Методы шифрования данных - блог веб-программиста. Как выбрать систему шифрования данных. WiFi шифрование - общая информация

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.

Все звучит довольно красиво, и, как правило, оправдывается на деле при использовании шифрования. Шифрование , несомненно, является важнейшим средством обеспечения безопасности. Механизмы шифрования помогают защитить конфиденциальность и целостность информации. Механизмы шифрования помогают идентифицировать источник информации. Тем не менее, само по себе шифрование не является решением всех проблем. Механизмы шифрования могут и должны являться составной частью полнофункциональной программы по обеспечению безопасности. Действительно, механизмы шифрования, являются широко используемыми механизмами безопасности лишь потому, что они помогают обеспечивать конфиденциальность , целостность и возможность идентификации.

Тем не менее, шифрование является только задерживающим действием. Известно, что любая система шифрования может быть взломана. Речь идет о том, что для получения доступа к защищенной шифрованием информации может потребоваться очень много времени и большое количество ресурсов. Принимая во внимание этот факт, злоумышленник может попытаться найти и использовать другие слабые места во всей системе в целом.

В данной лекции будет рассказываться об основных понятиях, связанных с шифрованием, и о том, как использовать шифрование в целях обеспечения безопасности информации. Мы не будем подробно рассматривать математическую основу шифрования, поэтому от читателя не потребуется больших знаний в этой области. Тем не менее, мы рассмотрим несколько примеров, чтобы разобраться в том, как различные алгоритмы шифрования используются в хорошей программе безопасности .

Основные концепции шифрования

Шифрование представляет собой сокрытие информации от неавторизованных лиц с предоставлением в это же время авторизованным пользователям доступа к ней. Пользователи называются авторизованными, если у них есть соответствующий ключ для дешифрования информации. Это очень простой принцип. Вся сложность заключается в том, как реализуется весь этот процесс.

Еще одной важной концепцией, о которой необходимо знать, является то, что целью любой системы шифрования является максимальное усложнение получения доступа к информации неавторизованными лицами, даже если у них есть зашифрованный текст и известен алгоритм , использованный для шифрования. Пока неавторизованный пользователь не обладает ключом, секретность и целостность информации не нарушается.

С помощью шифрования обеспечиваются три состояния безопасности информации.

• Конфиденциальность. Шифрование используется для сокрытия информации от неавторизованных пользователей при передаче или при хранении.
• Целостность. Шифрование используется для предотвращения изменения информации при передаче или хранении.
• Идентифицируемость. Шифрование используется для аутентификации источника информации и предотвращения отказа отправителя информации от того факта, что данные были отправлены именно им.

Термины, связанные с шифрованием

Перед тем как начать детальный рассказ о шифровании, приведем определения некоторых терминов, которые будут использоваться в обсуждении. Во-первых, мы будем иметь дело с терминами, обозначающими компоненты, участвующие в шифровании и дешифровании. На рисунке 12.1 показан общий принцип, согласно которому осуществляется шифрование .

Существуют также четыре термина, которые необходимо знать:

• Криптография. Наука о сокрытии информации с помощью шифрования.
• Криптограф. Лицо, занимающееся криптографией.
• Криптоанализ . Искусство анализа криптографических алгоритмов на предмет наличия уязвимостей.
• Криптоаналитик. Лицо, использующее криптоанализ для определения и использования уязвимостей в криптографических алгоритмах.

Атаки на систему шифрования

Системы шифрования могут подвергнуться атакам тремя следующими способами:

• Через слабые места в алгоритме.
• Посредством атаки "грубой силы" по отношению к ключу.
• Через уязвимости в окружающей системе.

При проведении атаки на алгоритм криптоаналитик ищет уязвимости в методе преобразования открытого текста в шифр , чтобы раскрыть открытый текст без использования ключа. Алгоритмы, имеющие такие уязвимости, нельзя назвать достаточно мощными. Причина в том, что известная уязвимость может использоваться для быстрого восстановления исходного текста. Злоумышленнику в этом случае не придется использовать какие-либо дополнительные ресурсы.

Атаки "грубой силы" являются попытками подбора любого возможного ключа для преобразования шифра в открытый текст . В среднем аналитик с использованием этого метода должен проверить действие 50 процентов всех ключей, прежде чем добьется успеха. Таким образом, мощность алгоритма определяется только числом ключей, которые необходимо перепробовать аналитику. Следовательно, чем длиннее ключ , тем больше общее число ключей, и тем больше ключей должен перепробовать злоумышленник до того, как найдет корректный ключ . Атаки с использованием грубой силы теоретически всегда должны заканчиваться успешно при наличии необходимого количества времени и ресурсов. Следовательно, алгоритмы нужно оценивать по периоду времени, в течение которого информация остается защищенной при проведении атаки с использованием "грубой силы".

Существует два основных типа шифрования: с секретным ключом и с открытым ключом. При шифровании с секретным ключом требуется, чтобы все стороны, имеющие право на прочтение информации, имели один и тот же ключ . Это позволяет свести общую проблему безопасности информации к проблеме обеспечения защиты ключа. Шифрование с открытым ключом является наиболее широко используемым методом шифрования. Он обеспечивает конфиденциальность информации и гарантию того, что информация остается неизменной в процессе передачи.

В чем суть шифрования на секретном ключе ?

Шифрование на секретном ключе также называется симметричным шифрованием, так как для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ . На рисунке 12.2 показан базовый принцип шифрования с секретным ключом. Как видно из рисунка, отправитель и получатель информации должны иметь одинаковый ключ .

Рис. 12.2.

Шифрование с секретным ключом обеспечивает конфиденциальность информации в зашифрованном состоянии. Расшифровать сообщение могут только те лица, которым известен ключ . Любое изменение в сообщении, внесенное во время передачи, будет обнаружено, так как после этого не удастся правильно расшифровать сообщение. Шифрование с секретным ключом не обеспечивает аутентификацию, поскольку любой пользователь может создавать, шифровать и отправлять действительное сообщение.

В общем, шифрование с секретным ключом быстро и легко реализуется с помощью аппаратных или программных средств.

Подстановочные шифры

Подстановочные шифры существуют уже около 2500 лет. Самым ранним примером является шифр Атбаш. Он возник примерно в 600 году до н.э. и заключался в использовании еврейского алфавита в обратном порядке.

Юлий Цезарь использовал подстановочный шифр , который так и назывался - шифр Цезаря. Этот шифр заключался в замещении каждой буквы другой буквой, расположенной в алфавите на три буквы дальше от шифруемой. Таким образом, буква A преобразовывалась в D, B преобразовывалась в E, а Z преобразовывалась в C.

Из этого примера видно, что подстановочный шифр обрабатывает за один раз одну букву открытого текста . Сообщение может быть прочитано обоими абонентами при использовании одной и той же схемы подстановки. Ключом в шифре подстановки является либо число букв сдвига, либо полностью переупорядоченный алфавит .

Подстановочные шифры имеют один большой недостаток - неизменная частота букв в исходном алфавите. В английском языке, например, буква "E" является наиболее часто используемой. Если заменить ее другой буквой, то чаще всего будет использоваться новая буква (при рассмотрении большого числа сообщений). При помощи такого анализа подстановочный шифр может быть взломан. Дальнейшая разработка анализа частоты вхождений букв позволяет получить наиболее часто встречающиеся комбинации из двух и трех букв. С помощью такого анализа можно взломать любой подстановочный шифр , если атакующий получит достаточное количество шифрованного текста.

Одноразовые блокноты

Одноразовые блокноты (One- time Pad , OTP ) являются единственной теоретически невзламываемой системой шифрования. Одноразовый блокнот представляет собой список чисел в случайном порядке, используемый для кодирования сообщения (см. табл. 12.1). Как видно из названия системы, OTP может использоваться только один раз. Если числа в OTP являются действительно случайными, OTP имеет большую длину, чем сообщение, и используется только один раз, то шифрованный текст не предоставляет какого-либо механизма для восстановления исходного ключа (т. е. самого OTP ) и, следовательно, сообщений.

Одноразовые блокноты используются в информационных средах с очень высоким уровнем безопасности (но только для коротких сообщений). Например, в Советском Союзе OTP использовался для связи разведчиков с Москвой. Двумя основными недостатками OTP являются генерация действительно случайных блокнотов и проблема распространения блокнотов. Очевидно, что если блокнот выявляется, то раскрывается и та информация , которую он защищает. Если блокноты не являются действительно случайными, могут быть выявлены схемы, которые можно использовать для проведения анализа частоты встречаемых символов.

Шифрование данных чрезвычайно важно для защиты конфиденциальности. В этой статье я расскажу о различных типах и методах шифрования, которые используются для защиты данных сегодня.

Знаете ли вы?
Еще во времена Римской империи, шифрование использовалось Юлием Цезарем для того, чтобы сделать письма и сообщения нечитаемыми для врага. Это играло важную роль как военная тактика, особенно во время войн.

Так как возможности Интернета продолжают расти, все больше и больше наших предприятий проводятся на работу онлайн. Среди этого наиболее важными являются, интернет банк, онлайн оплата, электронные письма, обмен частными и служебными сообщениями и др., которые предусматривают обмен конфиденциальными данными и информацией. Если эти данные попадут в чужие руки, это может нанести вред не только отдельному пользователю, но и всей онлайн системе бизнеса.

Чтобы этого не происходило, были приняты некоторые сетевые меры безопасности для защиты передачи личных данных. Главными среди них являются процессы шифрования и дешифрования данных, которые известны как криптография. Существуют три основные методы шифрования, используемых в большинстве систем сегодня: хеширование, симметричное и асимметричное шифрование. В следующих строках, я расскажу о каждом из этих типов шифрования более подробно.

Типы шифрования

Симметричное шифрование

При симметричном шифровании, нормальные читабельные данные, известные как обычный текст, кодируется (шифруется), так, что он становится нечитаемым. Это скремблирование данных производится с помощью ключа. Как только данные будут зашифрованы, их можно безопасно передавать на ресивер. У получателя, зашифрованные данные декодируются с помощью того же ключа, который использовался для кодирования.

Таким образом ясно что ключ является наиболее важной частью симметричного шифрования. Он должен быть скрыт от посторонних, так как каждый у кого есть к нему доступ сможет расшифровать приватные данные. Вот почему этот тип шифрования также известен как "секретный ключ".

В современных системах, ключ обычно представляет собой строку данных, которые получены из надежного пароля, или из совершенно случайного источника. Он подается в симметричное шифрование программного обеспечения, которое использует его, чтобы засекретить входные данные. Скремблирование данных достигается с помощью симметричного алгоритма шифрования, такие как Стандарт шифрования данных (DES), расширенный стандарт шифрования (AES), или международный алгоритм шифрования данных (IDEA).

Ограничения

Самым слабым звеном в этом типе шифрования является безопасность ключа, как в плане хранения, так и при передаче аутентифицированного пользователя. Если хакер способен достать этот ключ, он может легко расшифровать зашифрованные данные, уничтожая весь смысл шифрования.

Еще один недостаток объясняется тем, что программное обеспечение, которое обрабатывает данные не может работать с зашифрованными данными. Следовательно, для возможности использовать этого программного обеспечение, данные сначала должны быть декодированы. Если само программное обеспечение скомпрометировано, то злоумышленник сможет легко получить данные.

Асимметричное шифрование

Асимметричный ключ шифрования работает аналогично симметричному ключу, в том, что он использует ключ для кодирования передаваемых сообщений. Однако, вместо того, чтобы использовать тот же ключ, для расшифровки этого сообщения он использует совершенно другой.

Ключ, используемый для кодирования доступен любому и всем пользователям сети. Как таковой он известен как «общественный» ключ. С другой стороны, ключ, используемый для расшифровки, хранится в тайне, и предназначен для использования в частном порядке самим пользователем. Следовательно, он известен как «частный» ключ. Асимметричное шифрование также известно, как шифрование с открытым ключом.

Поскольку, при таком способе, секретный ключ, необходимый для расшифровки сообщения не должен передаваться каждый раз, и он обычно известен только пользователю (приемнику), вероятность того, что хакер сможет расшифровать сообщение значительно ниже.

Diffie-Hellman и RSA являются примерами алгоритмов, использующих шифрование с открытым ключом.

Ограничения

Многие хакеры используют «человека в середине» как форму атаки, чтобы обойти этот тип шифрования. В асимметричном шифровании, вам выдается открытый ключ, который используется для безопасного обмена данными с другим человеком или услугой. Однако, хакеры используют сети обман, чтобы заставить вас общаться с ними, в то время как вас заставили поверить, что вы находитесь на безопасной линии.

Чтобы лучше понять этот тип взлома, рассмотрим две взаимодействующие стороны Сашу и Наташу, и хакера Сергея с умыслом на перехват их разговора. Во-первых, Саша отправляет сообщение по сети, предназначенное для Наташи, прося ее открытый ключ. Сергей перехватывает это сообщение и получает открытый ключ, связанный с ней, и использует его для шифрования и передачи ложного сообщения, Наташе, содержащего его открытый ключ вместо Сашиного.

Наташа, думая, что это сообщение пришло от Саши, теперь шифрует ее с помощью открытого ключа Сергея, и отправляет его обратно. Это сообщение снова перехватил Сергей, расшифровал, изменил (при желании), зашифровал еще раз с помощью открытого ключа, который Саша первоначально отправил, и отправил обратно к Саше.

Таким образом, когда Саша получает это сообщение, его заставили поверить, что оно пришло от Наташи, и продолжает не подозревать о нечестной игре.

Хеширование

Методика хеширования использует алгоритм, известный как хэш-функция для генерации специальной строки из приведенных данных, известных как хэш. Этот хэш имеет следующие свойства:

• одни и те же данные всегда производит тот же самый хэш.
• невозможно, генерировать исходные данные из хэша в одиночку.
• Нецелесообразно пробовать разные комбинации входных данных, чтобы попытаться генерировать тот же самый хэш.

Таким образом, основное различие между хэшированием и двумя другими формами шифрования данных заключается в том, что, как только данные зашифрованы (хешированы), они не могут быть получены обратно в первозданном виде (расшифрованы). Этот факт гарантирует, что даже если хакер получает на руки хэш, это будет бесполезно для него, так как он не сможет расшифровать содержимое сообщения.

Message Digest 5 (MD5) и Secure Hashing Algorithm (SHA) являются двумя широко используемыми алгоритмами хеширования.

Ограничения

Как уже упоминалось ранее, почти невозможно расшифровать данные из заданного хеша. Впрочем, это справедливо, только если реализовано сильное хэширование. В случае слабой реализации техники хеширования, используя достаточное количество ресурсов и атаки грубой силой, настойчивый хакер может найти данные, которые совпадают с хэшем.

Сочетание методов шифрования

Как обсуждалось выше, каждый из этих трех методов шифрования страдает от некоторых недостатков. Однако, когда используется сочетание этих методов, они образуют надежную и высоко эффективную систему шифрования.

Чаще всего, методики секретного и открытого ключа комбинируются и используются вместе. Метод секретного ключа дает возможность быстрой расшифровки, в то время как метод открытого ключа предлагает более безопасный и более удобный способ для передачи секретного ключа. Эта комбинация методов известна как "цифровой конверт". Программа шифрования электронной почты PGP основана на технике "цифровой конверт".

Хеширования находит применение как средство проверки надежности пароля. Если система хранит хэш пароля, вместо самого пароля, он будет более безопасным, так как даже если хакеру попадет в руки этот хеш, он не сможет понять (прочитать) его. В ходе проверки, система проверит хэш входящего пароля, и увидит, если результат совпадает с тем, что хранится. Таким образом, фактический пароль будет виден только в краткие моменты, когда он должен быть изменен или проверен, что позволит существенно снизить вероятность его попадания в чужие руки.

Хеширование также используется для проверки подлинности данных с помощью секретного ключа. Хэш генерируется с использованием данных и этого ключа. Следовательно, видны только данные и хэш, а сам ключ не передается. Таким образом, если изменения будут сделаны либо с данными, либо с хэшем, они будут легко обнаружены.

В заключение можно сказать, что эти методы могут быть использованы для эффективного кодирования данных в нечитаемый формат, который может гарантировать, что они останутся безопасными. Большинство современных систем обычно используют комбинацию этих методов шифрования наряду с сильной реализацией алгоритмов для повышения безопасности. В дополнение к безопасности, эти системы также предоставляют множество дополнительных преимуществ, таких как проверка удостоверения пользователя, и обеспечение того, что полученные данные не могут быть подделаны.

Почта любого владельца ПК может быть перехвачена, а коллегам ничто не мешает ознакомиться с вашими документами. Шифрование - кодирование информации, после которого ее нельзя прочесть без специального ключа, - сумеет защитить ваши данные от любопытных глаз. Когда-то к шифрованию прибегали одни шпионы, но сейчас оно быстро становится мерой разумной предосторожности для всех тех, кто дома или на работе использует компьютер: это лучшее средство сохранить служебную и личную тайну.

Независимо от того, применяется ли автономная утилита или встроенная функция почтовой программы, процесс шифрования происходит одинаково: данные обрабатываются по определенному алгоритму, в результате чего образуется зашифрованный текст. Алгоритму для работы необходимо получить от вас одну переменную - ключ, и из-за этого постороннему сложно, если не невозможно, раскрыть шифр.

Различается шифрование двух типов: симметричное и асимметричное (иначе называемое шифрованием с открытым ключом). При симметричном вы создаете ключ, пропускаете с ним файл через программу и пересылаете результат адресату, а ключ (пароль или другой файл данных) передаете отдельно. Запустив ту же самую шифровальную программу с полученным ключом, адресат сможет прочитать сообщение. Симметричное шифрование не так надежно, как асимметричное, поскольку ключ может быть перехвачен, но из-за высокой скорости оно широко используется в операциях электронной торговли.

Асимметричное шифрование сложнее - и надежнее. Для него нужны два взаимосвязанных ключа: открытый и закрытый. Свой открытый ключ вы сообщаете всем желающим. Он позволяет кодировать данные, но не раскодировать их. Закрытый ключ есть только у вас. Когда кому-то нужно послать вам зашифрованное сообщение, он выполняет шифрование, используя ваш открытый ключ. Получив сообщение, вы расшифровываете его с помощью своего закрытого ключа. За повышенную надежность асимметричного шифрования приходится платить: поскольку вычисления в этом случае сложнее, процедура отнимает больше времени.

Алгоритмы, применяемые для симметричного и асимметричного шифрования, основаны на различных принципах. При симметричном шифровании алгоритм разделяет данные на небольшие блоки, представляет каждый некоторым числом, преобразует эти числа по сложной математической формуле, в которую входит ключ, а затем повторяет преобразование; в некоторых случаях оно выполняется несколько десятков раз.

Алгоритм же асимметричного шифрования рассматривает текст как одно очень большое число. Он возводит это число в степень, которая также является очень большим числом, делит результат на еще одно очень большое число и вычисляет остаток, после чего преобразует этот остаток обратно в текст. Шифровальные программы могут по-разному использовать один и тот же алгоритм, поэтому чтобы получатель мог прочесть сообщение, у него должна быть такая же программа, как и у отправителя.

И наконец, последний фрагмент головоломки - это ключи. Они различаются по длине и, следовательно, по силе: ведь чем длиннее ключ, тем больше число возможных комбинаций. Скажем, если программа шифрования использует 128-битовые ключи, то ваш конкретный ключ будет одной из 3,4 триллиона миллиардов миллиардов миллиардов, или 2128 возможных комбинаций нулей и единиц. Хакер с большей вероятностью выиграет в лотерею, чем взломает такой уровень шифрования методом «грубой силы» (т. е. планомерно пробуя ключи, пока не встретится нужный). Для сравнения: чтобы подобрать на стандартном ПК симметричный 40-битовый ключ, специалисту по шифрованию потребуется около 6 часов. Однако даже шифры со 128-битовым ключом до некоторой степени уязвимы; у профессионалов имеются изощренные методы, которые позволяют взламывать даже самые сложные коды.

Незримые защитники

Шифрование применялось в военных целях с 479 г. до н. э.: как сообщает древнегреческий историк Геродот, секретные донесения на деревянных табличках, покрытых воском, предупредили спартанских вождей о надвигающемся вторжении персов. В информационных системах предприятий шифрование также используется уже много лет. А домашние пользователи начинают приобщаться к нему только сейчас, причем иногда они об этом и не знают.

Так, Microsoft Internet Explorer и Netscape Communicator содержат встроенные средства шифрования для операций электронной торговли. Без каких бы то ни было указаний со стороны пользователя номера кредитных карточек передаются с компьютера пользователя на Web-сервер зашифрованными по симметричному протоколу SSL (Secure Sockets Layer). По умолчанию используются 40-битовые ключи, но для обоих браузеров доступна также версия со 128-битовыми ключами.

Можно сыграть в защите своих данных и более активную роль. Популярные почтовые программы, в том числе Microsoft Outlook и Lotus Notes, в настоящее время позволяют шифровать письма. Многие «почтальоны» поддерживают протокол асимметричного шифрования S/MIME (Secure MIME, защищенный MIME), хотя лишь немногие пользователи его применяют. Для работы с S/MIME требуется цифровой идентификатор - «сертификат», который нужно покупать у компаний, таких как VeriSign, за 15 долл. в год.

Дополнительную защиту могут обеспечить автономные утилиты, которые шифруют не только почтовые сообщения, но и файлы с изображениями, документы, папки на жестком диске и т. д. Наиболее популярной из них является PGP. Ее бесплатную версию для некоммерческого использования можно получить по адресу web.mit.edu/network/pgp.html.

Аналитики предполагают, что применение систем сильного шифрования расширится благодаря недавним изменениям в регулировании экспорта криптографических систем Министерством торговли США. До 13 января большинство программ шифрования проходили по категории вооружений и подпадали под те же экспортные ограничения, что ручные гранаты или ракеты. Экспорт шифровальных программ с ключами длиннее 40 бит запрещался под страхом высокого штрафа или тюрьмы. Новые правила разрешают вывоз из США некоторых систем шифрования. По словам аналитиков, поначалу это не будет иметь серьезного эффекта, поскольку большинство шифровальных программ созданы за пределами Штатов, а импорт ПО этого типа уже был разрешен. Выгоду из изменений в законодательстве должны извлечь производители ПО, которым больше не нужно будет разрабатывать криптографические средства за границей.

Эндрю Брандт, Александра Красне

Об авторах

Эндрю Брандт - внештатный редактор PC World, Александра Красне - редактор и корреспондент PC World.

Симметричное шифрование

1 Чтобы послать зашифрованное сообщение, отправитель сочиняет его и придумывает шифровальный ключ. 2 Он пересылает ключ получателю по каналу, отличному от того, которым пойдет сообщение. 3 Программа шифрования превращает открытый текст в зашифрованный. 4 Зашифрованный текст пересылается получателю. 5 Получатель прочитывает его, используя имеющийся у него ключ.

Асимметричное шифрование

У отправителя и получателя одна и та же программа шифрования. 1 Чтобы кто-либо мог послать вам зашифрованное сообщение, вы заранее генерируете с помощью своей шифровальной программы открытый и закрытый ключи, после чего посылаете соответствующему человеку открытый. 2 Используя алгоритм шифрования и ваш открытый ключ, он получает зашифрованное сообщение. 3 Сообщение пересылается вам. 4 Вы расшифровываете сообщение, используя алгоритм расшифровки и свой закрытый ключ. Чтобы послать ответ, вам понадобится открытый ключ адресата.