Информатика, кибернетика и программирование

Шифрование это преобразование данных в нечитабельную форму используя ключи шифрования расшифрования дешифрования. Она состоит из: одного или более алгоритмов шифрования математических формул; ключей используемых этими алгоритмами шифрования; системы управления ключами; незашифрованного текста; и зашифрованного текста шифртекста. Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей симметричная и асимметричная. Симметричная секретная методология где и для шифрования и для расшифровки...

1. Основы криптографии.

Необходимость серьезного подхода к защите информации приводит нас к основным понятиям криптографии, понятиям «цифровой защиты», «цифровой подписи» и шифрования.

Криптография - это наука об обеспечении безопасности данных. Она занимается поисками решений четырех важных проблем безопасности - конфиденциальности, аутентификации, целостности и контроля участников взаимодействия. Шифрование - это преобразование данных в нечитабельную форму, используя ключи шифрования - расшифрования (дешифрования). Шифрование позволяет обеспечить конфиденциальность, сохраняя информацию в тайне от того, кому она не предназначена.

Криптосистема работает по определенной методологии (процедуре). Она состоит из: одного или более алгоритмов шифрования (математических формул); ключей, используемых этими алгоритмами шифрования; системы управления ключами; незашифрованного текста; и зашифрованного текста (шифртекста).

2. Симметричное и асимметричное шифрование.

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, где и для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (рис.1.3.). Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровании автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель - единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей.

Рис. 1.3.

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология являются, например, сети банкоматов. Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются

Из симметричных алгоритмов шифрования широкое распространение получил алгоритм шифрования DES (изобретенный фирмой IBM), который рекомендован к использованию в открытых секторах экономики США. Этот алгоритм был изначально обречен на лимитированную продолжительность жизни, вследствие ограничения длинны ключа до 56 битов. В настоящее время профессионал способен взломать такой ключ за плату вполне приемлемую для бюджетов многих стран и корпораций.

Положение усугубляется тем, что по законодательству США к экспорту в качестве программных продуктов разрешены системы шифрования с ключом не более 40 бит. Т.е. покупая шифросистему с ключом 1024 или 2048, и более бит надо знать, что при смене ключа активной (изменяющейся) частью будет часть ключа в 40 бит. Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпроментирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема, связана с этой методологией, и состоит она в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав Асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим . Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный (закрытый) и открытый ключи).

Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете.

Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя , а расшифровать его может только владелец секретного ключа .

Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных. Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями. Это похоже на коробку с двумя дверцами с разных сторон. Каждая такая дверца имеет свой замок. В коробку кладут документ, запирают, отпирают с другой стороны ключом получателя.

Такой алгоритм криптографической защиты получил название RSA . Название составлено из первых букв фамилий 3 американских математиков, разработавших алгоритм. Использовалась теория простых чисел.

Все асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования. RSA превратился в промышленный стандарт алгоритма с асимметричными ключами, используемый в бизнесе для цифровой подписи и шифрования.

3. Ц ифровая подпись.

Ц ифровая подпись защищает документ от изменений или подмены и гарантирует тем самым его достоверность. Она представляет собой строку, где в закодированном виде отражены атрибуты документа (контрольная сумма файла и т.д.) и его содержание так, что всякое изменение файла при неизменной подписи обнаруживается.

Когда документ (вложение письма) защищается ЦП, то эта ЦП учитывает не только документ, но и еще закрытый ключ отправителя и открытый ключ получателя. Только владелец закрытого ключа может правильно подписать текст документа.

Для проверки ЦП документа получатель использует (применяя специальную утилиту) открытый ключ отправителя. Никакие другие пары ключей не годятся для проверки. Таким образом, в отличие от обычной подписи, ЦП зависит от документа и еще ключей отправителя. Вот почему она на несколько порядков превосходит обычные подпись и печать.

ЦП лишь удостоверяет подлинность документа, но не защищает его от несанкционированного прочтения.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования в сложности замены скомпроментированого ключа, а недостатки асимметричной системы шифрования в относительно низкой скорости работы.

В настоящее время распространение получили системы шифрования, использующие комбинированный алгоритм, позволяющий при высокой скорости шифрования, присущей DES использовать открытую пересылку ключей шифрования (как в RSA ).

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения. Сообщение шифруется с использованием этого временного симметричного сеансового ключа. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. Поскольку сеансовый ключ гораздо короче самого сообщения время его шифрования будет сравнительно небольшим. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю. Получатель использует тот же самый асимметричный алгоритм шифрования и свой секретный ключ для расшифровки сеансового ключа, а полученный сеансовый ключ используется для расшифровки самого сообщения.

4. Обработка информации по комбинированному алгоритму.

Последовательность обработки информации по комбинированному алгоритму представлена ниже на (рис.4.1).

Создаются асимметричные открытые и секретные ключи Секретный асимметричный ключ остается у владельца. Отправитель и получатель информации обмениваются открытыми асимметричными ключами.

Создается электронная подпись текста. Полученное значение шифруется с использованием асимметричного секретного ключа отправителя, а затем полученная строка символов добавляется к передаваемому тексту (только отправитель может создать электронную подпись).

Создается секретный симметричный ключ, который будет использоваться для шифрования только этого сообщения или сеанса взаимодействия (сеансовый ключ).

Затем при помощи симметричного алгоритма шифрования/расшифровки и этого ключа шифруется исходный текст вместе с добавленной к нему электронной подписью - получается зашифрованный текст.

Теперь шифруется сеансовый ключ с использованием асимметричного алгоритма шифрования-расшифровки и асимметричного открытого ключа получателя.

Зашифрованный сеансовый ключ присоединяется к зашифрованному тексту (который включает в себя, также добавленную ранее электронную подпись).

Весь полученный пакет данных (зашифрованный текст, в который входит помимо исходного текста его электронная подпись, и зашифрованный сеансовый ключ) передается получателю.

Получатель совершает действия в обратном порядке. Сначала нужно решить проблему с расшифровкой сеансового ключа. Он выделяет зашифрованный сеансовый ключ из полученного пакета. Используя свой секретный ключ и тот же самый асимметричный алгоритм шифрования, получатель расшифровывает сеансовый ключ.

Получатель применяет тот же самый симметричный алгоритм шифрования-расшифровки и расшифрованный симметричный (сеансовый) ключ к зашифрованному тексту и получает исходный текст вместе с электронной подписью.

Получатель отделяет электронную подпись от исходного текста.

Проверяется цифровая подпись текста с использованием открытого ключа отправителя и асимметричного алгоритма шифрования-расшифровки.

Если она признается достоверной, текст не был изменен.

Удачным примером такой комбинированной системы можно признать продукты Notarius и Athena фирмы «Ланкрипто». Отличие от описанной схемы в том, что алгоритм электронной подписи и шифрования разбиты на две независимые процедуры и при изготовлении симметричного сеансового ключа шифрования в ключ добавляется случайное число «маркант». Затем этот «маркант» добавляют к тексту уже зашифрованного сообщения и в открытом виде пересылают корреспонденту для дешифрации сообщения. Тот, получив сообщение, отцепляет «маркант» и с помощью своего секретного и открытого ключа отправителя и «марканта» создает симметричный ключ дешифрации полученного сообщения. Так как «маркант» меняется от сеанса к сеансу, даже имея расшифрованный текст сообщения невозможно предугадать ключ следующего сеанса.

Основной принцип системы открытых и закрытых ключей состоит в том, что «Раз» может подписать документ и зашифровать его на «Два». «Два» может расшифровать документ, зная, что он от «Раз», проверить подпись «Раз». Но компьютер «Два» не может подписать документ подписью «Раз» и не может зашифровать документ от «Раз» на себя, т.е. фальсифицировать документ от «Два» он не сможет.

Как защищать открытые ключи от подмены

В криптосистемах с открытыми ключами вам не нужно защищать открытые ключи от несанкционированного доступа. Наоборот, чем шире они распространяются, тем лучше. Однако важно защитить открытые ключи от подделки, чтобы быть уверенным в том, что ключ действительно принадлежит тому, чье имя он несет.

Предположим, вы хотите отправить приватное сообщение Алис. Вы подгружаете открытый ключ Алис с какой-нибудь электронной доски объявлений (BBS). Вы шифруете свое письмо Алис ее открытым ключом и отправляете его через систему электронной почты той же BBS.

К несчастью, незаметно для вас или Алис другой пользователь, по имени Виктор, проникает на BBS и генерирует открытый ключ, несущий идентификатор пользователя Алис. Он тайно подменяет своим фальшивым ключом настоящий открытый ключ Алис. Вы неосторожно используете этот фальшивый ключ, принадлежащий Виктору, вместо открытого ключа Алис. Все выглядит нормально, потому что фальшивый ключ несет идентификатор пользователя Алис. Теперь Виктор может расшифровать сообщение, предназначенное Алис, поскольку обладает секретным ключом из фальшивой пары. Он даже может затем снова зашифровать расшифрованное им сообщение настоящим ключом Алис и отправить ей, так что никто ничего не заметит. Более того, он даже сможет потом накладывать от имени Алис подпись, которая будет казаться подлинной, так как все будут использовать для ее верификации фальшивый ключ.

Единственный способ предотвратить такую неприятность - это исключить возможность подделки открытых ключей. Если вы получили открытый ключ Алис непосредственно от нее, проблем не возникает. Но это может быть затруднительным, если Алис находится на расстоянии тысячи миль, или по другим причинам с ней невозможно встретиться лично.

Возможно, открытый ключ Алис может передать вам ваш общий друг Генри, которому вы оба доверяете и который знает, что обладает подлинным ключом Алис. Генри может подписать открытый ключ Алис, ручаясь, таким образом, за его целостность. Для подписи он должен использовать свой собственный закрытый ключ.

Эта процедура создает подписанный сертификат открытого ключа, который подтверждает, что ключ Алис не был подделан. Конечно, для того чтобы вы могли проверить правильность подписи Генри, необходимо, чтобы у вас была заведомо правильная копия его открытого ключа. Возможно, Генри может также передать Алис подписанную копию вашего ключа. Генри, таким образом, будет служить посредником между вами и Алис.

Этот подписанный сертификат открытого ключа Алис или Генри могут подгрузить на BBS, откуда вы можете его позднее скопировать. Так как вы в состоянии проверить подпись Генри с помощью его открытого ключа, вы можете быть уверены, что это - действительно ключ Алис. Никакой злодей не сможет обмануть вас, заставив поверить, что изготовленный им фальшивый ключ принадлежит Алис, поскольку никто не может подделать подпись Генри.

Пользующееся широким доверием лицо может даже специализироваться на посредничестве между пользователями, заверяя своей подписью сертификаты их открытых ключей. Это пользующееся доверием лицо может считаться "доверенным сертификатором". Любому публичному ключу, заверенному подписью уполномоченного сертификатора, можно доверять в том смысле, что он принадлежит тому, чье имя он несет. Все пользователи, желающие участвовать в реализации такой сети распределенного доверия, должны обладать заведомо верной копией ключа уполномоченного сертификатора с тем, чтобы подпись последнего могла быть проверена. В некоторых случаях доверенный сертификатор может также поддерживать сервер ключей, обеспечивая пользователям сети возможность искать открытые ключи с помощью запросов к серверу ключей, однако необязательно, чтобы тот, кто поддерживает сервер ключей, был также и тем, кто их сертифицирует.

Единый уполномоченный сертификатор особенно подходит для больших централизованно управляемых организаций, правительственных или корпоративных. Некоторые организационные среды используют иерархии доверенных сертификаторов.

Для децентрализованных сред более походящим, чем создание централизованного доверенного сертификатора, вероятно, будет предоставление всем пользователям возможности действовать в качестве посредников.

А как же решается проблема безопасного обновления и передачи ключей по незащищенным телекоммуникационным каналам? В США она решается таким образом:

Безопасно создаются и распространяются асимметричные открытые и секретные ключи. Секретный асимметричный ключ передается его владельцу. Открытый асимметричный ключ хранится в базе данных X.500 и администрируется центром выдачи сертификатов (по-английски - Certification Authority или CA).

Отправитель должен иметь асимметричный открытый ключ центра выдачи сертификатов (CA). Перехват незашифрованных запросов на получение этого открытого ключа является распространенной формой атаки. Может существовать целая система сертификатов, подтверждающих подлинность открытого ключа CA. Стандарт X.509 описывает ряд методов для получения пользователями открытых ключей CA, но ни один из них не может полностью защитить от подмены открытого ключа CA, что наглядно доказывает, что нет такой системы, в которой можно было бы гарантировать подлинность открытого ключа CA.

Отправитель запрашивает у CA асимметричный открытый ключ получателя сообщения. Этот процесс уязвим к атаке, в ходе которой атакующий вмешивается во взаимодействие между отправителем и получателем и может модифицировать трафик, передаваемый между ними. Поэтому открытый асимметричный ключ получателя "подписывается" CA. Это означает, что CA использовал свой асимметричный секретный ключ для шифрования асимметричного открытого ключа получателя. Только CA знает асимметричный секретный ключ CA, поэтому есть гарантии того, что открытый асимметричный ключ получателя получен именно от CA.

После получения асимметричный открытый ключ получателя расшифровывается с помощью асимметричного открытого ключа CA и алгоритма асимметричного шифрования/расшифровки.

Таким образом, два лица, не состоящие ранее в переписке и не имеющие общего ключа шифрования, способны вести секретную переписку.

В настоящее время в законодательном порядке запрещен экспорт (и импорт) средств цифровой защиты, так что в каждой стране применяется собственные реализации алгоритмов. Цифровая защита реализована либо на программном либо на аппаратном уровне (в виде плат расширения). Если e-mail снабжена пакетом цифровой защиты, то можно подписать и затем зашифровать любую или все части письма, наложить свою подпись на уже подписанный другими документ, проверить подпись и т.д.

Если совсем недавно криптография была прерогативой отдельных государственных структур то сегодня, практически все согласны с тем, что и организации, и частные лица ощущают потребность в доступе к шифровальным технологиям. По мере распространения Интернет люди все чаще и чаще прибегают к услугам компьютеров и телефонных сетей, как в личных, так и в деловых целях, и шифрование является основой для возведения стены секретности вокруг этих коммуникаций.

5. Сертификация криптографических средств.

Криптографические средства защиты применяются давно, но в последнее время по ряду причин у всех на устах слова «лицензия», «сертификат», Гостехкомиссия, ФАПСИ. При этом мало кто внятно может объяснить, что именно можно делать для защиты своей информации, а за что вас могут привлечь к ответственности.

Сертификация - выдача фирме производителю средств защиты информации документа, подтверждающего, что программный пакет разработанный фирмой соответствует высоким требованиям рынка (т.е. раскрыть зашифрованный документ совсем не просто), а следовательно программный продукт может быть продан.

Для того чтобы выпускать сертифицированные продукты фирма должна получить лицензию на такую деятельность. Лицензии и сертификаты в области криптографических средств выдают ФАПСИ и Гостехкомиссия. Покупать криптографические средства лучше только сертифицированные у фирм имеющих лицензию на такого рода деятельность. В законодательной сфере сейчас действует указ Президента РФ номер 334 обязующий госучреждения применять только сертифицированные средства шифрования и закон об информации гласящий, что для защиты несекретной и негрифованной информации (любой своей) можно применять любые средства шифрования.

Что же касается применения банками криптографических систем, то тут полная анархия. Что вообще-то неплохо. Дело в том, что в настоящее время отсутствуют требования к коммерческим банкам со стороны ЦБР и других органов государственной власти по обязательному применению шифровальных средств, методы защиты информации в данной области не регламентируются.

Не установлена также обязательность применения коммерческими банками сертифицированных средств электронного обмена с клиентами.

Вместе с тем, законодательно установлена обязанность пользователей, распространителей и разработчиков сертифицировать в соответствующих госорганах все применяемые средства защиты информации. Указ номер 334 гласит: «… Запретить деятельность юридических и физических лиц связанных с разработкой, реализацией и эксплуатацией шифровальных средств без лицензий выданных ФАПСИ». Правда этот указ не действует, но пока его никто не отменял. То - есть, если вы имели несчастье приобрести сертифицированные ФАПСИ средства шифрования, то вы обязаны получить в ФАПСИ лицензию на их использование. Такую же лицензию должны, соответственно, получить и те, с кем вы обмениваетесь шифрованными сообщениями.

Согласно практике применения законодательства аттестация и сертификация пользователей обязательна лишь для государственных структур и структур работающих с гостайной. Для коммерческих структур более подходит Закон РФ о Банках и Банковской деятельности. Риск, связанный с использованием несертифицированных информационных систем и средств их обеспечения, лежит на собственнике (владельце) этих систем и средств. Применение сертифицированных средств защиты информации является обязательным условием при рассмотрении спорных вопросов с судебном порядке.

Ответственность банка перед клиентом за утечку информации в каналах связи сохраняется вне зависимости от средств и способов защиты информации. Применение сертифицированного средства в принципе позволяет возложить ответственность за утечку и хищение информации на сертифицирующие органы.

Таким образом, коммерческие банки в отношениях с клиентами имеют право применять несертифицированные ФАПСИ системы электронного обмена (документооборота) при условии, что в таких системах официально не предусмотрены средства шифрования. Юридическая ответственность наступает только в том случае, когда средства шифрования становятся предметом предпринимательской деятельности. Чтобы ни банку, ни его клиентам не морочить себе голову с лицензированием использования шифровальных средств, в системах «Банк-Клиент» необходимо во всех договорах слова «шифрование» заменить на «кодирование» и далее жить спокойно. Закон, что столб – нельзя перепрыгнуть, но обойти просто.

С Электронной Цифровой Подписью (ЭЦП) дела обстоят несколько проще. Закон об электронной цифровой подписи гласит, что электронная цифровая подпись в электронном документе равнозначна собственноручной подписи в документе на бумажном носителе, в случаях, установленных законами и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации или соглашением сторон (то есть необходимо соглашение или обычный договор, подписанный и заверенный мастичной печатью о признании сторонами ЭЦП). Также как и для шифрования, обязательным условием при рассмотрении спорных вопросов в судебном порядке является применение сертифицированных средств ЭЦП.

Этот же закон большое внимание уделяет удостоверяющим центрам.

Удостоверяющий центр:

Изготавливает сертификаты ключей подписей;

Создает ключи электронных цифровых подписей по обращению участников информационной системы с гарантией сохранения в тайне закрытого ключа электронной цифровой подписи;

Приостанавливает и возобновляет действие сертификатов ключей подписей, а также аннулирует их;

Ведет реестр сертификатов ключей подписей, обеспечивает его актуальность и возможность свободного доступа к нему участников информационных систем;

Проверяет уникальность открытых ключей электронных цифровых подписей в реестре сертификатов ключей подписей и архиве удостоверяющего центра;

Выдает сертификаты ключей подписей в форме документов на бумажных носителях и (или) в форме электронных документов с информацией об их действии;

Осуществляет по обращениям пользователей сертификатов ключей подписей подтверждение подлинности электронной цифровой подписи в электронном документе в отношении выданных им сертификатов ключей подписей.

Так, что и здесь, во всех договорах о признании ЭЦП участниками договора, слова «Электронная цифровая подпись», лучше заменить на «Цифровая подпись».

Чтобы предостеречь от использования встроенных в базы данных средств шифрования, упомянем лишь один интересный факт. Есть компания, называемая AccessData, в штате Юга США с телефоном 1-800-658-5199. Она всего за $185 продает пакет программ для персональных ЭВМ, взламывающий встроенные схемы шифрования WordPerfect, Word, Lotus 1-2-3, Excel, Quattro Pro, Paradox и Oracle. Программы шифрования похожи на лекарства. Пилюля, полученная от шарлатана, обычно выглядит точно так же, как целительное снадобье.

6. Дальнейшее развитие криптографических средств.

Так, что же дальше? Создание кода, сложного настолько, чтобы никакая интенсивная компьютерная атака не смогла взломать его, является пределом земных и небесных желаний криптографов всего мира. Цель эта достигается добавлением новых битов кода к «секретному ключу», что каждый раз удваивает надежность защиты. «Надежная защита» на сегодняшний день означает только то, что взломщику потребуется слишком много времени, чтобы подобрать отмычку, — ни о чем другом речи не идет. И все бы было хорошо, но прогресс не стоит на месте: Однако разработчики из I ВМ полагают, что они нашли интересное решение проблемы сильной криптозащиты. Они использовали квантовую физику для того, чтобы обеспечить абсолютно защищенный метод передачи ключа

Квантовая физика, как известно, область темная и очень продвинутая, имеющая дело со свойствами субатомных структур. Использование её достижений позволило разработчикам добавить новый уровень защиты к стандартной технологии шифрования с открытым ключом за счет трансляции битов ключа в «квантовые биты», квантбиты или «кьюбиты». Состояния и изменение состояний квантбитов описываются весьма сложными математическими формулами. На качестве шифрования это сказывается самым непосредственным образом - число возможных вариантов увеличивается экспоненциально. Бит в стандартном компьютере представлен одной цифрой — нулем или единицей. Не так с квантбитом. Последний, будучи представлен частицей или фотоном, может существовать одновременно и как ноль, и как единица. Для осуществления квантового шифрования бит превращается в фотон, передается через оптоволоконный кабель на компьютер получателя, затем транслируется обратно в стандартный бит и читается. Основная тонкость в том, что, не в пример стандартному биту, квантбит не может быть ни скопирован, ни прочитан, ни даже просмотрен третьей стороной без того, чтобы не изменить его состояния и привести, таким образом, код в негодность. Если в систему вмешивается сторонний наблюдатель, состояние ее немедленно изменяется, и отправитель понимает, что кто-то пытался просмотреть сообщение.

И I ВМ, и N Т, и Los Alamos National Labs , все в настоящее время ударились в разработку методов, позволяющих использовать достижения квантовой физики для передачи шифрованных сообщений в системах космического и военного использования. В I ВМ работают над созданием подобных систем для банков и институтов электронной коммерции.

Однако положение дел с квантовым шифрованием вдохновляет далеко не всех. То есть - вдохновляет в основном теоретиков. «Честно говоря, квантовая физика в настоящее время лежит за пределами уровня понимания большинства людей, — говорят эксперты по вопросам шифрования, — поэтому трудно представить, чтобы кто-то кинулся сейчас же производить необходимое оборудование. По крайней мере, в ближайшие годы этого, не произойдет». Некоторые специалист, вообще уверен, что проблема конфиденциальной информации из точки А в точку Б на сегодняшний день решена. Они уверены, что в обозримом будущем надобности для технологий квантового шифрования пока нет, а технологии RSA , способные создавать ключи длиною до 2048 бит, пока еще вполне надежны. Хотя в январе 1998 года Electronic Frontier Foundation и дешифровала за 22,5 часа сообщение, закодированное по 56-битному стандарту DES (настоящее время является максимально допустимым для экспорта из США стандартом технологий шифрования), эксперты считают этот случай непоказательным. «Одно дело крэкнуть 56-битный стандарт, — говорит они, — взломать сообщение со 128-битным ключом примерно в миллиард или даже в триллион раз сложнее, Не думаем, что в течение нашей жизни появится компьютер, который сможет сотворить такое».

Несмотря на такие прогнозы, быстрое развитие технологий вообще и технологий шифрования, равным, образом, как и технологий взлома шифрованных кодов в частности, заставляют I ВМ и Los Alamos National Labs двигаться дальше по пути создания новых технологий шифрования, в сторону квантовых шифров. Для того чтобы взломать квантовый код, взломщику придется сначала нарушить законы физики и только затем подобрать нужные цифры. Хотя оборудование, необходимое для реализации квантового шифрования, пока еще лежит где-то в области научной фантастики. Рабочая лабораторная версия уже есть. В настоящее время работы идут над тем, чтобы вывести эту технологию из лаборатории и поставить на промышленные рельсы.

Кроме того, в настоящее время серьезно расширилась сфера применения криптографических средств за счет их применения в сетях VPN . В современном компьютеризованном мире основным способом транспортировки информации становится электронный. По линиям связи ныне перемещаются документы, сведения из баз данных, номера кредитных карточек и файлы самого разного содержания. Все это нашло свое место в новой технологии сетей в сетях VPN (Virtual Private Network ). Эта технология позволяет создавать глобальные корпоративные сети большой протяженности где вместо собственных линий связи используется сеть Интернета, информация по которой переносится в зашифрованном виде. Таким образом достигается безопасность информации, передаваемой через незащищенные линии связи. Сети VPN имеют самое различное применение. Они могут связывать удаленный офис с головной организацией, соединять воедино несколько корпоративных сетей. Предоставлять сотрудникам или доверенным клиентам компании доступ внутрь сети компании к конфиденциальной информации.

Электронная подпись

Шифруется Секретным 1

Текст

Секретный ключ 1

Открытый ключ 1

Компьютер “Два ”

Компьютер “Раз ”

Открытый ключ 2

Секретный симметричный

Сеансовый ключ ключ

Текст и подпись шифруется симметричным сеансовым ключом

Шифрованные данные

Шифруем симметричный сеансовый ключ открытым ключом получателя

Текст Электронная

подпись

Шифруется

Секретным 1

Все зашифровано симметричным

сеансовым ключом

К зашифрованному тексту приписан

Зашифрованный Сеансовый ключ

Шифрованные данные

Рис. 4.1.

Существуют две методологии криптографической обработки информации с использованием ключей – симметричная и асимметричная.

Симметричная (секретная) методология, гдеи для шифрования, и для расшифровки, отправителем и получателем применяется один и тот же ключ, об использовании которого они договорились до начала взаимодействия (риc. 2.1). Если ключ не был скомпрометирован, то при расшифровании автоматически выполняется аутентификация отправителя, так как только отправитель имеет ключ, с помощью которого можно зашифровать информацию, и только получатель имеет ключ, с помощью которого можно расшифровать информацию. Так как отправитель и получатель – единственные люди, которые знают этот симметричный ключ, при компрометации ключа будет скомпрометировано только взаимодействие этих двух пользователей.

Рис. 2.1

Алгоритмы симметричного шифрования используют ключи не очень большой длины и могут быстро шифровать большие объемы данных.

Доступными сегодня средствами, в которых используется симметричная методология, являются, например, сети банкоматов. Эти системы являются оригинальными разработками владеющих ими банков и не продаются.

Из симметричных алгоритмов шифрования широкое использование получил алгоритм шифрования DES (изобретенный фирмой IBM), который рекомендован в открытых секторах экономики США. Этот алгоритм был изначально обречен на лимитированную продолжительность жизни вследствие ограничения длинны ключа до 56 битов.

В начале 1997 г. алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит, был брошен вызов. 17 июня 1997 г., через 140 дней ключ был расшифрован. Это означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начале 1998 г., следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES стал полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит.

Положение усугубляется тем, что по законодательству США к экспорту в качестве программных продуктов разрешены системы шифрования с ключом не более 128 бит. То есть, покупая шифросистему с ключом 1024 или 2048 и более бит, надо знать, что при смене ключа активной (изменяющейся) частью будет часть ключа в 128 бит. Симметричные системы шифрования имеют один общий недостаток, состоящий в сложности рассылки ключей. При перехвате ключа третьей стороной такая система криптозащиты будет скомпроментирована. Так при замене ключа его надо конфиденциально переправить участникам процедур шифрования. Очевидно, что этот метод не годится в том случае, когда нужно установить защищенные соединения с тысячами и более абонентов Интернет. Основная проблема состоит в том, как сгенерировать и безопасно передать ключи участникам взаимодействия. Как установить безопасный канал передачи информации между участниками взаимодействия для передачи ключей по незащищенным каналам связи? Отсутствие безопасного метода обмена ключами ограничивает распространение симметричной методики шифрования в Интернет.

Эту проблему постарались разрешить, разработав асимметричную (открытую) методологию шифрования. Она шифрует документ одним ключом, а расшифровывает другим. Каждый из участников передачи информации самостоятельно генерирует два случайных числа (секретный и открытый ключи).

Открытый ключ передается по открытым каналам связи другому участнику процесса криптозащиты, но секретный ключ хранится в секрете.

Отправитель шифрует сообщение открытым ключом получателя , а расшифровать его может только владелец секретного ключа (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Открытый ключ не нужно прятать. Неважно кому известен данный ключ, поскольку он предназначен только для шифрования данных. Этот метод пригоден для широкого применения. Если присвоить каждому пользователю в Интернет свою пару ключей и опубликовать открытые ключи как номера в телефонной книге, то практически все смогут обмениваться друг с другом шифрованными сообщениями. Это похоже на коробку с двумя дверцами с разных сторон. Каждая такая дверца имеет свой замок. В коробку кладут документ, запирают, отпирают с другой стороны ключом получателя. При этом используется теория простых чисел. Такой алгоритм криптографической защиты получил название RSA.

Все асимметричные криптосистемы являются объектом атак путем прямого перебора ключей, и поэтому в них должны использоваться гораздо более длинные ключи, чем те, которые используются в симметричных криптосистемах, для обеспечения эквивалентного уровня защиты. Это сразу же сказывается на вычислительных ресурсах, требуемых для шифрования. RSA превратился в промышленный стандарт алгоритма с асимметричными ключами, используемый в бизнесе для цифровой подписи и шифрования.

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют каждая свои достоинства и недостатки. Недостатки симметричной системы шифрования заключаются в сложности замены скомпрометированного ключа, а недостатки асимметричной системы – в относительно низкой скорости работы. По криптостойкости длине ключа в 128 бит симметричной системы соответствует ключ в 2304 бита асимметричной.

В настоящее время распространение получили системы шифрования, использующие комбинированный алгоритм, позволяющий при высокой скорости шифрования, присущей AES использовать открытую пересылку ключей шифрования (как в RSA).

Для того чтобы избежать низкой скорости алгоритмов асимметричного шифрования, генерируется временный симметричный ключ для каждого сообщения. Сообщение шифруется с использованием этого временного симметричного сеансового ключа. Затем этот сеансовый ключ шифруется с помощью открытого асимметричного ключа получателя и асимметричного алгоритма шифрования. Поскольку сеансовый ключ гораздо короче самого сообщения время его шифрования будет сравнительно небольшим. После этого этот зашифрованный сеансовый ключ вместе с зашифрованным сообщением передается получателю (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Получатель использует тот же самый асимметричный алгоритм шифрования и свой секретный ключ для расшифровки сеансового ключа, а полученный сеансовый ключ используется для расшифровки самого сообщения (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Криптографические системы с открытым ключом в настоящее время широко применяются в различных сетевых протоколах, в частности, в протоколах TLS и его предшественнике SSL (лежащих в основе HTTPS), в SSH. Также используется в PGP, S/MIME.

Асимметричные криптографические системы были разработаны в 1970-х годах. Принципиальное отличие асимметричной криптосистемы от криптосистемы симметричного шифрования состоит в том, что для шифрования информации и ее последующего расшифрования используются различные ключи:

открытый ключ K: используется для шифрования информации, вычисляется из секретного ключа k;

секретный ключ k: используется для расшифрования информации, зашифрованной с помощью парного ему открытого ключа K.

Эти ключи различаются таким образом, что с помощью вычислений нельзя вывести секретный ключ k из открытого ключа K . Поэтому открытый ключ K может свободно передаваться по каналам связи.

Асимметричные системы называют еще двухключевыми криптографическими системами или криптосистемами с открытым ключом.

Обобщенная схема асимметричной криптосистемы шифрования

Для криптографического закрытия и последующего расшифрования передаваемой информации используются открытый и секретный ключи получателя В сообщения. В качестве ключа зашифрования должен использоваться открытый ключ получателя, а в качестве ключа расшифрования – его секретный ключ.

Секретный и открытый ключи генерируются попарно. Секретный ключ должен оставаться у его владельца; он должен быть надежно защищен от несанкционированного доступа (аналогично ключу шифрования в симметричных алгоритмах). Копия открытого ключа должна иметься у каждого абонента криптографической сети, с которым обменивается информацией владелец секретного ключа.

Процесс шифрования и передачи сообщения

Процесс передачи зашифрованной информации в асимметричной криптосистеме осуществляется следующим образом:

1.Подготовительный этап.

Абонент В генерирует пару ключей: секретный ключ k B и открытый ключ К в . Открытый ключ К в посылается абоненту А и остальным абонентам (или делается доступным, например, на разделяемом ресурсе).

2.Использование - обмен информацией между абонентами А и В.

Абонент А зашифровывает сообщение с помощью открытого ключа К В абонента В и отправляет шифротекст абоненту В . Абонент В расшифровывает сообщение с помощью своего секретного ключа k B . Никто другой (в том числе абонент А ) не может расшифровать данное сообщение, так как не имеет секретного ключа абонента В . Защита информации в асимметричной криптосистеме основана на секретности ключа k B получателя сообщения

Односторонние функции

Асимметричные алгоритмы основаны на использовании односторонних функций.

Функция F:X→Y называется односторонней, если выполняются следующие два условия:

существует эффективный алгоритм, вычисляющий F(x) для любого x ∈ X ;

не существует эффективного алгоритма инвертирования функции F , т.е. алгоритма, позволяющего определить значение x по значению F(x) .

«Эффективным» называется полиномиальный алгоритм, т.е. алгоритм, который для получения результата для входа длины n тратит не более P(n) шагов, где P - некоторый полином.

Не любая односторонняя функция не может быть использована для шифрования. Действительно, если преобразовать открытый текст t с помощью односторонней функции: c = F(t) , то расшифровать полученный текст, то есть по c восстановить t , не сможет уже никто, в том числе и законный получатель. Для использования в криптографии необходимо, чтобы задача инвертирования шифрующего преобразования (т.е. вычисления t по F(t) ) была разрешима за приемлемое время, но сделать это мог только тот, кто знает секретный ключ. Такие функции называются односторонними функциями с секретом

Односторонняя функция с секретом - это функция F k : X → Y , зависящая от параметра k ∈ K (этот параметр называется секретом), для которой выполняются следующие условия:

при любом k ∈ K существует эффективный алгоритм, вычисляющий F k (x ) для любого x ∈ X ;

при неизвестном k не существует эффективного алгоритма инвертирования функции F k ;

при известном k существует эффективный алгоритм инвертирования функции F k .

Алгоритм RSA

В криптографической системе с открытым ключом каждый участник располагает как открытым ключом, так и закрытым ключом. В криптографической системе RSA каждый ключ состоит из пары целых чисел. Каждый участник создаёт свой открытый и закрытый ключ самостоятельно. Закрытый ключ каждый из них держит в секрете, а открытые ключи можно сообщать кому угодно или даже публиковать их.

Взаимно простыми числами называются такие числа, которые не имеют ни одного общего делителя, кроме 1.

Функция Эйлера  (p ) от натурального p есть количество чисел, меньших p и взаимно простых с n (число 1 взаимно просто с любым числом).

Если p - простое число, то  (p ) = p - 1.

Если p - простое, a - натуральное число, то  (p a ) = p a - p a -1 .

Если p и q взаимно простые, то  (pq ) =  (p )  (q )

Генерация ключей выполняется по следующему алгоритму:

1. Выбираются два больших простых числа p, q (на сегодняшний день обычно выбирают числа, содержащие от 200 до 400 знаков)

2. вычисляется их произведение n , которое не может быть разложено на множители за разумное время. Данное произведение называется модулем

3 . Вычисляется значение функции Эйлера

φ(n) = φ(pq ) = (p − 1)(q − 1).

4. Выбирается целое число e (1< e <  (n )) , взаимно простое со значением  (n ) . Обычно в качестве e берут простые числа, содержащие небольшое количество единичных бит в двоичной записи, например, простые числа Ферма 17, 257 или 65537. Число e называется открытой экспонентой

5. Вычисляется число d , удовлетворяющее условию:

de 1(mod (n ))

или в другом виде:

de=1+k (n )

Число d называется секретной экспонентой

6. Пара P = (e , n ) публикуется в качестве открытого ключа системы RSA.

7. Пара S = (d , n ) называется секретным ключом RSA и держится в тайне.

1. Шифрование сообщения

Чтобы зашифровать данные по известному ключу P = (e,n) необходимо разбить шифруемый текст на боки, каждый из которых может быть представлен в виде числа M(i) = 0, 1, … , n-1. Далее текст шифруется как последовательность чисел M(i), преобразованных по следующей формуле:

C(i) = M(i)emod(n)

2. Расшифровка сообщения

Чтобы расшифровать сообщение используя секретный ключ P=(d,n) необходимо каждое число из последовательности в зашифрованном сообщении преобразовать по формуле:

M(i) = C(i)dmod(n)

В результате будет получено множество чисел M(i), которое представляет собой исходный текст.

Сегодня в экспертном сообществе наблюдается большое количество споров относительно того, что лучше: симметричное или ассимитричное шифрование. При этом многие пользователи глобальной сети принимают ту или иную точку зрения, в полной мере, не понимая значения данных терминов. Это в свою очередь приводит к ряду проблем. В частности, в разрабатываемую систему внедряются ненужные компоненты либо она остается без должного уровня защиты.

Поэтому ниже мы расскажем, что такое симметричное и асимметричное шифрование простыми словами.

Симметричное шифрование простыми словами

Особенностью симметричного шифрования является наличие одного пароля. По другому его еще именуют ключом.

Итак, алгоритм следующий. Существует некий математический алгоритм шифрования. Ему на вход подается определенный пароль и текст. На выходе мы получаем текст уже в зашифрованном виде. Для получения исходного текста необходимо использовать тот же пароль, который использовался на входе, либо иной с алгоритмом дешифрования.

Если посмотреть на вышеописанную ситуацию под другим углом, то мы видим, что в случае передачи пароля иному лицу, безопасность системы нарушается.

Таким образом, при использовании симметричного шифрования, стоит особое внимание уделять сохранности непосредственно самого пароля. В связи с этим, нельзя передавать пароль никому в открытом виде, он должен быть достаточно сложным, должна быть предусмотрена система оповещения заинтересованных лиц, в случае его утраты.

Необходимо отметить, что несмотря на вышеперечисленные нюансы, симметричное шифрование распространено довольно широко, что обусловлено двумя факторами:

• Простота понимания;
• Отсутствие большой технической нагрузки.

Асимметричное шифрование простыми словами

Ассимитричное шифрование, наоборот, предусматривает использование двух паролей – открытый (публичный ключ) и закрытый (приватный). Открытый, в свою очередь, распространяется между всеми заинтересованными лицами. Закрытый известен только тому, кто принимает информацию и серверу. Таким образом, в некоторой степени, мы наблюдаем равноценность двух ключей.

Важным является то, что алгоритмы, применяемые в ассиметричном шифровании, предоставляют возможность свободного распространения ключей в рамках сети, так как без второго пароля нельзя будет получить доступ к данным.

Этот принцип лежит в основе протокола SSL, позволяющего установить безопасное соединение с пользователями посредством того, что приватный ключ находится на серверной стороне.

Хранить пароли также проще при асимметричном шифровании из-за того, что отсутствует необходимость передачи секретного ключа кому-либо. Его не нужно никому передавать.

Вместе с тем, данный вид шифрования намного более требовательный к ресурсным мощностям компьютера. В том числе, существуют ограничения непосредственно на процесс создания ключей. В связи с этим, в большинстве своем ассиметричное шифрование зачастую используется только в целях аутентификации и идентификации пользователей системы либо в целях генерации цифровых подписей, зашифрованных приватным ключом. Понятно, что такую подпись может проверить каждый путем использования публичного пароля.

Различия симметричного и асимметричного шифрования

Основное отличие между рассматриваемыми видами шифрования является в самом подходе. Поэтому в данном случае, как уже отмечалось выше, нельзя утверждать, что одно лучше другого, не учитывая особенностей использования.

Так, симметричное шифрование наиболее подходит для передачи больших объемов информации. При аналогичном использовании, ассиметричный алгоритм намного медленнее.

Асимметричное шифрование позволяет устанавливать безопасное соединения без особых усилий пользователей. Симметричное шифрование, наоборот, требует от пользователя использования пароля для получения данных.

Модифицировать симметричные алгоритмы легче, так как они конструируются на базе нескольких блоков с математическими функциями преобразования. Ассиметричные, в свою очередь, строятся на математических задачах.

Генерировать пароли в симметричном алгоритме на много проще в отличие от ассиметричных алгоритмов.

Выводы

Учитывая вышеизложенное можно сделать вывод, что сферы применения алгоритмов шифрования разное. Поэтому при использовании симметричного либо асимметричного алгоритма, всегда надо учитывать условия конкретной задачи. В том числе, можно рассматривать возможность использования их гибридов.

Классическая, или одноключевая криптография опирается на использование симметричных алгоритмов шифрования , в которых шифрование и расшифрование отличаются только порядком выполнения и направлением некоторых шагов. Эти алгоритмы используют один и тот же секретный элемент ( ключ ), и второе действие ( расшифрование ) является простым обращением первого (шифрования). Поэтому обычно каждый из участников обмена может как зашифровать, так и расшифровать сообщение. Схематичная структура такой системы представлена на рис. 2.1 .

Рис. 2.1.

На передающей стороне имеются источник сообщений и источник ключей. Источник ключей выбирает конкретный ключ К среди всех возможных ключей данной системы. Этот ключ К передается некоторым способом принимающей стороне, причем предполагается, что его нельзя перехватить, например, ключ передается специальным курьером (поэтому симметричное шифрование называется также шифрованием с закрытым ключом ). Источник сообщений формирует некоторое сообщение М , которое затем шифруется с использованием выбранного ключа. В результате процедуры шифрования получается зашифрованное сообщение Е (называемое также криптограммой). Далее криптограмма Е передается по каналу связи. Так как канал связи является открытым, незащищенным, например, радиоканал или компьютерная сеть , то передаваемое сообщение может быть перехвачено противником. На принимающей стороне криптограмму Е с помощью ключа расшифровывают и получают исходное сообщение М .

Если М – сообщение, К – ключ , а Е – зашифрованное сообщение, то можно записать

то есть зашифрованное сообщение Е является некоторой функцией от исходного сообщения М и ключа К . Используемый в криптографической системе метод или алгоритм шифрования и определяет функцию f в приведенной выше формуле.

По причине большой избыточности естественных языков непосредственно в зашифрованное сообщение чрезвычайно трудно внести осмысленное изменение, поэтому классическая криптография обеспечивает также защиту от навязывания ложных данных. Если же естественной избыточности оказывается недостаточно для надежной защиты сообщения от модификации, избыточность может быть искусственно увеличена путем добавления к сообщению специальной контрольной комбинации, называемой имитовставкой .

Известны разные методы шифрования с закрытым ключом рис. 2.2 . На практике часто используются алгоритмы перестановки, подстановки, а также комбинированные методы.

В методах перестановки символы исходного текста меняются местами друг с другом по определенному правилу. В методах замены (или подстановки) символы открытого текста заменяются некоторыми эквивалентами шифрованного текста. С целью повышения надежности шифрования текст, зашифрованный с помощью одного метода, может быть еще раз зашифрован с помощью другого метода. В этом случае получается комбинированный или композиционный шифр . Применяемые на практике в настоящее время блочные или поточные симметричные шифры также относятся к комбинированным, так как в них используется несколько операций для зашифрования сообщения. "Принципы построения блочных шифров с закрытым ключом" , "Алгоритмы шифрования DES и AES" , "Алгоритм криптографического преобразования данных ГОСТ 28147-89" , а в этой лекции рассматриваются шифры подстановки и перестановки, применяемые человеком с древнейших времен. Мы должны познакомиться с этими шифрами, так как процедуры подстановки и перестановки используются в качестве составных операций и в современных блочных шифрах.