Методы шифрования данных - блог веб-программиста. Современные алгоритмы шифрования

1. Шифрование происходит с обеих сторон. Ведь если шифровать будет только одна сторона (например только сервер), значит трафик от другой стороны (от клиента) будет не зашифрован. Его можно будет подслушать или даже изменить.

Формально никто не передает никому ключ. В протоколе TLS клиент и сервер должны сгенерировать общий секрет (shared secret), набор из 48 байт. Потом клиент и сервер на основании общего секрета вычисляют ключи: ключ шифрования клиента и ключ шифрования сервера. Процедура вычисления ключей из общего секрета стандартная, и задана в описании протокола TLS. Сервер и клиент знают 2 ключа шифрования, одним шифруют, вторым дешифруют. А теперь самое интересное - как клиент и сервер вычисляют общий секрет. Это зависит от выбранного набора шифров:

• TLS_RSA_WITH_: В данном случае клиент сам создает общий секрет генерируя 48 случайных байт. Затем он шифрует их при помощи публичного RSA ключа, который находится в сертификате сервера. Сервер получает зашифрованные данные, и расшифровывает их при помощи приватного RSA ключа. Данная схема используется редко.
• TLS_DHE_RSA_/TLS_ECDHE_RSA_/TLS_ECDHE_ECDSA_: Здесь используется криптографическая схема Диффи-Хеллмана (DHE) или ее версия на эллиптических кривих (ECDHE). Суть схемы такая: сервер и клиент генерируют случайные большие числа (приватные ключи), вычисляют на их основе другие числа (публичные ключи), и пересылают друг другу. Имея свой приватный ключ и публичный ключ другой стороны, они вычисляют общий секрет. Третья сторона, которая прослушивает канал, видит только 2 публичных ключа, и она не может вычислить общий секрет. После этого все данные, которыми обменивались клиент и сервер для получение этого ключа подписываются сертификатом сервера (RSA или ECDSA подписи). Если клиент доверяет сертификату сервера, он проверяет эту подпись, и если она правильная, начинается уже обмен данными. Это наиболее часто используемая схема.
• Есть еще несколько схем, но они используются очень редко или не используются вообще.

Про перехват. Как я выше описал, перехватывать сообщения здесь бесполезно, так как в первом случае его может расшифровать только сервер, а во втором используется хитрая криптографическая схема.

Алгоритмы шифрования знает и сервер, и клиент. Ведь если клиент не знает, какой алгоритм шифрования, как он будет шифровать данные для отправки? В современной криптографии никто не использует закрытые алгоритмы. Открытые алгоритмы постоянно изучаются лучшими криптографами мира, ищутся уязвимости, и предлагаются решения для их обхода.

В TLS мы условно можем сказать, что алгоритмы меняются, так как каждый раз генерируются другие ключи шифрования. А потом, если вы хотите использовать закрытый алгоритм, например для просмотра веб-страницы, каким образом этот алгоритм может быть закрытый, если ваш компьютер/устройство производит шифрование/дешифрование?

Я упустил/упростил некоторые детали, что бы описать только основные идеи.

Сергей Панасенко ,
начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «Анкад»,
[email protected]

Основные понятия

Процесс преобразования открытых данных в зашифрованные и наоборот принято называть шифрованием, причем две составляющие этого процесса называют соответственно зашифрованием и расшифрованием. Математически данное преобразование представляется следующими зависимостями, описывающими действия с исходной информацией:

С = Ek1(M)

M" = Dk2(C),

где M (message) - открытая информация (в литературе по защите информации часто носит название "исходный текст");
C (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст (или криптограмма);
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над исходным текстом;
k1 (key) - параметр функции E, называемый ключом зашифрования;
M" - информация, полученная в результате расшифрования;
D (decryption) - функция расшифрования, выполняющая обратные зашифрованию криптографические преобразования над шифртекстом;
k2 - ключ, с помощью которого выполняется расшифрование информации.

Понятие "ключ" в стандарте ГОСТ 28147-89 (алгоритм симметричного шифрования) определено следующим образом: "конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований". Иными словами, ключ представляет собой уникальный элемент, с помощью которого можно изменять результаты работы алгоритма шифрования: один и тот же исходный текст при использовании различных ключей будет зашифрован по-разному.

Для того, чтобы результат расшифрования совпал с исходным сообщением (т. е. чтобы M" = M), необходимо одновременное выполнение двух условий. Во-первых, функция расшифрования D должна соответствовать функции зашифрования E. Во-вторых, ключ расшифрования k2 должен соответствовать ключу зашифрования k1.

Если для зашифрования использовался криптостойкий алгоритм шифрования, то при отсутствии правильного ключа k2 получить M" = M невозможно. Криптостойкость - основная характеристика алгоритмов шифрования и указывает прежде всего на степень сложности получения исходного текста из зашифрованного без ключа k2.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории: симметричного и асимметричного шифрования. Для первых соотношение ключей зашифрования и расшифрования определяется как k1 = k2 = k (т. е. функции E и D используют один и тот же ключ шифрования). При асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 вычисляется по ключу k2 таким образом, что обратное преобразование невозможно, например, по формуле k1 = ak2 mod p (a и p - параметры используемого алгоритма).

Симметричное шифрование

Свою историю алгоритмы симметричного шифрования ведут с древности: именно этим способом сокрытия информации пользовался римский император Гай Юлий Цезарь в I веке до н. э., а изобретенный им алгоритм известен как "криптосистема Цезаря".

В настоящее время наиболее известен алгоритм симметричного шифрования DES (Data Encryption Standard), разработанный в 1977 г. До недавнего времени он был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Несмотря на то, что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 г.

Мы не будем рассматривать DES подробно (почти во всех книгах из списка дополнительных материалов есть его подробнейшее описание), а обратимся к более современным алгоритмам шифрования. Стоит только отметить, что основная причина изменения стандарта шифрования - его относительно слабая криптостойкость, причина которой в том, что длина ключа DES составляет всего 56 значащих бит. Известно, что любой криптостойкий алгоритм можно взломать, перебрав все возможные варианты ключей шифрования (так называемый метод грубой силы - brute force attack). Легко подсчитать, что кластер из 1 млн процессоров, каждый из которых вычисляет 1 млн ключей в секунду, проверит 256 вариантов ключей DES почти за 20 ч. А поскольку по нынешним меркам такие вычислительные мощности вполне реальны, ясно, что 56-бит ключ слишком короток и алгоритм DES необходимо заменить на более "сильный".

Сегодня все шире используются два современных криптостойких алгоритма шифрования: отечественный стандарт ГОСТ 28147-89 и новый криптостандарт США - AES (Advanced Encryption Standard).

Стандарт ГОСТ 28147-89

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89 (рис. 1), имеет длину ключа шифрования 256 бит. Он шифрует информацию блоками по 64 бит (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бит (N1 и N2). Субблок N1 обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - "исключающее или"), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз ("раундов"): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции.

Первая - наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-бит частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-бит подключей: K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7. В процессе шифрования используется один из этих подключей - в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N1 разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены (Substitution box - S-box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция. В таблицу записываются выходные значения блоков. Блок данных определенной размерности (в нашем случае - 4-бит) имеет свое числовое представление, которое определяет номер выходного значения. Например, если S-box имеет вид 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 и на вход пришел 4-бит блок "0100" (значение 4), то, согласно таблице, выходное значение будет равно 15, т. е. "1111" (0 а 4, 1 а 11, 2 а 2 ...).

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммирования с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифрования каждого 64-бит блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-бит подключи используются в следующей последовательности:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K0, K1 и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифрование в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7 - в раундах с 1-го по 8-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0, K7, K6 и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифрования каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2 (см. рис. 1).

1. В регистры N1 и N2 записывается их начальное заполнение - 64-бит величина, называемая синхропосылкой.

2. Выполняется зашифрование содержимого регистров N1 и N2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (232 - 1) с константой C1 = 224 + 216 + 28 + 24, а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 232 с константой C2 = 224 + 216 + 28 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

5. Содержимое регистров N1 и N2 подается на выход в качестве 64-бит блока гаммы шифра (в данном случае N1 и N2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифрование или расшифрование), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифрования гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (таблица).

Зашифрование и расшифрование в режиме гаммирования

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должен быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровании информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка не секретна, однако есть системы, где синхропосылка - такой же секретный элемент, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров N1 и N2, начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 2). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рис. 2. Выработка гаммы шифра в режиме гаммирования с обратной связью.

Рассматривая режим генерации имитоприставок , следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с использованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-бит блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры N1 и N2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в N1 и N2.

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-бит содержимое регистров N1 и N2 или его часть и называется имитоприставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки r бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2-r.Чаще всего используется 32-бит имитоприставка, т. е. половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы - в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифрования вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают - значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифрования ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается очень сильным алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод "грубой силы". Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Стандарт AES

В отличие от алгоритма ГОСТ 28147-89, который долгое время оставался секретным, американский стандарт шифрования AES, призванный заменить DES, выбирался на открытом конкурсе, где все заинтересованные организации и частные лица могли изучать и комментировать алгоритмы-претенденты.

Конкурс на замену DES был объявлен в 1997 г. Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST - National Institute of Standards and Technology). На конкурс было представлено 15 алгоритмов-претендентов, разработанных как известными в области криптографии организациями (RSA Security, Counterpane и т. д.), так и частными лицами. Итоги конкурса были подведены в октябре 2000 г.: победителем был объявлен алгоритм Rijndael, разработанный двумя криптографами из Бельгии, Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Даймен (Joan Daemen).

Алгоритм Rijndael не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название "сеть Фейстеля" и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. Особенность сети Фейстеля состоит в том, что входное значение разбивается на два и более субблоков, часть из которых в каждом раунде обрабатывается по определенному закону, после чего накладывается на необрабатываемые субблоки (см. рис. 1).

В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4X4, 4X6 или 4X8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael выполняет четыре преобразования: BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 3); SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 4). При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное число байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4X4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются соответственно на 1, 2 и 3 байта. Далее идет MC (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 5), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу c(x). И, наконец, AK (AddRoundKey) - добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который, в свою очередь, определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 6).

Рис. 3. Операция BS.

Рис. 4. Операция SR.

Рис. 5. Операция MC.

Количество раундов шифрования (R) в алгоритме Rijndael переменное (10, 12 или 14 раундов) и зависит от размеров блока и ключа шифрования (для ключа также предусмотрено несколько фиксированных размеров).

Расшифрование выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для MC - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию: c(x) * d(x) = 1. Добавление ключа AK является обратным самому себе, поскольку в нем используется только операция XOR. Эти обратные операции применяются при расшифровании в последовательности, обратной той, что использовалась при зашифровании.

Rijndael стал новым стандартом шифрования данных благодаря целому ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Его отличают несравнимо лучшие возможности распараллеливания вычислений по сравнению с другими алгоритмами, представленными на конкурс. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

Недостатком же алгоритма можно считать лишь свойственную ему нетрадиционную схему. Дело в том, что свойства алгоритмов, основанных на сети Фейстеля, хорошо исследованы, а Rijndael, в отличие от них, может содержать скрытые уязвимости, которые могут обнаружиться только по прошествии какого-то времени с момента начала его широкого распространения.

Асимметричное шифрование

Алгоритмы асимметричного шифрования, как уже отмечалось, используют два ключа: k1 - ключ зашифрования, или открытый, и k2 - ключ расшифрования, или секретный. Открытый ключ вычисляется из секретного: k1 = f(k2).

Асимметричные алгоритмы шифрования основаны на применении однонаправленных функций. Согласно определению, функция y = f(x) является однонаправленной, если: ее легко вычислить для всех возможных вариантов x и для большинства возможных значений y достаточно сложно вычислить такое значение x, при котором y = f(x).

Примером однонаправленной функции может служить умножение двух больших чисел: N = P*Q. Само по себе такое умножение - простая операция. Однако обратная функция (разложение N на два больших множителя), называемая факторизацией, по современным временным оценкам представляет собой достаточно сложную математическую задачу. Например, разложение на множители N размерностью 664 бит при P ? Q потребует выполнения примерно 1023 операций, а для обратного вычисления х для модульной экспоненты y = ax mod p при известных a, p и y (при такой же размерности a и p) нужно выполнить примерно 1026 операций. Последний из приведенных примеров носит название - "Проблема дискретного логарифма" (DLP - Discrete Logarithm Problem), и такого рода функции часто используются в алгоритмах асимметричного шифрования, а также в алгоритмах, используемых для создания электронной цифровой подписи.

Еще один важный класс функций, используемых в асимметричном шифровании, - однонаправленные функции с потайным ходом. Их определение гласит, что функция является однонаправленной с потайным ходом, если она является однонаправленной и существует возможность эффективного вычисления обратной функции x = f-1(y), т. е. если известен "потайной ход" (некое секретное число, в применении к алгоритмам асимметричного шифрования - значение секретного ключа).

Однонаправленные функции с потайным ходом используются в широко распространенном алгоритме асимметричного шифрования RSA.

Алгоритм RSA

Разработанный в 1978 г. тремя авторами (Rivest, Shamir, Adleman), он получил свое название по первым буквам фамилий разработчиков. Надежность алгоритма основывается на сложности факторизации больших чисел и вычисления дискретных логарифмов. Основной параметр алгоритма RSA - модуль системы N, по которому проводятся все вычисления в системе, а N = P*Q (P и Q - секретные случайные простые большие числа, обычно одинаковой размерности).

Секретный ключ k2 выбирается случайным образом и должен соответствовать следующим условиям:

1

где НОД - наибольший общий делитель, т. е. k1 должен быть взаимно простым со значением функции Эйлера F(N), причем последнее равно количеству положительных целых чисел в диапазоне от 1 до N, взаимно простых с N, и вычисляется как F(N) = (P - 1)*(Q - 1) .

Открытый ключ k1 вычисляется из соотношения (k2*k1) = 1 mod F(N) , и для этого используется обобщенный алгоритм Евклида (алгоритм вычисления наибольшего общего делителя). Зашифрование блока данных M по алгоритму RSA выполняется следующим образом: C = M[в степени k1] mod N . Заметим, что, поскольку в реальной криптосистеме с использованием RSA число k1 весьма велико (в настоящее время его размерность может доходить до 2048 бит), прямое вычисление M[в степени k1] нереально. Для его получения применяется комбинация многократного возведения M в квадрат с перемножением результатов.

Обращение данной функции при больших размерностях неосуществимо; иными словами, невозможно найти M по известным C, N и k1. Однако, имея секретный ключ k2, при помощи несложных преобразований можно вычислить M = Ck2 mod N. Очевидно, что, помимо собственно секретного ключа, необходимо обеспечивать секретность параметров P и Q. Если злоумышленник добудет их значения, то сможет вычислить и секретный ключ k2.

Какое шифрование лучше?

Основной недостаток симметричного шифрования - необходимость передачи ключей "из рук в руки". Недостаток этот весьма серьезен, поскольку делает невозможным использование симметричного шифрования в системах с неограниченным числом участников. Однако в остальном симметричное шифрование имеет одни достоинства, которые хорошо видны на фоне серьезных недостатков шифрования асимметричного.

Первый из них - низкая скорость выполнения операций зашифрования и расшифрования, обусловленная наличием ресурсоемких операций. Другой недостаток "теоретический" - математически криптостойкость алгоритмов асимметричного шифрования не доказана. Это связано прежде всего с задачей дискретного логарифма - пока не удалось доказать, что ее решение за приемлемое время невозможно. Излишние трудности создает и необходимость защиты открытых ключей от подмены - подменив открытый ключ легального пользователя, злоумышленник сможет обеспечить зашифрование важного сообщения на своем открытом ключе и впоследствии легко расшифровать его своим секретным ключом.

Тем не менее эти недостатки не препятствуют широкому применению алгоритмов асимметричного шифрования. Сегодня существуют криптосистемы, поддерживающие сертификацию открытых ключей, а также сочетающие алгоритмы симметричного и асимметричного шифрования. Но это уже тема для отдельной статьи.

Время жизни информации

§ При перехвате зашифрованного сообщения для некоторых типов алгоритмов шифрования можно подсчитать частоту появления определённых символов и сопоставить их с вероятностями появления определённых символов или их комбинаций (биграмм, триграмм и т. д.). Это в свою очередь может привести к однозначному дешифрованию (раскрытию) отдельных участков зашифрованного сообщения.

§ Наличие вероятных слов. Это слова или выражения, появление которых можно ожидать в перехваченном сообщении (например, для английского текста – «and», «the», «аrе» и др.).

§ Существуют методы, позволяющие сделать зашифрованные сообщения практически непригодными для статистического анализа и анализа посредством вероятных слов. К ним относятся следующие.

§ Рассеивание. Влияние одного символа открытого сообщения распространяется на множество символов зашифрованного сообщения. Этот метод хотя и приводит к увеличению количества ошибок при расшифровке, однако с его помощью удаётся скрыть статистическую структуру открытого сообщения.

§ Запутывание. Развитие принципа рассеивания. В нём влияние одного символа ключа распространяется на множество символов зашифрованного

сообщения.

§ Перемешивание. Основывается на использовании особых преобразований исходного сообщения, в результате чего вероятные последовательности как бы рассеиваются по всему пространству возможных открытых сообщений. Развитием этого метода явилось применение составных алгоритмов шифрования, состоящих из последовательности простых операций перестановки и подстановки.

Примерами изложенных методов служат стандарты шифрования DES и ГОСТ 28147-89.

Существует два основных типа алгоритмов шифрования:

§ алгоритмы симметричного шифрования;

§ алгоритмы асимметричного шифрования.

Симметричное шифрование .

Алгоритмы симметричного шифрования основаны на том, что и для шифрования сообщения, и для его расшифровки используется один и тот же (общий) ключ (рис. 1).

Одно из главных преимуществ симметричных методов – быстрота шифрования и расшифровки, а главный недостаток – необходимость передачи секретного значения ключа получателю.

Неизбежно возникаем проблема: как передать ключ и при этом не позволить злоумышленникам перехватить его.

Преимущества криптографии с симметричными ключами:

· Высокая производительность.

· Высокая стойкость. При прочих равных условиях стойкость криптографического алгоритма определяется длиной ключа. При длине ключа 256 бит необходимо произвести 10 77 переборов для его определения.

Недостатки криптографии с симметричными ключами.

§ Проблема распределения ключей. Так как для шифрования и расшифровки используется один и тот же ключ, требуются очень надёжные механизмы для их распределения (передачи).

§ Масштабируемость. Так как и отправитель, и получатель используют единый ключ, количество необходимых ключей возрастает в геометрической прогрессии в зависимости от числа участников коммуникации. Для обмена сообщениями между 10 пользователями необходимо иметь 45 ключей, а для 1000 пользователей – уже 499 500.

§ Ограниченное использование. Криптография с секретным ключом используется для шифрования данных и ограничения доступа к ним, с ее помощью невозможно обеспечить такие свойства информации, как аутентичность и

неотрекаемостъ.

Асимметричное шифрование

Асимметричные алгоритмы шифрования (криптография с открытыми ключами) предполагают использование двух ключей. Первый ключ – открытый. Он распространяется совершенно свободно, без всяких мер предосторожности. Второй, закрытый ключ, держится в секрете.

Любое сообщение, зашифрованное с использованием одного из этих ключей, может быть расшифровано только с использованием парного ему ключа. Как правило, отправитель сообщения пользуется открытым ключом получателя, а получатель – своим личным закрытым ключом.

В асимметричной схеме передачи шифрованных сообщений оба ключа являются производными от единого порождающего мастер-ключа. Когда два ключа сформированы на основе одного, они зависимы в математическом смысле, однако в силу вычислительной сложности ни один из них не может быть вычислен на основании другого. После того, как сформированы оба ключа (и открытый, и личный, закрытый), мастер-ключ уничтожается, и таким образом пресекается любая попытка восстановить в дальнейшем значения производных от него ключей.

Асимметричная схема идеально сочетается с использованием общедоступных сетей передачи сообщений (например, Интернет). Любой абонент сети может совершенно свободно переслать открытый ключ своему партнеру по переговорам, а последний, в роли отправителя сообщения, будет использовать этот ключ при шифровании отсылаемого сообщения (рис. 2). Это сообщение сможет расшифровать своим личным ключом только получатель сообщения, который отсылал раньше соответствующий открытый ключ. Злоумышленник, перехвативший такой ключ, сможет воспользоваться им только с единственной целью – передавать законному владельцу ключа какие-нибудь зашифрованные сообщения.

Недостатком асимметричной схемы являются большие затраты времени на шифрование и расшифровку, что не разрешает их использование для оперативного обмена пространными сообщениями в режиме диалога. Реализация методов асимметричного шифрования требует больших затрат процессорного времени. Поэтому в чистом виде криптография с открытыми ключами в мировой практике обычно не применяется.

Рис. 2. Асимметричная схема шифрования

Невозможно сравнивать, что лучше, симметричные или асимметричные алгоритмы шифрования. Отмечено, что симметричные криптографические алгоритмы имеют меньшую длину ключа и работают быстрее.

Криптография с секретным и криптография с открытыми ключами предназначены для решения абсолютно разных проблем. Симметричные алгоритмы хорошо подходят для шифрования данных, асимметричные реализуются в большинстве сетевых криптографических протоколов.

Наиболее широкое распространение получили методы, сочетающие достоинства обеих схем. Принцип работы комбинированных схем заключается в том, что для очередного сеанса обмена сообщениями генерируется симметричный (сеансовый) ключ. Затем этот ключ зашифровывается и пересылается с помощью асимметричной схемы. После завершения текущего сеанса переговоров симметричный ключ уничтожается.

Люди еще в древности научились защищать информацию методом её преобразования, чтобы посторонние лица не имели возможности её прочитать. Криптография возникла приблизительно тогда, когда люди только научились разговаривать. Более того, первое время письменность сама по себе представляла криптографическую систему, поскольку ею могли владеть только избранные люди, которым было доступно изучение криптографии.

Криптографическим методом защиты информации называется ряд специальных методов кодирования, шифрования или иных преобразований информации, которые позволяют сделать её содержание недоступным для лиц, не обладающих ключом криптограммы. Криптография и шифрование являются самыми надёжными методами защиты, поскольку шифровальщик охраняет непосредственно саму информацию, а не доступ к ней. К примеру, прочтение зашифрованного файла будет невозможным, если даже злоумышленнику удастся похитить носитель. Реализация данного метода защиты осуществляется с помощью программ или пакетов программ.

Для многих обывателей термин «криптография» означает что-то загадочное и таинственное. Однако в настоящее время различные виды шифрования можно встретить буквально везде - это и простые кодовые замки на дипломатах, и многоуровневые системы защиты секретных файлов. Люди сталкиваются с ней, когда вставляют в банкомат карточку, совершают денежные переводы, покупают через интернет товары, общаются по Skype, отправляют письма на электронную почту. Любые дела, связанные с информацией, так или иначе имеют отношение к криптографии.

Но, несмотря на всё многообразие сфер применения, в настоящее время существует всего несколько способов шифрования. Все эти методы криптографии относятся к двум видам криптографических систем: симметричным (с секретным ключом) и ассиметричным (с открытым ключом).

• Симметричные системы позволяют шифровать и расшифровывать информацию с помощью одного и того же ключа. Расшифровать криптографическую систему секретного ключа невозможно, если дешифровщик не обладает секретным ключом.
• В криптографических системах с открытым ключом пользователи обладают собственным открытым и частным закрытым ключами. К открытому ключу имеют доступ все пользователи, и информация шифруется именно с его помощью. А вот для расшифровки необходим частный ключ, находящийся у конечного пользователя. В отличие от криптограмм с секретным ключом в такой системе участниками являются не две, а три стороны. Третья может представлять собой сотового провайдера или, например, банк. Однако эта сторона не заинтересована в хищении информации, поскольку она заинтересована в правильном функционировании системы и получении положительных результатов.

Виды криптографии

Достоинством любого современного криптографического метода можно назвать возможность обеспечения высокой гарантированной стойкости защиты, рассчитываемой и выражаемой в числовой форме (среднее число операций или время, необходимое для расшифровки секретной информации или подбора ключей). В настоящее время существуют следующие виды криптографии:

• Шифрование информации.
• Кодирование информации.
• Рассечение информации.
• Сжатие данных.

Видео о криптографии и шифровании

Шифрование

В процессе шифрования в шифруемом сообщении выполняется криптографическое преобразование каждого символа. Среди всех известных способов шифрования можно выделить следующие пять основных групп:

• Замена (подстановка). В свою очередь, различают простую (одноалфавитную), многоалфавитную одноконтурную обыкновенную, многоалфавитную многоконтурную и многоалфавитную одноконтурную монофоническую замены.
• Перестановка. Различают простую, усложнённую по таблице и усложнённую по маршрутам перестановки.
• Аналитические преобразования - осуществляются по особым зависимостям или с помощью правил алгебры матриц.
• Гаммирование - шифрование выполняется с помощью короткой или длинной конечных гамм или с помощью бесконечной гаммы.
• Комбинированные - сообщения шифруются методами замены и перестановки, замены и гаммирования, перестановки и гаммирования или двойного гаммирования.

Кодирование сообщений

В данном типе криптопреобразований используется замена некоторых элементов данных определёнными кодами (к примеру, это могут быть сочетания цифр и/или букв).

Рассечение информации

В этом методе защищаемая информация разделяется на отдельные массивы данных, при расшифровке лишь одного из которых будет невозможно раскрытие засекреченной информации.

Сжатие сообщения

Способ сжатия предусматривает замену в защищаемых данных повторяющимися последовательностями символов на меньшие по размерам последовательности. Эффективность такого сжатия зависит от количества одинаковых последовательностей в защищаемом тексте.

Криптография для начинающих

На протяжении всей многовековой истории криптографии и до настоящего времени это искусство было доступно далеко не каждому. Как правило, эти методы использовали люди, не выходящие за границы резиденций глав держав, посольств, органов разведки. И только несколько десятков лет назад начали происходить кардинальные изменения в этой области - информация стала самостоятельной коммерческой ценностью и превратилась в широко распространённый, почти обычный товар. Её производят, хранят, передают, продают, покупают, а, соответственно - воруют и подделывают. Именно поэтому сегодня существует большое количество учебных пособий и компьютерных программ, предназначенных для обычных пользователей, которым интересна криптография. Обучение некоторым простым видам шифрования может освоить даже школьник.

Программа «Шифр Цезаря»

Данный метод шифрования также называют и шифром сдвига. В программном варианте шифр Цезаря представляет собой шифр подстановки с ключом, символы которого заменяются в тексте символами, находящимися на некоторых постоянных числах позиций слева или справа от него в алфавите. К примеру, шифр со сдвигом в правую сторону на три позиции: буква А заменяется на букву Г, Б - на Д и т. д. Следует учитывать, что буква Ё не используется в зашифровке и заменяется буквой Е.

Программа:

Зашифровка:

Расшифровка:

А Вас увлекает криптография? Разбираетесь ли Вы в ней? Расскажите об этом в

Количество людей, которые активно пользуются интернетом растет, как на дрожжах: на работе для решения корпоративных целей и администрирования, дома, в общественных местах. Распространение получают Wi-Fi сети и оборудование, позволяющее беспрепятственно получать доступ к интернету.

Вай фай сеть обладает зашитой в виде пароля, не зная который, подключиться к конкретной сети будет практически невозможно, кроме общественных сетей (кафе, рестораны, торговые центры, точки доступа на улицах) . «Практически» не стоит понимать в буквальном смысле: умельцев, способных «вскрыть» сеть и получить доступ не только к ресурсу роутера, но и к передаваемым внутри конкретной сети данным, достаточно.

Но в этом вступительном слове мы поговорили о подключении к wi-fi — аутентификации пользователя (клиента), когда клиентское устройство и точка доступа обнаруживают друг друга и подтверждают, что могут общаться между собой.

Варианты аутентификации :

• Open - открытая сеть, в которой все подключаемые устройства авторизованы сразу
• Shared - подлинность подключаемого устройства должна быть проверена ключом/паролем
• EAP - подлинность подключаемого устройства должна быть проверена по протоколу EAP внешним сервером

Шифрование — это алгоритм скремблирования (scramble - шифровать, перемешивать) передаваемых данных, изменение и генерация ключа шифрования

Для оборудования wifi были разработаны различные типы шифрования, дающие возможность защищать сеть от взлома, а данные от общего доступа.

На сегодняшний день выделяются несколько вариантов шифрования. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Выделяются и являются самыми распространенными следующие типы:

• OPEN;
• WPA, WPA2;

Первый тип, именуемый не иначе, как OPEN, все требуемую для познания информацию содержит в названии. Зашифровать данные или защитить сетевое оборудование такой режим не позволит, потому как точка доступа будет являться при условии выбора такого типа постоянно открытой и доступной для всех устройств, которыми она будет обнаружена. Минусы и уязвимости такого типа «шифрования» очевидны.

Если сеть открыта, это не значит, что любой может с ней работать. Чтобы пользоваться такой сетью и передавать в ней данные, нужно совпадение используемого метода шифрования. И еще одно условие пользования такой сетью отсутствие MAC-фильтра, который определяет MAC-адреса пользователей, для того, что бы распознать каким устройствам запрещено или разрешено пользоваться данной сетью

WEP

Второй тип, он же WEP, уходит корнями в 90-е годы прошлого века, являясь родоначальником всех последующих типов шифрования. Wep шифрование сегодня – слабейший из всех существующих вариантов организации защиты. Большинство современных роутеров, создаваемых специалистами и учитывающих интересы конфиденциальности пользователей, не поддерживают шифрование wep.

Среди минусов, вопреки факту наличия хоть какой-то защиты (в сравнении с OPEN), выделяется ненадежность: она обусловлена кратковременной защитой, которая активируется на определенные интервалы времени. По истечении этого промежутка, пароль к вашей сети можно будет легко подобрать, а ключ wep будет взломан за время до 1 минуты. Это обусловлено битностью wep ключа, которая составляет в зависимости от характеристик сетевого оборудования от 40 до 100 бит.

Уязвимость wep ключа заключается в факте передачи частей пароля в совокупности с пакетами данных. Перехват пакетов для специалиста – хакера или взломщика – задача, легкая для осуществления. Важно понимать и тот факт, что современные программные средства способны перехватывать пакеты данных и созданы специально для этого.

Таким образом, шифрование wep – самый ненадежный способ защиты вашей сети и сетевого оборудования.

WPA, WPA2

Такие разновидности – самые современные и совершенными с точки зрения организации зашиты на данный момент. Аналогов им не существует. Возможность задать любую удобную пользователю длину и цифробуквенную комбинацию wpa ключа довольно затрудняет жизнь желающим несанкционированно воспользоваться конкретной сетью или перехватить данные этой сети.

Данные стандарты поддерживают различные алгоритмы шифрования, которые могут передаваться после взаимодействия протоколов TKIP и AES. Тип шифрования aes является более совершенным протоколом, чем tkip, и большинством современных роутеров поддерживается и активно используется.

Шифрование wpa или wpa2 – предпочтительный тип как для домашнего использования, так и для корпоративного. Последний дает возможность применения двух режимов аутентификации: проверка паролей для доступа определенных пользователей к общей сети осуществляется, в зависимости от заданных настроек, по режиму PSK или Enterprise.

PSK предполагает доступ к сетевому оборудованию и ресурсам интернета при использовании единого пароля, который требуется ввести при подключении к роутеру. Это предпочтительный вариант для домашней сети, подключение которой осуществляется в рамках небольших площадей определенными устройствами, например: мобильным, персональным компьютером и ноутбуком.

Для компаний, имеющих солидные штаты сотрудников, PSK является недостаточно удобным режимом аутентификации, потому был разработан второй режим – Enterprise. Его использование дает возможность применения множества ключей, который будут храниться на особом выделенном сервере.

WPS

По-настоящему современная и , делает возможным подключение к беспроводной сети при помощи одного нажатия на кнопку. Задумываться о паролях или ключах бессмысленно, но стоит выделить и учитывать ряд серьезных недостатков, касающихся допуска к сетям с WPS.

Подключение посредством такой технологии осуществляется при использовании ключа, включающего в себя 8 символов. Уязвимость типа шифрования заключается в следующем: он обладает серьезной ошибкой, которая взломщикам или хакерам позволяет получить доступ к сети, если им доступны хотя бы 4 цифры из восьмизначной комбинации. Количество попыток подбора пароля при этом составляет порядка нескольких тысяч, однако для современных программных средств это число – смешное. Если измерять процесс форсирования WPS во времени, то процесс займет не более суток.

Стоит отметить и тот факт, что данная уязвимость находиться на стадии совершенствования и поддается исправлению, потому в последующих моделях оборудования с режимом WPS стали внедряться ограничения на количество попыток входа, что существенно затруднило задачу несанкционированного доступа для заинтересованных в этом лиц.

И тем не менее, чтобы повысить общий уровень безопасности, опытные пользователи рекомендуют принципиально отказываться от рассмотренной технологии.

Подводя итоги

Самой современной и по-настоящему надежной методикой организации защиты сети и данных, передаваемых внутри нее, является WPA или ее аналог WPA2.

Первый вариант предпочтителен для домашнего использования определенным числом устройств и пользователей.

Второй, обладающий функцией аутентификации по двум режимам, больше подходит для крупных компаний. Применение его оправдано тем, что при увольнении сотрудников нет необходимости в смене паролей и ключей, потому как определенное количество динамических паролей хранятся на специально выделенном сервере, доступ к которому имеют лишь текущие сотрудники компании.

Следует отметить, что большинство продвинутых пользователей отдают предпочтение WPA2 даже для домашнего использования. С точки зрения организации защиты оборудования и данных, такой метод шифрования является самым совершенным из существующих на сегодняшний день.

Что касается набирающего популярность WPS, то отказаться от него – значит в определенной мере обезопасить сетевое оборудование и информационные данные, передаваемые с его помощью. Пока технология не развита достаточно и не обладает всеми преимуществами, например, WPA2, от ее применения рекомендуется воздержаться вопреки кажущейся простоте применения и удобству. Ведь безопасность сети и передаваемых внутри нее информационных массивов – приоритет для большинства пользователей.