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:
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.
По меткому определению аналитиков CNews, год 2005-й в России прошел под девизом «защищаемся от внутренних угроз». Те же тенденции отчетливо наблюдались и в прошедшем году. Учитывая недавние инциденты, связанные с кражей баз данных и их последующей свободной продажей, многие компании стали серьезнее задумываться о проблеме безопасности своих информационных ресурсов и разграничении доступа к конфиденциальным данным. Как известно, 100%-ная гарантия сохранности ценной информации практически невозможна, но технологически свести такие риски к минимуму можно и нужно. Для этих целей большинство разработчиков средств информационной безопасности предлагают комплексные решения, сочетающие шифрование данных с контролем сетевого доступа. Попробуем рассмотреть такие системы более детально.
На рынке средств защиты от несанкционированного доступа представлено достаточно много разработчиков программно-аппаратных комплексов шифрования для серверов, хранящих и обрабатывающих конфиденциальную информацию (Aladdin, SecurIT, "Физтехсофт" и т. д.). Разобраться в тонкостях каждого предлагаемого решения и выбрать наиболее подходящее подчас непросто. К сожалению, зачастую авторы сравнительных статей, посвященных шифросредствам, не учитывая специфики этой категории продуктов, проводят сравнение по удобству использования, богатству настроек, дружелюбности интерфейса и т. п. Такое сравнение оправдано, когда речь идет о тестировании Интернет-пейджеров или менеджеров закачек, но вряд ли приемлемо при выборе решения для защиты конфиденциальной информации.
Наверное, с этим утверждением мы не откроем Америку, но такие характеристики, как производительность, стоимость и многие другие не критичны при выборе системы шифрования. Та же производительность важна не для всех систем и не всегда. Скажем, если в организации пропускная способность локальной сети небольшая, но доступ к зашифрованной информации будут иметь только два сотрудника, пользователи вряд ли вообще заметят систему шифрования, даже самую «неторопливую».
Многие другие особенности и параметры таких программно-аппаратных комплексов также носят избирательный характер: для кого-то они критичны, а кому-то безразличны. Поэтому мы попробуем предложить альтернативный вариант сравнения средств защиты от несанкционированного доступа и утечки конфиденциальной информации - по наиболее важным и действительно ключевым параметрам.
При выборе системы для защиты данных прежде всего стоит обратить внимание на то, какие алгоритмы шифрования в них используются. Теоретически, приложив достаточно усилий, злоумышленник может взломать любую криптографическую систему. Вопрос заключается лишь в том, сколько работы ему потребуется для этого проделать. В принципе фактически любая задача взлома криптографической системы количественно сравнима с поиском, выполняемым путем полного перебора всех возможных вариантов.
По мнению специалистов, любой современной криптографической системе вполне достаточно 128-битового уровня безопасности. Это означает, что для успешной атаки на такую систему потребуется как минимум 2128 шагов. Согласно закону Мура, адаптированному к криптографии, достаточно даже 110 или 100 бит, однако криптографических алгоритмов, рассчитанных на такие ключи, не существует.
Сам алгоритм должен быть максимально широко распространен. Никому не известные «самописные» алгоритмы не проанализированы специалистами в области криптографии и могут содержать опасные уязвимости. С учетом этого достаточно надежными могут быть признаны алгоритмы ГОСТ, AES, Twofish, Serpent с длиной ключа 128, 192 или 256 бит.
Отдельного рассмотрения заслуживают асимметричные алгоритмы шифрования. В них для шифрования и расшифрования используются разные ключи (отсюда и название). Эти ключи образуют пару и генерируются, как правило, самим пользователем. Для шифрования информации используется так называемый открытый ключ. Этот ключ общеизвестен, и любой желающий может зашифровать адресуемое пользователю сообщение с его помощью. Закрытый ключ используется для расшифрования сообщения и известен только самому пользователю, который хранит его в секрете.
Общепринятый способ распространения и хранения открытых ключей пользователей - цифровые сертификаты формата X.509. В простейшем случае цифровой сертификат - это своего рода электронный паспорт, который содержит информацию о пользователе (имя, идентификатор, адрес электронной почты и т. п.), об открытом ключе клиента, об Удостоверяющем центре, изготовившем сертификат, а также серийный номер сертификата, срок действия и т. д.
Удостоверяющий центр (УЦ) - это третья доверительная сторона, которая наделена высоким уровнем доверия пользователей и обеспечивает комплекс мероприятий для использования сертификатов доверяющими сторонами. По сути это компонент системы управления сертификатами, предназначенный для формирования электронных сертификатов подчиненных центров и пользователей, удостоверенных электронно-цифровой подписью УЦ. В простейшем случае используются так называемые самоподписанные сертификаты, когда пользователь сам выступает в роли своего удостоверяющего центра.
Общепризнано, что при использовании асимметричных алгоритмов шифрования стойкость, эквивалентная 128-битному симметричному алгоритму, достигается при использовании ключей длиной не менее 1024 бит. Это связано с особенностями математической реализации таких алгоритмов.
Помимо непосредственно алгоритмов шифрования стоит обратить внимание и на способ их реализации. Программно-аппаратный комплекс может иметь встроенные алгоритмы шифрования или использовать внешние подключаемые модули. Второй вариант предпочтительнее по трем причинам. Во-первых, можно повышать уровень безопасности в соответствии с растущими потребностями компании, используя более стойкие алгоритмы. Опять-таки, в случае изменения требований политики безопасности (например, если компании потребуется переход на сертифицированные криптопровайдеры) можно будет оперативно заменить имеющиеся алгоритмы шифрования без существенных задержек или сбоев в работе. Понятно, что в случае встроенного алгоритма это гораздо сложнее.
Второй плюс внешней реализации заключается в том, что такое шифросредство не подпадает под соответствующие законодательные ограничения на его распространение, в том числе экспортно-импортные, и не требует наличия соответствующих лицензий ФСБ у партнеров компании, занимающихся его распространением и внедрением.
В-третьих, не стоит забывать о том, что реализация алгоритма шифрования - далеко не тривиальная задача. Правильная реализация требует большого опыта. Скажем, ключ шифрования никогда не должен находиться в оперативной памяти компьютера в явном виде. В серьезных продуктах этот ключ разделяется на несколько частей, при этом на каждую из них накладывается случайная маска. Все операции с ключом шифрования выполняются по частям, а на итоговый результат накладывается обратная маска. Уверенности в том, что разработчик учел все эти тонкости при самостоятельной реализации алгоритма шифрования, к сожалению, нет.
Еще один фактор, влияющий на степень защищенности данных, - принцип организации работы с ключами шифрования. Здесь есть несколько вариантов, и перед выбором конкретной системы шифрования настоятельно рекомендуется поинтересоваться, как она устроена: где хранятся ключи шифрования, как они защищены и т. д. К сожалению, зачастую сотрудники компании-разработчика не в состоянии объяснить даже базовых принципов работы их продукта. Особенно это замечание относится к менеджерам по продажам: простейшие вопросы нередко ставят их в тупик. Пользователю же, решившему защитить свою конфиденциальную информацию, желательно разобраться во всех тонкостях.
Для определенности будем называть ключ, используемый для шифрования данных, мастер-ключом. Для их генерации на сегодняшний день чаще всего используются следующие подходы.
Первый подход - мастер-ключ генерируется на основе некоторых входных данных и используется при шифровании данных. В дальнейшем для получения доступа к зашифрованной информации пользователь вновь предоставляет системе те же самые входные данные для генерации мастер-ключа. Сам мастер-ключ, таким образом, нигде не хранится. В качестве входных данных могут выступать пароль, какой-либо файл, сохраненный на внешнем носителе, и т. п. Основной недостаток этого способа - невозможность создать резервную копию мастер-ключа. Утрата любого компонента входных данных ведет к утрате доступа к информации.
Второй подход - мастер-ключ генерируется с использованием генератора случайных чисел. Затем он шифруется каким-либо алгоритмом и после этого сохраняется вместе с данными или же на внешнем носителе. Для получения доступа сначала расшифровывается мастер-ключ, а потом - сами данные. Для шифрования мастер-ключа целесообразно использовать алгоритм той же стойкости, что и для шифрования самих данных. Менее стойкие алгоритмы снижают безопасность системы, а использовать более стойкий бессмысленно, так как безопасность это не повышает. Такой подход позволяет создавать резервные копии мастер-ключа, которые можно в дальнейшем использовать для восстановления доступа к данным в случае форс-мажорных обстоятельств.
Как известно, надежность криптографической системы в целом определяется надежностью самого слабого ее звена. Злоумышленник всегда может атаковать наименее стойкий алгоритм из двух: шифрования данных или шифрования мастер-ключа. Рассмотрим эту проблему более подробно, имея в виду, что ключ, на котором происходит шифрование мастер-ключа, также получают на основе некоторых входных данных.
Пользователь вводит некоторый пароль, на основе которого (с использованием, например, хэш-функции) генерируется ключ шифрования (рис. 1). Фактически надежность системы в этом случае определяется только сложностью и длиной пароля. Но надежные пароли неудобны: запомнить бессмысленный набор из 10-15 символов и вводить его каждый для получения доступа к данным не так просто, а если таких паролей несколько (допустим, для доступа к разным приложениям), то и вовсе нереально. Парольная защита также подвержена атакам методом прямого перебора, а установленный клавиатурный шпион легко позволит злоумышленнику получить доступ к данным.
Рис. 1. Шифрование мастер-ключа с использованием пароля.
На внешнем носителе размещаются некоторые данные, используемые для генерации ключа шифрования (рис. 2). Простейший вариант - использовать файл (так называемый ключевой файл), находящийся на дискете (компакт-диске, USB-флэш-устройстве и т. п.) Этот способ надежнее варианта с паролем. Для генерации ключа служит не десяток символов пароля, а значительное количество данных, например, 64 или даже 128 байт.
Рис. 2. Шифрование мастер-ключа с использованием данных с внешнего носителя.
В принципе ключевой файл можно разместить и на жестком диске компьютера, но значительно безопасней хранить его отдельно от данных. Не рекомендуется в качестве ключевых файлов использовать файлы, создаваемые какими-либо общеизвестными приложениями (*.doc, *xls, *.pdf и т. д.) Их внутренняя структурированность может дать злоумышленнику дополнительную информацию. Например, все файлы, созданные архиватором WinRAR, начинаются с символов «Rar!» - это целых четыре байта.
Недостаток данного способа - возможность для злоумышленника легко скопировать файл и создать дубликат внешнего носителя. Таким образом, пользователь, даже на короткое время утративший контроль над этим носителем, фактически уже не может быть на 100% уверен в конфиденциальности своих данных. В качестве внешнего носителя иногда применяются электронные USB-ключи или смарт-карты, но при этом данные, используемые для генерации ключа шифрования, просто сохраняются в памяти этих носителей и так же легко доступны для считывания.
Данный способ во многом схож с предыдущим. Важное его отличие в том, что для получения доступа к данным на внешнем носителе пользователь обязательно должен ввести PIN-код. В качестве внешнего носителя используются токены (электронные USB-ключи или смарт-карты). Данные, используемые для генерации ключа шифрования, размещаются в защищенной памяти токена и не могут быть прочитаны злоумышленником без знания соответствующего PIN-кода (рис. 3).
Рис. 3. Шифрование мастер-ключа с использованием защищенного внешнего носителя.
Утрата токена еще не означает раскрытия самой информации. Для защиты от прямого подбора PIN-кода ставится аппаратная временная задержка между двумя последовательными попытками или аппаратное же ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода (например, 15), после чего токен просто блокируется.
Поскольку токен может использоваться в разных приложениях, а PIN-код один и тот же, можно обманным путем вынудить пользователя ввести свой PIN-код в подложной программе, после чего считать необходимые данные из закрытой области памяти токена. Некоторые приложения кэшируют значение PIN-кода в рамках одного сеанса работы, что также несет в себе определенный риск.
Возможен вариант, когда для генерации ключа шифрования одновременно используются пароль, ключевой файл на внешнем носителе и данные в защищенной памяти токена (рис. 4). Такой способ довольно сложен в повседневном использовании, поскольку требует от пользователя дополнительных действий.
Рис. 4. Шифрование мастер-ключа с использованием нескольких компонентов.
Многокомпонентная система также значительно сильнее подвержена рискам утраты доступа: достаточно потерять один из компонентов, и доступ без использования заранее созданной резервной копии становится невозможен.
Отдельного рассмотрения заслуживает один подход к организации безопасного хранения мастер-ключа, лишенный основных недостатков описанных выше вариантов. Именно этот способ представляется нам оптимальным.
Дело в том, что современные токены (рис. 5) позволяют не только хранить в закрытой памяти данные, но выполняют аппаратно целый ряд криптографических преобразований. Например, смарт-карты, а также USB-ключи, представляющие собой полнофункциональные смарт-карты, а не их аналоги, реализуют асимметричные алгоритмы шифрования. Примечательно, что при этом пара открытый - закрытый ключ генерируется также аппаратно. Важно, что закрытый ключ на смарт-картах хранится как write-only, т. е. он используется операционной системой смарт-карты для криптографических преобразований, но не может быть прочитан или скопирован пользователем. Фактически пользователь сам не знает свой закрытый ключ - он только им обладает.
Данные, которые необходимо расшифровать, передаются операционной системе смарт-карты, аппаратно ею расшифровываются с помощью закрытого ключа и передаются обратно в расшифрованном виде (рис. 6). Все операции с закрытым ключом возможны только после ввода пользователем PIN-кода смарт-карты. Такой подход успешно используется во многих современных информационных системах для аутентификации пользователя. Применим он и для аутентификации при доступе к зашифрованной информации.
Рис. 6. Шифрование мастер-ключа с использованием асимметричного алгоритма шифрования.
Мастер-ключ шифруется с помощью открытого ключа пользователя. Для получения доступа к данным пользователь предъявляет свою смарт-карту (или USB-ключ, являющийся полнофункциональной смарт-картой) и вводит ее PIN-код. Затем мастер-ключ аппаратно расшифровывается с помощью закрытого ключа, хранящегося на смарт-карте, и пользователь получает доступ к данным. Такой подход сочетает в себе безопасность и удобство использования.
В первых четырех вариантах очень важен выбор способа генерации ключа шифрования на основе пароля и/или данных с внешнего носителя. Уровень безопасности (в криптографическом смысле), обеспечиваемый этим способом, должен быть не ниже, чем уровень безопасности остальных компонентов системы. Скажем, вариант, когда мастер-ключ просто хранится на внешнем носителе в инвертированном виде, крайне уязвим и небезопасен.
Современные токены поддерживают асимметричные алгоритмы с длиной ключа 1024 или 2048 бит, обеспечивая тем самым соответствие надежности алгоритма шифрования мастер-ключа и алгоритма шифрования самих данных. Аппаратное ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода нивелирует риск его подбора и позволяет применять достаточно простой для запоминания PIN-код. Использование одного устройства с несложным PIN-кодом повышает удобство без ущерба для безопасности.
Создать дубликат смарт-карты не может даже сам пользователь, так как невозможно скопировать закрытый ключ. Это также позволяет без опасения использовать смарт-карту совместно с любыми другими программами.
Есть еще один критерий выбора, который зачастую остается без внимания, но при этом относится к разряду критических. Речь идет о качестве технической поддержки.
Не вызывает сомнения, что защищаемая информация имеет высокую ценность. Быть может, ее утрата принесет меньший вред, чем публичное раскрытие, но определенное неудобство будет иметь место в любом случае. Оплачивая продукт, вы в числе прочего платите и за то, что он будет нормально функционировать, а в случае сбоя вам оперативно помогут разобраться в проблеме и устранить ее.
Основная сложность заключается в том, что заранее оценить качество техподдержки довольно сложно. Ведь существенную роль служба техподдержки начинает играть на поздних стадиях внедрения, на этапе опытной эксплуатации и по завершении внедрения, в процессе сопровождения системы. Критериями качества технической поддержки можно считать время реакции на запрос, полноту ответов и компетентность специалистов. Рассмотрим их более подробно.
Зачастую эквивалентом качества работы службы технической поддержки считается скорость реакции на запрос. Тем не менее оперативные, но неправильные рекомендации могут принести значительно больший вред, чем простое их отсутствие.
Представляется разумным отдавать предпочтение российским разработкам или по крайней мере зарубежным фирмам, имеющим представительство в России. Разговаривая со специалистом на родном языке, вы скорее поймете друг друга. Если продукт иностранный, будьте готовы к возможным временным задержкам. Это может происходить потому, что ваши вопросы будут переводиться на, скажем, английский, а ответы разработчика - обратно на русский. Качество перевода оставим на совести специалистов техподдержки. Нужно учитывать и то, что у зарубежного поставщика может не быть круглосуточной поддержки, а в результате из-за разницы во времени у вас будет, например, всего один час в день, чтобы задать вопрос.
Списки частых вопросов (FAQ) могут стать источником дополнительной информации не только о самом продукте, но и о компетентности специалистов, работающих в компании. Например, отсутствие такого раздела наводит на мысль о непопулярности данного продукта или об отсутствии в организации специалистов, занимающихся техподдержкой и способных написать базу знаний по обращениям пользователей. Забавно, но на некоторых сайтах в ответах на частые вопросы встречаются ошибки, в том числе и в названии самого продукта.
Как видно, в процессе выбора можно зайти достаточно далеко. Наверняка у каждого найдутся свои собственные, важные именно для него критерии сравнения. В конце концов никто не запрещает сравнивать длительность гарантийных сроков, качество упаковки и соответствие цветовой гаммы брэнда компании-производителя корпоративному стилю вашей организации. Главное - правильно расставить весовые коэффициенты.
В любом случае прежде всего нужно трезво оценивать угрозы и критичность данных, а средства обеспечения безопасности желательно выбирать, руководствуясь тем, насколько успешно они справляются со своей основной задачей - обеспечением защиты от несанкционированного доступа. В противном случае деньги лучше потратить на менеджер закачек из Интернета или на "пасьянсы".
Сергей Панасенко
,
начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «Анкад»,
[email protected]
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).
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).
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).
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).
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.
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.
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. 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. Тем читателям, которые непраздно интересуются шифрованием, автор рекомендует
расширить свой кругозор с помощью следующих книг. Полное описание алгоритмов шифрования можно найти в следующих документах: 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? 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. 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. 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. Методика хеширования использует алгоритм, известный как хэш-функция для генерации специальной строки из приведенных данных, известных как хэш. Этот хэш имеет следующие свойства: 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. 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.Какое шифрование лучше?
Дополнительные источники информации
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.Типы шифрования
Симметричное шифрование
Асимметричное шифрование
Хеширование
Сочетание методов шифрования
