125 Кібербезпека / 4 Курс / 4.2_Управління інформаційною безпекою / Лiтература / V_P_Babak_A_A_Kliuchnykov-Teoreticheskye_osnovy_zashchity_informat

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

ской функции) с целью получения полезной информации из шифрованного текста (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Структурная схема процесса расшифровывания

Ключ - информация (обратная математическая функция или алгоритм), необходимая для беспрепятственного шифрования и расшифровывания текстов.

Пространство ключей K - это набор возможных значений ключа,

который может представлять собой алгоритм, обратную математическую функцию или последовательность символов алфавита.

Рис. 8.3. Структурная схема процесса дешифрации

Дешифрация - процесс, обратный к шифрованию, то есть восстановление открытого текста из алфавита сообщения A{ i (i 1, 2, , K )

без знания ключа (алгоритма или обратной математической функции) с целью несанкционированного исключения необходимой информации из зашифрованного текста (рис. 8.3).

Кpиптостойкость - временная характеристика шифра, который определяет его стойкость к дешифрации без знания ключа.

Процесс криптографического закрытия данных может осуществляться как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация имеет существенно большую стоимость, хотя ей присущи и важные преимущества: высокая производительность, простота, защищенность. Программная реализация наиболее практична благодаря гибкости в использовании.

580

Глава 8. Шифрование и дешифрование информации

В общей системе шифрования открытый текст обозначается буквой M . Это может быть поток битов, текстовый файл, битовое изображение, цифровое видео и т.п.

Обозначим шифротекст как C (ciphertext), функцию шифрования — как Е. Математическая модель шифрования будет иметь вид E(M ) C, а функция расшифровывания D(C) M.

Поскольку содержанием шифрования и расшифровывания сообщения является восстановление начального открытого текста, должно выполняться равенство:

D E(M ) M.

Криптографическая система шифрования (криптосистема) — это

совокупность методов и средств криптографической защиты информации, использование которых обеспечивает надлежащий уровень защищенности информации, которая обрабатывается, сохраняется или передается по ин- формационно-коммуникационным каналам связи.

Алгоритмы и системы шифрования можно классифицировать (рис. 8.4).

Алгоритмы шифрования

Рис. 8.4. Классификация криптографических алгоритмов

Симметричной криптосистемой называется система, которая осуществляет процесс шифрования и расшифровывания полезного сообщения (открытого текста) на основе использования одного ключа (рис. 8.5).

Поточными алгоритмами (поточными шифрами) называются алго-

ритмы с последовательной (битной или байтной) обработкой открытых текстов.

Блочными алгоритмами (блочными шифрами) называются алгорит-

мы, которые работают с группами последовательностей (битов, байтов), которые образуют открытый текст, или с группами текстов.

581

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

Для алгоритмов, которые используются в компьютерных модемах, типичный размер блока составляет 64 бита. (До появления компьютеров алгоритмы обычно обрабатывали открытый текст посимвольно. Такой вариант может рассматриваться как поточный алгоритм, который обрабатывает поток символов.)

Рис. 8.5. Шифрование и дешифрование с ключом

Шифрование и расшифровывание с использованием симметричного алгоритма описывается как

Рис. 8.6. Шифрование и дешифрование с двумя разными ключами

Асимметричной криптосистемой называется система, которая осу-

ществляет шифрование и расшифровывание полезного сообщения (открытого текста) с использованием двух ключей: открытого и закрытого (секретного), математически связанных друг с другом (рис. 8.6).

Информация шифруется с помощью открытого ключа, доступного всем, а расшифровывается с помощью закрытого ключа, известного только получателю сообщения.Более того, ключ расшифровывания нельзя раскрыть ключом шифрования.

Шифрование с открытым ключом E обозначается как EK (M ) C.

Иногда сообщения шифруются закрытым ключом, а расшифровываются открытым, который используется для цифровой подписи.

582

Глава 8. Шифрование и дешифрование информации

583

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

8.2. Шифрование в каналах связи

Одной из важных характеристик любой информационной сети есть ее

деление на так называемые уровни модели ISO/OSI, каждая из которых отвечает за соблюдение определенных условий и выполнение функций. Такое деление на уровни имеет фундаментальное значение для создания стандартных информационно-коммуникационных сетей (см. главу 7).

В теории шифрования данных передача по каналам связи информацион- но-коммуникационной сети может осуществляться на любом уровне модели OSI. На практике это обычно делается или на самых низких, или на наивысших уровнях. Если данные шифруются на нижних уровнях, шифрование называется канальным. Если шифрование данных выполняется на верхних уровнях, то оно называется сквозным. Оба этих подхода к шифрованию данных имеют свои преимущества и недостатки.

Канальное шифрование. При канальном шифровании шифруются абсолютно все данные, которые проходят через каждый канал связи, включая открытый текст сообщения, а также информацию о его маршруте трансляции и об используемом коммуникационном протоколе (рис. 8.7). Однако в этом случае любой интеллектуальный сетевой узел будет вынужден расшифровывать входной поток данных, чтобы соответствующим образом его обработать и опять зашифровать для передачи на другой узел сети.

Узел 1 Узел 2 Узел 3 Узел 4

Рис. 8.7 Канальное шифрование

Канальное шифрование является эффективным средством защиты информации в информационно-коммуникационных сетях. Поскольку шифрованию подвергаются все данные, которые передаются от одного узла сети к другому, у криптоаналитика нет никакой дополнительной информации о том, что служит источником переданных данных, их назначение, какая их структура и т.п. А если еще позаботиться и о том, чтобы, пока канал простаивает, передавать по нему случайную битовую последовательность, посторонний наблюдатель не сможет даже сказать, где начинается и где заканчивается текст переданного сообщения. Не слишком сложной является и работа с ключами. Одинаковыми ключами стоит обеспечивать только два соседних узла сети связи, которые потом могут изменять используемые ключи независимо от других пар узлов.

Наибольший недостаток канального шифрования связан с тем, что данные придется шифровать при передаче по каждому физическому каналу компьютерной сети. Отправление информации в незашифрованном виде по ка-

584

Глава 8. Шифрование и дешифрование информации

кому-то из каналов ставят под угрозу обеспечение безопасности всей сети в целом. В итоге стоимость реализации канального шифрования в больших сетях может оказаться излишне большой. Кроме того, при использовании канальной шифрования дополнительно нужно защищать каждый узел информационной сети, через который проходят переданные по сети данные. Если абоненты сети полностью доверяют друг другу и каждому ее узлу, размещенному в защищенном от проникновения злоумышленников месте, на этот недостаток канальной шифрования можно не обращать внимания. Однако на практике такая ситуация случается редко.

Сквозное шифрование. При сквозном шифровании криптографический алгоритм реализуется на одном из верхних уровней модели OSI. Шифрованию подлежит только содержательная часть сообщения, которое нужно передать по сети. После зашифровывания к ней добавляется служебная информация, необходимая для маршрутизации сообщения, и результат направляется на низшие уровни с целью отправления адресату. Теперь сообщения не нужно постоянно расшифровывать и зашифровывать при прохождении через каждый промежуточный узел сети связи. Сообщение остается зашифрованным на всем пути от отправителя к получателю (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Сквозное шифрование

Основная проблема, с которой сталкиваются пользователи информационно коммуникационных сетей, где применяется сквозное шифрование, связано с тем, что служебная информация, используемая для маршрутизации сообщений, передается по сети в незашифрованном виде. Опытный криптоаналитик может добыть для себя полезную информацию, зная кто, с кем, как долго и в какие часы общается через компьютерную сеть. Для этого ему даже не нужно быть в курсе предмета общения.

Сквозное шифрование, в отличие от канального, характеризуется более сложной работой с ключами, поскольку каждая пара пользователей компьютерной сети должна быть обеспеченной одинаковыми ключами, прежде чем они смогут связаться друг с другом. К тому же, поскольку криптографический алгоритм реализуется на верхних уровнях модели OSI, приходится также иметь дело со многими существенными разногласиями в коммуникационных протоколах и интерфейсах в зависимости от типов компьютерных сетей и подсоединенных к сети компьютеров. Все это осложняет практическое применение сквозного шифрования.

Комбинированное шифрование. Комбинирование канального и сквозного шифрования данных в информационной сети обходится значительно

585

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

дороже, чем канальное или сквозное шифрование отдельно. Однако именно такой подход дает возможность как можно лучше защитить данные, переданные по сети. Шифрование в каждом канале связи не позволяет злоумышленнику анализировать служебную информацию, используемую для маршрутизации. А сквозное шифрование уменьшает вероятность доступа к незашифрованным данным в узлах сети.

При комбинированном шифровании робота с ключами происходит раздельно: сетевые администраторы отвечают за ключи, которые используются при канальном шифровании, а о ключах, которые применяются при сквозном шифровании, заботятся сами пользователи.

Аппаратное шифрование. Большинство средств криптографической защиты данных реализовано в виде специализированных аппаратных устройств. Эти устройства встраиваются в линию связи и осуществляют шифрование всей переданной по ней информации. Преимущество аппаратного шифрования над программным предопределяется несколькими причинами. Аппаратное шифрование имеет большую скорость. Криптографические алгоритмы состоят из огромного количества сложных операций, что проделываются над битами открытого текста. Современные универсальные компьютеры плохо приспособлены для эффективного выполнения этих операций. Специализированное оборудование дает возможность выполнять их намного быстрее. Аппаратуру более легко физически защитить от проникновения извне. Программа, которая выполняется на персональном компьютере, практически беззащитна. Вооружившись отладчиком, злоумышленник может тайком внести в нее изменения, чтобы снизить стойкость используемого криптографического алгоритма, и никто ничего не заметит. Что же касается аппаратуры, то она обычно размещается в специальных контейнерах, которые делают невозможным изменение схемы ее функционирования. Чип покрывается сверху специальным химическим составом, и в результате любая попытка взломать защитный слой этого чипа приводит к самоуничтожению его внутренней логической структуры. И хотя иногда электромагнитное излучение может быть хорошим источником информации о том, что происходит внутри микросхемы, от этого излучения легко избавиться, экранировав микросхему. Аналогично можно экранировать и компьютер, хотя сделать это намного сложнее, чем в случае миниатюрной микросхемы.

Программное шифрование. Любой криптографический алгоритм можно реализовать в виде соответствующей программы. Преимущества такой реализации очевидны: программные средства шифрования легко копируются, они простые в использовании, их нетрудно модифицировать в соответствии с конкретными потребностями.

Во всех распространенных операционных системах есть встроенные средства шифрования файлов. Обычно они предназначены для шифрования отдельных файлов, и работа с ключами полностью положена на пользователя. Поэтому применение этих средств нуждается в особенном внимании:

586

Глава 8. Шифрование и дешифрование информации

587

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

8.3.Алгоритмы и системы симметричного

иасимметричного шифрования

(криптографической защиты информации)

Рассмотрим методы шифрования, которые чаще всего используются на практике. Речь идет о блочных шифрах. Блочные алгоритмы шифрования являются основным средством криптографической защиты информации, которая сохраняется или передается по общедоступной сети.

Преимущества практического приложения:

возможность эффективной программной реализации на современных ап- паратно-программных средствах;

высокая скорость шифрования/расшифровывания как при аппаратной, так и при программной реализации;

высокая гарантированная стойкость; при этом стойкость алгоритма блочной шифрования может быть доказана с помощью математического аппарата.

Входная последовательность блочных алгоритмов шифрования разбивается на участки определенной длины, преобразования в алгоритме блочного шифрования происходят над каждым блоком отдельно. Соответственно исходная последовательность алгоритма блочного шифрования состоит из блоков, длина которых равняется длине входных блоков. В случае, когда длина открытого текста не кратна длине входных блоков в алгоритме шифрования, применяется операция дополнения последнего блока открытого текста к необходимой длине. Дополнение осуществляется приписыванием необходимого количества нулей или случайного набора символов. В общем случае содержание того, чем мы дополняем блок открытого текста, не играет никакой роли с точки зрения криптографической стойкости. На приемной стороне необходимо знать, какое количество символов было прибавлено, потому рядом с отмеченными дополнениями приписывается длина этих данных.

Вариантом практического применения блочных алгоритмов является использование их для обеспечения имитозащиты переданной по каналам связи информации.

Имитозащитой сообщения называется процесс введения дополнительного блока (имитовставки) в конец разбитого на блоки информационного сообщения. Для внедрения имитовставки применяются алгоритмы блочного шифрования в режиме гамирования с самовосстановлением или шифрования со сцеплением блоков.

Специфика организации разных типов защищенных каналов связи обусловила появление алгоритмов блочного шифрования (рис. 8.9):

метод простои замены, или режим электронной кодовой книги

(Electronic Codebook Mode — ЕСВ);

метод гаммирования, или режим по модулю, который равняется мощности алфавита;

588

Глава 8. Шифрование и дешифрование информации

метод гаммирования с самовосстановлением, или гаммировання с об-

ратной связью (Cipher-Feedback mode — CFB);

метод многоалфавитной подстановки;

метод шифрования со сцеплением блоков (Cipher Block Chaining mode

— CBC);

метод гаммирования с обратной связью на выходе (Output-Feedback mode — OFB).

Методы блочного шифрования

Рис.8.9. Методы алгоритмов блочного шифрования

Все разнообразие симметричных криптосистем основывается на описанных дальше базовых методах.

Метод многоалфавитной подстановки — это самый простой вид пре-

образований, который заключается в замене символов исходного текста на других (того же алфавита) по более-менее сложному правилу. В случае многоалфавитной подстановки каждый символ исходного текста за определенным законом превращается в символ шифрованного текста. При этом закон преобразования изменяется от символа к символу.

Для обеспечения высокой криптостойкости системы нужно использование ключей большого размера. К этому классу принадлежат криптосистемы с одноразовым ключом, которые имеют абсолютную теоретическую стойкость.

Метод перестановки — метод криптографического преобразования, которое заключается в перестановке символов исходного текста по некоторому правилу. Шифры перестановки не используются в чистом виде, поскольку их криптостойкость недостаточна.

Метод гаммирования— это преобразование исходного текста, при котором его символы добавляются (по модулю, который равняется мощности алфавита) к символам псевдослучайной последовательности, сгенерированной по некоторому правилу. Гаммирование нельзя полностью выделить в отдельный класс криптографических преобразований, поскольку отмеченная псевдослучайная последовательность может генерироваться, например, с по-

589