4.4Использование алгоритмов шифрования данных

Шифрование является наиболее широко используемым криптографическим методом сохранения конфиденциальности информации, он защищает данные от несанкционированного ознакомления с ними. Для начала рассмотрим основные методы криптографической защиты информации. Словом, криптография - наука о защите информации с использованием математических методов. Существует и наука, противоположная криптографии и посвященная методам вскрытия защищенной информации - криптоанализ. Совокупность криптографии и криптоанализа принято называть криптологией. Криптографические методы могут быть классифицированы различным образом, но наиболее часто они подразделяются в зависимости от количества ключей, используемых в соответствующих криптоалгоритмах:

1. бесключевые, в которых не используются какие-либо ключи;

2. одноключевые - в них используется некий дополнительный ключевой параметр - обычно это секретный ключ;

3. двухключевые, использующие в своих вычислениях два ключа: секретный и открытый.

Рисунок 28 – Криптоалгоритмы

Шифрование является основным методом защиты; рассмотрим его подробно далее.

Остальные криптографические методы:

1. Электронная подпись используется для подтверждения целостности и авторства данных. Целостность данных означает, что данные не были случайно или преднамеренно изменены при их хранении или передаче.

Алгоритмы электронной подписи используют два вида ключей:

• секретный ключ используется для вычисления электронной подписи;

• открытый ключ используется для ее проверки.

При использовании криптографически сильного алгоритма электронной подписи и при грамотном хранении и использовании секретного ключа (то есть при невозможности использования ключа никем, кроме его владельца) никто другой не в состоянии вычислить верную электронную подпись какого-либо электронного документа.

2. Аутентификация позволяет проверить, что пользователь (или удаленный компьютер) действительно является тем, за кого он себя выдает. Простейшей схемой аутентификации является парольная - в качестве секретного элемента в ней используется пароль, который предъявляется пользователем при его проверке. Такая схема доказано является слабой, если для ее усиления не применяются специальные административно-технические меры. А на основе шифрования или хэширования можно построить действительно сильные схемы аутентификации пользователей.

3. Существуют различные методы криптографического контрольного суммирования:

• o ключевое и бесключевое хэширование;

• o вычисление имитоприставок;

• o использование кодов аутентификации сообщений.

Фактически, все эти методы различным образом из данных произвольного размера с использованием секретного ключа или без него вычисляют некую контрольную сумму фиксированного размера, однозначно соответствующую исходным данным.

Такое криптографическое контрольное суммирование широко используется в различных методах защиты информации, например:

• o для подтверждения целостности любых данных в тех случаях, когда использование электронной подписи невозможно (например, из-за большой ресурсоемкости) или является избыточным;

• o в самих схемах электронной подписи - "подписывается" обычно хэш данных, а не все данные целиком;

• o в различных схемах аутентификации пользователей.

4. Генераторы случайных и псевдослучайных чисел позволяют создавать последовательности случайных чисел, которые широко используются в криптографии, в частности:

• o случайные числа необходимы для генерации секретных ключей, которые, в идеале, должны быть абсолютно случайными;

• o случайные числа применяются во многих алгоритмах электронной подписи;

• o случайные числа используются во многих схемах аутентификации.

Не всегда возможно получение абсолютно случайных чисел - для этого необходимо наличие качественных аппаратных генераторов. Однако, на основе алгоритмов симметричного шифрования можно построить качественные генераторы псевдослучайных чисел.

Алгоритм симметричного шифрования

Шифрование информации - это преобразование открытой информации в зашифрованную (которая чаще всего называется шифртекстом или криптограммой), и наоборот. Первая часть этого процесса называется зашифрованием, вторая - расшифрованием.

Можно представить зашифрование в виде следующей формулы:

С = E_k1(M),  (4.1)

где M (message) - открытая информация;

С (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст;

E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над M;

k1 (key) - параметр функции E, называемый ключом зашифрования.

В стандарте ГОСТ 28147-89 (стандарт определяет отечественный алгоритм симметричного шифрования) понятие ключ определено следующим образом: "Конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований".

Ключ может принадлежать определенному пользователю или группе пользователей и являться для них уникальным. Зашифрованная с использованием конкретного ключа информация может быть расшифрована только с использованием только этого же ключа или ключа, связанного с ним определенным соотношением.

Аналогичным образом можно представить и расшифрование:

M' = D_k2(C), (4.2)

где M'- сообщение, полученное в результате расшифрования;

D (decryption) - функция расшифрования; так же, как и функция зашифрования, выполняет криптографические преобразования над шифртекстом;

k2 - ключ расшифрования.

Для получения в результате расшифрования корректного открытого текста (то есть того самого, который был ранее зашифрован: M' = M), необходимо одновременное выполнение следующих условий:

• функция расшифрования должна соответствовать функции зашифрования;

• ключ расшифрования должен соответствовать ключу зашифрования.

При отсутствии верного ключа k2 получить исходное сообщение M' = M с помощью правильной функции D невозможно. Под словом "невозможно" в данном случае обычно понимается невозможность вычисления за реальное время при существующих вычислительных ресурсах.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории (рисунок 28):

• алгоритмы симметричного шифрования;

• алгоритмы асимметричного шифрования.

В алгоритмах симметричного шифрования для расшифрования обычно используется тот же самый ключ, что и для зашифрования, или ключ, связанный с ним каким-либо простым соотношением. Последнее встречается существенно реже, особенно в современных алгоритмах шифрования. Такой ключ (общий для зашифрования и расшифрования) обычно называется просто ключом шифрования.

В асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 легко вычисляется из ключа k2 таким образом, что обратное вычисление невозможно. Например, соотношение ключей может быть таким:

k1 = a^k2 mod p, (4.3)

где a и p - параметры алгоритма шифрования, имеющие достаточно большую размерность.

Такое соотношение ключей используется и в алгоритмах электронной подписи.

Основной характеристикой алгоритма шифрования является криптостойкость, которая определяет его стойкость к раскрытию методами криптоанализа. Обычно эта характеристика определяется интервалом времени, необходимым для раскрытия шифра.

Симметричное шифрование менее удобно из-за того, что при передаче зашифрованной информации кому-либо необходимо, чтобы адресат заранее получил ключ для расшифрования информации. У асимметричного шифрования такой проблемы нет (поскольку открытый ключ можно свободно передавать по сети), однако, есть свои проблемы, в частности, проблема подмены открытого ключа и медленная скорость шифрования. Наиболее часто асимметричное шифрование используется в паре с симметричным - для передачи ключа симметричного шифрования, на котором шифруется основной объем данных. Впрочем, схемы хранения и передачи ключей - это тема отдельной статьи. Здесь же позволю себе утверждать, что симметричное шифрование используется гораздо чаще асимметричного, поэтому остальная часть статьи будет посвящена только симметричному шифрованию.

Симметричное шифрование бывает двух видов:

1. Блочное шифрование - информация разбивается на блоки фиксированной длины (например, 64 или 128 бит), после чего эти блоки поочередно шифруются. Причем, в различных алгоритмах шифрования или даже в разных режимах работы одного и того же алгоритма блоки могут шифроваться независимо друг от друга или "со сцеплением" - когда результат зашифрования текущего блока данных зависит от значения предыдущего блока или от результата зашифрования предыдущего блока.

2. Поточное шифрование - необходимо, прежде всего, в тех случаях, когда информацию невозможно разбить на блоки - скажем, некий поток данных, каждый символ которых должен быть зашифрован и отправлен куда-либо, не дожидаясь остальных данных, достаточных для формирования блока. Поэтому алгоритмы поточного шифрования шифруют данные побитно или посимвольно. Хотя стоит сказать, что некоторые классификации не разделяют блочное и поточное шифрование, считая, что поточное шифрование - это шифрование блоков единичной длины.