63796 (Устройство аппаратного шифрования данных с интерфейсом USB)

ВВЕДЕНИЕ

Информация - это одна из самых ценных вещей в современной жизни. Появление глобальных компьютерных сетей сделало простым получение доступа к информации. Легкость и скорость доступа к данным с помощью компьютерных сетей, таких как Интернет, сделали значительными следующие угрозы безопасности данных:

− неавторизованный доступ к информации;

− неавторизованное изменение информации;

− неавторизованный доступ к сетям и другим сервисам;

Вне зависимости от того, насколько ценна информация, хранящаяся на компьютере, законодательством она признается объектом частной собственности. Владелец этой информации, имеет право определять правила ее обработки и зашиты, а также предпринимать необходимые меры для предотвращения утечки, хищения, утраты и подделки информации.

На сегодняшний день для защиты информации от несанкционированного доступа применяются программные, аппаратные и программно-аппаратные средства.

Программная реализация системы защиты информации имеет низкую стоимость, но качество защиты данных невысокое. Аппаратная реализация, обеспечивает более высокое качество защиты информации, но цена таких технических решений возрастает.

Программно-аппаратные системы для защиты информации предоставляют пользователю гибкость настройки и высокую защищенность данных. Программно-аппаратная криптосистема состоит из электронного устройства, которое подключается к персональному компьютеру и программного обеспечения для работы с устройством. В таких системах выполнение функций, некритичных к скорости работы и безопасности, перекладывается на программное обеспечение, что способствует снижению их стоимости.

Целью данной работы является создание программно-аппаратного комплекса, который обеспечивает надежную защиту информации и не создает неудобств при эксплуатации.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1. Выбор метода шифрования

Любая ценная информация, которая распространяется на разнообразных носителях, или по каналам связи в локальных и глобальных сетях, может быть модифицирована по некоторым правилам, с целью сохранения ее конфиденциальности и целостности [1].

Чтобы предупредить потерю целостности информации применяют помехоустойчивое кодирование, которое фиксирует нарушения целостности данных и предоставляет возможность их полного или частичного восстановления.

Для уменьшения объема информации, которая должна быть передана адресату, применяют сжатие (архивацию) данных. Часть архивной информации может быть предназначена для возможности восстановления содержимого архива после ошибок при транспортировке по электронным каналам связи, либо в результате повреждения носителей с исходными данными. Важным преимуществом использования сжатия информации является то, что с уменьшением объема данных, которые необходимо передать адресату, уменьшается вероятность возникновения ошибок и потери целостности данных.

Несмотря на преимущества кодирования и сжатия информации, существуют проблемы, которые нельзя решить с помощью этих методов.

Целью кодирования информации является предотвращение ее повреждения. Кодирование не изменяет статистических характеристик информации, так как код для восстановления отбрасывается сразу после проверки целостности данных.

Архивация информации уменьшает ее избыточность. Для того чтобы сделать это как можно эффективнее, используются специальные алгоритмы, которые не предназначены для сокрытия статистических зависимостей между частями исходного сообщения. В большинстве случаев достаточно просто реализовать обратное преобразование.

С целью обеспечения конфиденциальности информации используют особый вид преобразований, который называется «шифрование» [1]. Целью шифрования является сокрытие содержательной и статистической зависимости между частями исходного сообщения.

В качестве устройств шифрования наиболее широко используют три вида шифраторов: программные, аппаратные и программно-аппаратные. Основное различие между ними заключается не только в способе реализации шифрования и степени надежности защиты данных, но и в цене. Стоимость аппаратных шифраторов существенно выше программных, но это окупается за счет более высокого качества защиты информации.

В данной работе будет реализовано аппаратное шифрование, потому что этот метод:

• гарантирует неизменность самого алгоритма, тогда как программный алгоритм может быть намеренно модифицирован.

• исключает какое-либо вмешательство в процесс шифрования.

• использует аппаратный датчик случайных чисел, который гарантирует случайность генерации ключей шифрования и повышает качество реализации криптографических алгоритмов.

• позволяет напрямую загружать ключи шифрования в шифропроцессор, минуя оперативную память компьютера (в программной реализации ключи находятся в памяти во время работы шифратора).

1. Обзор аналогов разрабатываемого устройства

Большая часть устройств для аппаратного шифрования реализована в виде PCI плат расширения или приборов типа USB-ключ. Производителями подобных продуктов являются, в основном, Россия, США и Япония.

2. “Криптон”

В России лидером по производству шифровального оборудования является компания “Анкад”. Одной из ведущих разработок этой фирмы является линейка устройств под названием “Криптон”. Все устройства взаимодействуют с компьютером через интерфейс PCI. Программное обеспечение устройств “Криптон” позволяет:

• шифровать компьютерную информацию (файлы, группы файлов и разделы дисков), обеспечивая их конфиденциальность;

• осуществлять электронную цифровую подпись файлов, проверяя их целостность и авторство;

• создавать прозрачно шифруемые логические диски, максимально облегчая и упрощая работу пользователя с конфиденциальной информацией;

• формировать криптографически защищенные виртуальные сети, шифровать IP-трафик и обеспечивать защищенный доступ к ресурсам сети мобильных и удаленных пользователей;

• создавать системы защиты информации от несанкционированного доступа и разграничения доступа к компьютеру.

Основные технические данные и характеристики

Алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89

Размерность ключа шифрования, бит 256 Количество уровней ключевой системы 3

Датчик случайных чисел аппаратный (аттестован экспертной организацией)

Шина PCI (Bus Master, Target)

Реализация алгоритма шифрования аппаратная

Скорость шифрования, Кбайт/с до 8500

Носители ключей дискеты, смарт-карты

Рис. 1.1 – Внешний вид устройства “Криптон-7”

1.2.2 “ruToken”

Другим устройством, обеспечивающим аппаратную криптографическую защиту данных, является электронный брелок “ruToken”. Брелок взаимодействует с компьютером через интерфейс USB. “ruToken” может использоваться для решения следующих задач:

• Аутентификация − замена парольной защиты при доступе к БД, Web-серверам, VPN-сетям и security-ориентированным приложениям на программно-аппаратную аутентификацию; − защищенные соединения при доступе к почтовым серверам, серверам баз данных, Web-серверам, файл-серверам, аутентификации при удаленном доступе.

• Защита данных − защита информации (шифрование по ГОСТ 28147-89); − защита электронной почты (ЭЦП, шифрование); − защита доступа к компьютеру (авторизация пользователя при входе в операционную систему).

Рис. 1.2 – Внешний вид устройства ruToken

Общие технические характеристики ruToken:

• Аппаратное шифрование по ГОСТ 28147-89;

• Файловая система по ISO 7816;

• 8, 16 или 32 Кбайт энергонезависимой памяти;

• Поддержка PC/SC, PKCS#11, MS CryptoAPI, X.509.

• Базируется на защищенном микроконтроллере;

• Интерфейс USB (USB 1.1 / USB 2.0);

• EEPROM память 8, 16 и 32 Кб;

• 2-факторная аутентификация (по факту наличия ruToken и по факту предъявления PIN-кода;

• 32-битовый уникальный серийный номер;

• Поддержка ОС Windows 98/ME/2000/XP/2003;

• Поддержка стандартов ISO/IEC 7816, PC/SC, ГОСТ 28147-89, MS CryptoAPI и MS SmartcardAPI;

• Возможность интеграции в любые smartcard-ориентированные программные продукты (e-mail-, internet-, платежные системы и т.п.).

1. Аспекты создания устройства для аппаратного шифрования

1. Структура аппаратного шифратора

В состав аппаратного шифратора входят блок управления, шифропроцессор, аппаратный датчик случайных чисел, контроллер, микросхемы памяти, переключатели режимов работы и интерфейсы для подключения ключевых носителей (рис. 1.3).

Рис. 1.3 – Структура устройства криптографической защиты данных "Криптон-9"

Блок управления, служит для управления работой всего шифратора. Обычно он реализован на базе микроконтроллера. Шифропроцессор представляет собой специализированную микросхему или микросхему программируемой логики (PLD - Programmable Logic Device), которая выполняет шифрование данных. Для генерации ключей шифрования в устройстве предусмотрен аппаратный датчик случайных чисел (ДСЧ), вырабатывающий статистически случайный и непредсказуемый сигнал, преобразуемый затем в цифровую форму. Обмен командами и данными между шифратором и компьютером обеспечивается контроллером. Для хранения программного обеспечения микроконтроллера необходима энергонезависимая память, реализованная на одной или нескольких микросхемах. Это же внутреннее ПЗУ используется для записи журнала операций и других целей.

При хранении ключевой информации на дискете ее считывание производится через системную шину компьютера и существует возможность перехвата. Поэтому аппаратные шифраторы обычно снабжают интерфейсом для непосредственного подключения устройств хранения ключей. Наиболее распространенные среди них - разъемы для подключения считывателей смарт-карт (рис. 1.4) и разъемов для работы с электронными таблетками Touch Memory.

Рис. 1.4 – Устройство для считывания смарт-карт SR-210

Помимо функций шифрования информации, каждый шифратор должен обеспечивать:

• выполнение различных операций с ключами шифрования: их загрузку в шифропроцессор и выгрузку из него, а также взаимное шифрование ключей;

• расчет имитоприставки для данных и ключей (имитоприставка представляет собой криптографическую контрольную сумму, вычисленную на определенном ключе);

• генерацию случайных чисел по запросу.

1. Ключевые схемы и процесс шифрования файлов

Аппаратные шифраторы должны поддерживать несколько уровней ключей шифрования. Обычно реализуется трехуровневая иерархия ключей. Большее количество уровней, не дает заметного улучшения качества защиты, а меньшего может не хватить для ряда ключевых схем. Трехуровневая иерархия предусматривает использование сеансовых или пакетных ключей (1-й уровень), долговременных пользовательских или сетевых ключей (2-й уровень) и главных ключей (3-й уровень).

Каждому уровню ключей соответствует ключевая ячейка памяти шифропроцессора. Подразумевается, что шифрование данных выполняется только на ключах первого уровня, остальные предназначены для шифрования самих ключей при построении различных ключевых схем.

Трехуровневую схему лучше всего иллюстрирует упрощенный пример процесса шифрования файла (рис. 1.5). На этапе начальной загрузки в ключевую ячейку № 3 заносится главный ключ. Сеансовый ключ генерируется в результате запроса к ДСЧ шифратора на получение случайного числа, которое загружается в ключевую ячейку № 1, соответствующую сеансовому ключу. С его помощью шифруется содержимое файла и создается новый файл, хранящий зашифрованную информацию.

Далее у пользователя запрашивается долговременный ключ, который загружается в ключевую ячейку № 2 с расшифровкой посредством главного ключа, находящегося в ячейке № 3. Шифратор должен иметь режим расшифровки одного ключа с помощью другого внутри шифропроцессора. В этом случае ключ в открытом виде никогда не покидает устройство. Сеансовый ключ зашифровывается при помощи долговременного ключа, находящегося в ячейке № 2, выгружается из шифратора и записывается в заголовок зашифрованного файла.