Курс МСЗИ3 (Лекции по информационной безопасности)

Симметричные криптосистемы

2.3.1. Функции криптосистем
Краткое описание того, для чего все же предназначены криптосистемы.

2.3.2. Алгоритмы создания цепочек
Алгоритмы создания цепочек призваны рандомизировать входной поток криптоалгоритма, а также обеспечивать кратность его размера длине блока криптоалгоритма.

2.3.3. Методы рандомизации сообщений
Для того, чтобы одни и те же данные, передаваемые по сети многократно, шифровались каждый раз по-новому, необходимо внесение в процесс шифрования по специальным схемам какой-либо случайной информации.

2.3.4. Архивация
Архивация (сжатие данных) – есть процесс представления информации в ином виде (перекодирования) с потенциальным уменьшением объема, требуемого для ее хранения. Существует множество классов различных алгоритмов сжатия данных, каждый из которых ориентирован на свою область применения.

2.3.5. Хеширование паролей
Для того, чтобы не заставлять человека запоминать ключ – длинную последовательность цифр, были разработаны методы преобразования строки символов любой длины (так называемого пароля) в блок байт заранее заданного размера (ключ). На алгоритмы, используемые в этих методах, накладываются требования, сравнимые с требованиями на сами криптоалгоритмы.

2.3.6. Транспортное кодирование
В некоторых системах передачи информации требуется, чтобы поток содержал только определенные символы ASCII кодировки. Однако, выходной поток криптоалгоритма имеет очень высокую рандомизацию и в нем встречаются с равной вероятностью все 256 символов. Для преодоления этой проблемы используется транспортное кодирование.

2.3.7. Общая схема симметричной криптосистемы
Схема объединения всех рассмотренных выше методов.

Назад | Содержание | Вперед

Функции криптосистем

Все исследования, которые мы проводили на предыдущих лекциях, касались только криптоалгоритмов, то есть методов преобразования небольшого блока данных (от 4 до 32 байт) в закодированный вид в зависимости от заданного двоичного ключа. Криптоалгоритмы несомненно являются "сердцем" криптографических систем, но, как мы сейчас увидим, их непосредственное применение без каких-либо модификаций для кодирования больших объемов данных на самом деле не очень приемлимо.

Все недостатки непосредственного применения криптоалгоритмов устраняются в криптосистемах. Криптосистема – это завершенная комплексная модель, способная производить двусторонние криптопреобразования над данными произвольного объема и подтверждать время отправки сообщения, обладающая механизмом преобразования паролей и ключей и системой транспортного кодирования. Таким образом, криптосистема выполняет три основные функции:

1. усиление защищенности данных,

2. облегчение работы с криптоалгоритмом со стороны человека

3. обеспечение совместимости потока данных с другим программным обеспечением.

Конкретная программная реализация криптосистемы называется криптопакетом.

Назад | Содержание | Вперед

Алгоритмы создания цепочек

Первая задача, с которой мы столкнемся при шифровании данных криптоалгоритмом – это данные с длиной, неравной длине 1 блока криптоалгоритма. Эта ситуация будет иметь место практически всегда.

Первый вопрос:
– Что можно сделать, если мы хотим зашифровать 24 байта текста, если используется криптоалгоритм с длиной блока 8 байт?
– Последовательно зашифровать три раза по 8 байт и сложить их в выходной файл так, как они лежали в исходном.
– А если данных много и некоторые блоки по 8 байт повторяются, это значит, что в выходном файле эти же блоки будут зашифрованы одинаково - это очень плохо.

Второй вопрос :
– А что если данных не 24, а 21 байт.
Не шифровать последние 5 байт или чем-то заполнять еще 3 байта, – а потом при дешифровании их выкидывать.
– Первый вариант вообще никуда не годится, а второй применяется, но чем заполнять ?

Для решения этих проблем и были введены в криптосистемы алгоритмы создания цепочек (англ. chaining modes). Самый простой метод мы уже в принципе описали. Это метод ECB (Electronic Code Book). Шифруемый файл временно разделяется на блоки, равные блокам алгоритма, каждый из них шифруется независимо, а затем из зашифрованных пакетов данных компонуется в той же последовательности файл, который отныне надежно защищен криптоалгоритмом. Название алгоритм получил из-за того, что в силу своей простоты он широко применялся в простых портативных устройствах для шифрования – электронных шифрокнижках. Схема данного метода приведена на рис.1.

Рис.1.

В том случае, когда длина пересылаемого пакета информации не кратна длине блока криптоалгоритма возможно расширение последнего (неполного) блока байт до требуемой длины либо с помощью генератора псевдослучайных чисел, что не всегда безопасно в отношении криптостойкости, либо с помощью хеш-суммы передаваемого текста. Второй вариант более предпочтителен, так как хеш-сумма обладает лучшими статистическими показателями, а ее априорная известность стороннему лицу равносильна знанию им всего передаваемого текста.

Указанным выше недостатком этой схемы является то, что при повторе в исходном тексте одинаковых символов в течение более, чем 2*N байт (где N – размер блока криптоалгоритма), в выходном файле будут присутствовать одинаковые зашифрованные блоки. Поэтому, для более "мощной" защиты больших пакетов информации с помощью блочных шифров применяются несколько обратимых схем "создания цепочек". Все они почти равнозначны по криптостойкости, каждая имеет некоторые преимущества и недостатки, зависящие от вида исходного текста.

Все схемы создания цепочек основаны на идее зависимости результирующего зашифровываемого блока от предыдущих, либо от позиции его в исходном файле. Это достигается с помощью блока "памяти" – пакета информации длины, равной длине блока алгоритма. Блок памяти (к нему применяют термин IV – англ. Initial Vector) вычисляется по определенному принципу из всех прошедших шифрование блоков, а затем накладывается с помощью какой-либо обратимой функции (обычно XOR) на обрабатываемый текст на одной из стадий шифрования. В процессе раскодирования на приемной стороне операция создания IV повторяется на основе принятого и расшифрованного текста, вследствие чего алгоритмы создания цепочек полностью обратимы.

Два наиболее распространенных алгоритма создания цепочек – CBC и CFB. Их структура приведена на рис.2 и рис.3. Метод CBC получил название от английской аббревиатуры Cipher Block Chaining – объединение в цепочку блоков шифра, а метод CFB – от Cipher FeedBack – обратная связь по шифроблоку.

Рис.2.

Рис.3.

Еще один метод OFB (англ. Output FeedBack – обратная связь по выходу) имеет несколько иную структуру (она изображена на рис.4.) : в нем значение накладываемое на шифруемый блок не зависит от предыдущих блоков, а только от позиции шифруемого блока (в этом смысле он полностью соответствует скремблерам), и из-за этого он не распространяет помехи на последующие блоки. Очевидно, что все алгоритмы создания цепочек однозначно восстановимы. Практические алгоритмы создания и декодирования цепочек будут разработаны на практическом занятии.

Рис.4.

Сравним характеристики методов создания цепочек в виде таблицы.

Назад | Содержание | Вперед

Методы рандомизации сообщений

2.3.3.1. Обзор методик рандомизации сообщений
Две основные методики внесения случайности в процесс шифрования представляют из себя : а) внесение случайных бит в сам шифруемый файл с игнорированием их на дешифрующей стороне, б) шифрование исходного файла случайным ключом.

2.3.3.2. Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей
Генераторы случайных последовательностей играют большую роль в современной криптографии. В том случае, когда генерируемая последовательность основана только на состоянии ЭВМ, она называется псевдослучайной. Действительно случайными являются только некоторые физические процессы и человеческий фактор.

Назад | Содержание | Вперед

Обзор методик рандомизации сообщений

Следующим усовершенствованием, направленным на повышение стойкости всей системы в целом является создание ключей сеанса. Эта операция необходима в тех случаях, когда производится частое шифрование сходных блоков данных одним и тем же ключом. Например, это имеет место при передаче информации или команд в автоматизированных системах управления, в банковских операциях и многих других случаях передачи информации, имеющей определенный заранее известный формат.

В этом случае необходимо введение какой-либо случайной величины в процесс шифрования. Это можно сделать несколькими способами:

1. записью в начало файла данных псевдослучайной последовательности байт заранее оговоренной длины с отбрасыванием ее при дешифровании – этот метод будет работать только при применении алгоритмов создания цепочек с памятью (CBC,CFB,OFB),

2. применением модифицированных алгоритмов создания цепочек, которые при шифровании каждого блока смешивают с ним либо а) фиксированную случайную величину, прикрепленную к началу зашифрованного файла, либо б) значения (значение), вычисляемые с помощью того же шифра и ключа от заранее оговоренной величины,

3. созданием специально для каждого файла совершенно случайного ключа, так называемого ключа сеанса, которым и шифруется весь файл (сам же ключ сеанса шифруется первоначальным ключом, называемым в этом случае мастер-ключом и помещается в начале зашифрованного файла).

Все схемы принципиально не имеют очевидных недостатков, но из-за большей проработанности последнего метода обычно применяется именно он.

Назад | Содержание | Вперед

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей

Самая большая проблема всех методов рандомизации сообщений – это порождение действительно случайной последовательности бит. Дело в том, что генераторы случайных последовательностей, используемые для общих целей, например, в языках программирования, являются на самом деле псевдослучайными генераторами. Дело в том, что в принципе существует конечное, а не бесконечное множество состояний ЭВМ, и, как бы сложно не формировалось в алгоритме число, оно все равно имеет относительно немного бит информационной насыщенности.

Давайте рассмотрим проблему создания случайных и псевдослучайных чисел более детально. Наиболее часто в прикладных задачах результат формируют из счетчика тиков – системных часов. В этом случае данные о текущем часе несут примерно 16 бит информации, значение счетчика тиков – еще 16 бит. Это дает нам 32 бита информации – как вы помните, на сегодняшний день границей стойкой криптографии является значение в 40 бит, при реальных длинах ключей в 128 бит. Естественно, подобного метода крайне недостаточно. Идем дальше, к 32 битам можно добавить еще 16 бит из сверхбыстрого таймера, работающего на частоте 1,2 МГц в компьютерах архитектуры IBM PC AT и этого еще недостаточно. Кроме того, даже если мы сможем набрать длину ключа в 128 бит (что очень сомнительно), она будет нести псевдослучайный характер, поскольку основана на состоянии только лишь данной ЭВМ на момент начала шифрования. Источниками по-настоящему случайных величин могут быть только внешние объекты, например, человек.

Два наиболее часто применяемых метода создания случайных последовательностей с помощью человека основаны на вводе с клавиатуры. В обоих случаях пользователя просят, не задумываясь, понабирать на клавиатуре бессмысленные сочетания букв.

По первому методу над самими введенными значениями производятся действия, повышающие случайность выходного потока. Так, например, обязательно удаляются верхние 3 бита введенного ASCII символа, часто удаляются еще один верхний и еще один нижний биты. Затем, объем полученной последовательности уменьшается еще в три раза наложением первого и второго бита на третий операцией XOR. Это, в принципе, генерирует достаточно случайную последовательность бит.

По второму методу на введенные символы алгоритм не обращает никакого внимания, зато конспектирует интервалы времени, через которые произошли нажатия. Запись моментов производится по отсчетам быстрого системного таймера (частота 1,2 МГц) или внутреннему счетчику процессора, появившемуся в процессорах, начиная с Intel Pentium (частота соответствует частоте процессора). Так как верхние и младшие биты имеют определенную корреляцию между символами (первые из-за физических характеристик человека, вторые из-за особенностей операционной системы), то они отбрасываются (обычно удаляются 0-8 старших бита и 4-10 младших).