Характеристика криптографических методов

Практически все применяемые криптографические методы связаны с разбиением сообщения на большое число частей (или знаков) фиксированного размера, каждая из которых шифруется отдельно, если не независимо. Это существенно упрощает задачу шифрования, так как сообщения обычно имеют различную длину.

Можно выделить три основных метода шифрования: поточный, блочный и с применением обратной связи.

Будем считать, что каждая часть или каждый знак сообщения шифруется отдельно в определенном порядке.

Выделяются следующие четыре характерных признака криптографических методов.

1. Операции с отдельными битами или блоками.

2. Зависимость или не зависимость функции шифрования от результатов шифрования предыдущих частей сообщения.

3. Зависимость или независимость шифрования отдельных знаков сообщения от их положения в тексте. Например, при поточном шифровании, различные знаки сообщения шифруются с учетом их положения в сообщении. Это свойство называется позиционной зависимостью или независимостью шифра.

4. Симметрия или асимметрия функции шифрования. Это важное свойство определяет существенное различие между обычными симметричными (одноключевыми) криптосистемами и асимметричными двухключевыми (криптосистемами с открытым ключом). Основное различие между ними состоит в том, что в асимметричной криптосистеме знание ключа шифрования (или расшифрования) недостаточно для раскрытия соответствующего ключа расшифрования (или шифрования).

Основные характеристики криптосистем

Типы криптосистем	Операции с битами или блоками	Зависимость/ независимость от знаков сообщения	Позиционная зависимость/ независимость	Симметрия/ асимметрия
Поточного шифрования	биты	не зависит	зависит	симметричная
Блочного шифрования	блоки	не зависит	не зависит	симметричная или несимметричная
С обратной связью от шифртекста	биты или блоки	зависит	не зависит	симметричная

В криптосистеме, обладающей свойством зависимости функции шифрования от знаков сообщения, может иметь место размножение ошибок. Если, например, при передаче будет искажен бит шифртекста, то после расшифрования открытый текст может содержать большее количество искаженных битов. Ошибки типа 'вставка' и 'выпадение' могут также привести к катастрофическому размножению ошибок при дешифровании.

Поточные шифры. Поточное шифрование состоит в том, что биты открытого текста складываются по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности.

К преимуществам поточных шифров относятся отсутствие размножения ошибок, простая реализация и высокая скорость шифрования.

Недостатком является необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения. Это связано с тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений должна использоваться одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать опасную угрозу криптостойкости системы и поэтому часто используется дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и используется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с использованием различных последовательностей.

Поточные шифры широко применяются в военных системах и других системах, близких к ним по назначению, для шифрования данных и преобразованных в цифровую форму речевых сигналов. До недавнего времени такие применения были преобладающими для данного метода шифрования. Это объясняется, в частности, относительной простотой конструирования и реализации генераторов хороших шифрующих последовательностей. Но главным фактором, конечно, остается отсутствие размножения ошибок в поточном шифре.

Так как для передачи данных и речевых сообщений в тактических сетях связи используются каналы сравнительно невысокого качества, любая криптографическая система, увеличивающая и без того высокую частоту ошибок, неприменима. В таких случаях обязательно применение криптосистемы, не размножающей ошибки.

Однако размножение ошибок может быть и положительным явлением. Пусть, например, зашифрованные данные должны передаваться по каналу с очень низкой вероятностью ошибки (например, 10⁵) и весьма важно, чтобы данные принимались совершенно точно. Это типичная ситуация для вычислительных сетей, где ошибка в единственном бите может привести к катастрофическим последствиям, и поэтому канал связи должен быть очень надежным. В такой ситуации одна ошибка настолько же опасна, как 100 или 1000 ошибок. Но 100 или 1000 ошибок могут быть обнаружены легче, чем одна ошибка. Следовательно, в данном случае размножение ошибок уже не является недостатком шифра.

Стандартным методом генерирования последовательностей для поточного шифрования является метод, применяемый в стандарте шифрования данных DES в режиме обратной связи от выхода.

Блочные шифры. Для блочного шифрования открытый текст сначала разбивается на равные по длине блоки, затем применяется зависящая от ключа функция шифрования для преобразования блока открытого текста длиной т бит в блок шифртекста такой же длины. Важное свойство блочного шифрования состоит в том, что каждый бит блока шифртекста является функцией всех (или почти всех) битов соответствующего блока открытого текста, и никакие два блока открытого текста не могут быть представлены одним и тем же блоком шифртекста. Алгоритм блочного шифрования может использоваться в различных вариантах. Четыре режима шифрования в стандарте DES фактически применимы к любому блочному шифру.

Эти режимы получили следующие названия:

• режим прямого шифрования, или шифрования с использованием электронной книги кодов ЕСВ (Electronic code book),

• шифрование со сцеплением блоков шифртекста СВС (Cipher block chaining),

• шифрование с обратной связью от шифртекста CFB (Cipher feedback),

• шифрование с обратной связью от выхода OFB (Output feedback).

Основное преимущество прямого блочного шифрования (electronic code book) состоит в том, что в хорошо сконструированной системе блочного шифрования небольшие изменения в шифртексте вызовут большие и непредсказуемые изменения в соответствующем открытом тексте и наоборот.

Вместе с тем, применение блочного шифра в этом режиме связано с серьезными недостатками. Первый из них состоит в том, что вследствие фиксированного характера шифрования даже при сравнительно большой длине блока, например 50-100 бит, возможен криптоанализ "со словарем" в ограниченной форме.

Ясно, что блок такого размера может повториться в сообщении вследствие большой избыточности в типичном тексте на естественном языке. Это может привести к тому, что идентичные блоки открытого текста длиной т бит в сообщении будут представлены идентичными блоками шифртекста, что дает криптоаналитику некоторую информацию о содержании сообщения.

Другой потенциальный недостаток этого шифра связан с размножением ошибок (это одна из проблем для всех видов шифров, за исключением поточных). Результатом изменения только одного бита в принятом блоке шифртекста будет неправильное расшифрование всего блока. Это, в свою очередь, приведет к появлению от 1 до т искаженных бит в восстановленном исходном тексте.

Вследствие отмеченных недостатков, блочные шифры редко применяются в указанном режиме для шифрования длинных сообщений. Однако, в финансовых учреждениях, где сообщения часто состоят из одного или двух блоков, блочные шифры (в частности, алгоритм DES) широко применяются в этом простом варианте. Поскольку такое применение связано с возможностью частой смены ключа шифрования, вероятность шифрования двух идентичных блоков открытого текста на одном и том же ключе очень мала. Наиболее часто блочные шифры применяются в системах шифрования с обратной связью от шифртекста.

Возможно также образование смешанных (гибридных) систем поточного и блочного шифрования с использованием лучших свойств каждого из этих шифров. В таких системах поточное шифрование комбинируется с псевдослучайными перестановками. Открытый текст сначала шифруется как при обычном поточном шифровании, затем полученный шифртекст разбивается на блоки фиксированного размера. В каждом блоке производится псевдослучайная перестановка под управлением ключа (предпочтительны различные перестановки для отдельных блоков).

Порядок следования этих двух операций может быть изменен на обратный без влияния на основные свойства системы. В результате получается шифр, не размножающий ошибки, но обладающий дополнительным свойством, которого нет у поточного шифра. Это свойство заключается в том, что перехватчик не знает, какому биту открытого текста соответствует бит шифртекста. Благодаря этому зашифрованное сообщение становится более сложным и трудным для раскрытия. Но следует отметить, что это уже не подлинный блочный шифр, в котором каждый бит шифртекста является функцией только одного, а не всех битов открытого текста.

Криптосистема с открытым ключом должна быть системой блочного шифрования, оперирующей с блоками довольно большой длины. Это обусловлено тем, что криптоаналитик, знающий открытый ключ шифрования, мог бы предварительно вычислить и составить таблицу соответствия блоков открытого текста и шифртекста. Если длина блоков мала (например, 30 бит), то число возможных блоков будет не слишком большим (при длине 30 бит это 2³⁰-10⁹) и может быть составлена полная таблица, дающая возможность моментального дешифрования любого зашифрованного сообщения с использованием известного открытого ключа.

Было предложено много различных криптосистем с открытым ключом, наиболее известной из которых является система RSA (Rivest, Shamir, Adleman). Криптостойкость этой системы основана на трудности разложения больших чисел на простые сомножители и выборе для ключей шифрования и расшифрования двух больших простых чисел.

Известно, что алгоритм RSA не может быть применен для шифрования с большой скоростью. Наиболее оптимизированная программная реализация этого алгоритма оказывается низкоскоростной, а несколько аппаратных реализации обеспечивают скорость шифрования от 10 до 100 Кбит/с (при использовании простых чисел порядка 2⁷ ,что представляется минимальной длиной для обеспечения требуемой криптостойкости). Это значит, что применение системы RSA для блочного шифрования ограничено, хотя применение ее для распределения ключей, аутентификации и формирования цифровой подписи представляет интересные возможности. Некоторые известные в настоящее время криптоалгоритмы с открытым ключом допускают более высокую скорость шифрования, чем алгоритм RSA. Однако они пока не являются настолько популярными.

Системы шифрования с обратной связью. Системы шифрования с обратной связью встречаются в различных практических версиях. Как и в системах блочного шифрования, сообщения разбиваются в них на ряд блоков, состоящих из т бит, и для преобразования этих блоков в блоки шифртекста, которые также состоят из т бит, используются специальные функции. Однако, если в блочном шифре такая функция зависит только от ключа, то в шифрах с обратной связью она зависит как от ключа, так и от одного или более предшествующих блоков шифртекста. Такое общее определение шифрования с обратной связью включает в себя как частные случаи большое количество различных типов практически применяемых систем.

Применение криптосистем блочного шифрования с обратной связью дает ряд важных преимуществ. Первое и самое значительное - возможность использования их для обнаружения манипуляций с сообщениями, производимых активными перехватчиками. При этом используется факт размножения ошибок, а также способность таких систем легко генерировать код аутентификации сообщений MAC (message aithentication code). Второе преимущество состоит в том, что шифры СТАК, применяемые вместо блочных шифров, не требуют начальной синхронизации. Это значит, что если начало сообщения пропущено при приеме, то оставшаяся часть его может быть успешно расшифрована (после успешного приема следующих один за другим t бит шифртекста. Отметим также, что системы шифрования с обратной связью используются не только для шифрования сообщений, но также и для их аутентификации.

Криптосистемам блочного шифрования с обратной связью свойственны определенные недостатки. Основной из них - размножение ошибок, т.е. один ошибочный бит при передаче может вызвать от 1 до sm + i ошибок в расшифрованном тексте. Таким образом, требование увеличения t для повышения криптостойкости противоречит системным требованиям, связанным с размножением ошибок. Другой недостаток состоит в том, что разработка и реализация систем шифрования с обратной связью часто оказываются более трудными, чем для систем поточного шифрования. Хотя системы шифрования с обратной связью различных типов находят широкое применение уже в течение многих лет, специальных алгоритмов для таких систем очень мало. В большинстве случаев опубликованные алгоритмы получены из алгоритмов блочного шифрования, преобразованных для специальных применений.

Первый вывод, который можно сделать из проведенного анализа, состоит в том, что в большинстве практических криптосистем применяются алгоритмы или поточного шифрования, или шифрования с обратной связью. Большинство криптосистем поточного шифрования использует алгоритмы для коммерческого сектора (в том числе, алгоритмы, являющиеся собственностью фирм или отдельных пользователей) или секретные правительственные алгоритмы. Такое положение, видимо, сохранится еще в ближайшие годы.

Возможно также, что большинство систем шифрования с обратной связью будет основано на применении алгоритмов блочного шифрования в специальном варианте, в частности, наиболее известного алгоритма блочного шифрования DES. О других методах шифрования можно сказать, что, несмотря на быстрый рост публикаций по криптосистемам с открытым ключом, только одна из них, - система RSA, выдержала испытание временем.

Но алгоритм этой системы связан с серьезными ограничениями в реализации и поэтому не подходит для некоторых криптографических применений. Конечно, можно определенно утверждать, что криптосистемы с открытым ключом оказали значительное влияние на технику шифрования данных. Они находят все возрастающее применение, в основном, для формирования цифровых подписей или для управления ключами в обычных криптосистемах (таких, как ключ шифрования ключей).

Потенциальным пользователям криптографии представляется возможность выбирать между системами поточного шифрования и системами шифрования с обратной связью (возможно, основанными на применении алгоритмов блочного шифрования). Однако имеются определенные области применения, например, финансовые операции, где возможно использование методов прямого блочного шифрования ("electronic codebook"). Выбор криптоалгоритма в значительной мере зависит от его назначения. Некоторые данные, которыми можно руководствоваться при выборе типа шифрования, приведены в таблице.