Криптографические методы защиты информации. Метод комбинированного шифрования
Работа из раздела: «
Программирование и комп-ры»
ВВЕДЕНИЕ.
Криптографическая защита информации.
Криптография - наука о защите информации от прочтения ее
посторонними. Защита достигается шифрованием, т.е. преобразованием, которое
делает защищенные входные данные труднораскрываемыми по выходным данным без
знания специальной ключевой информации - ключа. Под ключом понимается
легко изменяемая часть криптосистемы, хранящаяся в тайне и определяющая,
какое шифрующие преобразование из возможных выполняется в данном случае.
Криптосистема - семейство выбираемых с помощью ключа обратимых
преобразований, которые преобразуют защищаемый открытый текст в шифрограмму
и обратно.
Желательно, чтобы методы шифрования обладали минимум двумя
свойствами:
. законный получатель сможет выполнить обратное преобразование и
расшифровать сообщение;
. криптоаналитик противника, перехвативший сообщение, не сможет
восстановить по нему исходное сообщение без таких затрат времени и
средств, которые сделают эту работу работу нецелесообразной.
Наиболее известные криптосистемы.
По характеру использования ключа известные криптосистемы можно
разделить на два типа: симметричные (одноключевые, с секретным ключом) и
несимметричные (с открытым ключом).
В шифраторе отправителя и дешифраторе получателя используется один и
тот же ключ. Шифратор образует шифртекст, который является функцией
открытого текста, конкретный вид функции шифрования определяется секретным
ключом. Дешифратор получателя сообщения выполняет обратное преобразование
аналогичным образом. Секретный ключ хранится в тайне и передается
отправителем сообщения получателя по каналу, исключающему перехват ключа
криптоаналитиком противника. Обычно предполагается правило Кирхгофа:
стойкость шифра определяется только секретностью ключа,т.е.
криптоаналитику известны все детали процесса шифрования и дешифрования,
кроме секретного ключа.
Открытый текст обычно имеет произвольную длину: если его размер велик
и он не может быть обработан вычислительным устройством шифратора целиком,
то он разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок шифруется в
отдельности, независимо от его положения во входной последовательности.
Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.
На практике обычно используют два общих принципа шифрования:
рассеивание и перемешивание. Рассеивание заключается в распространении
влияния одного символа открытого текста на много символов шифртекста: это
позволяет скрыть статистические свойства открытого текста. Развитием этого
принципа является распространение влияния одного символа ключа на много
символов шифрограммы, что позволяет исключить восстановление ключа по
частям. Перемешивание состоит в использовании таких шифрующих
преобразований, которые исключают восстановление взаимосвязи
статистических свойств открытого и шифрованного текста. Распространенный
способ достижения хорошего рассеивания состоит в использовании составного
шифра, который может быть реализован в виде некоторой последовательности
простых шифров, каждый из которых вносит небольшой вклад в значительное
суммарное рассеивание и перемешивание. В качестве простых шифров чаще всего
используют простые подстановки и перестановки. Известны также методы
аналитического преобразования, гаммирования, а также метод комбинированного
шифрования.
Защита информации
методом комбинированного шифрования.
Важнейшим требованием к системе шифрования является стойкость данной
системы. К сожалению, повышение стойкости при помощи любого метода
приводит, как правило, к трудностям и при шифровании открытого текста и при
его расшифровке. Одним из наиболее эффективных методов повышения стойкости
шифр-текста является метод комбинированного шифрования. Этот метод
заключается в использовании и комбинировании нескольких простых способов
шифрования. Так, например, можно использовать метод шифрования простой
перестановкой в сочетании с методом аналитических преобразований или текст,
зашифрованный методом гаммирования, дополнительно защитить при помощи
подстановки.
Рассмотрим пример :
1. Возьмем в качестве открытого текста сообщение :Я пишу курсовую.
Защиим этот текст методом простой перестановки, используя в качестве ключа
слово 'зачет' и обозначая пробел буквой 'ь' :
|З |А |Ч |Е |Т | |А |Е |З |Т |Ч |
|я |ь |п |и |ш | |ь |и |я |ш |п |
|у |ь |к |у |р | |ь |у |у |р |к |
|с |о |в |у |ю | |о |у |с |ю |в |
Выписываем буквы открытого текста под буквами ключа. Затем буквы ключа
расставляем в алфавитном порядке. Выписываем буквы по столбцам и получаем
шифртекст: ььоиууяусшрюпкв.
Полученное сообщение зашифруем с помощью метода подстановки :
Пусть каждому символу русского алфавита соответствует число от 0 до 32, то
есть букве А будет соответствовать 0, букве Б - 1 и т. д. Возьмем также
некое число, например 2, которое будет ключем шифра. Прибавляя к числу,
соответствующему определенному символу, 2, мы получим новый символ,
например если А соответствует 0, то при прибавлении 2 получаем В и так
далее. Пользуясь этим, получаем новый шифртекст : ююркххбхуьтасмд
Итак имея открытый текст : Я пишу курсовую , после преобразований получаем
шифртекст: ююркххбхуьтасмд, используя методы перестановки и замены.
Раскрыть текст расшифровщик сможет, зная, что ключами являются число 2 и
слово 'зачет' и соответственно последовательность их применения.
Дополнения
DES-стандарт США на шифрование данных.
Одним из наилучших примеров криптоалгоритма, разработанного в
соответствии с принципами рассеивания и перемешивания, может служить
принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США стандарт
шифрования данных DES (Data Enscription Standard). Несмотря на интенсивные
и тщательные исследования алгоритма специалистами, пока не найдено
уязвимых мест алгоритма, на основе которых можно было бы предложить метод
криптоанализа, существенно лучший, чем полный перебор ключей. Общее мнение
таково: DES - исключительно хороший шифр.
Криптография известна с древнейших времен (достаточно вспомнить коды
Цезаря) и до недавнего времени оставалась привилегией исключительно
государственных и военных учреждений. Ситуация резко изменилась после
публикации в 1949 году книги К.Шеннона 'Работы по теории информации и
кибернетике'. Криптография стала объектом пристального внимания многих
ученых.
Принятие стандарта шифрования DES явилось мощным толчком к широкому
применению шифрования в коммерческих системах. Введение этого стандарта -
отличный пример унификации и стандартизации средств защиты. Примером
системного подхода к созданию единой крупномасштабной системы защиты
информации является директива Министерства финансов США 1984 года,
согласно которой все общественные и частные организации, ведущие дела с
правительством США, обязаны внедрить процедуру шифрования DES; крупнейшие
банки - Citibank, Chase Manhattan Bank, Manufaktures Hannover Trust, Bank
of America, Security Pacific Bank - также внедрили эту систему.
Министерство энергетики США располагает более чем 30 действующими сетями,
в которых используется алгоритм DES. Министерство юстиции устанавливает
20000 радиоустройств, располагающих средствами защиты на базе DES.
Стандартизация в последнее время приобретает международный характер,
подтверждение тому - международный стандарт 1987 года ISO 8372,
разработанный на основе криптоалгоритма DES.
В качестве стандартной аппаратуры шифрования можно назвать
устройство Cidex-НХ, базирующееся на алгоритме DES; скорость шифрования -
от 56 Кбит/с до 7 Мбит/с. Серийно выпускается автономный шифровальный блок
DES 2000, в нем также используется процедура шифрования DES; скорость
шифрования - от 38,4 Кбит/с до 110Кбит/с. В различных секторах
коммерческой деятельности используется процессор шифрования/дешифрования
данных FACOM 2151А на основе алгоритма DES; скорость - от 2,4 Кбит/с до
19,2 Кбит/с. С распространением персональных компьютеров наиболее
эффективными для них стали программные средства защиты. Так, разработан
пакет программ для шифрования/дешифрования информации СТА (Computer
Intelligence Access), реализующий алгоритм DES. Этот же алгоритм
использован в пакете SecretDisk (C F Systems) для исключения
несанкционированного доступа к дискам.
Таким образом, алгоритм DES представляет собой основной механизм,
применявшийся частными и государственными учреждениями США для защиты
информации. В то же время Агенство национальной безопасности,
выступающее как эксперт по криптографическим алгоритмам, разрабатывает
новые алгоритмы шифрования данных для массового использования. В 1987
году Национальное бюро стандартов после обсуждения подтвердило действие
DES; его пересмотр намечалось провести не позднее января 1992 года, и на
сегодняшний день действие DES ограничивается исключительно коммерческими
системами. DES может быть реализован аппаратно и программно, но базовый
алгоритм всё же рассчитан на реализацию в электронных устройствах
специального назначения. Самым существенным недостатком DES считается малый
размер ключа.Стандарт в настоящее время не считается неуязвимым, хотя и
очень труден для раскрытия (до сих пор не были зарегистрированы случаи
несанкционированной дешифрации. Ещё один недостаток DES заключается в том,
что одинаковые данные будут одинаково выглядеть в зашифрованном тексте.
ГОСТ 28147-89 - отечественный стандарт шифрования данных.
В России установлен единый алгоритм криптографического преобразования
данных для систем обработки информации в сетях ЭВМ, отделительных
комплексах и ЭВМ, который определяется ГОСТ 28147-89.
Алгоритм криптографического преобразования данных предназначен для
аппаратной или программной реализации, удовлетворяет криптографическим
требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности
защищаемой информации.
Чтобы получить подробные спецификации алгоритма криптографического
преобразования, следует обратиться к ГОСТ 28147-89. Безусловно,
приведенный ниже материал не должен ни при каких условиях использоваться
для программной или аппаратной реализации алгоритма криптографического
преобразования.
При описании алгоритма используются следующие обозначения:
Если L и R - это последовательности бит, то LR будет обозначать
конкатенацию последовательностей L и R. Под конкатенацией
последовательностей L и R понимается последовательность бит, размерность
которой равна сумме размерностей L и R. В этой последовательности биты
последовательности R следуют за битами последовательности L. Конкатенация
битовых строк является ассоциативной, т.е. запись ABCDE обозначает, что за
битами последовательности А следуют биты последовательности В, затем С и
т.д.
Символом (+) будет обозначаться операция побитового сложения по модулю
2, символом [+] - операция сложения по модулю ( 2 в 32 степени) двух 32-
разрядных чисел. Числа суммируются по следующему правилу:
A [+] B = A + B , если A + B <> (2 в 32 степени),
A [+] B = A + B - ( 2 в 32 степени), если A + B = 2 в 32
Символом {+} обозначается операция сложения по модулю ((2 в а532а0) -1)
двух 32 разрядных чисел. Правила суммирования чисел следующие:
A {+} B = A + B, если A + B <> ((2 в 32) - 1)
A {+} B = A + B - ((2 в 32) - 1), если A + B = (2 в 32) - 1
Алгоритм криптографического преобразования предусматривает несколько
режимов работы. Но в любом случае для шифрования данных используется ключ,
который имеет размерность 256 бит и представляется в виде восьми 32-
разрядных чисел Х(i). Если обозначить ключ через W, то
W =X(7)X(6)X(5)X(4)X(3)X(2)X(1)X(0)
Расшифрование выполняется по тому же ключу, что и зашифрование, но
этот процесс является инверсией процесса зашифрования данных.
Первый и самый простой режим - замена. Открытые данные, подлежащие
зашифрованию, разбивают на блоки по 64 бит в каждом, которые можно
обозначить Т(j).
Очередная последовательность бит Т(j) разделяется на две
последовательности В(О) (левые или старшие биты) и А(О) (правые или
младшие биты), каждая из которых содержит 32 бита. Затем выполняется
итеративный процесс шифрования, который описывается следующими
формулами:
1. A(i)=f(A(i-1) [+] X(j) (+) B(i-1)),
и B(i)=A(i-1),
если i=1,2,...,24,j=(i-1) mod 8;
2. A(i)=f(A(i-1) [+] X(j) (+) B(i-1)),
и B(i)=A(i-1),
если i=25,26,...,31,j=32-i;
3. A(32)=A(31),
и B(32)=f(A(31) [+] X(0)) (+) B(31),
если i=32.
Здесь i обозначается номер итерации (i=1,2,...,32). Функция f
называется функцией шифрования. Ее аргументом является сумма по модулю 2 в
а532а0 числа А(i), полученного на предыдущем шаге итерации, и числа Х(j)
ключа (размерность каждого из этих чисел равна 32 знакам).
Функция шифрования включает две операции над полученной 32-
разрядной суммой. Первая операция называется подстановкой К. Блок
подстановки К состоит из восьми узлов замены К(1) ... К(8) с памятью 64 бит
каждый. Поступающий на блок подстановки 32-разрядный вектор разбивается на
восемь последовательно идущих 4-разрядный вектор соответствующим узлом
замены, представляющим собой
таблицу из шестнадцати целых чисел в диапазоне 0....15.
Входной вектор определяет адрес строки в таблице, число из которой
является выходным вектором. Затем 4-разрядные выходные векторы
последовательно объединяются в 32-разрядный вектор. Таблицы блока
подстановки К содержит ключевые элементы, общие для сети ЭВМ и редко
изменяемые.
Вторая операция - циклический сдвиг влево 32-разрядного вектора,
полученного в результате подстановки К. 64-разрядный блок зашифрованных
данных Тш представляется в виде
Тш = А(32) В(32)
Остальные блоки открытых данных в режиме простой замены
зашифровываются аналогично.
Следует иметь в виду, что режим простой замены допустимо использовать
для шифрования данных только в ограниченных случаях. К этим случаям
относится выработка ключа и зашифрование его с обеспечением имитозащиты для
передачи по каналам связи или хранения в памяти ЭВМ.
Следующий режим шифрования называется режимом гаммирования. Открытые
данные, разбитые на 64-разрядные блоки Т(i) (i=1,2,...,m},
(где m определяется объемом шифруемых данных), зашифровываются в режиме
гаммирования путем поразрядного сложения по модулю 2 с гаммой шифра
Гш, которая вырабатывается блоками по 64 бит, т.е.
Гш = ( Г(1),Г(2), ...,Г(i), ...,Г(m) ).
Число двоичных разрядов в блоке Т(m) может быть меньше 64, при этом
неиспользованная для шифрования часть гаммы шифра из блока Г(m)
отбрасывается.
Уравнение зашифрования данных в режиме гаммирования может быть
представлено в следующем виде:
Ш(i)=A(Y(i-1) [+] C2),
Z(i-1) {+ }C1 (+) T(i)=Г(i) (+) T(i).
В этом уравнении Ш(i) обозначает 64-разрядный блок зашифрованного
текста, А - функцию шифрования в режиме простой замены (аргументами этой
функции являются два 32-разрядного числа), С1 и С2 - константы, заданные
в ГОСТ 28147-89. Величины Y(i) и Z(i) определяются итерационно по мере
формирования гаммы, следующим образом:
(Y(0),Z(0))=A(S),
где S - 64-разрядная двоичная последовательность (синхропосылка);
(Y(i),Z(i))=(Y(i-1) [+] C2,Z(i-1) {+} C1),
для i=1,2,..,m
Расшифрование данных возможно только при наличии синхропосылки,
которая не является секретным элементом шифра и может храниться в памяти
ЭВМ или передаваться по каналам связи вместе с зашифрованными данными.
Режим гаммирования с обратной связью очень похож на режим
гаммирования. Как и в режиме гаммирования, открытые данные, разбитые на 64-
разрядные блоки Т(i) (i=1,2,....,m), где m определяется объемом шифруемых
данных), зашифровывается путем поразрядного сложения по модулю 2 с гаммой
шифра Гш, которая вырабатывается блоками по 64 бит:
Гш=(Г(1),Г(2),...,Г(i),...,Г(m)).
Число двоичных разрядов в блоке Т(m) может быть меньше 64, при этом
неиспользованная для шифрования часть гаммы шифра из блока Г(m)
отбрасывается.
Уравнение зашифрования данных в режиме гаммирования с обратной связью
может быть представлено в следующем виде:
Ш(1) = A(S) (+) T(1) = Г(1) (+) T(1),
Ш(i) = A(Ш(i-1)) (+) T(i) = Г(i) (+) T(i),
для i=2,3,...,m
Здесь Ш(i) обозначает 64-разрядный блок зашифрованного текста, А -
функцию шифрования в режиме простой замены. Аргументом функции на первом
шаге итеративного алгоритма является 64-разрядный синхропосылка, а на всех
последующих - предыдущий блок зашифрованых данных Ш(i-1).
В ГОСТ 28147-89 определяется процесс выработки имитовставки, который
единообразен для любого из режимов шифрования данных. Имитовставка -
это блок из p бит ( имитовставка Иp), который вырабатывается любо перед
шифрованием всего сообщения, либо параллельно с шифрованием по блокам.
Первые блоки открытых данных, которые участвуют в выработке имитовставки,
могут содержать служебную информацию (например, адресную часть, время,
синхропосылку) и не зашифровываться. Значение параметра p (число двоичных
разрядов в имитовставке) определяется криптографическими требованиями с
учетом того, что вероятность навязывания ложных помех равна 1/2а5р
Для получения имитовставки открытые данные представляются в виде 64-
разрядных блоков Т(i) (i=1,2,..., m где m определяется объемом шифруемых
данных). Первый блок открытых данных Т(1) подвергается преобразованию,
соответствующему первым 16 циклам алгоритма зашифрования в режиме
простой замены. Причем в качестве ключа для выработки имитовставки
используется ключ, по которому
шифруются данные.
Полученное после 16 циклов работы 64-пазрядное число суммируется по
модулю 2 со вторым блоком открытых данных Т(2). Результат суммирования
снова подвергается преобразованию, соответствующему первым 16 циклам
алгоритма зашифрования в режиме простой замены.
Полученное 64-разрядное число суммируется по модулю 2 с третьим
блоком открытых данных Т(3) и т.д. Последний блок Т(m), при необходимости
дополненный до полного 64-разрядного блока нулями, суммируется по модулю 2
с результатом работы на шаге m-1, после чего зашифровывается в режиме
простой замены по первым 16 циклам работы алгоритма. Из полученного 64-
разрядного числа выби
рается отрезок Ир длиной р бит.
Имитовставка Ир передается по каналу связи или в память ЭВМ после
зашифрованных данных. Поступившие зашифрованные данные расшифровываются и
из полученных блоков открытых данных Т(i) вырабатывается имитовставка Ир,
которая затем сравнивается с имитовставкой Ир, полученной из канала связи
или из памяти ЭВМ. В случае несовпадения имитовставок все расшифрованные
данные считаются ложными. Алгоритм криптографического
преобразования,являющийся отечественным стандартом и определяемый ГОСТ
28147-89,свободен от недостатков стандарта DES и в то же время облаадает
всеми его преимуществами.Кроме того в него заложен метод,с помощью
которого можно зафиксировать необнаруженную случайную или умышленную
модификацию зашифрованной информации.
Однако у алгоритма есть очень существенный недостаток,который
заключается в том,что его программная реализация очень сложна и
практически лишена всякого смысла.
