В симметричной криптосистеме шифрования используется один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования информации. Это означает, что любой, кто имеет доступ к ключу шифрования, может расшифровать сообщение. С целью предотвращения несанкционированного раскрытия зашифрованной информации все ключи шифрования в симметричных криптосистемах должны держаться в секрете. Именно поэтому симметричные криптосистемы называют криптосистемами с секретным ключом – ключ шифрования должен быть доступен только тем, кому предназначено сообщение. Симметричные криптосистемы называют еще одноключевыми криптографическими системами. Схема симметричной криптосистемы шифрования показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Система симметричной криптосистемы шифрования

Данные криптосистемы характеризуются наиболее высокой скоростью шифрования, и с их помощью обеспечивается как конфиденциальность и подлинность, так и целостность передаваемой информации.

Конфиденциальность передачи информации с помощью симметричной криптосистемы зависит от надежности шифра и обеспечения конфиденциальности ключа шифрования. Обычно ключ шифрования представляет собой файл или массив данных и хранится на персональном ключевом носителе, например дискете или смарт-карте; обязательно принятие мер, обеспечивающих недоступность персонального ключевого носителя кому-либо, кроме его владельца.

Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.

Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитоприставки), вырабатываемого по секретному ключу. Имитоприставка является разновидностью контрольной суммы, то есть некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитоприставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитоприставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитоприставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.

Симметричное шифрование идеально подходит для шифрования информации «для себя», например с целью предотвратить несанкционированный доступ к ней в отсутствие владельца. Это может быть как архивное шифрование выбранных файлов, так и прозрачное (автоматическое) шифрование целых логических или физических дисков.

Обладая высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации. Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.

Перед началом обмена зашифрованными данными необходимо обменяться секретными ключами со всеми адресатами. Передача секретного ключа симметричной криптосистемы не может быть осуществлена по общедоступным каналам связи, секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу.

Существуют реализации алгоритмов симметричного шифрования для абонентского шифрования данных – то есть для отправки шифрованной информации абоненту, например, через Интернет. Использование одного ключа для всех абонентов подобной криптографической сети недопустимо по соображениям безопасности. Действительно, в случае компрометации (утери, хищения) ключа под угрозой будет находиться документооборот всех абонентов. В этом случае может быть использована матрица ключей (рис. 4.4).

Матрица ключей представляет собой таблицу, содержащую ключи парной связи абонентов. Каждый элемент таблицы предназначен для связи абонентов i и j и доступен только двум данным абонентам. Соответственно, для всех элементов матрицы ключей соблюдается равенство

. (4.3)

Рис.4.4. Матрица ключей

Каждая i -я строка матрицы представляет собой набор ключей конкретного абонента i для связи с остальными N - 1 абонентами. Наборы ключей (сетевые наборы) распределяются между всеми абонентами криптографической сети. Аналогично сказанному выше, сетевые наборы должны распределяться по защищенным каналам связи или из рук в руки.

Характерной особенностью симметричных криптоалгоритмов является то, что в ходе своей работы они производят преобразование блока входной информации фиксированной длины и получают результирующий блок того же объема, но недоступный для прочтения сторонним лицам, не владеющим ключом. Схему работы симметричного блочного шифра можно описать функциями

где М – исходный (открытый) блок данных; С – зашифрованный блок данных.

Ключ К является параметром симметричного блочного криптоалгоритма и представляет собой блок двоичной информации фиксированного размера. Исходный М и зашифрованный С блоки данных также имеют фиксированную разрядность, равную между собой, но необязательно равную длине ключа К .

Блочные шифры являются той основой, на которой реализованы практически все симметричные криптосистемы. Симметричные криптосистемы позволяют кодировать и декодировать файлы произвольной длины. Практически все алгоритмы используют для преобразований определенный набор обратимых математических преобразований.

Методика создания цепочек из зашифрованных блочными алгоритмами байтов позволяет шифровать ими пакеты информации неограниченной длины. Отсутствие статистической корреляции между битами выходного потока блочного шифра используется для вычисления контрольных сумм пакетов данных и в хэшировании паролей.

Криптоалгоритм считается идеально стойким, если для прочтения зашифрованного блока данных необходим перебор всех возможных ключей до тех пор, пока расшифрованное сообщение не окажется осмысленным. В общем случае стойкость блочного шифра зависит только от длины ключа и возрастает экспоненциально с ее ростом.

Для получения стойких блочных шифров использовать два общих принципа:

¨ рассеивание – собой распространение влияния одного знака откры­того текста на много знаков шифртекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста.

¨ перемешивание – использование таких шифрующих преобразований, которые усложняют восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текстов.

Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость зашифрования и расшифрования при известном пользователю секретном ключе.

Распространенным способом достижения эффектов рассеивания и перемешивания является использование составного шифра, то есть такого, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит свой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание.

В составных шифрах в качестве простых шифров чаще всего используются простые перестановки и подстановки. При перестановке просто перемешивают символы открытого текста, причем конкретный вид перемешивания определяется секретным ключом. При подстановке каждый символ открытого текста заменяют другим символом из того же алфавита, а конкретный вид подстановки также определяется секретным ключом. Следует заметить, что в современном блочном шифре блоки открытого текста и шифртекста представляют собой двоичные последовательности обычно длиной 64 или 128 бит. При длине 64 бит каждый блок может принимать 2 64 значений. Поэтому подстановки выполняются в очень большом алфавите, содержащем до 2 64 ~ 10 19 «символов».

При многократном чередовании простых перестановок и подстановок, управляемых достаточно длинным секретным ключом, можно получить стойкий шифр с хорошим рассеиванием и перемешиванием.

Все действия, производимые блочным криптоалгоритмом над данными, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Например, 32-битный блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0...4294 967 295. Кроме того, блок, разрядность которого представляет собой «степень двойки», можно трактовать как сцепление нескольких независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (указанный выше 32-битный блок можно также представить в виде сцепления двух независимых 16-битных чисел из диапазона 0...65 535 или в виде сцепления четырех независимых 8-битных чисел из диапазона 0...255).

Над этими числами блочный криптоалгоритм производит по определенной схеме действия, перечисленные в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Действия, выполняемые криптоалгоритмами над числами

В качестве параметра V для любого из этих преобразований может использоваться:

¨ фиксированное число (например, X "= X + 125);

¨ число, получаемое из ключа (например, X "= X + F(K ));

¨ число, получаемое из независимой части блока (например, Х 2" = Х 2 + F (Х 1)).

Последовательность выполняемых над блоком операций, комбинации перечисленных выше вариантов V и сами функции F и составляют отличительные особенности конкретного симметричного блочного криптоалгоритма.

Характерным признаком блочных алгоритмов является многократное и косвенное использование материала ключа. Это определяется в первую очередь требованием невозможности обратного декодирования в отношении ключа при известных исходном и зашифрованном текстах. Для решения этой задачи в приведенных выше преобразованиях чаще всего используется не само значение ключа или его части, а некоторая, иногда необратимая, функция от материала ключа. Более того, в подобных преобразованиях один и тот же блок или элемент ключа используется многократно. Это позволяет при выполнении условия обратимости функции относительно величины X сделать функцию необратимой относительно ключа К .

В наш компьютерный век человечество все больше отказывается от хранения информации в рукописном или печатном виде, предпочитая для документы. И если раньше крали просто бумаги или пергаменты, то сейчас взламывают именно электронную информацию. Сами же алгоритмы шифрования данных были известны еще с незапамятных времен. Многие цивилизации предпочитали зашифровывать свои уникальные знания, чтобы они могли достаться только человеку сведущему. Но давайте посмотрим, как все это отображается на нашем мире.

Что собой представляет система шифрования данных?

Для начала следует определиться с тем, что собой представляют криптографические системы вообще. Грубо говоря, это некий специальный алгоритм записи информации, который был бы понятен только определенному кругу людей.

В этом смысле постороннему человеку все, что он видит, должно (а в принципе, так и есть) казаться бессмысленным набором символов. Прочесть такую последовательность сможет только тот, кто знает правила их расположения. В качестве самого простого примера можно определить алгоритм шифрования с написанием слов, скажем, задом наперед. Конечно, это самое примитивное, что можно придумать. Подразумевается, что если знать правила записи, восстановить исходный текст труда не составит.

Зачем это нужно?

Для чего все это придумывалось, наверное, объяснять не стоит. Посмотрите, ведь какие объемы знаний, оставшиеся от древних цивилизаций, сегодня находятся в зашифрованном виде. То ли древние не хотели, чтобы мы это узнали, то ли все это было сделано, чтобы человек смог ними воспользоваться только тогда, когда достигнет нужного уровня развития - пока что об этом можно только гадать.

Впрочем, если говорить о сегодняшнем мире, защита информации становится одной из самых больших проблем. Посудите сами, ведь сколько имеется документов в тех же архивах, о которых правительства некоторых стран не хотели бы распространяться, сколько секретных разработок, сколько новых технологий. А ведь все это, по большому счету, и является первоочередной целью так называемых хакеров в классическом понимании этого термина.

На ум приходит только одна фраза, ставшая классикой принципов деятельности Натана Ротшильда: «Кто владеет информацией, тот владеет миром». И именно поэтому информацию приходится защищать от посторонних глаз, дабы ей не воспользовался кто-то еще в своих корыстных целях.

Криптография: точка отсчета

Теперь, прежде чем рассматривать саму структуру, которую имеет любой алгоритм шифрования, немного окунемся в историю, в те далекие времена, когда эта наука только зарождалась.

Считается, что искусство сокрытия данных активно начало развиваться несколько тысячелетий назад до нашей эры. Первенство приписывают древним шумерам, царю Соломону и египетским жрецам. Только много позже появились те же рунические знаки и символы, им подобные. Но вот что интересно: иногда алгоритм шифрования текстов (а в то время шифровались именно они) был таков, что в той же один символ мог означать не только одну букву, но и целое слово, понятие или даже предложение. Из-за этого расшифровка таких текстов даже при наличии современных криптографических систем, позволяющих восстановить исходный вид любого текста, становится абсолютно невозможной. Если говорить современным языком, это достаточно продвинутые, как принято сейчас выражаться, симметричные алгоритмы шифрования. На них остановимся отдельно.

Современный мир: виды алгоритмов шифрования

Что касается защиты конфиденциальных данных в современно мире, отдельно стоит остановиться еще на тех временах, когда компьютеры были человечеству неизвестны. Не говоря уже о том, сколько бумаги перевели алхимики или те же тамплиеры, пытаясь скрыть истинные тексты об известных им знаниях, стоит вспомнить, что со времени возникновения связи проблема только усугубилась.

И тут, пожалуй, самым знаменитым устройством можно назвать немецкую шифровальную машину времен Второй мировой под названием «Энигма», что в переводе с английского означает «загадка». Опять же, это пример того, как используются симметричные алгоритмы шифрования, суть которых состоит в том, что шифровщик и дешифровальщик знают ключ (алгоритм), изначально примененный для сокрытия данных.

Сегодня такие криптосистемы используются повсеместно. Самым ярким примером можно считать, скажем, алгоритм являющийся международным стандартом. С точки зрения компьютерной терминологии, он позволяет использовать ключ длиной 256 бит. Вообще современные алгоритмы шифрования достаточно разнообразны, а разделить их условно можно на два больших класса: симметричные и асимметричные. Они, в зависимости от области назначения, сегодня применяются очень широко. И выбор алгоритма шифрования напрямую зависит от поставленных задач и метода восстановления информации в исходном виде. Но в чем же состоит разница между ними?

Симметричные и асимметричные алгоритмы шифрования: в чем разница

Теперь посмотрим, какое же кардинальное различие между такими системами, и на каких принципах строится их применение на практике. Как уже понятно, алгоритмы шифрования бывают связаны с геометрическими понятиями симметрии и асимметрии. Что это значит, сейчас и будет выяснено.

Симметричный алгоритм шифрования DES, разработанный еще в 1977 году, подразумевает наличие единого ключа, который, предположительно, известен двум заинтересованным сторонам. Зная такой ключ, нетрудно применить его на практике, чтобы прочитать тот же бессмысленный набор символов, приведя его, так сказать, в читабельный вид.

А что представляют собой асимметричные алгоритмы шифрования? Здесь применяются два ключа, то есть для кодирования исходной информации использует один, для расшифровки содержимого - другой, причем совершенно необязательно, чтобы они совпадали или одновременно находились у кодирующей и декодирующей стороны. Для каждой из них достаточно одного. Таким образом, в очень высокой степени исключается попадание обоих ключей в третьи руки. Однако, исходя из современной ситуации, для многих злоумышленников кражи такого типа особо проблемой и не являются. Другое дело - поиск именно того ключа (грубо говоря, пароля), который подойдет для расшифровки данных. А тут вариантов может быть столько, что даже самый современный компьютер будет обрабатывать их в течение нескольких десятков лет. Как было заявлено, ни одна из имеющихся в мире компьютерных систем взломать доступ к нему и получить то, что называется «прослушкой», не может и не сможет в течение ближайших десятилетий.

Наиболее известные и часто применяемые алгоритмы шифрования

Но вернемся в мир компьютерный. Что на сегодня предлагают основные алгоритмы шифрования, предназначенные для защиты информации на современном этапе развития компьютерной и мобильной техники?

В большинстве стран стандартом де-факто является криптографическая система AES на основе 128-битного ключа. Однако параллельно с ней иногда используется и алгоритм который хоть и относится к шифрованию с использованием открытого (публичного) ключа, тем не менее является одним из самых надежных. Это, кстати, доказано всеми ведущими специалистами, поскольку сама система определяется не только степенью шифрования данных, но и сохранением целостности информации. Что касается ранних разработок, к коим относится алгоритм шифрования DES, то он безнадежно устарел, а попытки его замены начали проводиться еще в 1997 году. Вот тогда-то на его основе и возник новый расширенный (Advanced) стандарт шифрования AES (сначала с ключом 128 бит, потом - с ключом 256 бит).

Шифрование RSA

Теперь остановимся на технологии RSA которая относится к системе асимметричного шифрования. Предположим, один абонент отправляет другому информацию, зашифрованную при помощи этого алгоритма.

Для шифрования берутся два достаточно больших числа X и Y, после чего вычисляется их произведение Z, называемое модулем. Далее выбирается некое постороннее число A, удовлетворяющее условию: 1< A < (X - 1) * (Y - 1). Оно обязательно должно быть простым, то есть не иметь общих делителей с произведением (X - 1) * (Y - 1), равным Z. Затем происходит вычисление числа B, но только так, что (A * B - 1) делится на (X - 1) * (Y - 1). В данном примере A - открытый показатель, B - секретный показатель, (Z; A) - открытый ключ, (Z; B) - секретный ключ.

Что происходит при пересылке? Отправитель создает зашифрованный текст, обозначенный как F, с начальным сообщением M, после чего следует A и умножение на модуль Z: F = M**A*(mod Z). Получателю остается вычислить несложный пример: M = F**B*(mod Z). Грубо говоря, все эти действия сводятся исключительно к возведению в степень. По тому же принципу работает и вариант с создание цифровой подписи, но уравнения тут несколько сложнее. Чтобы не забивать пользователю голову алгеброй, такой материал приводиться не будет.

Что же касается взлома, то алгоритм шифрования RSA ставит перед злоумышленником практически нерешаемую задачу: вычислить ключ B. Это теоретически можно было бы сделать с применением доступных средств факторинга (разложением на сомножители исходных чисел X и Y), однако на сегодняшний день таких средств нет, поэтому сама задача становится не то что трудной - она вообще невыполнима.

Шифрование DES

Перед нами еще один, в прошлом достаточно эффективный алгоритм шифрования с максимальной длиной блока 64 бита (символа), из которой значащими являются только 56. Как уже было сказано выше, эта методика уже устарела, хотя достаточно долго продержалась в качестве стандарта криптосистем, применяемых в США даже для оборонной промышленности.

Суть его симметричного шифрования заключается в том, что для этого применяется некая последовательность из 48 бит. При этом для операций используется 16 циклов из выборки ключей в 48 бит. Но! Все циклы по принципу действия аналогичны, поэтому на данный момент вычислить искомый ключ труда не составляет. К примеру, один из самых мощных компьютеров в США стоимостью более миллиона долларов «ломает» шифрование в течение примерно трех с половиной часов. Для машин рангом ниже на то, чтобы вычислить даже последовательность в максимальном ее проявлении, требуется не более 20 часов.

Шифрование AES

Наконец, перед нами самая распространенная и, как считалось до недавнего времени, неуязвимая система - алгоритм шифрования AES. Он сегодня представлен в трех модификациях - AES128, AES192 и AES256. Первый вариант применяется больше для обеспечения информационной безопасности мобильных устройств, второй задействован на более высоком уровне. Как стандарт, эта система была официально внедрена в 2002 году, причем сразу же ее поддержка была заявлена со стороны корпорации Intel, производящей процессорные чипы.

Суть ее, в отличие от любой другой симметричной системы шифрования, сводится к вычислениям на основе полиноминального представления кодов и операций вычисления с двумерными массивами. Как утверждает правительство Соединенных Штатов, для взлома ключа длиной 128 бит дешифратору, пусть даже самому современному, потребуется порядка 149 триллионов лет. Позволим себе не согласиться с таким компетентным источником. Компьютерная техника за последние сто лет сделала скачок, соизмеримый с так что особо обольщаться не стоит, тем более что сегодня, как оказалось, существуют системы шифрования и покруче, чем те, которые США объявили совершенно стойкими ко взлому.

Проблемы с вирусами и дешифровкой

Конечно же, речь идет о вирусах. В последнее время появились довольно специфичные вирусы-вымогатели, которые шифруют все содержимое жесткого диска и логических разделов на зараженном компьютере, после чего жертва получает письмо с уведомлением о том, что все файлы зашифрованы, а расшифровать их может только указанный источник после оплаты кругленькой суммы.

При этом, что самое важное, указывается, что при шифровании данных была применена система AES1024, то есть длина ключа в четыре раза больше ныне существующей AES256, а количество вариантов при поиске соответствующего дешифратора возрастает просто неимоверно.

А если исходить из заявления правительства США о сроке, отводимом для дешифрования ключа длиной 128 бит, то что можно сказать о времени, которое потребуется на поиск решения для случая с ключом и его вариантами длиной 1024 бита? Вот тут-то США и прокололись. Они ведь считали, что их система компьютерной криптографии совершенна. Увы, нашлись какие-то спецы (судя по всему, на постсоветском пространстве), которые превзошли «незыблемые» американские постулаты по всем параметрам.

При всем этом даже ведущие разработчики антивирусного ПО, в том числе «Лаборатория Касперского», специалисты, создавшие «Доктора Веба», корпорация ESET и многие другие мировые лидеры просто разводят руками, дескать, на расшифровку такого алгоритма попросту нет средств, умалчивая при этом о том, что и времени не хватит. Конечно, при обращении в службу поддержки предлагается отправить зашифрованный файл и, если есть, желательно его оригинал - в том виде, в каком он был до начала шифрования. Увы, даже сравнительный анализ пока не дал ощутимых результатов.

Мир, которого мы не знаем

Да что там говорить, если мы гонимся за будущим, не имея возможности расшифровать прошлое. Если посмотреть на мир нашего тысячелетия, можно заметить, что тот же римский император Гай Юлий Цезарь в некоторых своих посланиях использовал симметричные алгоритмы шифрования. Ну а если взглянуть на Леонардо да Винчи, так вообще становится как-то не по себе от одного осознания того, что в области криптографии этот человек, чья жизнь покрыта неким флером тайны, на века превзошел свою современность.

До сих пор многим не дает покоя так называемая «улыбка Джоконды», в которой есть что-то такое притягательное, чего современный человек понять не способен. Кстати сказать, на картине относительно недавно были найдены некие символы (в глазу, на платье и т. д.), которые явно свидетельствуют о том, что во всем этом содержится какая-то зашифрованная великим гением информация, которую сегодня, увы, извлечь мы не в состоянии. А ведь мы даже не упомянули о разного рода масштабных конструкциях, которые способны были перевернуть понимание физики того времени.

Конечно, некоторые умы склоняются исключительно к тому, что в большинстве случаев было использовано так называемое «золотое сечение», однако и оно не дает ключа ко всему тому огромному хранилищу знаний, которое, как считается, либо нам непонятно, либо потеряно навеки. По всей видимости, криптографам предстоит проделать еще неимоверную кучу работы, чтобы понять, что современные алгоритмы шифрования порой не идут ни в какое сравнение с наработками древних цивилизаций. К тому же, если сегодня существуют общепринятые принципы защиты информации, то те, которые использовались в древности, к сожалению, нам совершенно недоступны и непонятны.

И еще одно. Существует негласное мнение, что большинство древних текстов невозможно перевести только потому, что ключи к их дешифровке тщательно охраняются тайными обществами вроде масонов, иллюминатов и т. д. Даже тамплиеры оставили тут свой след. Что уж говорить о том, что до сих пор абсолютно недоступной остается библиотека Ватикана? Не там ли хранятся основные ключи к пониманию древности? Многие специалисты склоняются именно к этой версии, считая, что Ватикан намеренно утаивает эту информацию от общества. Так это или нет, пока не знает никто. Но одно можно утверждать совершенно точно - древние системы криптографии ни в чем не уступали (а может, и превосходили) тем, что используются в современном компьютерном мире.

Вместо послесловия

Напоследок стоит сказать, что здесь были рассмотрены далеко не все аспекты, связанные с нынешними криптографическими системами и методиками, которые они используют. Дело в том, что в большинстве случаев пришлось бы приводить сложные математические формулы и представлять вычисления, от которых у большинства пользователей просто голова кругом пойдет. Достаточно взглянуть на пример с описанием алгоритма RSA, чтобы сообразить, что все остальное будет выглядеть намного сложнее.

Тут главное - понять и вникнуть, так сказать, в суть вопроса. Ну а если говорить о том, что представляют собой современные системы, предлагающие хранить конфиденциальную информацию таким образом, чтобы она была доступна ограниченному кругу пользователей, здесь выбор невелик. Несмотря на наличие множества криптографических систем, те же алгоритмы RSA и DES явно проигрывают специфике AES. Впрочем, и большинство современных приложений, разработанных для совершенно разнящихся между собой операционных систем, используют именно AES (естественно, в зависимости от области применения и устройства). Но вот «несанкционированная» эволюция этой криптосистемы, мягко говоря, многих, особенно ее создателей, повергла в шок. Но в целом, исходя из того, что имеется на сегодняшний день, многим пользователям нетрудно будет понять, что такое криптографические системы шифрования данных, зачем они нужны и как работают.

Под симметричными криптосистемами понимаются такие системы, в которых для шифрования и расшифровки сообщений используется один и тот же ключ (рис. 9.1).

Все многообразие симметричных систем основывается на следующих базовых классах:

Моно- и многоалфавитные подстановки;

Перестановки;

Блочные шифры;

Гаммирование.

Подстановки

В прямых подстановках каждый знак исходного текста заменяется одним или несколькими знаками. Одним из важных подклассов прямых подстановок являются моноалфавитные подстановки , в которых устанавливается взаимнооднозначное соответствие между знаком e i исходного алфавита и соответствующим знаком с j зашифрованного текста. Все методы моноалфавитной подстановки можно представить как числовые преобразования букв исходного текста, рассматриваемых как числа, по следующей формуле:

c ≡ (a*e +s) mod K , (5.1)

где a – десятичный коэффициент; s – коэффициент сдвига; e – код буквы исходного текста; c – код зашифрованной буквы; K – длина алфавита; mod – операция вычисления остатка от деления выражения в скобках на модуль К.

Пример. Шифр Цезаря

Рассмотрим шифрование на алфавите, состоящим и 26 латинских букв и знака пробела (пробел будем изображать знаком #). Знаку # присвоим код 0, букве A – код 1, B – код 2,… букве Z – код 26.

Возьмем следующие параметры: a = 1 s = 2 K = 27

Формула для шифрования примет вид

c ≡ (e + 2) mod 27 (5.2)

Входной алфавит:

# A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

Выходной алфавит

B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z # A

(Буквы сдвигаются на две позиции: A-C B-D и т.д.)

Тогда исходное сообщение в зашифрованном виде будет выглядеть так:

Для расшифровки (для случая, когда a=1) используется следующая формула

e ≡ (K+ c - s) mod K (5.3)

Простая многоалфавитная подстановка последовательно и циклически меняет используемые алфавиты (в предыдущем случае для шифрования использовался один алфавит). При m-алфавитной подстановке знак a 1 из исходного сообщения заменяется знаком из алфавита B 1 , знак a 2 - знаком из алфавита B 2 , … знак a m - знаком из алфавита B m , знак a m +1 - знаком из алфавита B 1 и т.д. Эффект использования многоалфавитной подстановки состоит в том, что обеспечивается маскировка частотной статистики исходного языка, так как конкретный знак из алфавита А преобразуется в несколько различных знаков шифровального алфавита В.

Пример

Исходное сообщение: WE#NEED#SNOW

Ключ: SECURITYSECU

В качестве ключа выбрано слово SECURITY. Слово записывается под исходным сообщением, когда буквы ключа исчерпываются, начинаем повторять слово, пока не закончатся буквы исходного сообщения. Каждая буква ключа (точнее ее код) будет задавать сдвижку в исходном алфавите для получения зашифрованного символа. В качестве алфавита используем латинские буквы и знак # вместо пробела.

Исходный ключ Шифр

(W + S) mod 27 = (23 + 19) mod 27 = 15→O

(E + E) mod 27 = (5 + 5) mod 27 = 10 → J

(# + C) mod 27 = (0 + 3) mod 27 = 3 → C

Задание

Предлагаем в качестве упражнения составить шифровку до конца.

Перестановки

Знаки исходного текста можно переставлять в соответствии с определенным правилом.

Пример 1. Линейная перестановка

Пусть необходимо зашифровать следующий текст:

ГРУЗИТЕ#АПЕЛЬСИНЫ#БОЧКАХ

Разобьем текст на группы длиной, например по 4 символа:

ГРУЗ ИТЕ# АПЕЛ ЬСИН Ы#БО ЧКАХ

Зададим следующее правило перестановки: “переставить группировки из четырех букв, находящихся в порядке 1-2-3-4 в порядок 3-1-4-2”.

Получим следующий зашифрованный текст:

УГРЗ ЕИ#Т ЕАЛП ИЬНС БЫО# АЧХК

Замечание

Если длина сообщения не кратна длине группы, то последнюю группу дополняем символами (например, пробелами) до нужной длины.

Запись исходного текста и последующее считывание шифротекста можно производить по разным путям некоторой геометрической фигуры, например, квадрата или прямоугольника.

Пример 2 . Решетка Кардано

Решетка Кардано – это прямоугольная карточка с отверстиями, чаще квадратная, которая при наложении на лист бумаги оставляет открытыми лишь некоторые его части. Число строк и столбцов четно. Карточка сделана так, что при ее последовательном повороте каждая клетка лежащего под ним листа будет занятой. Если решетка квадратная, то можно последовательно поворачивать ее вокруг центра квадрата на 90°.

Шифровка:

ВАВОЧС МУНОТИ МЫЖРОЕ ЬУХСОЙ МДОСТО ЯАСНТВ

Расшифровать сообщение, вращая решетку по часовой стрелке на 90°. Сообщение впишите в квадрат по строкам.

Методы подстановок и перестановок по отдельности не обеспечивают необходимую криптостойкость. Поэтому их используют совместно, а также также аддитивным методом. При шифровании аддитивным методом в начале исходный текст шифруют методом подстановки, преобразуя каждую букву в число, а затем к каждому числу добавляют секретную гамму (см. далее) – псевдослучайную числовую последовательность.

Блочные шифры

Блочные шифры представляют собой семейство обратимых преобразований блоков (частей фиксированной длины) исходного текста.

Под N-разрядным блоком будем понимать последовательность из нулей и единиц длины N:

x = (x 0 , x 1 , …x N -1) . (5.5)

x в Z 2, N можно интерпретировать как вектор и как двоичное представление целого числа

(5.6)

Под блочным шифром будем понимать элемент

Где x = (x 0 , x 1 , …x N -1), y = (y 0 , y 1 , …y N -1)

Хотя блочные шифры являются частным случаем подстановок, их следует рассматривать особо, поскольку, во-первых, большинство симметричных шифров, используемых в системах передачи данных, являются блочными, и, во-вторых, блочные шифры удобнее описывать в алгоритмическом виде, а не как обычные подстановки.

Потоковые шифры

Потоковые шифры представляют собой разновидность гаммирования и преобразуют открытый текст в шифрованный последовательно по одному биту. Генератор ключевой последовательности, иногда называемой генератором бегущего ключа, выдает последовательность бит k 1 , k 2 , … k N . Эта ключевая последовательность складывается по модулю 2 (“исключающее или”) с последовательностью бит исходного текста e 1 , e 2 , …, e N:

На приемной стороне шифрованный текст складывается по модулю 2 с идентичной ключевой последовательностью для получения исходного текста:

Стойкость системы целиком зависит от внутренней структуры генератора ключевой последовательности. Если генератор выдает последовательность с небольшим периодом, то стойкость системы невелика. Напротив, если генератор будет выдавать бесконечную последовательность истинно случайных бит, то получим одноразовый блокнот с идеальной стойкостью.

Потоковые шифры наиболее пригодны для шифрования непрерывных потоков данных, например, в сетях передачи данных.

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, гдеи для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (риc. 2.1). Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровании автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель – единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей.

Рис. 2.1

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология, являются, например, сети банкоматов. Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются.

Из симметричных алгоритмов шифрования широкое использование получил алгоритм шифрования DES (изобретенный фирмой IBM), который рекомендован в открытых секторах экономики США. Этот алгоритм был изначально обречен на лимитированную продолжительность жизни вследствие ограничения длинны ключа до 56 битов.

В начале 1997 г. алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит, был брошен вызов. 17 июня 1997 г., через 140 дней ключ был расшифрован. Это означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начале 1998 г., следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES стал полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит.

Положение усугубляется тем, что по законодательству США к экспорту в качестве программных продуктов разрешены системы шифрования с ключом не более 128 бит. То есть, покупая шифросистему с ключом 1024 или 2048 и более бит, надо знать, что при смене ключа активной (изменяющейся) частью будет часть ключа в 128 бит. Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпроментирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится в том случае, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема состоит в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим. Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный и открытый ключи).

Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете.

Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя , а расшифровать его может только владелец секретного ключа (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных. Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями. Это похоже на коробку с двумя дверцами с разных сторон. Каждая такая дверца имеет свой замок. В коробку кладут документ, запирают, отпирают с другой стороны ключом получателя. При этом используется теория простых чисел. Такой алгоритм криптографической защиты получил название RSA.

Все асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования. RSA превратился в промышленный стандарт алгоритма с асимметричными ключами, используемый в бизнесе для цифровой подписи и шифрования.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования заключаются в сложности замены скомпрометированного ключа, а недостатки асимметричной системы – в относительно низкой скорости работы. По криптостойкости длине ключа в 128 бит симметричной системы соответствует ключ в 2304 бита асимметричной.

В настоящее время распространение получили системы шифрования, использующие комбинированный алгоритм, позволяющий при высокой скорости шифрования, присущей AES использовать открытую пересылку ключей шифрования (как в RSA).

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения. Сообщение шифруется с использованием этого временного симметричного сеансового ключа. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. Поскольку сеансовый ключ гораздо короче самого сообщения время его шифрования будет сравнительно небольшим. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Получатель использует тот же самый асимметричный алгоритм шифрования и свой секретный ключ для расшифровки сеансового ключа, а полученный сеансовый ключ используется для расшифровки самого сообщения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Криптографические системы с открытым ключом в настоящее время широко применяются в различных сетевых протоколах, в частности, в протоколах TLS и его предшественнике SSL (лежащих в основе HTTPS), в SSH. Также используется в PGP, S/MIME.

Защити свой компьютер на 100% от вирусов и хакеров Бойцев Олег Михайлович

Симметричное шифрование

Симметричное шифрование

Как было уже сказано выше, при симметричном шифровании для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ. Понятно, что ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Говоря простым языком, в данном случае под ключом подразумевается пароль, который, разумеется, должен держаться в тайне.

Популярными алгоритмами симметричного шифрования являются:

DES (значительно устарел) и TripleDES (3DES);

AES (Rijndael);

ГОСТ 28147-89;

Основными параметрами алгоритмов симметричного шифрования можно считать:

Стойкость;

Длину ключа;

Количество раундов;

Длину обрабатываемого блока;

Сложность аппаратной/программной реализации.

Итак, начнем.

Data Encryption Standard (DES). Алгоритм Data Encryption Standard (DES) был разработан компанией IBM в начале 1970-х гг. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) принял на вооружение алгоритм (публикация FIPS 46) для DES в 1977 году. Дальнейшей модификации алгоритм подвергался в 1983, 1988, 1993 и 1999 годах.

До недавнего времени DES был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Однако несмотря на то что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 году.

DES использует ключ длиной 56 бит. По сегодняшним меркам, такая длина ключа неприемлема. DES является блочным алгоритмом шифрования, обрабатывающим единовременно один 64-битный блок открытого текста. В алгоритме DES выполняются 16 циклов шифрования с различным подключом в каждом из циклов. Ключ подвергается действию своего собственного алгоритма для образования 16 подключей (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема работы DES

Рассмотрим работу алгоритма подробнее. Входной блок данных, состоящий из 64 бит, преобразуется в выходной блок идентичной длины. Ключ шифрования должен быть известен как отправляющей, так и принимающей сторонам. В алгоритме широко используются перестановки битов текста.

Вводится функция F, которая работает с 32-разрядными словами исходного текста ® и использует в качестве параметра 48-разрядный ключ (J). Схема работы функции F показана на рис. 2.1. Сначала 32 входных разряда расширяются до 48, при этом некоторые разряды повторяются.

Для полученного 48-разрядного кода и ключа выполняется операция сложения по модулю 2. Результирующий 48-разрядный код преобразуется в 32-разрядный с помощью S-матриц.

Исходный 48-разрядный код делится на восемь групп по шесть разрядов. Первый и последний разряды в группе используются в качестве адреса строки, а средние четыре разряда – в качестве адреса столбца. В результате каждые шесть бит кода преобразуются в четыре бита, а весь 48-разрядный код – в 32-разрядный (для этого нужно восемь S-матриц). Существуют разработки, позволяющие выполнять шифрование в рамках стандарта DES аппаратным образом, что обеспечивает довольно высокое быстродействие.

Чтобы все-таки разобраться во всех тонкостях алгоритма DES, будет вполне уместно привести описание так называемой сети Фейштеля (иногда называют сетью Файстеля), которая и стоит в основе DES.

В 1973 году Хорст Фейштель (Horst Feistel) в журнале Scientific American опубликовал статью "Cryptography and Computer Privacy", в которой раскрыл некоторые важные аспекты шифрования, а также ввел конструкцию, названную впоследствии сетью Фейштеля. Эта схема была использована в проекте Lucifer фирмы IBM, над которым работали Фейштель и Дон Копперсмит (Don Coppersmith). Данный проект был скорее экспериментальным, но стал базисом для Data Encryption Standard (DES). Итеративная структура алгоритма позволяла упростить его реализацию в аппаратных средах.

Уместно заметить, что следующие блочные шифры как раз таки используют классическую или модифицированную сеть Фейштеля в своей основе: Blowfish, Camellia, CAST, DES, FEAL, ГОСТ 28147-89, KASUMI, LOKI97, Lucifer, MacGuffin, MARS, MAGENTA, MISTY1, RC2, RC5, RC6, Skipjack, TEA, Triple DES, Twofish, XTEA.

TripleDES (3DES). Очевидная нестойкость DES стала причиной поисков некой альтернативы. В 1992 году исследования показали, что DES можно использовать трижды для обеспечения более мощного шифрования. Так появился тройной DES (3DES). Тройной DES используется либо с двумя, либо с тремя ключами. Используемый при этом ключ обеспечивает большую мощность в сравнении с обычным DES.

Advanced Encrypt Standard (AES). Вскоре после выхода DES обнаружилась очевидная слабость алгоритма. Необходимость в принятии нового стандарта была более чем явной: небольшая длина ключа DES (56 бит) позволяла применить метод грубой силы против этого алгоритма. Кроме того, архитектура DES была ориентирована на аппаратную реализацию, и программная реализация алгоритма на платформах с ограниченными ресурсами не давала необходимого быстродействия. Модификация TDES обладала достаточной длиной ключа, но при этом была еще медленнее. TDES не просуществовал столь долго, чтобы можно было говорить о том, что алгоритм стоек и надежен. Ему на смену, как и следовало ожидать, пришел более стойкий и надежный алгоритм – AES, который, между прочим, был выбран в результате конкурса и принят в качестве американского стандарта шифрования правительством США. Немного о самом конкурсе.

2 января 1997 года NIST (Национальный Институт Стандартов и Технологий) объявляет о намерении найти замену DES, являвшемуся американским стандартом с 1977 года. NIST принял достаточное количество предложений от заинтересованных сторон о том, каким образом следует выбирать алгоритм. Активный отклик со стороны открытого криптографического сообщества привел к объявлению конкурса 12 сентября 1997 года. Алгоритм могла предложить практически любая организация или группа исследователей. Минимальные требования к новому стандарту были следующими:

Это должен быть блочный шифр;

Длина блока должна составлять 128 бит;

Алгоритм должен работать с ключами длиной 128, 192 и 256 бит;

Использовать операции, легко реализуемые как аппаратно (в микрочипах), так и программно (на персональных компьютерах и серверах);

Ориентироваться на 32-разрядные процессоры;

Не усложнять без необходимости структуру шифра, чтобы все заинтересованные стороны были в состоянии самостоятельно провести независимый криптоанализ алгоритма и убедиться, что в нем не заложено каких-либо недокументированных возможностей.

Кроме всего вышеперечисленного, алгоритм, который претендует на то, чтобы стать стандартом, должен распространяться по всему миру без платы за пользование патентом.

20 августа 1998 года на первой конференции AES был объявлен список из 15 кандидатов, а именно: CAST-256, CRYPTON, DEAL, DFC, E2, FROG, HPC, LOKI97, MAGENTA, MARS, RC6, Rijndael, SAFER+, Serpent и Twofish.

Понятное дело, что в последующих обсуждениях эти алгоритмы подвергались самому тщательному анализу, причем исследовались не только криптографические свойства, такие как стойкость к известным атакам и отсутствие слабых ключей, но и практические аспекты реализации. Так, особое внимание при выборе алгоритма было направлено на оптимизацию скорости выполнения кода на различных архитектурах (от ПК до смарт-карт и аппаратных реализаций), возможность оптимизации размера кода, возможность распараллеливания.

В марте 1999 года прошла вторая конференция AES, а в августе 1999 года были объявлены пять финалистов, среди которых оказались: MARS, RC6, Rijndael, Serpent и Twofish. Все они были разработаны авторитетными криптографами, имеющими мировое признание. На 3-й конференции AES в апреле 2000 года все авторы представили свои алгоритмы.

В Нью-Йорке 13 и 14 апреля 2000 года, незадолго до завершения второго этапа, прошла третья конференция AES. Двухдневная конференция была разделена на восемь сессий по четыре в день. На сессиях первого дня обсуждались вопросы, связанные с программируемыми матрицами (FGPA), проводилась оценка реализации алгоритмов на различных платформах, в том числе PA-RISC, IA-64, Alpha, высокоуровневых смарт-картах и сигнальных процессорах, сравнивалась производительность претендентов на стандарт, анализировалось количество раундов в алгоритмах-кандидатах. На второй день был проанализирован Rijndael с сокращенным количеством раундов и показана его слабость в этом случае, обсуждался вопрос об интегрировании в окончательный стандарт всех пяти алгоритмов-претендентов, еще раз тестировались все алгоритмы. В конце второго дня была проведена презентация, на которой претенденты рассказывали о своих алгоритмах, их достоинствах и недостатках. О Rijndael как о лидере рассказал Винсент Риджмен (Vincent Rijmen), заявивший о надежности защиты, высокой общей производительности и простоте архитектуры своего кандидата.

2 октября 2000 года было объявлено, что победителем конкурса стал алгоритм Rijndael, и началась процедура стандартизации. 28 февраля 2001 года был опубликован проект, а 26 ноября 2001 года AES был принят как FIPS 197.

Строго говоря, AES и Rijndael не одно и то же, так как Rijndael поддерживает широкий диапазон длин ключей и блоков.

Особо следует подчеркнуть тот факт, что алгоритм Rijndael не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, в основе которых лежит сеть Фейштеля. Напомним нашим читателям, что особенность сети Фейштеля 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.

В отличие от ГОСТ 28147, который будет рассмотрен ниже, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4 х 4, 4 х 6 или 4 х 8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael предусматривает выполнение четырех последовательных преобразований.

1. BS (ByteSub) – табличная замена каждого байта массива (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Табличная замена каждого байта массива

2. SR (ShiftRow) – сдвиг строк массива. При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное количество байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4 х 4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются на 1, 2 и 3 байта соответственно (рис. 2.3).

3. Следующим идет MC (MixColumn) – операция над независимыми столбцами массива, когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу C(X) (рис. 2.4).

4. Заключительный этап – 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. 2.5).

Рис. 2.3. Сдвиг строк массива

Рис. 2.4. Операция MixColumn

Рис. 2.5. Операция добавления ключа

Вышеперечисленные преобразования шифруемых данных поочередно выполняются в каждом раунде (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Последовательность раундов Rijndael

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

Почему же Rijndael стал новым стандартом шифрования, опередившим другие алгоритмы? Прежде всего, он обеспечивает высокую скорость шифрования, причем на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Алгоритм отличается удачным механизмом 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.

При всех преимуществах и оригинальности алгоритма AES можно было бы считать абсолютом надежности и стойкости, но, как оно всегда и бывает, совершенных продуктов нет.

26 мая 2006 года на конференции Quo Vadis IV Николя Тадеуш Куртуа (польский криптограф, проживающий во Франции) представил практическое доказательство существования алгебраических атак, оптимизированных против шифра AES-Rijndael. За полтора часа на своем ноутбуке он осуществил демо-взлом всего лишь по нескольким шифртекстам близкого аналога Rijndael. Хотя это был только модельный шифр, он являлся таким же стойким, в него не было добавлено существенных слабостей, он имел такие же хорошие диффузионные характеристики и устойчивость ко всем известным до этого видам криптоанализа. Единственным отличием были лишь измененные в рамках модели алгебраических атак параметры S-блоков и уменьшенное для наглядности количество раундов. Однако этого было достаточно, чтобы убедить скептиков в реальности алгебраических атак и несовершенстве даже такого, казалось бы, совершенного метода шифрования.

ГОСТ 28147. Следующим алгоритмом симметричного шифрования, который мы рассмотрим, станет ГОСТ 28147-89. Это советский и российский стандарт симметричного шифрования, введенный 1 июля 1990 года. Стандарт обязателен для организаций, предприятий и учреждений, применяющих криптографическую защиту данных, хранимых и передаваемых в сетях ЭВМ, в отдельных вычислительных комплексах или ЭВМ.

Алгоритм был разработан в бывшем Главном Управлении КГБ СССР или в одном из секретных НИИ в его системе. Первоначально имел гриф (ОВ или СС – точно неизвестно), затем гриф последовательно снижался и к моменту официального проведения алгоритма через Госстандарт СССР в 1989 году был снят. Алгоритм остался ДСП (как известно, ДСП не считается грифом). В 1989 году стал официальным стандартом СССР, а позже, после распада СССР, федеральным стандартом Российской Федерации.

С момента опубликования ГОСТа на нем стоял ограничительный гриф "Для служебного пользования", и формально шифр был объявлен "полностью открытым" только в мае 1994 года. По известным причинам, история создания шифра и критерии его проектирования до сих пор неизвестны.

ГОСТ 28147-89 представляет собой блочный шифр с 256-битным ключом и 32 циклами преобразования, оперирующий 64-битными блоками. Основа алгоритма – уже известная нам сеть Фейштеля. Основным режимом шифрования по ГОСТ 28147-89 является режим простой замены (определены также более сложные режимы гаммирования и гаммирования с обратной связью). Рассмотрим механизм работы алгоритма подробнее.

При работе ГОСТ 28147-89 информация шифруется блоками по 64 бита (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бита (N1 и N2). После завершения обработки субблока N1 его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, то есть применяется логическая операция XOR – исключающее ИЛИ), а затем субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное количество раз (раундов): 16 или 32 в зависимости от режима работы алгоритма. В каждом раунде выполняются две операции (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Преобразование выполняется определенное количество раз

Первая операция подразумевает наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-битной частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-битных 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 осуществляет табличную замену. После наложения ключа субблок N1 разбивается на восемь частей по четыре бита, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. После этого выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, может работать в четырех режимах:

Простой замены;

Гаммирования;

Гаммирования с обратной связью;

Генерации имитоприставок.

В генерации имитоприставок 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 зашифровки каждого 64-битного блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. Каждый из блоков шифруется независимо от другого, то есть результат шифрования 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 бита. Гамма шифра – это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N1 и N2 .

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

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

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (2 32 – 1) с константой C1, равной 2 24 + 2 16 + 2 8 + 2 4 , а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 2 32 с константой C2, равной 2 24 + 2 16 + 2 8 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

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

Если необходим следующий блок гаммы (то есть нужно продолжить зашифровку или расшифровку), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифровки гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR.

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

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка несекретна, однако есть системы, где синхропосылка является таким же секретным элементом, 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 второго блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифровки предыдущего блока открытого текста. Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

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-битный 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-битное 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^.Чаще всего используется 32-битная имитоприставка, то есть 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 зашифровке какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифровки вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают, значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровке использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифровки ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается достаточно сильным – в настоящее время для его раскрытия не существует более эффективных методов, чем упомянутый выше Brute Force. Высокая стойкость алгоритма достигается в первую очередь за счет большой длины ключа, равной 256 бит. К тому же при использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость ГОСТ 28147-89 уже при 32 раундах можно считать более чем достаточной, и это притом, что полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после восьми раундов.

На сегодняшний день алгоритм ГОСТ 28147-89 полностью удовлетворяет всем требованиям криптографии и обладает теми же достоинствами, что и другие алгоритмы, но лишен их недостатков. К очевидным достоинствам этого алгоритма можно отнести:

Эффективность реализации и, соответственно, высокое быстродействие на современных компьютерах;

Бесперспективность силовой атаки (XSL-атаки в учет не берутся, так как их эффективность на данный момент полностью не доказана).

Однако же, как оно всегда и бывает, алгоритм не лишен недостатков: тривиально доказывается, что у ГОСТа существуют "слабые" ключи и S-блоки, но в стандарте не описываются критерии выбора и отсева "слабых". Кроме того, стандарт не специфицирует алгоритм генерации S-блоков (таблицы замен). С одной стороны, это может являться дополнительной секретной информацией (помимо ключа), а с другой – поднимает ряд проблем: нельзя определить криптостойкость алгоритма, не зная заранее таблицы замен; реализации алгоритма от различных производителей могут использовать разные таблицы замен и могут быть несовместимы между собой.

Кратко рассмотрим некоторые другие алгоритмы симметричного шифрования.

Blowfish. Blowfish представляет собой 64-битный блочный шифр, разработанный Шнайером (Schneier) в 1993 году. Этот шифр, как и многие другие, основан на алгоритме сети Фейштеля. Отдельный раунд шифрования данного алгоритма состоит из зависимой от ключа перестановки и зависимой от ключа с данными замены. Все операции основаны на операциях XOR и прибавлениях к 32-битным словам (XORs and additions on 32-bit words). Ключ имеет переменную длину (максимальная длина 448 бит) и используется для генерации нескольких подключевых массивов (subkey arrays). Шифр был создан специально для 32-битных машин и существенно быстрее ранее рассмотренного нами алгоритма DES.

IDEA (International Data Encryption Algorithm) был разработан К. Лейем (Lai) и Д. Месси (Massey) в конце 1980-х годов. Это шифр, состоящий из 64-битных повторяющихся блоков со 128-битным ключом и восемью раундами. Следует отметить, что, в отличие от ранее нами рассмотренных алгоритмов шифрования, IDEA не основан на сети Фейштеля, хотя процесс дешифрования аналогичен процессу шифрования. IDEA был сконструирован с учетом его легкого воплощения как программно, так и аппаратно. Ко всему прочему безопасность IDEA основывается на использовании трех несовместимых типов арифметических операций над 16-битными словами.

Один из принципов создания IDEA заключался в том, чтобы максимально затруднить его дифференциальный криптоанализ, что в настоящее время выражается отсутствием алгебраически слабых мест алгоритма. Даже не смотря на то что найденный неким "Daemen" обширный класс (2 51) слабых ключей теоретически может скомпрометировать алгоритм, IDEA остается достаточно надежным алгоритмом, так как существует 2 128 возможных вариантов ключей, что делает его взлом трудно осуществимым.

RC5 представляет собой довольно быстрый блочный шифр, разработанный Ривестом (Ronald Linn Rivest) специально для «RSA Data Security». Этот алгоритм параметричен, то есть его блок, длинна ключа и количество проходов (раундов) переменны.

Размер блока может равняться 32, 64 или 128 бит. Количество проходов может варьироваться от 0 до 2048 бит. Параметричность подобного рода делает RC5 необычайно гибким и эффективным алгоритмом в своем классе.

Исключительная простота RC5 делает его простым в использовании. RC5 с размером блока в 64 бита и 12 или более проходами обеспечивает хорошую стойкость против дифференциального и линейного криптоанализов.

Из книги Защити свой компьютер на 100% от вирусов и хакеров автора Бойцев Олег Михайлович

Асимметричное шифрование В отличие от алгоритмов симметричного шифрования, где используется один и тот же ключ как для расшифровки, так и для зашифровки, алгоритмы асимметричного шифрования используют открытый (для зашифровки) и закрытый, или секретный (для

Из книги Основы AS/400 автора Солтис Фрэнк

Симметричное мультипроцессирование Ранее мы видели, что система симметричного мультипроцессирования (SMP) дает возможность ОС обрабатывать задачи на любом свободном процессоре или на всех процессорах сразу, при этом память остается общей для всех процессоров. Именно

Из книги Windows Script Host для Windows 2000/XP автора Попов Андрей Владимирович

Из книги TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security) автора Фейт Сидни М

3.8.6 Комбинированное шифрование Комбинированное шифрование реализуется следующим образом:? Выбирается случайный симметричный ключ.? По этому ключу шифруются данные.? Случайный ключ шифруется с помощью общедоступного ключа шифрования получателя и включается в

Из книги 500 лучших программ для Windows автора Уваров Сергей Сергеевич

Шифрование данных О том, как важно сохранять целостность информации, многие современные пользователи, незнакомые с защитой данных и сталкивающиеся с их потерей, знают не на словах. Ограничить доступ к данным - еще не значит полностью обезопасить себя от того, что

Из книги Программирование на языке Ruby [Идеология языка, теория и практика применения] автора Фултон Хэл

2.26. Шифрование строк Иногда нежелательно, чтобы строки можно было легко распознать. Например, пароли не следует хранить в открытом виде, какими бы ограничительными ни были права доступа к файлу.В стандартном методе crypt применяется стандартная функция с тем же именем для

Из книги PGP: Кодирование и шифрование информации с открытым ключом. автора Левин Максим

Подписание и шифрование. Для подписания текстового файла вашим секретным ключом и последующей его зашифровки открытым ключом адресата, наберите:pgp –es textfile her_userid [-u your_userid]Обратите внимание, что скобки просто обозначают необязательное поле, не вводите сами скобки.В

Из книги Delphi. Трюки и эффекты автора Чиртик Александр Анатольевич

Глава 12 Шифрование Основы криптографии Шифр простой подстановки Транспозиция Шифр Виженера и его варианты Шифр с автоключом ВзломПо той или иной причине часто бывает необходимо сообщить определенную информацию конкретному кругу людей так, чтобы она

Из книги Windows Vista. Для профессионалов автора Клименко Роман Александрович

7.4. Шифрование В операционной системе Windows Vista также появились новые возможности по шифрованию файлов и папок, а также целых разделов жесткого диска. Поэтому нельзя не упомянуть об этих возможностях в книге, посвященной нововведениям операционной системы Windows Vista.Работа с

Из книги Firebird РУКОВОДСТВО РАЗРАБОТЧИКА БАЗ ДАННЫХ автора Борри Хелен

Шифрование пароля Интерфейс gsec шифрует пароли, используя скромный метод, основанный на алгоритме хэширования DES (Data Encryption Standard, стандарт шифрования данных). По причине восьмисимвольного ограничения идентификация пользователя в Firebird на сегодняшний день не может

Из книги Введение в криптографию автора Циммерманн Филипп

Симметричное шифрование и управление ключами Симметричное шифрование имеет ряд преимуществ. Первое - скорость криптографических операций. Оно особенно полезно для шифрования данных, которые остаются у вас. Однако, симметричное шифрование, применяемое само по себе как

Из книги Linux глазами хакера автора Флёнов Михаил Евгеньевич

5.2. Шифрование Во времена рождения Интернета и первых сетевых протоколов еще не задумывались о безопасности. Этот вопрос стал актуальным только тогда, когда начали происходить реальные взломы. Одним из самых больших упущений было то, что в большинстве протоколов данные

Из книги IT-безопасность: стоит ли рисковать корпорацией? автора Маккарти Линда

5.2.3. Шифрование файлов Некоторые серверы могут использоваться для хранения архивных данных, которые, несмотря на такой статус, должны быть скрыты от стороннего взгляда. Наилучший вариант защиты - шифровать файлы, чтобы никто не смог увидеть их содержимое, и пакет OpenSSL

Из книги Анонимность и безопасность в Интернете. От «чайника» к пользователю автора Колисниченко Денис Николаевич

Использовать шифрование! Современные пакеты программ шифрования легко устанавливаются и поддерживаются и действительно прозрачны для пользователя. К сожалению, многие помнят о старых громоздких пакетах таких программ и не знакомы с их более простыми современными

Из книги автора

10.4. Шифрование в Windows 7 Самые дорогие выпуски Windows 7: Профессиональная (Professional), Корпоративная (Enterprise) и Максимальная (Ultimate) – поддерживают функцию шифрования файлов и каталогов (система EFS). Зашифрованные файлы нельзя просмотреть на другом компьютере – в случае, если,