Принципы криптографической защиты информации

1. Принципы криптографической защиты информации

Криптография представляет собой совокупность методов преобразования данных, направленных на то, чтобы сделать эти данные недоступными для противника. Такие преобразования позволяют решить две главные проблемы защиты данных: проблему конфиденциальности (путем лишения противника возможности извлечь информацию из канала связи) и проблему целостности (путем лишения противника возможности изменить сообщение так, чтобы изменился его смысл, или ввести ложную информацию в канал связи).

Проблемы конфиденциальности и целостности информации тесно связаны между собой, поэтому методы решения одной из них часто применимы для решения другой.

2.1.    Схема симметричной криптосистемы

Обобщенная схема криптографической системы, обеспечивающей шифрование передаваемой информации, показана на рис.2.1.

Рисунок 2.1 – Обобщенная схема криптосистемы

Отправитель генерирует открытый текст исходного сообщения М, которое должно быть передано законному получателю по незащищенному каналу. За каналом следит перехватчик с целью перехватить и раскрыть передаваемое сообщение. Для того чтобы перехватчик не смог узнать содержание сообщения М, отправитель шифрует его с помощью обратимого преобразования Е_К  и получает шифртекст (или криптограмму) С = Е_К (М), который отправляет получателю.

Законный получатель, приняв шифртекст С, расшифровы-вает его с помощью обратного преобразования D = Е_К^–1 и получает исходное сообщение в виде открытого текста М:

Рекомендуемые материалы

D_K (C) = Е_К^–1 (Е_К (М)) = M.

Преобразование Е_К выбирается из семейства криптографических преобразований, называемых криптоалгоритмами. Параметр, с помощью которого выбирается отдельное используемое преобразование, называется криптографическим ключом К. Криптосистема имеет разные варианты реализации: набор инструкций, аппаратные средства, комплекс программ компьютера, которые позволяют зашифровать открытый текст и расшифровать шифр-текст различными способами, один из которых выбирается с помощью конкретного ключа К.

Криптографическая система – это однопараметрическое семейство  обратимых преобразований

Е_К :  ®

из пространства  сообщений открытого текста в пространство  шифрованных текстов. Параметр К (ключ) выбирается из конечного множества , называемого пространством ключей.

Преобразование шифрования может быть симметричным или асимметричным относительно преобразования расшифрования. Это важное свойство функции преобразования определяет два класса криптосистем:

· симметричные (одноключевые) криптосистемы;

· асимметричные (двухключевые) криптосистемы (с открытым ключом).

Схема симметричной криптосистемы с одним секретным ключом показана на рис.2.1. В ней используются одинаковые секретные ключи в блоке шифрования и блоке расшифрования.

2.2.    Схема асимметричной криптосистемы

Обобщенная схема асимметричной криптосистемы с двумя разными ключами К₁ и К₂ показана на рис. 2.2. В этой криптосистеме один из ключей является открытым, а другой – секретным.

Рисунок 2.2 – Обобщенная схема асимметричной криптосистемы

с открытым ключом

В симметричной криптосистеме секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу распространения ключей, например такому, как курьерская служба. На рис. 2.1 этот канал показан "экранированной" линией. Существуют и другие способы распределения секретных ключей, они будут рассмотрены позднее. В асимметричной криптосистеме передают по незащищенному каналу только открытый ключ, а секретный ключ сохраняют на месте его генерации.

На рис. 2.3 показан поток информации в криптосистеме в случае активных действий перехватчика. Активный перехватчик не только считывает все шифртексты, передаваемые по каналу, но может также пытаться изменять их по своему усмотрению.

Любая попытка со стороны перехватчика расшифровать шифртекст С для получения открытого текста  М  или зашифровать свой собственный текст М’ для получения правдоподобного шифртекста С’, не имея подлинного ключа, называется крипто-аналитической атакой.

Рисунок 2.3 – Поток информации в криптосистеме при активном

перехвате сообщений

Если предпринятые криптоаналитические атаки не достигают поставленной цели и криптоаналитик не может, не имея подлинного ключа, вывести М из С или С’ из М’, то считается, что такая криптосистема является криптостойкой.

Криптоанализ – это наука о раскрытии исходного текста зашифрованного сообщения без доступа к ключу. Успешный анализ может раскрыть исходный текст или ключ. Он позволяет также обнаружить слабые места в криптосистеме, что, в конечном счете, ведет к тем же результатам.

Фундаментальное правило криптоанализа, впервые сформулированное голландцем А.Керкхоффом еще в XIX веке заключается в том, что стойкость шифра (криптосистемы) должна определяться только секретностью ключа. Иными словами, правило Керкхоффа состоит в том, что весь алгоритм шифрования, кроме значения секретного ключа, известен криптоаналитику противника. Это обусловлено тем, что криптосистема, реализующая семейство криптографических преобразований, обычно рассматривается как открытая система.

2.3.    Аппаратно-программные средства защиты компьютерной информации

Аппаратно-программные средства, обеспечивающие повышенный уровень защиты можно разбить на пять основных групп (Рис. 2.4).

Первую группу образуют системы идентификации и аутентификации пользователей. Такие системы применяются для ограничения доступа случайных и незаконных пользователей к ресурсам компьютерной системы. Общий алгоритм работы этих систем заключается в том, чтобы получить от пользователя информацию, удостоверяющую его личность, проверить ее подлинность и затем предоставить (или не предоставить) этому пользователю возможность работы с системой.

При построении подобных систем возникает проблема выбора информации, на основе которой осуществляются процедуры идентификации и аутентификации пользователя. Можно выделить следующие типы:

(1) секретная информация, которой обладает пользователь (пароль, персональный идентификатор, секретный ключ и т.п.); эту информацию пользователь должен запомнить или же могут быть применены специальные средства хранения этой информации);

(2) физиологические параметры человека (отпечатки пальцев, рисунок радужной оболочки глаза и т.п.) или особенности поведения человека (особенности работы на клавиатуре и т.п.).

Системы идентификации, основанные на первом типе информации, принято считать традиционными. Системы идентификации, использующие второй тип информации, называются биометрическими.

Вторую группу средств, обеспечивающих повышенный уровень защиты, составляют системы шифрования дисковых данных. Основная задача, решаемая такими системами, состоит в защите от несанкционированного использования данных, расположенных на магнитных носителях.

Обеспечение конфиденциальности  данных, располагаемых на магнитных носителях, осуществляется путем их шифрования с использованием симметричных алгоритмов шифрования. Основным классификационным признаком для комплексов шифрования служит уровень их встраивания в компьютерную систему.

Работа прикладных программ  с дисковыми накопителями  состоит из двух этапов – “логического” и “физического”.

Логический этап соответствует уровню взаимодействия прикладной программы с операционной системой (например, вызов сервисных функций чтения/записи данных). На этом уровне основным объектом является файл.

Физический этап соответствует уровню взаимодействия операционной системы и аппаратуры. В качестве объектов этого уровня выступают структуры физической организации данных - сектора диска.

В результате, системы шифрования данных могут осуществлять криптографические преобразования данных на уровне файлов (защищаются отдельные файлы) и на уровне дисков (защищаются диски целиком).

Другим классификационным признаком систем шифрования дисковых данных является способ их функционирования.

По способу функционирования системы шифрования дисковых данных делят на два класса:

(1) системы “прозрачного” шифрования;

(2) системы, специально вызываемые для осуществления шифрования.

Рисунок 2.4 – Аппаратно-программные средства защиты компьютерной информации

В системах прозрачного шифрования (шифрования “на лету”) криптографические преобразования осуществляются в режиме реального времени, незаметно для пользователя. Например, пользователь записывает подготовленный в текстовом редакторе документ на защищаемый диск, а система защиты в процессе записи выполняет его шифрование.

Системы второго класса обычно представляют собой утилиты, которые необходимо специально вызывать для выполнения шифрования. К ним относятся, например, архиваторы со встроенными средствами парольной защиты.

К третьей группе средств относятся системы шифрования данных, передаваемых по компьютерным сетям. Различают два основных способа шифрования: канальное шифрование и оконечное (абонентское) шифрование.

В случае канального шифрования защищается вся передаваемая по каналу связи информация, включая служебную. Соответствующие процедуры шифрования реализуются с помощью протокола канального уровня семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI.

Этот способ шифрования обладает следующим достоинством - встраивание процедур шифрования на канальный уровень позволяет использовать аппаратные средства, что способствует повышению производительности системы.

Однако, у данного подхода имеются существенные недостатки:

- шифрованию на данном уровне подлежит вся информация, включая служебные данные транспортных протоколов; это осложняет механизм маршрутизации сетевых пакетов и требует расшифрования данных в устройствах промежуточной коммутации (шлюзах, ретрансляторах и т.п.);

- шифрование служебной информации, неизбежное на данном уровне, может привести к появлению статистических закономерностей в шифрованных данных; это влияет на надежность защиты и накладывает ограничения на использование криптографических алгоритмов.

Оконечное (абонентское) шифрование позволяет обеспечить конфиденциальность данных, передаваемых между двумя прикладными объектами (абонентами). Оконечное шифрование реализуется с помощью протокола прикладного или представительного уровня эталонной модели OSI. В этом случае защищенным оказывается только содержание сообщения, вся служебная информация остается открытой. Данный способ позволяет избежать проблем, связанных с шифрованием служебной информации, но при этом возникают другие проблемы. В частности, злоумышленник, имеющий доступ к каналам связи компьютерной сети, получает возможность анализировать информацию о структуре обмена сообщениями, например, об отправителе и получателе, о времени и условиях передачи данных, а также об объеме передаваемых данных.

Четвертую группу средств защиты составляют системы аутентификации электронных данных.

При обмене электронными данными по сетям связи возникает проблема аутентификации автора документа и самого документа, т.е. установление подлинности автора и проверка отсутствия изменений в полученном документе.

Для аутентификации электронных данных применяют код аутентификации сообщения (имитовставку) или электронную цифровую подпись. При формировании кода аутентификации сообщения и электронной цифровой подписи используются разные типы систем шифрования.

Код аутентификации сообщения МАС (Message Authentication Code) формируют с помощью симметричных систем шифрования данных. Проверка целостности принятого сообщения осуществляется путем проверки кода MAC получателем сообщения.

В отечественном стандарте симметричного шифрования данных (ГОСТ 28147-89) предусмотрен режим выработки имитовставки, обеспечивающий имитозащиту, т.е. защиту системы шифрованной связи от навязывания ложных данных.

Имитовставка вырабатывается из открытых данных посредством специального преобразования шифрования с использованием секретного ключа и передается по каналу связи в конце зашифрованных данных. Имитовставка проверяется получателем сообщения, владеющим секретным ключом, путем повторения процедуры, выполненной ранее отправителем, над полученными открытыми данными.

Электронная цифровая подпись (ЭЦП) представляет собой относительно небольшое количество дополнительной аутентифицирующей цифровой информации, передаваемой вместе с подписываемым текстом.

Для реализации ЭЦП используются принципы асимметричного шифрования. Система ЭЦП включает процедуру формирования цифровой подписи отправителем с использованием секретного ключа отправителя и процедуру проверки подписи получателем с использованием открытого ключа отправителя.

Пятую группу средств, обеспечивающих повышенный уровень защиты, образуют средства управления ключевой информацией. Под ключевой информацией понимается совокупность всех используемых в компьютерной системе или сети криптографических ключей.

Безопасность любого криптографического алгоритма определяется используемыми криптографическими ключами. В случае ненадежного управления ключами злоумышленник может завладеть ключевой информацией и получить полный доступ ко всей информации в компьютерной системе или сети.

12 Построение всего множества сценариев возникновения и развития аварии - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Основным классификационным признаком средств управления ключевой информацией является вид функции управления ключами. Различают следующие основные виды функций управления ключами: генерация ключей, хранение ключей и распределение ключей.

Способы генерации ключей различаются для симметричных и асимметричных криптосистем. Для генерации ключей симметричных криптосистем используются аппаратные и программные средства генерации случайных чисел, в частности, схемы с применением блочного симметричного алгоритма шифрования. Генерация ключей для асимметричных криптосистем представляет существенно более сложную задачу в связи с необходимостью получения ключей с определенными математическими свойствами.

Функция хранения ключей предполагает организацию безопасного хранения, учета и удаления ключей. Для обеспечения безопасного хранения и передачи ключей применяют их шифрование с помощью других ключей. Такой подход приводит к концепции иерархии ключей. В иерархию ключей обычно входят главный ключ (мастер-ключ), ключ шифрования ключей и ключ шифрования данных. Следует отметить, что генерация и хранение мастер-ключей являются критическими вопросами криптографической защиты.

Распределение ключей является самым ответственным процессом в управлении ключами. Этот процесс должен гарантировать скрытность распределяемых ключей, а также оперативность и точность их распределения. Различают два основных способа распределения ключей между пользователями компьютерной сети:

1) применение одного или нескольких центров распределения ключей;

2) прямой обмен сеансовыми ключами между пользователями.