Cети и системы радиосвязи и средства их информационной защиты.-1

К - пространство ключей, F - функция зашифрования

F: P K С

Пусть составной шифр определяется семейством преобразований Gi, имеющими общие пространства входных и выходных значений, т. е. Рi = Сi- = М, при этом результат действия функции Fi зависит от ключевого элемента ki Ki. На основе этого семейства с помощью операции композиции можно построить шифр, задаваемый отображением

F: M (K1 К2 ... Кг) Мr,

причем

F= Fr ...F2 F1,

аключом является вектор

(k1,k2,…,kr) K1 K2 … Kr

Преобразование Fi называется i-м раундом шифрования, ключ ki - раундовым ключом. В некоторых случаях раундовые ключи получаются из ключа всей системы с помощью алгоритма выработки раундовых ключей (при этом размер ключа системы существенно меньше суммарного размера всех раундовых ключей). Если ключевые пространства Кi и преобразования Fi для всех раундов совпадают, такой составной шифр называется итерационным, представляющим собой композицию одной и той же криптографической функции, используемой с разными ключами.

Идея, лежащая в основе составных (или композиционных) блочных шифров, состоит в построении криптостойкой системы путем многократного применения относительно простых криптографических преобразований, в качестве которых К.Шеннон предложил использовать преобразования подстановки (substitution) и перестановки (permutation), схемы, реализующие эти преобразования, называются SP-сетями.

Многократное использование преобразований подстановки и перестановки (рис.1.4) позволяет обеспечить два свойства, которые должны быть присущи стойким шифрам:

рассеивание (diffusion) и перемешивание (confusion) (рисунок ).

Рассеивание предполагает распространение влияния одного знака открытого текста, а также одного знака ключа на значительное количество знаков шифротекста. Наличие у шифра этого свойства позволяет:

скрыть статистическую зависимость между знаками открытого текста, иначе говоря, перераспределить избыточность исходного языка посредством распространения ее на весь текст;

не позволяет восстанавливать неизвестный ключ по частям.

31

это преобразование следует поместить между двумя раундами шифрования, и полученная композиция уже не будет прозрачной для g. Такие преобразования, чаще всего не зависящие от ключа, называются буферами. Помимо внутренних иногда применяют и внешние буфера, выполняющие преобразования, зависящие или не зависящие от ключа.

Важным достоинством многих составных шифров является их симметричность относительно операций зашифрования и расшифрования, которые по этой причине могут быть реализованы на одном устройстве. Переход от одного режима к другому обеспечивается заменой последовательности раундовых ключей на обратную.

Составные шифры, использующие в качестве раундовых криптографически слабые преобразования, становятся нестойкими, если становятся известными какие-либо промежуточные результаты преобразований. По этой причине использование этой информации при криптоанализе составных шифров является некорректным.

Необходимые и достаточные условия абсолютной стойкости шифра:

полная случайность ключа;

равенство длин ключа и открытого текста;

однократное использование ключа.Классификация шифраторов

Возможная классификация современных коммерческих шифраторов приведена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6. Классификация шифраторов

Алгоритмы защиты информации, в частности, алгоритмы шифрования, могут быть реализованы как программным, так и аппаратным способом. Оба варианта имеют ярко выраженные достоинства и недостатки. Основной недостаток устройств шифрования, реализующих аппаратное шифрование информации, - это их относительно высокая стоимость. К достоинствам же относится:

аппаратная реализация алгоритма криптографического преобразования, что гарантирует целостность алгоритма;

шифрование и ключи шифрования хранятся в самой плате, а не в оперативной памяти компьютера;

аппаратный датчик случайных чисел создает действительно случайные числа для формирования надежных ключей шифрования и электронной цифровой подписи;

загрузка ключей шифрования в устройство производится напрямую, минуя ОЗУ и системную шину компьютера, что исключает возможность перехвата ключей;

хранение ключей шифрования не в ОЗУ компьютера (как в случае с программной реализацией), а в памяти шифропроцессора;

на базе аппаратных шифраторов можно создавать системы защиты информации от

34

несанкционированного доступа и разграничения доступа к компьютеру; применение специализированного шифропроцессора для выполнения

криптографических преобразований разгружает центральный процессор компьютера; возможна также установка на одном компьютере нескольких устройств, что еще более повысит скорость шифрования;

использование парафазных шин в архитектуре шифропроцессора исключает угрозу снятия ключевой информации по возникающим в ходе криптографических преобразований колебаниям электромагнитного излучения в цепях «земля—питание» микросхемы.

обеспечение наряду со всеми перечисленными достоинствами сопоставимой с программными продуктами скорости шифрования.

Что же мешает широкому применению аппаратных шифраторов — или, выражаясь точнее, обусловливает их меньшую распространенность по сравнению с криптографическим ПО?

Прежде всего цена — в любом случае стоимость аппаратного шифратора будет выше, чем чисто программного решения. Но для организаций, всерьез заботящихся об информационной безопасности, использование аппаратных шифраторов в силу перечисленных выше причин безусловно желательно — во всяком случае, для защиты наиболее важных ресурсов. Производители аппаратных криптографических средств постоянно дополняют свои продукты новыми возможностями, и по соотношению цена/качество (если понимать под последним прежде всего функциональность) аппаратные шифраторы выглядят более предпочтительно, если их сравнивать с соответствующим ПО.

Зачастую у пользователей отсутствует полное понимание всех нюансов, связанных с правовым регулированием практики применения криптографических средств. Вероятно, здесь имеет место и психологический эффект. Кажется, гораздо проще переписать из Интернета одну из бесплатных или условно-бесплатных программ шифрования и активно ее использовать, в том числе для защиты информационного обмена со сторонними организациями, в то время как закупка аппаратного шифратора представляется началом долгого процесса получения всевозможных лицензий, сбора согласующих виз и т. п.. Иными словами, на первый план выходят даже не денежные соображения, а попытки сэкономить время и облегчить себе жизнь.

Однако, в нормативных актах регулирующих практику применения криптографических (шифровальных) средств, не проводится различий между программными и аппаратными средствами: оформлять использование криптосредств надо в любом случае. Другое дело, что документы эти могут быть разными — или лицензия ФАПСИ на использование криптосредств, или договор с организацией, имеющей необходимую лицензию ФАПСИ на предоставление услуг по криптографической защите конфиденциальной информации. Поэтому переход к применению аппаратных шифраторов можно совместить с оформлением упомянутых выше документов.

Аппаратные шифраторы

Аппаратный шифратор по виду и по сути представляет собой обычное компьютерное «железо», чаще всего это плата расширения, вставляемая в разъем ISA или PCI системной платы ПК. Бывают и другие варианты, например через разъем USB.

Использовать целую плату только для функций шифрования — непозволительная роскошь, поэтому производители аппаратных шифраторов обычно стараются насытить их различными дополнительными возможностями, среди которых:

Генерация случайных чисел. Это нужно прежде всего для получения криптографических ключей. Кроме того, многие алгоритмы защиты используют их и для других целей, например алгоритм электронной подписи ГОСТ Р 34.10 - 2001. При каждом вычислении подписи ему необходимо новое случайное число.

35

Контроль входа на компьютер. При включении ПК устройство требует от пользователя ввести персональную информацию (например, вставить дискету с ключами). Работа будет разрешена только после того, как устройство опознает предъявленные ключи и сочтет их "своими". В противном случае придется разбирать системный блок и вынимать оттуда шифратор, чтобы загрузиться (однако, как известно, информация на ПК тоже может быть зашифрована).

Контроль целостности файлов операционной системы. Это не позволит злоумышленнику в ваше отсутствие изменить какие-либо данные. Шифратор хранит в себе список всех важных файлов с заранее рассчитанными для каждого контрольными суммами (или хэш-значениями), и если при следующей загрузке не совпадет эталонная сумма хотя бы одного из них, компьютер будет блокирован.

Плата со всеми перечисленными возможностями называется устройством криптографической защиты данных — УКЗД.

Шифратор, выполняющий контроль входа на ПК и проверяющий целостность операционной системы, называют также «электронным замком». Понятно, что последним не обойтись без программного обеспечения — необходима утилита, с помощью которой формируются ключи для пользователей и ведется их список для распознавания «свой/чужой». Кроме того, требуется приложение для выбора важных файлов и расчета их контрольных сумм. Эти программы обычно доступны только администратору по безопасности, который должен предварительно настроить все УКЗД для пользователей, а в случае возникновения проблем разбираться в их причинах.

УЗКД проявится через несколько секунд после включения кнопки Power, как минимум сообщив о себе и попросив ключи. Шифратор всегда перехватывает управление при загрузке ПК (когда BIOS компьютера поочередно опрашивает все вставленное в него «железо»), после чего не так-то легко получить его обратно . УКЗД позволит продолжить загрузку только после всех своих проверок. Кстати, если ПК по какой-либо причине не отдаст управление шифратору, тот, немного подождав, все равно его заблокирует. И это также прибавит работы администратору по безопасности.

Структура шифраторов

Контроллер системной шины

Блок управления

Блок коммутаторов

Устройства ввода-вывода и датчики

Рисунок 2.7. Структура шифратора

36

Блок управления - основной модуль шифратора, который "заведует" работой всех остальных. Обычно реализуется на базе микроконтроллера, сейчас их предлагается немало и можно выбрать подходящий. Главное - быстродействие и достаточное количество внутренних ресурсов, а также внешних портов для подключения всех необходимых модулей.

Контроллер системной шины ПК (например, PCI). Через него осуществляется основной обмен данными между УКЗД и компьютером.

Энергонезависимое запоминающее устройство (ЗУ) - обычно на базе микросхем флэшпамяти. Оно должно быть достаточно емким (несколько мегабайт) и допускать большое число циклов записи. Здесь размещается программное обеспечение микроконтроллера, которое выполняется при инициализации устройства (т. е. когда шифратор перехватывает управление при загрузке компьютера).

Память журнала. Также представляет собой энергонезависимое ЗУ; это действительно еще одна флэш-микросхема: во избежание возможных коллизий память для программ и для журнала не должны объединяться.

Шифропроцессор (или несколько) - это специализированная микросхема или микросхема программируемой логики PLD - Programmable Logic Device. Собственно, он и шифрует данные. Подробнее об этом немного позже.

Генератор случайных чисел. Обычно представляет собой некое устройство, дающее статистически случайный и непредсказуемый сигнал - белый шум. Это может быть, например, шумовой диод. А перед использованием по специальным правилам белый шум преобразуется в цифровую форму.

Блок ввода ключевой информации. Обеспечивает защищенный прием ключей с ключевого носителя, через него также вводится идентификационная информация о пользователе, необходимая для решения вопроса "свой/чужой".

Блок коммутаторов. Помимо перечисленных выше основных функций, УКЗД может по велению администратора безопасности отключать возможность работы с внешними устройствами: дисководами, CD-ROM, параллельным и последовательным портами, шиной USB и т. д. Если пользователь работает с настолько важной информацией, что ее нельзя ни печатать, ни копировать, УКЗД при входе на компьютер заблокирует все внешние устройства, включая даже сетевую карту.

Шифропроцессор

Основное назначение УКЗД - шифрование данных. Эта операция выполняется шифропроцессором, представляющим собой специализированную микросхему, которая выполняет криптографические операции, или микросхему программируемой логики, либо цифровой сигнальный процессор. Шифропроцессоров может быть несколько для повышения скорости и/или надежности шифрования. Для повышения скорости информацию распараллеливают между ними. Для обеспечения надежности производят обработку одних и тех же данных двумя шифропроцессорами с последующим сравнением результатов перед их выдачей.

Шифрование в УКЗД должно выполняться так, чтобы посторонним невозможно было узнать ключи и каким-либо образом повлиять на реализуемые в нем алгоритмы. Иногда бывает полезно засекретить и правила преобразования ключей. Поэтому шифропроцессор логически состоит из нескольких структурных единиц (рис. 1.8):

37

Блок управления

Хранилище

ключей

Рисунок 2.8. Структура шифропроцессора

Вычислитель - набор регистров, сумматоров, блоков подстановки и т. п., связанных между собой шинами передачи данных. Собственно, он и выполняет криптографические действия, причем должен делать это максимально быстро. На вход вычислитель получает открытые данные, которые следует зашифровать, и ключ шифрования, который, как известно, является случайным числом. А шифрование - это сложное математическое преобразование, поэтому его результат тоже очень похож на набор случайных величин (попробуйте сжать зашифрованный файл каким-нибудь архиватором - при использовании серьезного алгоритма защиты это будет невозможно).

Блок управления. На самом деле это аппаратно реализованная программа, управляющая вычислителем. Если по какой-либо причине программа изменится, его работа начнет давать сбои. Это чревато, например, появлением данных в открытом виде вместо зашифрованного (хотя это крайний случай; более вероятно получение такой шифровки, которую ни вы сами, ни кто-либо еще уже не расшифрует никогда L). Поэтому программа должна не только надежно храниться и устойчиво функционировать, но и регулярно проверять сама себя. Кстати, внешний блок управления (описанный выше) тоже периодически посылает ей контрольные задачи. На практике для большей уверенности ставят два шифропроцессора, которые постоянно сравнивают свои результаты (если они не совпадают, шифрование придется повторить). Все это требуется для обеспечения неизменности алгоритма шифрования.

Буфер ввода-вывода необходим для повышения производительности устройства: пока шифруется первый блок данных, загружается следующий и т. д. То же самое происходит и на выходе. Такая конвейерная передача данных серьезно увеличивает скорость шифрования.

Быстродействие

Любому пользователю ПК желательно, чтобы присутствие в его компьютере шифратора не отражалось на удобстве работы (конечно, если человек выполняет только разрешенные действия). Но, естественно, шифрование данных отнимает некоторое время, еще несколько лет назад шифраторы отвлекали на себя значительные ресурсы процессора. Современные шифраторы шифруют данные без помощи центрального процессора ПК. В шифратор лишь передается команда, а затем он сам извлекает данные из ОЗУ компьютера, шифрует их и кладет в указанное место. Процессор же при этом вполне может выполнять другие задачи. Исследования современных УКЗД показывают, что во время их работы производительность ПК практически не снижается.

Возможно применение и нескольких УКЗД на одном компьютере, например на криптографическом маршрутизаторе: один шифрует отправляемую в Интернет информацию,

38

второй — принимаемую. Производительность такой системы не вносит задержек в работу локальной сети Fast Ethernet (100 Мбит/с).

Потоковая скорость обработки данных — это один из основных параметров, по которым оценивают аппаратные шифраторы. Она измеряется в мегабайтах в секунду и зависит прежде всего от сложности алгоритма шифрования. Проще всего оценить ее по формуле:

где F — тактовая частота,

K — размер стандартного блока шифрования,

n — число тактов, требующееся на преобразование стандартного блока.

Например, отечественный алгоритм ГОСТ 28147—89 имеет быстродействие 32 такта на 64-битовый блок, а значит, теоретически скорость шифрования должна стремиться к 25 Мбайт/с при тактовой частоте 100 МГц. Однако последние опубликованные достижения скорости аппаратной реализации этого алгоритма — 9 Мбайт/с. Ограничения являются чисто технологическими: отсутствие необходимого уровня разработок или элементной базы. Хотелось бы отметить, что программная реализация криптоГОСТа на самых современных ПК достигает 12—16 Мбайт/с при тактовой частоте процессора 1 ГГц. Хотя в этом случае аппаратная скорость шифрования теоретически могла бы быть около 250 Мбайт/с.

Другой пример, американский стандарт шифрования AES имеет быстродействие 10 тактов (может быть и 14 тактов, если размер блока и ключа – 256 бит) на 128-битовый блок, а значит, теоретически скорость шифрования должна стремиться к 160 Мбайт/с при тактовой частоте 100 МГц. Хотя для этого алгоритма также имеются чисто технологические ограничения. Кроме того формула не учитывает платформу на которой будет реализованы данные алгоритмы. При реализации на 32-битовых платформах ГОСТ проиграет AES всего 10-30%, тогда как при реализациях на 8-ми битовых платвормах разница в скоростях будет в 4-5 раза.

Шифраторы для защиты сетей

Для защиты передаваемой в Сеть информации можно использовать как обычный аппаратный шифратор, так и проходной шифратор (ПШ), который, помимо всего вышеперечисленного, является также полноценным сетевым адаптером Ethernet (т. е. шифратор и сетевой адаптер выполнены в качестве одной PCI-платы). Его достоинство в том, что он полностью контролирует весь обмен данными по сети, а обойти его (как изнутри, так и снаружи) просто невозможно.

ПШ являются достаточно сложными устройствами, так как они вместо центрального процессора компьютера вынуждены выполнять дополнительные функции по обработке информации. Обычно в ПШ ставят два шифропроцессора: один из них отвечает за шифрование отправляемых данных, а другой расшифровывает принимаемые. Такое устройство может хранить в себе несколько сотен ключей, чтобы каждый блок информации был зашифрован на своем, отличном от других. Это делает все ключи абсолютно недоступными злоумышленникам, но несколько затрудняет процесс управления ими.

39