случайных процессов. Например, появились серийные образцы генерации ключей на основе белого радиошума . Другим случайным математическим объектом являются десятичные знаки иррациональных чисел, например  или е , которые вычисляются с помощью стандартных математических методов.

В ИС со средними требованиями защищенности вполне приемлемы программные генераторы ключей, которые вычисляют ПСЧ как сложную функцию от текущего времени и (или) числа, введенного пользователем.

Накопление ключей

Под накоплением ключей понимается организация их хранения, учета и удаления.

Поскольку ключ является самым привлекательным для злоумышленника объектом, открывающим ему путь к конфиденциальной информации, то вопросам накопления ключей следует уделять особое внимание.

Секретные ключи никогда не должны записываться в явном виде на носителе, который может быть считан или скопирован.

В достаточно сложной ИС один пользователь может работать с большим объемом ключевой информации, и иногда даже возникает необходимость организации мини-баз данных по ключевой информации. Такие базы данных отвечают за принятие, хранение, учет и удаление используемых ключей.

Итак, каждая информация об используемых ключах должна храниться в зашифрованном виде. Ключи, зашифровывающие ключевую информацию называются мастер-ключами . Желательно, чтобы мастер ключи каждый пользователь знал наизусть, и не хранил их вообще на каких-либо материальных носителях.

Очень важным условием безопасности информации является периодическое обновление ключевой информации в ИС. При этом переназначаться должны как обычные ключи, так и мастер-ключи. В особо ответственных ИС обновление ключевой информации желательно делать ежедневно.

Вопрос обновления ключевой информации связан и с третьим элементом управления ключами - распределением ключей.

Распределение ключей

Распределение ключей - самый ответственный процесс в управлении ключами. К нему предъявляются два требования:

Оперативность и точность распределения

Скрытность распределяемых ключей.

В последнее время заметен сдвиг в сторону использования криптосистем с открытым ключом, в которых проблема распределения ключей отпадает. Тем не менее распределение ключевой информации в ИС требует новых эффективных решений.

Распределение ключей между пользователями реализуются двумя разными подходами:

1. Путем создания одного ли нескольких центров распределения ключей. Недостаток такого подхода состоит в том, что в центре распределения известно, кому и какие ключи назначены и это позволяет читать все сообщения, циркулирующие в ИС. Возможные злоупотребления существенно влияют на защиту.

2. Прямой обмен ключами между пользователями информационной системы. В этом случае проблема состоит в том, чтобы надежно удостоверить подлинность субъектов.

В обоих случаях должна быть гарантирована подлинность сеанса связи. Это можно обеспечить двумя способами:

1. Механизм запроса-ответа , который состоит в следующем. Если пользователь А желает быть уверенным, что сообщения который он получает от В, не являются ложными, он включает в посылаемое для В сообщение непредсказуемый элемент (запрос). При ответе пользователь В должен выполнить некоторую операцию над этим элементом (например, добавить 1). Это невозможно осуществить заранее, так как не известно, какое случайное число придет в запросе. После получения ответа с результатами действий пользователь А может быть уверен, что сеанс является подлинным. Недостатком этого метода является возможность установления хотя и сложной закономерности между запросом и ответом.

2. Механизм отметки времени («временной штемпель»). Он подразумевает фиксацию времени для каждого сообщения. В этом случае каждый пользователь ИС может знать, насколько «старым» является пришедшее сообщение.

В обоих случаях следует использовать шифрование, чтобы быть уверенным, что ответ послан не злоумышленником и штемпель отметки времени не изменен.

При использовании отметок времени встает проблема допустимого временного интервала задержки для подтверждения подлинности сеанса. Ведь сообщение с «временным штемпелем» в принципе не может быть передано мгновенно. Кроме этого компьютерные часы получателя и отправителя не могут быть абсолютно синхронизированы. Какое запаздывание «штемпеля» считать подозрительным.

Поэтому в реальных ИС, например в системах оплаты кредитных карточек используется именно второй механизм установления подлинности и защиты от подделок. Используемый интервал составляет от одной до нескольких минут. Большое число известных способов кражи электронных денег, основано на «вклинивании» в этот промежуток с подложными запросами на снятии денег.

Для обмена ключами можно использовать криптосистемы с открытым ключом, используя тот же алгоритм RSA.

Заключение

С проникновением компьютеров в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль хозяйства - информационная индустрия. Объем циркулирующей в обществе информации с тех пор стабильно возрастает по экспоненциальному закону - он примерно удваивается каждые пять лет. Фактически, на пороге нового тысячелетия человечество создало информационную цивилизацию, в которой от успешной работы средств обработки информации зависит само благополучие и даже выживание человечества в его нынешнем качестве.

характер информационных взаимодействий чрезвычайно усложнился, и наряду с классической задачей защиты передаваемых текстовых сообщений от несанкционированного прочтения и искажения возникли новые задачи сферы защиты информации, ранее стоявшие и решавшиеся в рамках используемых "бумажных" технологий - например, подпись под электронным документом и вручение электронного документа "под расписку" - речь о подобных "новых" задачах криптографии еще впереди;

субъектами информационных процессов теперь являются не только люди, но и созданные ими автоматические системы, действующие по заложенной в них программе;

вычислительные "способности" современных компьютеров подняли на совершенно новый уровень как возможности по реализации шифров, ранее немыслимых из-за своей высокой сложности, так и возможности аналитиков по их взлому.

Перечисленные выше изменения привели к тому, что очень быстро после распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок, причем сразу по нескольким направлениям.

Я считаю, что нет сомнения в актуальности поднятой проблемы. Перед криптологией сейчас остро стоит задача защитить информацию от вредного воздействия, а значит и обезопасить человечество.

В отношении криптоалгоритмов существует несколько схем классификации, каждая из которых основана на группе характерных признаков. Таким образом, один и тот же алгоритм "проходит" сразу по нескольким схемам, оказываясь в каждой из них в какой-либо из подгрупп. По классификации криптоалгоритмов можно встретить различные мнения.

Основной схемой классификации всех криптоалгоритмов является следующая:

1. Тайнопись

2. Криптография с ключом

2.1. Симметричные криптоалгоритмы

2.1.1. Шифры перестановки

2.1.2. Шифры замены (подстановки)

2.1.2.1. Простой замены

2.1.2.2. Сложной замены

2.1.3. Сложные (составные) шифры

2.2. Асимметричные криптоалгоритмы

2.3. Комбинированные (гибридные) криптосистемы

Тайнопись - Отправитель и получатель производят над сообщением преобразования, известные только им двоим. Сторонним лицам неизвестен сам алгоритм шифрования. Некоторые специалисты считают, что тайнопись не является криптографией вообще, и автор находит это совершенно справедливым.

Криптография с ключом - Алгоритм воздействия на передаваемые данные известен всем сторонним лицам, но он зависит от некоторого параметра – "ключа", которым обладают только отправитель и получатель.

1. Симметричные криптоалгоритмы.
Для зашифровки и расшифровки сообщения используется один и тот же ключ.

2. Асимметричные криптоалгоритмы.
Алгоритм таков, что для зашифровки сообщения используется один ("открытый") ключ, известный всем желающим, а для расшифровки – другой ("закрытый"), существующий только у получателя.

В симметричной криптосистеме секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу распространения ключей, например такому, как курьерская служба. Существуют и другие способы распределения секретных ключей, они будут рассмотрены позднее. В асимметричной криптосистеме передают по незащищенному каналу только открытый ключ, а секретный ключ сохраняют на месте его генерации.

Весь дальнейший материал будет посвящен криптографии с ключом, так как большинство специалистов именно по отношению к этим криптоалгоритмам используют термин криптография, что вполне оправдано. Так, например, любой криптоалгоритм с ключом можно превратить в тайнопись, просто "зашив" в исходном коде программы некоторый фиксированный ключ. Обратное же преобразование практически невозможно.

В зависимости от характера воздействий, производимых над данными, алгоритмы подразделяются на:

1. Перестановочные
Блоки информации (байты, биты, более крупные единицы) не изменяются сами по себе, но изменяется их порядок следования, что делает информацию недоступной стороннему наблюдателю.

2. Подстановочные (замены)
Сами блоки информации изменяются по законам криптоалгоритма. Подавляющее большинство современных алгоритмов принадлежит этой группе.

Заметьте: любые криптографические преобразования не увеличивают объем информации, а лишь изменяют ее представление. Поэтому, если программа шифрования значительно (более, чем на длину заголовка) увеличивает объем выходного файла, то в ее основе лежит неоптимальный, а возможно и вообще некорректный криптоалгоритм. Уменьшение объема закодированного файла возможно только при наличии встроенного алгоритма архивации в криптосистеме и при условии сжимаемости информации (так, например, архивы, музыкальные файлы формата MP3, видеоизображения формата JPEG сжиматься более чем на 2-4% не будут).

В зависимости от размера блока информации криптоалгоритмы делятся на:

1. Потоковые шифры.
Единицей кодирования является один бит или один байт. Результат кодирования не зависит от прошедшего ранее входного потока. Схема применяется в системах передачи потоков информации, то есть в тех случаях, когда передача информации начинается и заканчивается в произвольные моменты времени и может случайно прерываться. Наиболее распространенными предствателями поточных шифров являются скремблеры.