Методы и виды криптографии и шифрования для начинающих. Современные алгоритмы шифрования

По меткому определению аналитиков CNews, год 2005-й в России прошел под девизом «защищаемся от внутренних угроз». Те же тенденции отчетливо наблюдались и в прошедшем году. Учитывая недавние инциденты, связанные с кражей баз данных и их последующей свободной продажей, многие компании стали серьезнее задумываться о проблеме безопасности своих информационных ресурсов и разграничении доступа к конфиденциальным данным. Как известно, 100%-ная гарантия сохранности ценной информации практически невозможна, но технологически свести такие риски к минимуму можно и нужно. Для этих целей большинство разработчиков средств информационной безопасности предлагают комплексные решения, сочетающие шифрование данных с контролем сетевого доступа. Попробуем рассмотреть такие системы более детально.

На рынке средств защиты от несанкционированного доступа представлено достаточно много разработчиков программно-аппаратных комплексов шифрования для серверов, хранящих и обрабатывающих конфиденциальную информацию (Aladdin, SecurIT, "Физтехсофт" и т. д.). Разобраться в тонкостях каждого предлагаемого решения и выбрать наиболее подходящее подчас непросто. К сожалению, зачастую авторы сравнительных статей, посвященных шифросредствам, не учитывая специфики этой категории продуктов, проводят сравнение по удобству использования, богатству настроек, дружелюбности интерфейса и т. п. Такое сравнение оправдано, когда речь идет о тестировании Интернет-пейджеров или менеджеров закачек, но вряд ли приемлемо при выборе решения для защиты конфиденциальной информации.

Наверное, с этим утверждением мы не откроем Америку, но такие характеристики, как производительность, стоимость и многие другие не критичны при выборе системы шифрования. Та же производительность важна не для всех систем и не всегда. Скажем, если в организации пропускная способность локальной сети небольшая, но доступ к зашифрованной информации будут иметь только два сотрудника, пользователи вряд ли вообще заметят систему шифрования, даже самую «неторопливую».

Многие другие особенности и параметры таких программно-аппаратных комплексов также носят избирательный характер: для кого-то они критичны, а кому-то безразличны. Поэтому мы попробуем предложить альтернативный вариант сравнения средств защиты от несанкционированного доступа и утечки конфиденциальной информации - по наиболее важным и действительно ключевым параметрам.

Штирлиц, вам шифровка!

При выборе системы для защиты данных прежде всего стоит обратить внимание на то, какие алгоритмы шифрования в них используются. Теоретически, приложив достаточно усилий, злоумышленник может взломать любую криптографическую систему. Вопрос заключается лишь в том, сколько работы ему потребуется для этого проделать. В принципе фактически любая задача взлома криптографической системы количественно сравнима с поиском, выполняемым путем полного перебора всех возможных вариантов.

По мнению специалистов, любой современной криптографической системе вполне достаточно 128-битового уровня безопасности. Это означает, что для успешной атаки на такую систему потребуется как минимум 2128 шагов. Согласно закону Мура, адаптированному к криптографии, достаточно даже 110 или 100 бит, однако криптографических алгоритмов, рассчитанных на такие ключи, не существует.

Сам алгоритм должен быть максимально широко распространен. Никому не известные «самописные» алгоритмы не проанализированы специалистами в области криптографии и могут содержать опасные уязвимости. С учетом этого достаточно надежными могут быть признаны алгоритмы ГОСТ, AES, Twofish, Serpent с длиной ключа 128, 192 или 256 бит.

Отдельного рассмотрения заслуживают асимметричные алгоритмы шифрования. В них для шифрования и расшифрования используются разные ключи (отсюда и название). Эти ключи образуют пару и генерируются, как правило, самим пользователем. Для шифрования информации используется так называемый открытый ключ. Этот ключ общеизвестен, и любой желающий может зашифровать адресуемое пользователю сообщение с его помощью. Закрытый ключ используется для расшифрования сообщения и известен только самому пользователю, который хранит его в секрете.

Общепринятый способ распространения и хранения открытых ключей пользователей - цифровые сертификаты формата X.509. В простейшем случае цифровой сертификат - это своего рода электронный паспорт, который содержит информацию о пользователе (имя, идентификатор, адрес электронной почты и т. п.), об открытом ключе клиента, об Удостоверяющем центре, изготовившем сертификат, а также серийный номер сертификата, срок действия и т. д.

Удостоверяющий центр (УЦ) - это третья доверительная сторона, которая наделена высоким уровнем доверия пользователей и обеспечивает комплекс мероприятий для использования сертификатов доверяющими сторонами. По сути это компонент системы управления сертификатами, предназначенный для формирования электронных сертификатов подчиненных центров и пользователей, удостоверенных электронно-цифровой подписью УЦ. В простейшем случае используются так называемые самоподписанные сертификаты, когда пользователь сам выступает в роли своего удостоверяющего центра.

Общепризнано, что при использовании асимметричных алгоритмов шифрования стойкость, эквивалентная 128-битному симметричному алгоритму, достигается при использовании ключей длиной не менее 1024 бит. Это связано с особенностями математической реализации таких алгоритмов.

Помимо непосредственно алгоритмов шифрования стоит обратить внимание и на способ их реализации. Программно-аппаратный комплекс может иметь встроенные алгоритмы шифрования или использовать внешние подключаемые модули. Второй вариант предпочтительнее по трем причинам. Во-первых, можно повышать уровень безопасности в соответствии с растущими потребностями компании, используя более стойкие алгоритмы. Опять-таки, в случае изменения требований политики безопасности (например, если компании потребуется переход на сертифицированные криптопровайдеры) можно будет оперативно заменить имеющиеся алгоритмы шифрования без существенных задержек или сбоев в работе. Понятно, что в случае встроенного алгоритма это гораздо сложнее.

Второй плюс внешней реализации заключается в том, что такое шифросредство не подпадает под соответствующие законодательные ограничения на его распространение, в том числе экспортно-импортные, и не требует наличия соответствующих лицензий ФСБ у партнеров компании, занимающихся его распространением и внедрением.

В-третьих, не стоит забывать о том, что реализация алгоритма шифрования - далеко не тривиальная задача. Правильная реализация требует большого опыта. Скажем, ключ шифрования никогда не должен находиться в оперативной памяти компьютера в явном виде. В серьезных продуктах этот ключ разделяется на несколько частей, при этом на каждую из них накладывается случайная маска. Все операции с ключом шифрования выполняются по частям, а на итоговый результат накладывается обратная маска. Уверенности в том, что разработчик учел все эти тонкости при самостоятельной реализации алгоритма шифрования, к сожалению, нет.

Ключ от квартиры, где деньги лежат

Еще один фактор, влияющий на степень защищенности данных, - принцип организации работы с ключами шифрования. Здесь есть несколько вариантов, и перед выбором конкретной системы шифрования настоятельно рекомендуется поинтересоваться, как она устроена: где хранятся ключи шифрования, как они защищены и т. д. К сожалению, зачастую сотрудники компании-разработчика не в состоянии объяснить даже базовых принципов работы их продукта. Особенно это замечание относится к менеджерам по продажам: простейшие вопросы нередко ставят их в тупик. Пользователю же, решившему защитить свою конфиденциальную информацию, желательно разобраться во всех тонкостях.

Для определенности будем называть ключ, используемый для шифрования данных, мастер-ключом. Для их генерации на сегодняшний день чаще всего используются следующие подходы.

Первый подход - мастер-ключ генерируется на основе некоторых входных данных и используется при шифровании данных. В дальнейшем для получения доступа к зашифрованной информации пользователь вновь предоставляет системе те же самые входные данные для генерации мастер-ключа. Сам мастер-ключ, таким образом, нигде не хранится. В качестве входных данных могут выступать пароль, какой-либо файл, сохраненный на внешнем носителе, и т. п. Основной недостаток этого способа - невозможность создать резервную копию мастер-ключа. Утрата любого компонента входных данных ведет к утрате доступа к информации.

Второй подход - мастер-ключ генерируется с использованием генератора случайных чисел. Затем он шифруется каким-либо алгоритмом и после этого сохраняется вместе с данными или же на внешнем носителе. Для получения доступа сначала расшифровывается мастер-ключ, а потом - сами данные. Для шифрования мастер-ключа целесообразно использовать алгоритм той же стойкости, что и для шифрования самих данных. Менее стойкие алгоритмы снижают безопасность системы, а использовать более стойкий бессмысленно, так как безопасность это не повышает. Такой подход позволяет создавать резервные копии мастер-ключа, которые можно в дальнейшем использовать для восстановления доступа к данным в случае форс-мажорных обстоятельств.

Как известно, надежность криптографической системы в целом определяется надежностью самого слабого ее звена. Злоумышленник всегда может атаковать наименее стойкий алгоритм из двух: шифрования данных или шифрования мастер-ключа. Рассмотрим эту проблему более подробно, имея в виду, что ключ, на котором происходит шифрование мастер-ключа, также получают на основе некоторых входных данных.

Вариант первый: парольный

Пользователь вводит некоторый пароль, на основе которого (с использованием, например, хэш-функции) генерируется ключ шифрования (рис. 1). Фактически надежность системы в этом случае определяется только сложностью и длиной пароля. Но надежные пароли неудобны: запомнить бессмысленный набор из 10-15 символов и вводить его каждый для получения доступа к данным не так просто, а если таких паролей несколько (допустим, для доступа к разным приложениям), то и вовсе нереально. Парольная защита также подвержена атакам методом прямого перебора, а установленный клавиатурный шпион легко позволит злоумышленнику получить доступ к данным.

Рис. 1. Шифрование мастер-ключа с использованием пароля.

Вариант второй: внешнее хранение

На внешнем носителе размещаются некоторые данные, используемые для генерации ключа шифрования (рис. 2). Простейший вариант - использовать файл (так называемый ключевой файл), находящийся на дискете (компакт-диске, USB-флэш-устройстве и т. п.) Этот способ надежнее варианта с паролем. Для генерации ключа служит не десяток символов пароля, а значительное количество данных, например, 64 или даже 128 байт.

Рис. 2. Шифрование мастер-ключа с использованием данных с внешнего носителя.

В принципе ключевой файл можно разместить и на жестком диске компьютера, но значительно безопасней хранить его отдельно от данных. Не рекомендуется в качестве ключевых файлов использовать файлы, создаваемые какими-либо общеизвестными приложениями (*.doc, *xls, *.pdf и т. д.) Их внутренняя структурированность может дать злоумышленнику дополнительную информацию. Например, все файлы, созданные архиватором WinRAR, начинаются с символов «Rar!» - это целых четыре байта.

Недостаток данного способа - возможность для злоумышленника легко скопировать файл и создать дубликат внешнего носителя. Таким образом, пользователь, даже на короткое время утративший контроль над этим носителем, фактически уже не может быть на 100% уверен в конфиденциальности своих данных. В качестве внешнего носителя иногда применяются электронные USB-ключи или смарт-карты, но при этом данные, используемые для генерации ключа шифрования, просто сохраняются в памяти этих носителей и так же легко доступны для считывания.

Вариант третий: защищенное внешнее хранение

Данный способ во многом схож с предыдущим. Важное его отличие в том, что для получения доступа к данным на внешнем носителе пользователь обязательно должен ввести PIN-код. В качестве внешнего носителя используются токены (электронные USB-ключи или смарт-карты). Данные, используемые для генерации ключа шифрования, размещаются в защищенной памяти токена и не могут быть прочитаны злоумышленником без знания соответствующего PIN-кода (рис. 3).

Рис. 3. Шифрование мастер-ключа с использованием защищенного внешнего носителя.

Утрата токена еще не означает раскрытия самой информации. Для защиты от прямого подбора PIN-кода ставится аппаратная временная задержка между двумя последовательными попытками или аппаратное же ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода (например, 15), после чего токен просто блокируется.

Поскольку токен может использоваться в разных приложениях, а PIN-код один и тот же, можно обманным путем вынудить пользователя ввести свой PIN-код в подложной программе, после чего считать необходимые данные из закрытой области памяти токена. Некоторые приложения кэшируют значение PIN-кода в рамках одного сеанса работы, что также несет в себе определенный риск.

Вариант четвертый: смешанный

Возможен вариант, когда для генерации ключа шифрования одновременно используются пароль, ключевой файл на внешнем носителе и данные в защищенной памяти токена (рис. 4). Такой способ довольно сложен в повседневном использовании, поскольку требует от пользователя дополнительных действий.

Рис. 4. Шифрование мастер-ключа с использованием нескольких компонентов.

Многокомпонентная система также значительно сильнее подвержена рискам утраты доступа: достаточно потерять один из компонентов, и доступ без использования заранее созданной резервной копии становится невозможен.

Вариант пятый: с асимметричным шифрованием

Отдельного рассмотрения заслуживает один подход к организации безопасного хранения мастер-ключа, лишенный основных недостатков описанных выше вариантов. Именно этот способ представляется нам оптимальным.

Дело в том, что современные токены (рис. 5) позволяют не только хранить в закрытой памяти данные, но выполняют аппаратно целый ряд криптографических преобразований. Например, смарт-карты, а также USB-ключи, представляющие собой полнофункциональные смарт-карты, а не их аналоги, реализуют асимметричные алгоритмы шифрования. Примечательно, что при этом пара открытый - закрытый ключ генерируется также аппаратно. Важно, что закрытый ключ на смарт-картах хранится как write-only, т. е. он используется операционной системой смарт-карты для криптографических преобразований, но не может быть прочитан или скопирован пользователем. Фактически пользователь сам не знает свой закрытый ключ - он только им обладает.

Данные, которые необходимо расшифровать, передаются операционной системе смарт-карты, аппаратно ею расшифровываются с помощью закрытого ключа и передаются обратно в расшифрованном виде (рис. 6). Все операции с закрытым ключом возможны только после ввода пользователем PIN-кода смарт-карты. Такой подход успешно используется во многих современных информационных системах для аутентификации пользователя. Применим он и для аутентификации при доступе к зашифрованной информации.

Рис. 6. Шифрование мастер-ключа с использованием асимметричного алгоритма шифрования.

Мастер-ключ шифруется с помощью открытого ключа пользователя. Для получения доступа к данным пользователь предъявляет свою смарт-карту (или USB-ключ, являющийся полнофункциональной смарт-картой) и вводит ее PIN-код. Затем мастер-ключ аппаратно расшифровывается с помощью закрытого ключа, хранящегося на смарт-карте, и пользователь получает доступ к данным. Такой подход сочетает в себе безопасность и удобство использования.

В первых четырех вариантах очень важен выбор способа генерации ключа шифрования на основе пароля и/или данных с внешнего носителя. Уровень безопасности (в криптографическом смысле), обеспечиваемый этим способом, должен быть не ниже, чем уровень безопасности остальных компонентов системы. Скажем, вариант, когда мастер-ключ просто хранится на внешнем носителе в инвертированном виде, крайне уязвим и небезопасен.

Современные токены поддерживают асимметричные алгоритмы с длиной ключа 1024 или 2048 бит, обеспечивая тем самым соответствие надежности алгоритма шифрования мастер-ключа и алгоритма шифрования самих данных. Аппаратное ограничение на количество неправильных попыток ввода PIN-кода нивелирует риск его подбора и позволяет применять достаточно простой для запоминания PIN-код. Использование одного устройства с несложным PIN-кодом повышает удобство без ущерба для безопасности.

Создать дубликат смарт-карты не может даже сам пользователь, так как невозможно скопировать закрытый ключ. Это также позволяет без опасения использовать смарт-карту совместно с любыми другими программами.

Техподдержку вызывали?

Есть еще один критерий выбора, который зачастую остается без внимания, но при этом относится к разряду критических. Речь идет о качестве технической поддержки.

Не вызывает сомнения, что защищаемая информация имеет высокую ценность. Быть может, ее утрата принесет меньший вред, чем публичное раскрытие, но определенное неудобство будет иметь место в любом случае. Оплачивая продукт, вы в числе прочего платите и за то, что он будет нормально функционировать, а в случае сбоя вам оперативно помогут разобраться в проблеме и устранить ее.

Основная сложность заключается в том, что заранее оценить качество техподдержки довольно сложно. Ведь существенную роль служба техподдержки начинает играть на поздних стадиях внедрения, на этапе опытной эксплуатации и по завершении внедрения, в процессе сопровождения системы. Критериями качества технической поддержки можно считать время реакции на запрос, полноту ответов и компетентность специалистов. Рассмотрим их более подробно.

Зачастую эквивалентом качества работы службы технической поддержки считается скорость реакции на запрос. Тем не менее оперативные, но неправильные рекомендации могут принести значительно больший вред, чем простое их отсутствие.

Представляется разумным отдавать предпочтение российским разработкам или по крайней мере зарубежным фирмам, имеющим представительство в России. Разговаривая со специалистом на родном языке, вы скорее поймете друг друга. Если продукт иностранный, будьте готовы к возможным временным задержкам. Это может происходить потому, что ваши вопросы будут переводиться на, скажем, английский, а ответы разработчика - обратно на русский. Качество перевода оставим на совести специалистов техподдержки. Нужно учитывать и то, что у зарубежного поставщика может не быть круглосуточной поддержки, а в результате из-за разницы во времени у вас будет, например, всего один час в день, чтобы задать вопрос.

Списки частых вопросов (FAQ) могут стать источником дополнительной информации не только о самом продукте, но и о компетентности специалистов, работающих в компании. Например, отсутствие такого раздела наводит на мысль о непопулярности данного продукта или об отсутствии в организации специалистов, занимающихся техподдержкой и способных написать базу знаний по обращениям пользователей. Забавно, но на некоторых сайтах в ответах на частые вопросы встречаются ошибки, в том числе и в названии самого продукта.

Выхожу один я на дорогу...

Как видно, в процессе выбора можно зайти достаточно далеко. Наверняка у каждого найдутся свои собственные, важные именно для него критерии сравнения. В конце концов никто не запрещает сравнивать длительность гарантийных сроков, качество упаковки и соответствие цветовой гаммы брэнда компании-производителя корпоративному стилю вашей организации. Главное - правильно расставить весовые коэффициенты.

В любом случае прежде всего нужно трезво оценивать угрозы и критичность данных, а средства обеспечения безопасности желательно выбирать, руководствуясь тем, насколько успешно они справляются со своей основной задачей - обеспечением защиты от несанкционированного доступа. В противном случае деньги лучше потратить на менеджер закачек из Интернета или на "пасьянсы".

Есть три основных метода шифрования: хеширование, симметрическая криптография и асимметричная криптография. У каждого из этих методов шифрования есть свои достоинства и недостатки. Хеширование, например, очень стойкое к вмешательству, но не столь гибкое как другие методы. Все три метода полагаются на криптографию или науку о шифровании данных.

Основная функция

Шифрование применяется, чтобы обычный читаемый текст, называемый открытым текстом, преобразовать в нечитаемый секретный формат, называемый зашифрованным текстом. Шифровка данных помимо конфиденциальности сообщения несет в себе и другую выгоду. Шифрация гарантирует неизменность данных во время передачи сообщения и позволяет проверить личность отправителя. Все эти преимущества могут быть получены с помощью любого метода шифрования информации.

Метод хеширования

При использовании кодирования по методу хеширования, создается уникальная подпись фиксированной длины для сообщения или набора данных. Хеш создается специальным алгоритмом или хеш-функцией, и используется для сравнения данных. Хеш уникален для каждого набора данных или сообщения, поэтому небольшое изменение данных приведет к разительному отличию хеша, что будет свидетельствовать об отличии двух якобы одинаковых данных.

Метод хеширования отличается от других методов кодирования тем, что после кодирования хеш не может быть расшифрован или изменен. Это значит, что если злоумышленник получит хеш код, он не сможет его декодировать и получить исходное сообщение. Распространенные методы хеширования: Message Digest 5 (MD5) и Secure Hashing Algorithm (SHA).

Симметрические методы

Симметрическое шифрование, которое еще называется шифрованием с частным ключом, является одним из старейших и самым безопасным методом шифрования. Термин «частный ключ» возник потому, что при шифровании и расшифровке данных используется ключ, который должен остаться засекреченным, так как любой обладатель данного ключа может прочитать закодированное сообщение. Отправитель кодирует информацию, используя ключ, а получатель использует тот же ключ для расшифровки данных.

Этот метод кодирования используется для кодирования потока данных или блоков данных. В зависимости от объема данных, которые нужно зашифровать или расшифровать за одни раз. В потоковом режиме кодируется каждая отдельная единица информации, тогда как при блочном методе кодируются отдельные блоки информации. Распространенные методы симметрического кодирования: Data Encryption Standard (DES), Advanced Encryption Standard (AES) и International Data Encryption Algorithm (IDEA).

Асимметричные методы

Асимметричный метод шифрования или метод кодирования с открытым ключом, более безопасен, чем симметрический метод шифрования. Это тип кодирования использует два ключа, частный или закрытый ключ, и открытый ключ. Открытый ключ используется для кодирования информации и передается в открытом канале, а частный ключ, используемый для расшифровки данных, имеется только у получателя. Распространенные алгоритмы, использующие асимметричный метод шифрования RSA и Diffie-Hellman.

Шифрование данных применяется также при просмотре видео через интернет. И когда вы будете все серии сериала , знайте, что видео на сервере шифруется и передается пакетами данных, а на компьютере плеер преобразует данные в исходный вид и воспроизводит.

Существует два основных типа шифрования: с секретным ключом и с открытым ключом. При шифровании с секретным ключом требуется, чтобы все стороны, имеющие право на прочтение информации, имели один и тот же ключ . Это позволяет свести общую проблему безопасности информации к проблеме обеспечения защиты ключа. Шифрование с открытым ключом является наиболее широко используемым методом шифрования. Он обеспечивает конфиденциальность информации и гарантию того, что информация остается неизменной в процессе передачи.

В чем суть шифрования на секретном ключе ?

Шифрование на секретном ключе также называется симметричным шифрованием, так как для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ . На рисунке 12.2 показан базовый принцип шифрования с секретным ключом. Как видно из рисунка, отправитель и получатель информации должны иметь одинаковый ключ .

Рис. 12.2.

Шифрование с секретным ключом обеспечивает конфиденциальность информации в зашифрованном состоянии. Расшифровать сообщение могут только те лица, которым известен ключ . Любое изменение в сообщении, внесенное во время передачи, будет обнаружено, так как после этого не удастся правильно расшифровать сообщение. Шифрование с секретным ключом не обеспечивает аутентификацию, поскольку любой пользователь может создавать, шифровать и отправлять действительное сообщение.

В общем, шифрование с секретным ключом быстро и легко реализуется с помощью аппаратных или программных средств.

Подстановочные шифры

Подстановочные шифры существуют уже около 2500 лет. Самым ранним примером является шифр Атбаш. Он возник примерно в 600 году до н.э. и заключался в использовании еврейского алфавита в обратном порядке.

Юлий Цезарь использовал подстановочный шифр , который так и назывался - шифр Цезаря. Этот шифр заключался в замещении каждой буквы другой буквой, расположенной в алфавите на три буквы дальше от шифруемой. Таким образом, буква A преобразовывалась в D, B преобразовывалась в E, а Z преобразовывалась в C.

Из этого примера видно, что подстановочный шифр обрабатывает за один раз одну букву открытого текста . Сообщение может быть прочитано обоими абонентами при использовании одной и той же схемы подстановки. Ключом в шифре подстановки является либо число букв сдвига, либо полностью переупорядоченный алфавит .

Подстановочные шифры имеют один большой недостаток - неизменная частота букв в исходном алфавите. В английском языке, например, буква "E" является наиболее часто используемой. Если заменить ее другой буквой, то чаще всего будет использоваться новая буква (при рассмотрении большого числа сообщений). При помощи такого анализа подстановочный шифр может быть взломан. Дальнейшая разработка анализа частоты вхождений букв позволяет получить наиболее часто встречающиеся комбинации из двух и трех букв. С помощью такого анализа можно взломать любой подстановочный шифр , если атакующий получит достаточное количество шифрованного текста.

Одноразовые блокноты

Одноразовые блокноты (One- time Pad , OTP ) являются единственной теоретически невзламываемой системой шифрования. Одноразовый блокнот представляет собой список чисел в случайном порядке, используемый для кодирования сообщения (см. табл. 12.1). Как видно из названия системы, OTP может использоваться только один раз. Если числа в OTP являются действительно случайными, OTP имеет большую длину, чем сообщение, и используется только один раз, то шифрованный текст не предоставляет какого-либо механизма для восстановления исходного ключа (т. е. самого OTP ) и, следовательно, сообщений.

Одноразовые блокноты используются в информационных средах с очень высоким уровнем безопасности (но только для коротких сообщений). Например, в Советском Союзе OTP использовался для связи разведчиков с Москвой. Двумя основными недостатками OTP являются генерация действительно случайных блокнотов и проблема распространения блокнотов. Очевидно, что если блокнот выявляется, то раскрывается и та информация , которую он защищает. Если блокноты не являются действительно случайными, могут быть выявлены схемы, которые можно использовать для проведения анализа частоты встречаемых символов.

В наш компьютерный век человечество все больше отказывается от хранения информации в рукописном или печатном виде, предпочитая для документы. И если раньше крали просто бумаги или пергаменты, то сейчас взламывают именно электронную информацию. Сами же алгоритмы шифрования данных были известны еще с незапамятных времен. Многие цивилизации предпочитали зашифровывать свои уникальные знания, чтобы они могли достаться только человеку сведущему. Но давайте посмотрим, как все это отображается на нашем мире.

Что собой представляет система шифрования данных?

Для начала следует определиться с тем, что собой представляют криптографические системы вообще. Грубо говоря, это некий специальный алгоритм записи информации, который был бы понятен только определенному кругу людей.

В этом смысле постороннему человеку все, что он видит, должно (а в принципе, так и есть) казаться бессмысленным набором символов. Прочесть такую последовательность сможет только тот, кто знает правила их расположения. В качестве самого простого примера можно определить алгоритм шифрования с написанием слов, скажем, задом наперед. Конечно, это самое примитивное, что можно придумать. Подразумевается, что если знать правила записи, восстановить исходный текст труда не составит.

Зачем это нужно?

Для чего все это придумывалось, наверное, объяснять не стоит. Посмотрите, ведь какие объемы знаний, оставшиеся от древних цивилизаций, сегодня находятся в зашифрованном виде. То ли древние не хотели, чтобы мы это узнали, то ли все это было сделано, чтобы человек смог ними воспользоваться только тогда, когда достигнет нужного уровня развития - пока что об этом можно только гадать.

Впрочем, если говорить о сегодняшнем мире, защита информации становится одной из самых больших проблем. Посудите сами, ведь сколько имеется документов в тех же архивах, о которых правительства некоторых стран не хотели бы распространяться, сколько секретных разработок, сколько новых технологий. А ведь все это, по большому счету, и является первоочередной целью так называемых хакеров в классическом понимании этого термина.

На ум приходит только одна фраза, ставшая классикой принципов деятельности Натана Ротшильда: «Кто владеет информацией, тот владеет миром». И именно поэтому информацию приходится защищать от посторонних глаз, дабы ей не воспользовался кто-то еще в своих корыстных целях.

Криптография: точка отсчета

Теперь, прежде чем рассматривать саму структуру, которую имеет любой алгоритм шифрования, немного окунемся в историю, в те далекие времена, когда эта наука только зарождалась.

Считается, что искусство сокрытия данных активно начало развиваться несколько тысячелетий назад до нашей эры. Первенство приписывают древним шумерам, царю Соломону и египетским жрецам. Только много позже появились те же рунические знаки и символы, им подобные. Но вот что интересно: иногда алгоритм шифрования текстов (а в то время шифровались именно они) был таков, что в той же один символ мог означать не только одну букву, но и целое слово, понятие или даже предложение. Из-за этого расшифровка таких текстов даже при наличии современных криптографических систем, позволяющих восстановить исходный вид любого текста, становится абсолютно невозможной. Если говорить современным языком, это достаточно продвинутые, как принято сейчас выражаться, симметричные алгоритмы шифрования. На них остановимся отдельно.

Современный мир: виды алгоритмов шифрования

Что касается защиты конфиденциальных данных в современно мире, отдельно стоит остановиться еще на тех временах, когда компьютеры были человечеству неизвестны. Не говоря уже о том, сколько бумаги перевели алхимики или те же тамплиеры, пытаясь скрыть истинные тексты об известных им знаниях, стоит вспомнить, что со времени возникновения связи проблема только усугубилась.

И тут, пожалуй, самым знаменитым устройством можно назвать немецкую шифровальную машину времен Второй мировой под названием «Энигма», что в переводе с английского означает «загадка». Опять же, это пример того, как используются симметричные алгоритмы шифрования, суть которых состоит в том, что шифровщик и дешифровальщик знают ключ (алгоритм), изначально примененный для сокрытия данных.

Сегодня такие криптосистемы используются повсеместно. Самым ярким примером можно считать, скажем, алгоритм являющийся международным стандартом. С точки зрения компьютерной терминологии, он позволяет использовать ключ длиной 256 бит. Вообще современные алгоритмы шифрования достаточно разнообразны, а разделить их условно можно на два больших класса: симметричные и асимметричные. Они, в зависимости от области назначения, сегодня применяются очень широко. И выбор алгоритма шифрования напрямую зависит от поставленных задач и метода восстановления информации в исходном виде. Но в чем же состоит разница между ними?

Симметричные и асимметричные алгоритмы шифрования: в чем разница

Теперь посмотрим, какое же кардинальное различие между такими системами, и на каких принципах строится их применение на практике. Как уже понятно, алгоритмы шифрования бывают связаны с геометрическими понятиями симметрии и асимметрии. Что это значит, сейчас и будет выяснено.

Симметричный алгоритм шифрования DES, разработанный еще в 1977 году, подразумевает наличие единого ключа, который, предположительно, известен двум заинтересованным сторонам. Зная такой ключ, нетрудно применить его на практике, чтобы прочитать тот же бессмысленный набор символов, приведя его, так сказать, в читабельный вид.

А что представляют собой асимметричные алгоритмы шифрования? Здесь применяются два ключа, то есть для кодирования исходной информации использует один, для расшифровки содержимого - другой, причем совершенно необязательно, чтобы они совпадали или одновременно находились у кодирующей и декодирующей стороны. Для каждой из них достаточно одного. Таким образом, в очень высокой степени исключается попадание обоих ключей в третьи руки. Однако, исходя из современной ситуации, для многих злоумышленников кражи такого типа особо проблемой и не являются. Другое дело - поиск именно того ключа (грубо говоря, пароля), который подойдет для расшифровки данных. А тут вариантов может быть столько, что даже самый современный компьютер будет обрабатывать их в течение нескольких десятков лет. Как было заявлено, ни одна из имеющихся в мире компьютерных систем взломать доступ к нему и получить то, что называется «прослушкой», не может и не сможет в течение ближайших десятилетий.

Наиболее известные и часто применяемые алгоритмы шифрования

Но вернемся в мир компьютерный. Что на сегодня предлагают основные алгоритмы шифрования, предназначенные для защиты информации на современном этапе развития компьютерной и мобильной техники?

В большинстве стран стандартом де-факто является криптографическая система AES на основе 128-битного ключа. Однако параллельно с ней иногда используется и алгоритм который хоть и относится к шифрованию с использованием открытого (публичного) ключа, тем не менее является одним из самых надежных. Это, кстати, доказано всеми ведущими специалистами, поскольку сама система определяется не только степенью шифрования данных, но и сохранением целостности информации. Что касается ранних разработок, к коим относится алгоритм шифрования DES, то он безнадежно устарел, а попытки его замены начали проводиться еще в 1997 году. Вот тогда-то на его основе и возник новый расширенный (Advanced) стандарт шифрования AES (сначала с ключом 128 бит, потом - с ключом 256 бит).

Шифрование RSA

Теперь остановимся на технологии RSA которая относится к системе асимметричного шифрования. Предположим, один абонент отправляет другому информацию, зашифрованную при помощи этого алгоритма.

Для шифрования берутся два достаточно больших числа X и Y, после чего вычисляется их произведение Z, называемое модулем. Далее выбирается некое постороннее число A, удовлетворяющее условию: 1< A < (X - 1) * (Y - 1). Оно обязательно должно быть простым, то есть не иметь общих делителей с произведением (X - 1) * (Y - 1), равным Z. Затем происходит вычисление числа B, но только так, что (A * B - 1) делится на (X - 1) * (Y - 1). В данном примере A - открытый показатель, B - секретный показатель, (Z; A) - открытый ключ, (Z; B) - секретный ключ.

Что происходит при пересылке? Отправитель создает зашифрованный текст, обозначенный как F, с начальным сообщением M, после чего следует A и умножение на модуль Z: F = M**A*(mod Z). Получателю остается вычислить несложный пример: M = F**B*(mod Z). Грубо говоря, все эти действия сводятся исключительно к возведению в степень. По тому же принципу работает и вариант с создание цифровой подписи, но уравнения тут несколько сложнее. Чтобы не забивать пользователю голову алгеброй, такой материал приводиться не будет.

Что же касается взлома, то алгоритм шифрования RSA ставит перед злоумышленником практически нерешаемую задачу: вычислить ключ B. Это теоретически можно было бы сделать с применением доступных средств факторинга (разложением на сомножители исходных чисел X и Y), однако на сегодняшний день таких средств нет, поэтому сама задача становится не то что трудной - она вообще невыполнима.

Шифрование DES

Перед нами еще один, в прошлом достаточно эффективный алгоритм шифрования с максимальной длиной блока 64 бита (символа), из которой значащими являются только 56. Как уже было сказано выше, эта методика уже устарела, хотя достаточно долго продержалась в качестве стандарта криптосистем, применяемых в США даже для оборонной промышленности.

Суть его симметричного шифрования заключается в том, что для этого применяется некая последовательность из 48 бит. При этом для операций используется 16 циклов из выборки ключей в 48 бит. Но! Все циклы по принципу действия аналогичны, поэтому на данный момент вычислить искомый ключ труда не составляет. К примеру, один из самых мощных компьютеров в США стоимостью более миллиона долларов «ломает» шифрование в течение примерно трех с половиной часов. Для машин рангом ниже на то, чтобы вычислить даже последовательность в максимальном ее проявлении, требуется не более 20 часов.

Шифрование AES

Наконец, перед нами самая распространенная и, как считалось до недавнего времени, неуязвимая система - алгоритм шифрования AES. Он сегодня представлен в трех модификациях - AES128, AES192 и AES256. Первый вариант применяется больше для обеспечения информационной безопасности мобильных устройств, второй задействован на более высоком уровне. Как стандарт, эта система была официально внедрена в 2002 году, причем сразу же ее поддержка была заявлена со стороны корпорации Intel, производящей процессорные чипы.

Суть ее, в отличие от любой другой симметричной системы шифрования, сводится к вычислениям на основе полиноминального представления кодов и операций вычисления с двумерными массивами. Как утверждает правительство Соединенных Штатов, для взлома ключа длиной 128 бит дешифратору, пусть даже самому современному, потребуется порядка 149 триллионов лет. Позволим себе не согласиться с таким компетентным источником. Компьютерная техника за последние сто лет сделала скачок, соизмеримый с так что особо обольщаться не стоит, тем более что сегодня, как оказалось, существуют системы шифрования и покруче, чем те, которые США объявили совершенно стойкими ко взлому.

Проблемы с вирусами и дешифровкой

Конечно же, речь идет о вирусах. В последнее время появились довольно специфичные вирусы-вымогатели, которые шифруют все содержимое жесткого диска и логических разделов на зараженном компьютере, после чего жертва получает письмо с уведомлением о том, что все файлы зашифрованы, а расшифровать их может только указанный источник после оплаты кругленькой суммы.

При этом, что самое важное, указывается, что при шифровании данных была применена система AES1024, то есть длина ключа в четыре раза больше ныне существующей AES256, а количество вариантов при поиске соответствующего дешифратора возрастает просто неимоверно.

А если исходить из заявления правительства США о сроке, отводимом для дешифрования ключа длиной 128 бит, то что можно сказать о времени, которое потребуется на поиск решения для случая с ключом и его вариантами длиной 1024 бита? Вот тут-то США и прокололись. Они ведь считали, что их система компьютерной криптографии совершенна. Увы, нашлись какие-то спецы (судя по всему, на постсоветском пространстве), которые превзошли «незыблемые» американские постулаты по всем параметрам.

При всем этом даже ведущие разработчики антивирусного ПО, в том числе «Лаборатория Касперского», специалисты, создавшие «Доктора Веба», корпорация ESET и многие другие мировые лидеры просто разводят руками, дескать, на расшифровку такого алгоритма попросту нет средств, умалчивая при этом о том, что и времени не хватит. Конечно, при обращении в службу поддержки предлагается отправить зашифрованный файл и, если есть, желательно его оригинал - в том виде, в каком он был до начала шифрования. Увы, даже сравнительный анализ пока не дал ощутимых результатов.

Мир, которого мы не знаем

Да что там говорить, если мы гонимся за будущим, не имея возможности расшифровать прошлое. Если посмотреть на мир нашего тысячелетия, можно заметить, что тот же римский император Гай Юлий Цезарь в некоторых своих посланиях использовал симметричные алгоритмы шифрования. Ну а если взглянуть на Леонардо да Винчи, так вообще становится как-то не по себе от одного осознания того, что в области криптографии этот человек, чья жизнь покрыта неким флером тайны, на века превзошел свою современность.

До сих пор многим не дает покоя так называемая «улыбка Джоконды», в которой есть что-то такое притягательное, чего современный человек понять не способен. Кстати сказать, на картине относительно недавно были найдены некие символы (в глазу, на платье и т. д.), которые явно свидетельствуют о том, что во всем этом содержится какая-то зашифрованная великим гением информация, которую сегодня, увы, извлечь мы не в состоянии. А ведь мы даже не упомянули о разного рода масштабных конструкциях, которые способны были перевернуть понимание физики того времени.

Конечно, некоторые умы склоняются исключительно к тому, что в большинстве случаев было использовано так называемое «золотое сечение», однако и оно не дает ключа ко всему тому огромному хранилищу знаний, которое, как считается, либо нам непонятно, либо потеряно навеки. По всей видимости, криптографам предстоит проделать еще неимоверную кучу работы, чтобы понять, что современные алгоритмы шифрования порой не идут ни в какое сравнение с наработками древних цивилизаций. К тому же, если сегодня существуют общепринятые принципы защиты информации, то те, которые использовались в древности, к сожалению, нам совершенно недоступны и непонятны.

И еще одно. Существует негласное мнение, что большинство древних текстов невозможно перевести только потому, что ключи к их дешифровке тщательно охраняются тайными обществами вроде масонов, иллюминатов и т. д. Даже тамплиеры оставили тут свой след. Что уж говорить о том, что до сих пор абсолютно недоступной остается библиотека Ватикана? Не там ли хранятся основные ключи к пониманию древности? Многие специалисты склоняются именно к этой версии, считая, что Ватикан намеренно утаивает эту информацию от общества. Так это или нет, пока не знает никто. Но одно можно утверждать совершенно точно - древние системы криптографии ни в чем не уступали (а может, и превосходили) тем, что используются в современном компьютерном мире.

Вместо послесловия

Напоследок стоит сказать, что здесь были рассмотрены далеко не все аспекты, связанные с нынешними криптографическими системами и методиками, которые они используют. Дело в том, что в большинстве случаев пришлось бы приводить сложные математические формулы и представлять вычисления, от которых у большинства пользователей просто голова кругом пойдет. Достаточно взглянуть на пример с описанием алгоритма RSA, чтобы сообразить, что все остальное будет выглядеть намного сложнее.

Тут главное - понять и вникнуть, так сказать, в суть вопроса. Ну а если говорить о том, что представляют собой современные системы, предлагающие хранить конфиденциальную информацию таким образом, чтобы она была доступна ограниченному кругу пользователей, здесь выбор невелик. Несмотря на наличие множества криптографических систем, те же алгоритмы RSA и DES явно проигрывают специфике AES. Впрочем, и большинство современных приложений, разработанных для совершенно разнящихся между собой операционных систем, используют именно AES (естественно, в зависимости от области применения и устройства). Но вот «несанкционированная» эволюция этой криптосистемы, мягко говоря, многих, особенно ее создателей, повергла в шок. Но в целом, исходя из того, что имеется на сегодняшний день, многим пользователям нетрудно будет понять, что такое криптографические системы шифрования данных, зачем они нужны и как работают.

Решение задачи определения ключа путем простого перебора всех возможных вариантов, как правило, является непрактичным, за исключением использования очень короткого ключа. Следовательно, если криптоаналитик хочет иметь реальные шансы на вскрытие шифра, он должен отказаться от «лобовых» методов перебора и применить другую стратегию. При раскрытии многих схем шифрования может применяться статистический анализ, использующий частоту появления отдельных символов или их комбинаций. Для усложнения решения задачи вскрытия шифра с использованием статистического анализа К. Шеннон предложил две концепции шифрования, получившие название смешения (confusion ) и диффузии (diffusion ). Смешение – это применение такой подстановки, при которой взаимосвязь между ключом и шифрованным текстом становится как можно более сложной. Применение данной концепции усложняет применение статистического анализа, сужающего область поиска ключа, и дешифрование даже очень короткой последовательности криптограммы требует перебора большого количества ключей. В свою очередь диффузия – это применение таких преобразований, которые сглаживают статистические различия между символами и их комбинациями. В результате использование криптоаналитиком статистического анализа может привести к положительному результату только при перехвате достаточно большого отрезка шифрованного текста.

Реализация целей провозглашаемых данными концепциями достигается путем многократного применения элементарных методов шифрования таких, как метод подстановки, перестановки и скремблирования.

10.4.1. Метод подстановки.

Простейшим и имеющим наибольшую историю является метод подстановки, суть которого заключается в том, что символ исходного текста заменяется другим, выбранным из этого или другого алфавита по правилу, задаваемому ключом шифрования. Местоположение символа в тексте при этом не изменяется. Одним из ранних примеров использования метода постановки является шифр Цезаря , который использовался Гаем Юлием Цезарем во время его Галльских походов. В нем каждая буква открытого текста заменялась другой, взятой из того же алфавита, но циклически сдвинутого на определенное количество символов. Применение данного метода шифрования иллюстрирует пример, представленный на рис.10.3, в котором шифрующее преобразование основано на использовании алфавита с циклическим сдвигом на пять позиций.

Рис. 10.3 , а )

Рис. 10.3 , б )

Очевидно, что ключом шифра служит величина циклического сдвига. При выборе другого ключа, чем указано в примере, шифр будет изменяться.

Другим примером классической схемы, основанной на методе подстановки, может служить система шифрования, называемая квадратом Полибиуса . Применительно к русскому алфавиту данная схема может быть описана следующим образом. Первоначально объединяются в одну буквы Е, Ё; И, Й и Ъ, Ь, истинное значение которых в дешифрованном тексте легко восстанавливается из контекста. Затем 30 символов алфавита размещаются в таблицу размером 65, пример заполнения которой представлен на рис. 10.4.

Рис. 10.4.

Шифрование любой буквы открытого текста осуществляется заданием ее адреса (т.е. номера строки и столбца или наоборот) в приведенной таблице. Так, например, слово ЦЕЗАРЬ шифруется с помощью квадрата Полибиуса как 52 21 23 11 41 61. Совершенно ясно, что изменение кода может быть осуществлено в результате перестановок букв в таблице. Следует также заметить, что те, кто посещал экскурсию по казематам Петропавловской крепости, должно быть памятны слова экскурсовода о том, как заключенные перестукивались между собой. Очевидно, что их способ общения полностью подпадает под данный метод шифрования.

Примером полиалфавитного шифра может служить схема, основанная на т.н. прогрессивном ключе Тритемиуса . Основой данного способа шифрования служит таблица, представленная на рис. 10.5, строки которой представляют собой циклически сдвинутые на одну позицию копии исходного алфавита. Так, первая строка имеет нулевой сдвиг, вторая циклически сдвинута на одну позицию влево, третья – на две позиции относительно первой строки и т.д.

Рис. 10.5.

Один из методов шифрования с помощью подобной таблицы состоит в использовании вместо первого символа открытого текста символа из первого циклического сдвига исходного алфавита, стоящего под шифруемым символом, второго символа открытого текста – из строки, соответствующей второму циклическому сдвигу и т.д. Пример шифрования сообщения подобным образом представлен ниже (рис. 10.6).

Рис. 10.6.

Известны несколько интересных вариантов шифров, основанных на прогрессивном ключе Тритемиуса. В одном из них, называемом методом ключа Вижинера , применяется ключевое слово, которое указывает строки для шифрования и расшифрования каждого последующего символа открытого текста: первая буква ключа указывает строку таблицы на рис. 10.5, с помощью которой шифруется первый символ сообщения, вторая буква ключа определяет строку таблицы, шифрующей второй символ открытого текста и т.д. Пусть в качестве ключа выбрано слово «ТРОМБ», тогда сообщение, зашифрованное с помощью ключа Вижинера, может быть представлено следующим образом (рис. 10.7). Очевидно, что вскрытие ключа возможно осуществить на основе статистического анализа шифрограммы.

Рис. 10.7.

Разновидностью этого метода является т.н. метод автоматического (открытого ) ключа Вижинера , в котором в качестве образующего ключа используется единственная буква или слово. Этот ключ дает начальную строку или строки для шифрования первого или нескольких первых символов открытого текста аналогично ранее рассмотренному примеру. Затем в качестве ключа для выбора шифрующей строки используются символы открытого текста. В приведенном ниже примере в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.8):

Рис. 10.8.

Как показывает пример, выбор строк шифрования полностью определяется содержанием открытого текста, т.е. в процесс шифрования вводится обратная связь по открытому тексту.

Еще одной разновидностью метода Вижинера служит метод автоматического (шифрованного ) ключа Вижинера . В нем, подобно шифрованию с открытым ключом, также используется образующий ключ и обратная связь. Отличие состоит в том, что после шифрования с помощью образующего ключа, каждый последующий символ ключа в последовательности берется не из открытого текста, а из получаемой криптограммы. Ниже представлен пример, поясняющий принцип применения данного метода шифрования, в котором, как и ранее, в качестве образующего ключа использована буква «И» (рис. 10.9):

Рис. 10.9.

Как видно из приведенного примера, хотя каждый последующий символ ключа определяется предшествующим ему символом криптограммы, функционально он зависит от всех предшествующих символов открытого сообщения и образующего ключа. Следовательно, наблюдается эффект рассеивания статистических свойств исходного текста, что затрудняет применение статистического анализа криптоаналитиком. Слабым звеном данного метода является то, что шифрованный текст содержит символы ключа.

По нынешним стандартам шифрование по методу Вижинера не считается защищенным, основным же вкладом является открытие того, что неповторяющиеся ключевые последовательности могут быть образованы с использованием либо самих сообщений, либо функций от сообщений.

Вариантом реализации подстановочной технологии, который в достаточной степени реализует концепцию смешения, служит следующий пример, базирующийся на нелинейном преобразовании. Поток информационных бит предварительно разбивается на блоки длиной m , причем каждый блок представляется одним из различных символов. Затем множество из
символов перемешивается таким образом, чтобы каждый символ заменялся другим символом из этого множества. После операции перемешивания символ вновь превращается вm –битовый блок. Устройство, реализующее описанный алгоритм при
, представлено нарис. 10.10, где в таблице задано правило перемешивания символов множества из
элементов.

Рис. 10.10.

Не составляет труда показать, что существует
различных подстановок или связанных с ними возможных моделей. В связи, с чем при больших значенияхm задача криптоаналитика становится в вычислительном плане практически невозможной. Например, при
число возможных подстановок определяется как
, т.е. представляет собой астрономическое число. Очевидно, что при подобном значенииm данное преобразование с помощью блока подстановки (substitution block , S –блок) можно считать обладающим практической секретностью. Однако его практическая реализация вряд ли возможна, поскольку предполагает существование
соединений.

Убедимся теперь, что S –блок, представленный на рис. 10.10, действительно осуществляет нелинейное преобразование, для чего воспользуемся принципом суперпозиций: преобразование
является линейным, если. Предположим, что
, а
. Тогда, а, откуда следует, чтоS –блок является нелинейным.

10.4.2. Метод перестановки.

При перестановке (или транспозиции ) в соответствии с ключом изменяется порядок следования символов открытого текста, а значение символа при этом сохраняется. Шифры перестановки являются блочными, т. е. исходный текст предварительно разбивается на блоки, в которых и осуществляется заданная ключом перестановка.

Простейшим вариантом реализации данного метода шифрования может служить рассмотренный ранее алгоритм перемежения, суть которого заключается в разбиении потока информационных символов на блоки длиной
, построчной записи его в матрицу памяти размеромстрок истолбцов и считывании по столбцам. Иллюстрацией данному алгоритму служит пример с
на рис. 10.11, в ходе которого производится запись фразыX =«скоро начнется экзаменационная пора». Тогда на выходе устройства перестановки будет получена криптограмма вида

Рис. 10.11.

Рассмотренный вариант метода перестановки может быть усложнен введением ключей
и
, определяющих порядок записи строк и считывания столбцов соответственно, иллюстрацией чему служит таблица на рис. 10.12. Результата преобразования будет иметь следующий вид

Рис. 10.12.

На рис. 10.13 приведен пример бинарной перестановки данных (линейная операция), из которого видно, что данные просто перемешиваются или переставляются. Преобразование осуществляется с помощью блока перестановки (permutation block , P –блок). Технология перестановки, реализуемая этим блоком, имеет один основной недостаток: она уязвима по отношению к обманным сообщениям. Обманное сообщение изображено на рис. 10.13 и заключается в подаче на вход одной единственной единицы при остальных нулях, что позволяет обнаружить одну из внутренних связей. Если криптоаналитику необходимо осуществить анализ подобной схемы с помощью атаки открытого текста, то он отправит последовательность подобных обманных сообщений, смещая при каждой передаче единственную единицу на одну позицию. В результате подобной атаки будут установлены все связи входа и выхода. Данный пример демонстрирует, почему защищенность схемы не должна зависеть от ее архитектуры.

10.4.3. Метод гаммирования .

Попытки приблизиться к совершенной секретности демонстрируют многие современные телекоммуникационные системы, использующие операцию скремблирования. Подскремблированием понимается процесс наложения на коды символов открытого текста кодов случайной последовательности чисел, которую называют также гаммой (по названию буквы  греческого алфавита, используемой в математических формулах для обозначения случайного процесса). Гаммирование относится к поточным методам шифрования, когда следующие друг за другом символы открытого текста последовательно превращаются в символы шифрограммы, что повышает скорость преобразования. Так, например, поток информационных бит поступает на один вход сумматора по модулю 2, изображенного на рис. 10.14, тогда как на второй – скремблирующая двоичная последовательность
. В идеале последовательность
должна быть случайной последовательностью с равновероятными значениями нулей и единиц. Тогда выходной шифрованный поток
будет статистически независимым от информационной последовательности
, а значит, будет выполняться достаточное условие совершенной секретности. В действительности абсолютная случайность
не является необходимой, поскольку в противном случае получатель не сможет восстановить открытый текст. Действительно, восстановление открытого текста на приемной стороне должно производиться по правилу
, так что на приемной стороне должна генерироваться точно такая же скремблирующая последовательность и с той же фазой. Однако вследствие абсолютной случайности
данная процедура становится невозможной.

На практике в качестве скремблирующих широкое применение нашли псевдослучайные последовательности (ПСП), которые могут быть воспроизведены на приемной стороне. В технологии поточного шифрования для формирования ПСП обычно используют генератор на основелинейного регистра сдвига с обратной связью (linear feedback shift register (LFSR)). Типичная структура генератора ПСП, представленная на рис. 10.15, включает регистр сдвига, который состоит из – ичных элементов задержки или разрядов, имеющихвозможных состояний и хранящих некоторый элемент поля
в течение тактового интервала, схема обратной связи, включающей умножители элементов (состояний), хранящихся в разрядах, на константы, и сумматоров. Формирование ПСП описывается рекуррентным соотношением вида

где коэффициенты
– фиксированные константы, принадлежащие
, согласно которому каждый следующий элемент последовательности вычисляется на основанииn предшествующих.

Поскольку число различных состояний регистра конечно (не более ) неизбежна ситуация, когда после некоторого числа тактов состояние повторится в виде одного из ранее случившихся. Однако, стартуя с некоторой начальной загрузки, т.е. фиксированного состояния, схема на рис. 10.15 сформирует только единственную последовательность, определяемую упомянутой рекурсией. Следовательно, повторение состояния регистра ведет к повторению всех последующих генерируемых символов, означающее, что любая ПСП периодична. Более того, в случае нулевого состояния регистра (наличия нулей во всех разрядах) всегда будет формироваться бесконечная вырожденная последовательность, состоящая только из одних нулей. Очевидно, что подобный случай абсолютно бесперспективен, так что нулевое состояние регистра должно быть исключено. В результате остается не более
допустимых состояний регистра, что ограничивает максимально возможный период последовательности величиной, не большей
.

Пример 10.4.1. На рис. 10.16, a , представлена реализация генератора на основе регистра сдвига с линейной обратной связью, формирующего двоичную псевдослучайную последовательность периода
. Отметим, что в случае двоичной ПСП умножение на единицу эквивалентно простому соединению выхода разряда с сумматором. Рис. 10.16,b , иллюстрирует следующие друг за другом содержания регистра (состояния разрядов), а также состояния выхода обратной связи (точка ОС на схеме) при подаче тактовых импульсов. Последовательность считывается в виде последовательных состояний крайнего правого разряда. Считывание состояний других разрядов приводит к копиям той же самой последовательности, сдвинутой на один или два такта.

На первый взгляд можно предположить, что использование ПСП большого периода может обеспечить достаточно высокую защищенность. Так, например, в сотовой системе мобильной связи стандарта IS-95 в качестве скремблирующей используется ПСП периода
в числе элементарных чипов. При чиповой скорости 1.228810 6 симв/сек ее период составляет:

Следовательно, можно предполагать, что поскольку последовательность не повторяется в течение такого длительного периода, то она может рассматриваться случайной и обеспечивать совершенную секретность. Однако существует коренное отличие псевдослучайной последовательности от действительно случайной последовательности: псевдослучайная последовательность формируется согласно некоторому алгоритму. Таким образом, если известен алгоритм, то будет известна и сама последовательность. В результате этой особенности схема шифрования, использующая линейный регистр сдвига с обратной связью, оказывается уязвимой к атаке известного открытого текста.

Для определения отводов обратной связи, начального состояния регистра и всей последовательности криптоаналитику достаточно иметь всего
бит открытого текста и соответствующий им шифрованный текст. Очевидно, что величина 2n значительно меньше периода ПСП, равного
. Проиллюстрируем упомянутую уязвимость на примере.

Пример 10.4.2. Пусть в качестве скремблирующей используется ПСП периода
, генерируемая с помощью рекурсии вида

при начальном состоянии регистра 0001. В результате будет сформирована последовательность . Предположим, что криптоаналитику, которому ничего неизвестно о структуре обратной связи генератора ПСП, удалось получить
бит криптограммы и ее открытого эквивалента:

Тогда, сложив обе последовательности по модулю 2, криптоаналитик получает в свое распоряжение фрагмент скремблирующей последовательности, который показывает состояние регистра сдвига в различные моменты времени. Так, например, первые четыре бита ключевой последовательности отвечают состоянию регистра в некоторый момент времени . Если теперь сдвигать окно, выделяющее четверку битов на одну позицию вправо, то будут получены состояния регистра сдвига в последовательные моменты времени
. Учитывая линейную структуру схемы обратной связи, можно записать, что

где символ ПСП, который вырабатывается схемой обратной связи и подается на вход первого разряда регистра, а
определяет отсутствие или наличиеi –го соединения между выходом разряда регистра сдвига и сумматором, т.е. схему обратной связи.

Анализируя состояния регистра сдвига в четыре последовательные момента времени можно составить следующую систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

Решение данной системы уравнений дает следующие значения коэффициентов:

Таким образом, определив схему соединений обратной связи линейного регистра и зная его состояние в момент времени , криптоаналитик способен воспроизвести скремблирующую последовательность в произвольный момент времени, а значит, способен дешифровать перехваченную криптограмму.

Обобщив рассмотренный пример на случай произвольного регистра сдвига памяти n , исходное уравнение может быть представлено в виде

,

а система уравнений записана в следующей матричной форме

,

где
, а
.

Можно показать, что столбцы матрицы линейно независимы и, значит, существует обратная матрица
. Следовательно

.

Обращение матрицы требует порядка операций, так что при
имеем
, что для компьютера со скоростью работы одна операция за 1мкс потребует 1 сек на обращение матрицы. Очевидно, что слабость регистра сдвига обусловлена линейностью обратной связи.

Чтобы затруднить аналитику вычисление элементов ПСП при сопоставлении фрагментов открытого текста и шифровки, применяется обратная связь по выходу и шифротексту. На рис. 10.17 поясняется принцип введения обратной связи по шифротексту.

Рис. 10.17. Поточное шифрование с обратной связью.

Сначала передается преамбула, в которой содержится информация о параметрах генерируемой ПСП, в том числе и о значении начальной фазы Z 00 . По каждым n сформированным символам шифрограммы вычисляется и устанавливается в генераторе новое значение фазы
. Обратная связь делает метод гаммирования чувствительным к искажениям криптограммы. Так, из-за помех в канале связи могут исказиться некоторые принятые символы, что приведет к вычислению ошибочного значения фазы ПСП и затруднит дальнейшую расшифровку, но после полученияn правильных символов шифрованного текста система восстанавливается. В то же время такое искажение можно объяснить попыткой злоумышленника навязать ложные данные.