Основы защиты информации. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

Т.А. ГУЛЬТЯЕВА

ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2018

4

подстановочных шифров: шифры Цезаря, Плейфейера, Хилла, Виженера и др.

При перестановках отдельные символы открытого текста переставляются в порядке, отличном от первоначального.

Естественно, значительно лучшей криптостойкостью обладают шифры, использующие преобразования подстановки и перестановки одновременно. К таковым относятся, например, барабанные шифровальные машины. Одной из наиболее известных реализаций этого типа криптоалгоритмов была шифровальная машина «Энигма», созданная в годы Второй мировой войны в Германии.

В настоящее время определение открытого текста или ключа по шифротексту, полученному с помощью одного из классических методов, для опытного криптоаналитика не является трудноразрешимой задачей.

1.2. СИММЕТРИЧНЫЕ МЕТОДЫ КРИПТОГРАФИИ

Симметричные криптосистемы – это системы, использующие способ шифрования, при котором для шифрования и дешифрования применяется один и тот же криптографический ключ.

Все симметричные криптоалгоритмы подразделяются на два вида – потоковые и блочные шифры.

Блочные шифры обрабатывают информацию блоками определенной длины (64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке. Примерами таких алгоритмов могут быть алгоритмы DES, 3DES, ГОСТ 28147–89, AES, RC6, IDEA и другие.

Потоковые шифры зашифровывают открытый текст последова-

тельно бит за битом. Генератор ключевой последовательности, ино-

гда называемый генератором бегущего ключа, выдает последовательность бит k1, k2 ,..., ki . Эта ключевая последовательность склады-

вается по модулю 2 с последовательностью бит исходного текста p1, p2 ,..., pi для получения шифрованного текста: ci pi ki .

При дешифровании шифротекст складывается по модулю 2 с идентичной ключевой последовательностью для получения исходного тек-

ста: ci ki pi ki ki pi .

6

Стойкость системы целиком зависит от внутренней структуры генератора ключевой последовательности. Если генератор выдает последовательность с небольшим периодом, то стойкость системы будет невелика. Напротив, если генератор будет выдавать бесконечную последовательность истинно случайных бит, то получится одноразовый блокнот с идеальной стойкостью.

Примеры потоковых шифров: шифр Вернама, алгоритмы RC4, SEAL, WAKE. Потоковый шифр может быть также легко создан на основе блочного, запущенного в специальном режиме (например, ГОСТ 2814789 в режиме гаммирования).

Достоинства симметричных криптосистем:

1)скорость;

2)простота реализации;

3)меньшая требуемая длина ключа для сопоставимой криптостойкости;

4)изученность.

Недостатки симметричных криптосистем:

1)сложность управления ключами в большой сети (означает квадратичное возрастание числа пар ключей, которые надо генерировать, передавать, хранить и уничтожать. Для сети в 10 абонентов требуется

45 ключей, для 100 – уже 4950, для 1000 – 499 500 и т. д.);

2)сложность обмена ключами (для применения необходимо решить проблему надежной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный канал для передачи каждого ключа обеим сторонам).

1.3. АСИММЕТРИЧНЫЕ МЕТОДЫ КРИПТОГРАФИИ

Асимметричная криптосистема (или криптосистема с откры-

тым ключом) – это система шифрования, при которой открытый ключ передается по открытому (т. е. незащищенному, доступному для наблюдения) каналу и используется для шифрования сообщения, при этом для дешифрования сообщения используется секретный ключ.

Криптографические системы с открытым ключом в настоящее время широко применяются в различных сетевых протоколах, в частно-

7

сти, в протоколе TLS и его предшественнике SSL (лежащих в основе

HTTPS), в SSH.

Примеры асимметричных криптоалгоритмов: RSA, DSA, алгоритм Эль-Гамаля и др.

Достоинства асимметричных криптосистем:

1)не нужно каждый раз передавать ключ дешифрования по сети;

2)не обязательно обновлять ключ после каждого применения;

3)в больших сетях количество ключей минимальное.

Недостатки асимметричных криптосистем:

1)скорость работы и требовательность к вычислительным ресур-

сам;

2)для обеспечения одинаковой криптостойкости требуются более длинные ключи (по сравнению с симметричными алгоритмами):

В таблице приведены длины ключей для симметричных и асимметричных алгоритмов.

Длина ключа, обеспечивающего сопоставимую криптостойкость

1.4. ХЭШ-ФУНКЦИИ

Хэширование, или хэш-функция, – преобразование входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Результат хэширования называют хэшем или

дайджестом сообщения.

8

Хэширование применяется для сравнения данных: если у двух массивов хэш-коды разные, то массивы гарантированно различаются; если одинаковые, то массивы, скорее всего, одинаковы. В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хэш-кодом нет, поскольку количество значений хэш-функций меньше, чем вариантов входного массива.

Коллизией хэш-функции H называются два различных входных блока данных x и y таких, что H (x) H ( y) .

Криптографической хэш-функцией называется всякая хэш-функ-

ция, являющаяся криптостойкой, т. е. удовлетворяющая ряду требований, специфичных для криптографических приложений.

Примерами хэш-функций общего назначения служат алгоритмы

CRC32, TTH.

Примерами криптографических хэш-функций могут быть алгорит-

мы MD5, SHA2, RIPEMD, Skein, Tiger, Whirlpool, ГОСТ Р 34.1194.

1.5. ЭЛЕКТРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ПОДПИСЬ

Электронная цифровая подпись (ЭЦП) – реквизит электронного документа, позволяющий установить отсутствие искажения информации в электронном документе с момента формирования ЭЦП и проверить принадлежность подписи владельцу сертификата ключа ЭЦП. Значение реквизита получается в результате криптографического преобразования информации с использованием закрытого ключа ЭЦП.

Использование цифровой подписи позволяет:

1)аутентифицировать лицо, подписавшее документ;

2)контролировать целостность передаваемого документа;

3)защищать документ от изменений (подделки);

4)доказывать невозможность отказа от авторства;

5)доказательно подтверждать авторство документа.

Поскольку подписываемые документы – переменного (и, как правило, достаточно большого) объема, в схемах ЭЦП зачастую подпись ставится не на сам документ, а на его хэш. Для вычисления хэша используются криптографические хэш-функции, что гарантирует выявление изменений документа при проверке подписи. Сами по себе хэш-

9

функции не являются частью алгоритма ЭЦП, поэтому в схеме может быть использована любая надежная хэш-функция.

Примеры схем электронной цифровой подписи: алгоритм RSA, схема Эль-Гамаля, американский стандарт ЭЦП DSA, российский стандарт ЭЦП ГОСТ Р 34.102001.

1.6. КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

Случайные числа и их генераторы являются неотъемлемыми элементами современных криптосистем. Приведем примеры использования случайных чисел в криптологии:

сеансовые и другие ключи для симметричных криптосистем, та-

ких как DES, ГОСТ 2814789, Blowfish;

стартовые значения для программ генерации ряда математических величин в асимметричных криптосистемах, например, больших простых чисел в RSA, El-Gamal;

случайные слова, комбинируемые с парольными словами для нарушения атаки угадывания пароля криптоаналитиком;

вектор инициализации для блочных криптосистем, работающих

врежиме обратной связи;

случайные значения параметров для многих систем электронной цифровой подписи, например, DSA;

случайные выборы в протоколах аутентификации, например, в протоколе Kerberos;

случайные параметры протоколов для обеспечения уникальности различных реализаций одного и того же протокола, например, в прото-

колах SET и SSL.

Генератор последовательности псевдослучаен, если создаваемая им последовательность выглядит случайной, т. е. проходит все статистические тесты случайности. Последовательность называется крип-

тографически безопасной псевдослучайной последовательностью,

если она непредсказуема, т. е. вычислительно неосуществимо предсказать следующий бит, имея полное знание алгоритма (или аппаратуры) и всех предшествующих битов потока.

10