Симметричное и асимметричное шифрование. Разбор алгоритма передачи шифрованных данных между серверами.  Симметричное и асимметричное шифрование для новичков

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

Алгоритмы шифрования

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

• Симметричные алгоритмы
• Ассиметричные алгоритмы
• Алгоритмы хэш-функций

Симметричные алгоритмы

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

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

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

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

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

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

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

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

Примеры симметричных шифров

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

Асимметричные алгоритмы

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

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

Принцип работы асимметричных систем

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

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

Примеры асимметричных шрифтов

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

Хеш-функции

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

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

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

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

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

Примеры хеш-алгоритмов

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

Криптографические примитивы

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

Квантовая криптография

Криптография в цифровых технологиях

История

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

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

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

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

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

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

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

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

Сегодня можно говорить о значительных разработках в квантовой криптографии.

Литература

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

Симметричные криптосистемы

Симметри́чные криптосисте́мы (также симметричное шифрование , симметричные шифры ) - способ шифрования, в котором для шифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ . До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Основные сведения

Алгоритмы шифрования и дешифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования , а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.

Классическим примером таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы , перечисленные ниже:

• Простая перестановка
• Одиночная перестановка по ключу
• Двойная перестановка
• Перестановка "Магический квадрат"

Простая перестановка

Простая перестановка без ключа - один из самых простых методов шифрования. Сообщение записывается в таблицу по столбцам. После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифровки он считывается по строкам. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.

Одиночная перестановка по ключу

Более практический метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу очень похож на предыдущий. Он отличается лишь тем, что колонки таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы.

Двойная перестановка

Для дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Этот способ известен под названием двойная перестановка. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины ее строк и столбцов были другие, чем в первой таблице. Лучше всего, если они будут взаимно простыми. Кроме того, в первой таблице можно переставлять столбцы, а во второй строки. Наконец, можно заполнять таблицу зигзагом, змейкой, по спирали или каким-то другим способом. Такие способы заполнения таблицы если и не усиливают стойкость шифра, то делают процесс шифрования гораздо более занимательным.

Перестановка «Магический квадрат»

Магическими квадратами называются квадратные таблицы со вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.

В квадрат размером 4 на 4 вписывались числа от 1 до 16. Его магия состояла в том, что сумма чисел по строкам, столбцам и полным диагоналям равнялась одному и тому же числу - 34. Впервые эти квадраты появились в Китае, где им и была приписана некоторая «магическая сила».

После этого шифрованный текст записывается в строку (считывание производится слева направо, построчно):
.ирдзегюСжаоеянП

При расшифровывании текст вписывается в квадрат, и открытый текст читается в последовательности чисел «магического квадрата» Программа должна генерировать «магические квадраты» и по ключу выбирать необходимый. Размер квадрата больше чем 3х3.

История

Требования

Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру. Для этого шифр должен иметь «эффект лавины » - должно происходить сильное изменение шифроблока при 1битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).

Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия f(a) xor f(b) == f(a xor b)), в противном случае облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.

Общая схема

В настоящее время симметричные шифры - это:

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

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

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

Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля . Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K), где D - порция данных, размером вдвое меньше блока шифрования, а K - «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость - обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля - почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие - обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что сильно облегчает аппаратную реализацию.

Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины». Операция перестановки линейна - f(a) xor f(b) == f(a xor b)

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

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

Параметры алгоритмов

Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:

• длина ключа
• число раундов
• длина обрабатываемого блока
• сложность аппаратной/программной реализации
• сложность преобразования

Распространенные алгоритмы

• AES (англ. Advanced Encryption Standard ) - американский стандарт шифрования
• ГОСТ 28147-89 - отечественный стандарт шифрования данных
• DES (англ. Data Encryption Standard ) - стандарт шифрования данных в США

Сравнение с асимметричными криптосистемами

Достоинства

• скорость (по данным Applied Cryptography - на 3 порядка выше)
• простота реализации (за счёт более простых операций)
• меньшая требуемая длина ключа для сопоставимой стойкости
• изученность (за счёт большего возраста)

Недостатки

• сложность управления ключами в большой сети. Означает квадратичное возрастание числа пар ключей, которые надо генерировать, передавать, хранить и уничтожать в сети. Для сети в 10 абонентов требуется 45 ключей, для 100 уже 4950, для 1000 - 499500 и т. д.
• сложность обмена ключами. Для применения необходимо решить проблему надёжной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный канал для передачи каждого ключа обеим сторонам.

Для компенсации недостатков симметричного шифрования в настоящее время широко применяется комбинированная (гибридная) криптографическая схема , где с помощью асимметричного шифрования передаётся сеансовый ключ, используемый сторонами для обмена данными с помощью симметричного шифрования.

Важным свойством симметричных шифров является невозможность их использования для подтверждения авторства, так как ключ известен каждой стороне.

Литература

• Гатчин Ю.А., Коробейников А.Г. Основы криптографических алгоритмов. Учебное пособие. - СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2002.
• Кон П. Универсальная алгебра. - М.: Мир. - 1968.
• Коробейников А. Г. Математические основы криптографии. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002.

Ссылки

• справочник, рассматривающий в том числе симметричное шифрование

Все множество алгоритмов делится на две большие группы: блочные и поточные . Разница между ними состоит в том, что алгоритмы первой группы принимают исходный текст блоками по несколько символов, а алгоритмы второй группы последовательно посимвольно или даже побитовое преобразуют поток исходного текста. Использование блочного шифра означает, что исходный текст делится на блоки определенной длины и все преобразования выполняются отдельно над каждый блоком. Иногда преобразования над одним блоком могут зависеть от результатов преобразования над предыдущими блоками.

При поточном шифровании каждый символ исходного текста может представляться в битовой форме, то есть в двоичном виде. Далее каждый бит полученной последовательности можно преобразовать по определенному правилу. В качестве такого правила преобразования часто используют побитовое сложение исходного текста с некоторой секретной последовательностью битов. Секретная последовательность битов играет роль ключа зашифрования в симметричных потоковых шифрах. Сама по себе операция побитового сложения, называемая также операцией сложения по модулю двойки, операцией “исключающего ИЛИ” или просто XOR, является очень простой. При сложении каждый бит заменятся по правилу:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 0

Для расшифрования надо выполнить обратную процедуру. Перевести криптограмму в двоичный вид и сложить побитово с той же самой секретной последовательностью, которая использовалась для зашифрования.

Основу большинства потоковых шифров составляет некоторый генератор псевдослучайных последовательностей. Задача такого генератора состоит в побитовом производстве битовой последовательности, которую также иногда называют ключевой гаммой шифра. Такая гамма используется в операции побитового сложения с исходным текстом. Собственно ключом шифрования в таком случае является начальное состояние (и, возможно, структура генератора). Очевидно, что тот кто знает алгоритм генерации последовательностей и начальные входные данные для работы алгоритма, сможет произвести всю гамму. Основной характеристикой таких потоковых шифров является криптографическая стойкость генератора псевдослучайных последовательностей. Генератор должен обеспечивать следующие важные свойства:

- производить последовательности битов, по своим статистическим характеристикам близкие к случайным последовательностям;

- обеспечивать производство достаточно длинных неповторяющихся последовательностей;

- обладать достаточной скоростью для работы в реальном времени.

Первое из этих свойств необходимо для того, чтобы злоумышленник не мог угадать ключевую гамму шифра. Второе свойство обеспечивает устойчивость метода шифрования к различным атакам. Последнее свойство позволяет на практике использовать потоковые шифры в реальном режиме времени.

Операция замены (transmutation), которую еще иногда называют операцией подстановки , состоит в замене одних символов исходного текста на другие символы. Символы исходного текста и символы на которые они заменяются, могут принадлежать одному и тому же алфавиту (например русскому языку), а могут – разным.

Операция перестановки состоит в перестановки символов исходного текста по определенному правилу.

Шифры замены и перестановки относятся к самым древним из известных методов шифрования. Подобные методы известны еще с античных времен. С течением времени усложнялись правила перестановки и замены. Теоретическая база для построения стойких шифров была разработана в середине прошлого века известным американским ученым Клодом Элвудом Шенонном (Claude Elwood Shannon ) (1916-2001), знаменитого также своими основополагающими трудами в области теории информации. С появлением его работы “Теория связи в секретных системах” криптография превращается в строгую научную дисциплину. Был предложен математический аппарат для построения стойких шифров, а также сформулированы основные принципы рассеивания и перемешивания .

Рассеивание – нивелирование влияния статистических свойств открытого текста на криптограмму. Рассеивание распространяет влияние одного символа открытого текста на большое число символов криптограммы. Рассеивание обычно достигается использованием методов перестановки.

Перемешивание – усложнение восстановления взаимосвязи статистических свойств открытого текста и криптограммы, а также между ключом и криптограммой. Перемешивание соответствует использованию методов замены [Алф2001].

С использованием этих принципов во второй половине прошлого века была предложена архитектура для построения симметричных блочных шифров. Архитектура получила название сети Фейсталя (Feistal network), по имени Хорста Фейсталя, сотрудника компании IBM. Эта архитектура на долгое время определила основное направление развития стандартов в области шифрования данных.

В сети Фейсталя происходит преобразование исходного блока данных. На выходе сети получается преобразованный блок данных. Исходный блок разделяется на две части X1 и X2. Выходной блок данных также состоит из двух частей Y1 и Y2. Чаcть Y1 – это непосредственное значение X2. Значение Y2 является результатов сложения части X1 и результата функции шифрования F. Под функцией шифрования в данном понимается функция от двух аргументов: входного блока данных и секретного ключа. Сама функция представляет собой некоторое не специфицированное преобразование над данными. В сети Фейсталя в качестве аргументов функции шифрования F выступают, входной блок данных X2 и секретный ключ шифрования K.

Аналитические формулы описанных преобразований имеют следующий вид:

Y1 = X2

Y2 = X1  F(X2, K)

Важным свойством сети Фейсталя является то, что осуществляемые с ее помощью преобразования являются обратимыми. Преобразования обратимы даже в том случае, если функция шифрования F не является обратимой. То есть всегда можно получить исходный блок данных X из блока данных Y

X1 = Y2  F(Y1, K)

X2 = Y1

Современные открытые стандарты шифрования данных являются блочными симметричными шифрами, которые используют составные преобразования (замены, перестановки и другие) для шифрования данных. Такие стандарты рекомендованы для защиты коммерческой и несекретной информации. Рекомендация к использованию стандарта для защиты коммерческой и несекретной информации означает, что его не следует использовать для шифрования информации, составляющей государственную тайну или требующую специальный допуск. Однако, это не означает, что алгоритм является нестойким или не проверенным. В абсолютном большинстве случаев стойкость алгоритма достаточна для того, чтобы конкуренты или недоброжелатели не смогли взломать его за приемлемое время. Под взломом в данном случае понимается дешифрование криптограмм, т.е. раскрытие исходного текста сообщения без знания секретного ключа. Возможность подобного взлома очень сильно зависит от ресурсов злоумышленников (финансовых, вычислительных, интеллектуальных и других). С этой точки зрения ведущие государства обладает совокупными ресурсами, которые значительно превосходят потенциал крупнейших коммерческих корпораций. По этой причине для сохранения государственных секретов целесообразно использовать более стойкие и не опубликованные алгоритмами. К тому же более стойкие алгоритмы как правило более требовательны к ресурсам и работают более медленно. В тоже время в гражданских и коммерческих системах скорость выполнения операций часто является одним из самых важных критериев. Наконец, использование сверхстойких алгоритмов может стать экономически неэффективно для шифрования информации с очень коротким временем жизни. Нет особого резона использовать шифр, на взлом которого потребуется много лет, для защиты сообщений всякая ценность которых пропадет через несколько дней или часов. По изложенным выше причинам, опубликованные официальные государственные стандарты шифрования обладают определенным компромиссом между целым рядом критериев, как то: стойкость, скоростью работы, удобство реализации, стоимость и другие.

DES - старый федеральный стандарт шифрования США;

ГОСТ 28147-89 - отечественный стандарт шифрования данных;

AES - новый федеральный стандарт шифрования США.

Изложение ведется в хронологическом порядке появления этих стандартов. Работу симметричных криптографических алгоритмов можно рассматривать как функционирование “черных ящиков”. На вход подается исходный текст и ключ зашифрования фиксированного размера. На выходе получается криптограмма. Внутренняя структура таких алгоритмов представляет интерес для разработчиков и криптоаналитиков. Для пользователей в первую очередь представляют интерес сравнительные характеристики алгоритмов, результаты анализа их стойкости и область применения.

Стандарт шифрования Digital Encryption Standard (DES) более 20 лет служил в качестве федерального стандарта шифрования в США. Алгоритм был Алгоритм, лежащий в основе стандарта, был разработан еще в 1974 году в компании IBM. В 1977 году стандарт был опубликован Национальным бюро стандартов (НБС) США. Затем в 1980 году он был одобрен Национальным институтом стандартов и технологий (НИСТ) США для защиты коммерческой и несекретной информации. С 1986 года становится международным стандартом, принятым ИСО под наименованием DEA-1.

Алгоритм лежащий в основе DES относится к группе симметричных блочных шифров. Длина ключа составляет 64 бита. Из которых каждый восьмой бит служит для проверки четности. Соответственно в ключе содержится только 56 секретных бит. Входной блок данных также составляет 64 бита.

Алгоритм основан на архитектуре сети Фейсталя. Суть его состоит в выполнении преобразований в этой сети несколько раз подряд. Выходной блок данных после одного преобразования является входным блоком, для следующего преобразования. Каждое такое преобразование называется раундом шифрования . Иногда DES и другие подобные алгоритмы еще называют итерационными блочными шифрами , где под одной итерацией понимается выполнение преобразования в сети Фейсталя. Всего в DES шестнадцать раундов шифрования.

Количество раундов шифрования является важной характеристикой подобных итерационных шифров. От этого значения зависит стойкость шифра к современным методам криптоанализа, таким как дифференциальный и линейный криптоанализ. Как отмечается в работе [Вар98], применение этих методов дало наилучшие результаты в области анализа систем блочного шифрования. Наличие шестнадцати раундов шифрования является минимально необходимым для того, чтобы указанные выше методы криптоанализа были не легче полного перебора всех возможных ключей. Следует сказать, что в открытой литературе методы дифференциального и линейного криптоанализа были опубликованы сравнительно недавно. В тоже время DES был разработан и проанализирован еще в 70-х года прошлого века. Это заставляет предположить, что возможности подобных методов взлома шифров были известны специальным службам уже достаточно давно.

На каждом раунде шифрования в сети Фейсталя используется ключ шифрования для передачи его на вход функции шифрования. Такие ключи называют раундовыми ключами . Всего соответственно используется шестнадцать различных раундовых ключей. Каждый такой раундовый ключ получается из исходного ключа В описании DES опубликован метод генерации таких ключей.

Сама по себе функция шифрования является не сложной. В ее основе лежит правило преобразования входного блока данных. Это преобразование состоит из сложения входного блока данных с раундовым ключом и последующим преобразованием полученного результата в так называемом S-блоке. S-блок в DES представляет собой матрицу из 4-х строк и 16-и столбцов. В каждой ячейки матрицы содержится число от 0 до 15. Всего в стандарте опубликовано и используются 8 таких матриц.

За время своего существования DES стал очень распространенным алгоритмом шифрования, реализованным в многочисленных системах и приложениях. Однако на сегодняшний день он уже является устаревшим алгоритмом, неспособным обеспечить требуемую стойкость. В первую очередь это связано с недостаточной длинной ключа шифрования в 56 бит, принятого в стандарте. В конце 90-х годов прошлого века компания RSA Security провела серию открытых конкурсов на его взлом. Задание конкурсов состояло в дешифровании криптограммы, опубликованной на сайте компании. Все варианты были решены с помощью атаки грубой силой, то есть путем успешного полного перебора всех возможных вариантов ключей. Ниже приводится таблица с хронологией взлома DES в рамках открытых конкурсов, проводившихся компанией RSA Security:

Как видно из приведенной таблицы, во время последнего конкурса взлом DES был осуществлен менее чем за один день. После этого компания RSA Security прекратила проведение конкурсов по взлому DES. Последний взлом был осуществлен совместными усилиями двух некоммерческих организаций: Electronic Frontier Foundation (www.eff.org) и Distributed Computing Technologies, Inc. (www.distributed.net) Подбор возможных вариантов ключа осуществлялся с помощью специального компьютера, названного Deep Cracker, стоимостью $250000. Кроме того в процессе обработки ключей использовались мощности компьютеров объединенных в сети Интернет.

Достигнутые результаты красноречиво свидетельствовали о необходимости принятия нового стандарта в области шифрования данных и смягчение существовавших в то время в США экспортных ограничений на криптографические продукты. Новый стандарт был принят в 2001 году и получил название Advanced Encryption Standard (AES). Этот стандарт и лежащий в его основе алгоритм рассмотрены ниже. С конца 90-х годов прошлого века, в качестве усиления существовавшего стандарта, применяется его модификация, получившая название “Тройной-DES” (Triple-DES).

Алгоритм ГОСТ 28147-89 является блочным симметричным шифром и основан на архитектуре сети Фейсталя. Длина ключа составляет 256 бит. Входной блок данных составляет 64 бита. В алгоритме используется 32 раунда шифрования. На каждом раунде шифрования используется раундевый ключ, значения которых получаются из первоначального секретного ключа шифрования.

Функций шифрования алгоритма ГОСТ 28147-89, использующаяся в каждом раунде шифрования имеет несложную структуру и состоит из простых операций замены и циклического сдвига. Замены осуществляются в S-блоке в специальной матрице. Для алгоритма ГОСТ 28147-89 не специфицирован конкретный вид матрицы замены. Каждый разработчик и производитель может сформировать собственную матрицу или сделать запрос в специальные службы, которые могут помочь в подготовке криптостойкой матрицы. При желании можно менять матрицу замены с течением некоторого времени. В силу того, что матрица не специфицирована ее иногда еще называют сменным ключевым элементом . В матрице восемь строк, шестнадцать столбцов и в каждой ячейке хранится четыре бита информации. Размер матрицы составляет 512 бит. Если добавить к этому размер ключа шифрования, то совокупный размер секретной информации составит 768 бит. Это дает гигантское число 2768 возможных вариантов для перебора всех значений секретной информации. Перебор подобного количества вариантов лежит далеко за пределами даже прогнозируемых мощностей вычислительной техники и совершенно недосягаем в сколько-нибудь обозримом будущем. Однако справедливости ради следует сказать, что по настоящему секретной информацией является все-таки только ключ шифрования размеров 256 бит. Структуру даже неопубликованных матриц теоретически можно определить путем анализа работы программного или аппаратного обеспечения. Также возможны попытки несанкционированного доступа к технической документации по реализации алгоритма ГОСТ 28147-89. Но даже в этом случае для полного перебора всех возможных ключей надо будет выполнить 2256 попыток. Это количество вариантов все равно остается гигантским и обеспечивает абсолютную стойкость алгоритма к атаке методом полного перебора ключей.

В открытых публикациях до сих пор не было рассмотрено ни одного успешного метода взлома отечественного стандарта шифрования данных. Однако в работе [Мол02] приводятся доводы в пользу замены имеющегося стандарта новым алгоритмом. По мнению авторов, имеющийся стандарт из-за своей архитектуры не может отвечать современным требованиям к скорости преобразования данных (более 2Гбит/сек). Кроме того отмечается, что в ряде работ в течении последних нескольких лет были описаны различные потенциальные атаки касающиеся алгоритма ГОСТ 28147-89.

Для стандарта ГОСТ 28147-89 определены следующие четыре режима работы:

Простая замена. Это основной и самый простой режим работы алгоритма. Применяется для шифрования ключевой информации.

Гаммирование . В этом режиме возможна выработка псевдослучайной гаммы с очень хорошими статистическими свойствами. Фактически использование этого режима позволяет получить потоковый шифр из блочного шифра. Применяется для шифрования данных.

Гаммирование с обратной связью . Этот режим отличается от предыдущего способом получения гаммы. Очередной элемент гаммы вырабатывается в результате преобразования предыдущего блока зашифрованных данных. Данный режим иногда также называют режимом гаммирования с зацеплением блоков [Дом2000]. Каждый блок криптограммы зависит от всех предыдущих блоков открытого текста. В режимах гаммирования можно обрабатывать входные блоки данных размером меньше 8 байт. Это свойство используется для шифрования массивов данных с произвольным размером.

Режим выработки имитовставки . Имитовставкой называется значение, вычисленное с использованием исходных данных и секретного ключа. С помощью имитовставки можно определить были ли сделаны изменения в информации в процессе ее передачи. Данный режим применяется для обнаружения искажений в зашифрованном массиве данных с заданной вероятностью.

Стандарт шифрования Advanced Encryption Standard (AES) был выбран в результате открытого международного конкурса, проводимого НИСТ США. О начале конкурса было объявлено 2 января 1997 года. В результате первоначального отбора в августе 1998 года были выбраны пятнадцать алгоритмов – кандидатов. Затем еще через год, в августе 1999 года были определены пять алгоритмов - финалистов конкурса. Конкурс завершился в октябре 2000 года. Победителем в нем стал бельгийский алгоритм RIJNDAEL разработанный Винсентом Рюменом (Vincent Rijmen) и Йон Дэмен (Joan Daemen). Этот алгоритм был выбран в качестве стандарта AES. Окончательная версия стандарта была опубликована в ноябре 2001 года. Алгоритм утвержден в качестве нового федерального стандарта шифрования в США под кодом FIPS-197 и предназначен для обработки коммерческой информации и информации, не содержащей государственную тайну. Стандарт вступил в действие с 26 мая 2002 года [Зен2002].

Стандарт AES основан на архитектуре, отличной от сети Фейсталя. Авторы алгоритма назвали эту новую архитектуру “Квадрат”. Суть ее заключается в том, что исходный блок данных по байтам записывается в матрицу. Сам процесс шифрования заключается в повторяющемся выполнении различных преобразований с элементами такой матрицы, а также с ее строками и столбцами. Предложенная архитектура обладает хорошими свойствами Шенноновского рассеивания и перемешивания.

В стандарте AES предусмотрено три режима работы в зависимости от длины используемого ключа. Возможные длины ключа составляют 128, 192 и 256 бит. Количество раундов шифрования зависит от используемой длины ключа, это соответственно 10, 12 или 14 раундов. Размер входного исходного блока данных и выходного блока шифротекста одинаковый и всегда составляет 128 бит.

В ходе анализа алгоритма в рамках проводимого конкурса, в нем не было обнаружено каких-либо слабостей. Справедливости ради следует сказать, что это относится ко всем алгоритмам – финалистам конкурса. Все они являются стойкими алгоритмами. Однако по совокупным характеристикам производительности, удобства реализации, ресурсоемкости и другим, RIJNDAEL оказался наиболее предпочтительным в качестве универсального стандарта шифрования.

К преимуществам стандарта AES относятся:

- высокая эффективность реализации на любых платформах;

- высокая стойкость;

- низкие требования к памяти;

- возможность реализации на smart-картах;

- быстрая процедура формирования ключа;

- возможность параллелизма операций.

Ниже дается сводная таблица с характеристиками рассмотренных стандартов шифрования данных [Вин2001].

Для того, чтобы перебрать все возможные ключи для алгоритма DES нужно выполнить около 7.2x1016 вариантов. Минимальный размер ключа в алгоритме AES составляет 128 бит. Для перебора всех возможных ключей в этом случае придется проверить уже около 3.4x1038 вариантов. Это примерно в 1021 раз больше чем в случае DES. Для перебора же всех ключей длинной в 256 бит потребуется проверить астрономическое число вариантов – около 1.1x1077 ключей. Стойкости нового стандарта шифрования AES по отношению к атакам методом полного перебора ключей, только сейчас сравнялась с отечественным стандартом ГОСТ 28147-89.

В алгоритме ГОСТ 28147-89 крайне простая выработка раундовых ключей шифрования. Они берутся как составные части начального секретного ключа шифрования. В то же время, в DES и в AES используются значительно более сложные алгоритмы вычисления раундевых ключей.

По сравнению с DES, алгоритм ГОСТ 28147-89 обладает большим быстродействием. Так, например, на процессорах Intel x86 реализация ГОСТ 28147-89 превосходит по быстродействию реализацию DES более чем в два раза. На процессоре Pention Pro-200 MHz предел быстродействия алгоритма ГОСТ 28147-89 составляет 8 Мбайт/сек. Ниже в таблице приведены сравнительные показатели быстродействия стандартов ГОСТ 28147-89 и AES

Алгоритм ГОСТ 28147-89 является более удобным для аппаратной и для программной реализации, чем DES, но менее удобным, чем AES. Стандарты ГОСТ 28147-89 и AES имеют сопоставимые значения основных характеристик.

Для блочных симметричных алгоритмов шифрования (АШ) определены несколько основных режимов их использования. Первоначально эти режимы относились к использованию алгоритма DES, но фактически могут быть применимы к любому блочному алгоритму. Например, некоторые из этих режимов являются аналогами режимов работы, определенных для алгоритма ГОСТ 28147-89. Выбранный режим определяет область применения блочного алгоритма шифрования. Каждый режим работы имеет свои преимущества и недостатки.

Режим электронной кодовой книги .

Electronic Code Book (ECB)

Исходный текст разбивается на блоки. В этом режиме каждый блок поступает на вход алгоритма шифрования и преобразуется независимо один от другого. Расшифрование каждого блока также происходит независимо.

Достоинства:

- простота реализации;

- возможность шифрования нескольких сообщений одним ключом без снижения стойкости;

- возможность параллельной.

Недостатки:

- однозначное соответствие между блоками открытого текста и криптограммами;

- возможность повтора блоков и замены блоков в информационном пакете;

- распространение ошибки шифротекста.

Область применения:

- шифрование других ключей и вообще случайной информации;

- шифрование хранилищ данных с произвольным доступом.

Режим сцепления блоков шифротекста .

Cipher Block Chaining (CBC)

Исходный текст разбивается на блоки. Выбирается так называемый вектор инициализации – несекретная и случайная последовательность бит, по длине равная блоку входящих данных. Первый блок исходных данных складывается с вектором инициализации. Результат сложения поступает на вход алгоритма шифрования. Полученная в результате криптограмма складывается со следующим блоком исходного текста. Результат сложения поступает на вход алгоритма шифрования и так далее.

Достоинства:

- сложно манипулировать открытым текстом (подмена и замена);

- одним ключом можно шифровать несколько сообщений;

- расшифрование может выполнятся параллельно.

Недостатки:

- шифротекст на один блок длиннее открытого текста;

- ошибка в синхронизации является фатальной;

- распространение ошибки шифротекста;

- шифрование не может выполняться параллельно.

Область применения:

- шифрование файлов и сообщений.

Режим обратной связи по шифротексту.

Cipher Feed Back (CFB)

В самом начале вектор инициализации непосредственно поступает на вход алгоритма шифрования. Исходный текст состоит из блоков дины k бит, причем k  n , где n - длина входного блока данных. Каждый блок исходного текста складывается с частью последовательности длиной k бит, полученной на выходе из алгоритма шифрования. Результатом сложения является блок шифротекста. Значение последовательности, полученной на выходе из алгоритма шифрования, сдвигается на k бит влево. Самые правые k бит последовательности занимают биты криптограммы. Вновь сформированная таким образом входная последовательность данных поступает на вход алгоритма шифрования и так далее.

Достоинства:

- размер блока данных может отличаться от стандартного размера;

- сложно манипулировать открытым текстом;

- возможность шифрования одним ключом нескольких сообщений.

Недостатки:

- обязательная уникальность (но не секретность) вектора инициализации;

- быстрое распространение ошибки шифротекста.

Область применения:

- посимвольное шифрование потока данных (передача данных между сервером и клиентом в процессе аутентификации).

Режим обратной связи по выходу .

Output Feed Back (OFB)

Данный режим отличается от предыдущего тем, что часть вновь формируемой входной последовательности заполняется k битами не криптограммы, а выходной последовательности, полученной на предыдущем шаге. Это отличие позволяет заранее полностью формировать гамму шифра. Потом эта гамма может быть использована для шифрования открытого текста, например как это происходит в потоковых шифрах.

Достоинства:

- ошибки шифротекста не распространяются;

- возможность предварительной подготовки гаммы;

- размер блока данных может отличаться от стандартного размера.

Недостатки:

- ошибка синхронизации является фатальной;

- легко манипулировать открытым текстом;

- обязательная уникальность (но не секретность) вектора инициализации.

Область применения:

- высокоскоростные синхронные системы (спутниковая связь);

- вообще в системах, работающих в среде с высокой вероятностью появления ошибок в процессе передачи информации.

Дополнительные режимы шифрования

Существует также ряд дополнительных режимов шифрования:

· Режим сцепления блоков с распространением ошибок (PCBC).

· Режим сцепления блоков шифротекста с контрольной суммой (CBCC).

· Режим нелинейной обратной связи по выходу (OFBNLF).

· Сцепление блоков открытого текста (PBC).

· Режим обратной связи по открытому тексту (PFB).

· Сцепления блоков текста по различиям открытого текста (CBCPD).

Алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Секретная связь на основе симметричной криптосистемы.

Для организации секретной связи традиционно используются симметричные шифрсистемы. «Штатными» Действующими лицами таких протоколов секретной связи являются отправитель, адресат и посредник, обеспечивающий пользователей ключами. Для рассмотрения вопросов защиты информации следует добавить в этот список «нештатных» участников: пассивного и активного нарушителя. Задача протокола – передать секретное сообщение x от отправителя адресату. Последовательность действий выглядит следующим образом:
1. Отправитель и адресат договариваются об используемой симметричной шифрсистеме, т.е. о семействе отображений E = {}, kK.
2. Отправитель и адресат договариваются о секретном ключе связи k, т.е. об используемом отображении E.
3. Отправитель шифрует открытый текст x с помощью отображения , т.е. создаёт криптограмму y = (x).
4. Криптограмма y передаётся по линии связи адресату.
5. Адресат расшифровывает криптограмму y используя тот же ключ k и отображение ^(-1), обратное к отображению Ek и читает сообщение x= ^(-1)(y).
Шаг 2 протокола реализуется с помощью посредника, третьей стороны, которую условно можно назвать центром генерации и распределения ключей (ЦГРК) (некоторые протоколы секретной связи на основе асимметричных шифрсистем не использую посредника, в них функции ЦГРК выполняются пользователями).
Существенной особенностью протокола является секретность ключа k который передается отправителю и адресату либо в открытом виде по каналу связи, защищённому от действий криптоаналитика, либо в шифрованном виде по открытому каналу связи. Защищённый канал может иметь относительно невысокую пропускную способность, но должен надёжно защищать ключевую информацию от несанкционированного доступа. Ключ k должен оставаться в секрете до, во время и после реализации протокола, иначе нарушитель, завладев ключом, может расшифровать криптограмму и прочитать сообщение. Отправитель и адресат могут выполнить шаг 1 протокола публично (секретность шифрсистемы необязательна), но шаг 2 они должны выполнить секретно (секретность ключа обязательна).
Такая необходимость вызвана тем, что линии связи, в особенности протяжённые, уязвимы с точки зрения вмешательства пассивного и активного нарушителей. Пассивный нарушитель (криптоаналитик), желая получить доступ к сообщению x, контролирует линию связи на шаге 4 протокола. Не вмешиваясь в реализацию протокола, он перехватывает криптограмму y с целью раскрытия шифра.

Криптоанализ симметричной криптосистемы.

Разрабатывая шифрсистему, криптограф обычно исходит из следующих предположений о возможностях криптоаналитика:
1. Криптоаналитик контролирует линию связи.
2. Криптоаналитику известно устройство семейства E отображений шифра.
3. Криптоаналитику неизвестен ключ k, т.е. неизвестно отображение , использованное для получения криптограммы y.
В этих условиях криптоаналитик пытается решить следующие задачи, называемые задачами дешифрования.
1. Определить открытый текст x и использованный ключ k по перехваченной криптограмме y, т.е. построить такой алгоритм дешифрования , при котором (y)=(x,k). Данная постановка задачи предполагает использование криптоаналитиком статистических свойств открытого текста.
2. Определить использованный ключ k по известному открытому и шифрованному текстам, т.е. построить такой алгоритм дешифрования , при котором (x,y)=k. Такая постановка задачи имеет смысл, когда криптоаналитик перехватил несколько криптограмм, полученных с использование ключа k, и располагает открытыми текстами не для всех перехваченных криптограмм. В этом случае, решив задачу дешифрования второго типа, он «прочтёт» все открытые тексты, зашифрованные с использованием ключа k.
3. Определить используемый ключ k по специально подобранному открытому тексту x и соответствующему шифрованному тексту y, т.е. построить алгоритм дешифрования x такой, что x(y)=k. Подобная постановка задачи возникает тогда, когда криптоаналитик имеет возможность тестирования криптосистемы, т.е. генерирования криптограммы для специально подобранного открытого текста. Чаще такая постановка задачи возникает при анализе асимметричных систем. имеется разновидность этой задачи дешифрования, когда используется специально подобранный шифртекст.
Для решения задач дешифрования криптоаналитик использует или шифрованное сообщение y, или пару (x,y), состоящую из открытого и шифрованного сообщений, или комплект таких сообщений или пар сообщений. Эти сообщения или комплекты сообщений называют шифрматериалом. Используемым для дешифрования количеством шифрматериала называется длина этих сообщений или суммерная длина комплекта сообщений. Количество шифрматериала является важной характеристикой метода дешифрования. Расстоянием единственности шифра называется наименьшее число знаков шифрованного текста, необходимых для однозначного определения ключа. Во многих практических случаях оно равно длине ключа, если ключ и криптограмма суть слова из равномощных алфавитов. При одинаковом количестве шифрматериала дешифровальные задачи первого типа отличаются более высокой вычислительной сложностью по сравнению с задачами второго и третьего типа, наименьшую вычислительную сложность имеют задачи тестирования.
В ряде случаев криптоаналитик может решить задачу восстановления семейства E отображений шифра по известной паре (x,y) открытого и шифрованного текстов, пользуясь некоторыми дополнительными условаиями. Эта задача может быть сформулирована как «дешифровка чёрного ящика» по известным входам и соответствующим выходам.
Активный нарушитель нарушает реализацию протокола. Он может прервать связь на шаге 4, полагая, что отправитель не сможет больше ничего сообщить адресату. Он может также перехватить сообщение и заменить его своим собственным. Если бы активный нарушитель узнал ключ (контролируя шаг 2 или проникнув в криптосистему), он мог бы зашифровать своё сообщение и отправить его адресату вместо перехваченного сообщения, что не вызвало бы у последнего никаких подозрений. Не зная ключа, активный нарушитель может создать лишь случайную криптограмму, которая после расшифрования предстанет случайной последовательностью.

Требования к протоколу.

Рассмотренный протокол подразумевает доверие отправителя, адресата и третьей стороны в лице ЦГРК. Это является слабостью данного протокола. Впрочем, абсолютных гарантий безупречности того или иного протокола не существует, так как выполнение любого протокола связано с участием людей и зависит, в частности, от квалификации и надёжности персонала. Таки образом, по организации секретной связи с использованием симметричной криптосистемы можно сделать следующие выводы.
1. Протокол должен защищать открытый текст и ключ от несанкционированного доступа постороннего лица на всех этапах передачи информации от источника к получателю сообщений. Секретность ключа более важна, чем секретность нескольких сообщений, шифруемых на этом ключе. Если ключ скомпрометирован (украден, угадан, раскрыт, выкуплен), то нарушитель, имеющий ключ, может расшифровать все зашифрованные на этом ключе сообщения. Кроме того, нарушитель сможет имитировать одну из переговаривающихся сторон и генерировать фальшивые сообщения с целью ввести в заблуждение другую сторону. При частой смене ключей эта проблема сводится к минимуму.
2. Протокол не должен допускать выхода в линию связи «лишней» информации, предоставляющей криптоаналитику противника дополнительные возможности дешифрования криптограмм. Протокол должен защищать информацию не только от посторонних лиц, но и от взаимного обмана действующих лиц протокола.
3. Если допустить, что каждая пара пользователей сети связи использует отдельный ключ, то число необходимых ключей равно n*(n-1)/2 для n пользователей. Это означает, что при большом n генерация, хранение и распределение ключей становится трудоёмкой проблемой.

Единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в тайне обеими сторонами, осуществляться меры по защите доступа к каналу, на всем пути следования криптограммы, или сторонами взаимодействия посредством криптообьектов, сообщений, если данный канал взаимодействия под грифом "Не для использования третьими лицами". Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Основные сведения

Алгоритмы шифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования , а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.

Классическими примерами таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы , перечисленные ниже:

• Простая перестановка
• Одиночная перестановка по ключу
• Двойная перестановка
• Перестановка «Магический квадрат»

Простая перестановка

Простая перестановка без ключа - один из самых простых методов шифрования. Сообщение записывается в таблицу по столбцам. После того, как открытый текст записан колонками, для образования шифртекста он считывается по строкам. Для использования этого шифра отправителю и получателю нужно договориться об общем ключе в виде размера таблицы. Объединение букв в группы не входит в ключ шифра и используется лишь для удобства записи несмыслового текста.

Одиночная перестановка по ключу

Более практический метод шифрования, называемый одиночной перестановкой по ключу, очень похож на предыдущий. Он отличается лишь тем, что колонки таблицы переставляются по ключевому слову, фразе или набору чисел длиной в строку таблицы.

Двойная перестановка

Для дополнительной скрытности можно повторно шифровать сообщение, которое уже было зашифровано. Этот способ известен под названием двойная перестановка. Для этого размер второй таблицы подбирают так, чтобы длины её строк и столбцов отличались от длин в первой таблице. Лучше всего, если они будут взаимно простыми. Кроме того, в первой таблице можно переставлять столбцы, а во второй строки. Наконец, можно заполнять таблицу зигзагом, змейкой, по спирали или каким-то другим способом. Такие способы заполнения таблицы если и не усиливают стойкость шифра, то делают процесс шифрования гораздо более занимательным.

Перестановка «Магический квадрат»

Магическими квадратами называются квадратные таблицы со вписанными в их клетки последовательными натуральными числами от 1, которые дают в сумме по каждому столбцу, каждой строке и каждой диагонали одно и то же число. Подобные квадраты широко применялись для вписывания шифруемого текста по приведенной в них нумерации. Если потом выписать содержимое таблицы по строкам, то получалась шифровка перестановкой букв. На первый взгляд кажется, будто магических квадратов очень мало. Тем не менее, их число очень быстро возрастает с увеличением размера квадрата. Так, существует лишь один магический квадрат размером 3 х 3, если не принимать во внимание его повороты. Магических квадратов 4 х 4 насчитывается уже 880, а число магических квадратов размером 5 х 5 около 250000. Поэтому магические квадраты больших размеров могли быть хорошей основой для надежной системы шифрования того времени, потому что ручной перебор всех вариантов ключа для этого шифра был немыслим.

В квадрат размером 4 на 4 вписывались числа от 1 до 16. Его магия состояла в том, что сумма чисел по строкам, столбцам и полным диагоналям равнялась одному и тому же числу - 34. Впервые эти квадраты появились в Китае, где им и была приписана некоторая «магическая сила».

После этого шифрованный текст записывается в строку (считывание производится слева направо, построчно):
.ирдзегюСжаоеянП

При расшифровывании текст вписывается в квадрат, и открытый текст читается в последовательности чисел «магического квадрата». Программа должна генерировать «магические квадраты» и по ключу выбирать необходимый. Размер квадрата больше чем 3х3.

История

Требования

Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру. Для этого шифр должен иметь «эффект лавины » - должно происходить сильное изменение шифроблока при 1-битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).

Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия f(a) xor f(b) == f(a xor b)), в противном случае облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.

Общая схема

В настоящее время симметричные шифры - это:

• блочные шифры . Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами . Результатом повторения раундов является лавинный эффект - нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.
• поточные шифры , в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования . Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.

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

Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля . Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K), где D - порция данных размером вдвое меньше блока шифрования, а K - «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость - обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля - почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие - обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что значительно облегчает аппаратную реализацию.

Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины». Операция перестановки линейна - f(a) xor f(b) == f(a xor b)

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

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

Параметры алгоритмов

Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:

• длина ключа
• число раундов
• длина обрабатываемого блока
• сложность аппаратной/программной реализации
• сложность преобразования

Виды симметричных шифров

• AES (англ. Advanced Encryption Standard ) - американский стандарт шифрования
• ГОСТ 28147-89 - советский и российский стандарт шифрования, также является стандартом СНГ
• DES (англ. Data Encryption Standard ) - стандарт шифрования данных в США
• 3DES (Triple-DES, тройной DES)
• RC2 (Шифр Ривеста (Rivest Cipher или Ron’s Cipher))
• IDEA (International Data Encryption Algorithm, международный алгоритм шифрования данных)
• CAST (по инициалам разработчиков Carlisle Adams и Stafford Tavares)