Основные современные методы шифрования

Среди разнообразнейших способов шифрования можно выделить следующие основные методы:

• - Алгоритмы замены или подстановки - символы исходного текста заменяются на символы другого (или того же) алфавита в соответствии с заранее определенной схемой, которая и будет ключом данного шифра. Отдельно этот метод в современных криптосистемах практически не используется из-за чрезвычайно низкой криптостойкости.
• - Алгоритмы перестановки - символы оригинального текста меняются местами по определенному принципу, являющемуся секретным ключом. Алгоритм перестановки сам по себе обладает низкой криптостойкостью, но входит в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.
• - Алгоритмы гаммирования - символы исходного текста складываются с символами некой случайной последовательности.
• - Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях исходного текста по некоторой формуле. Многие из них используют нерешенные математические задачи. Например, широко используемый в Интернете алгоритм шифрования RSA основан на свойствах простых чисел.
• - Комбинированные методы. Последовательное шифрование исходного текста с помощью двух и более методов.

Рассмотрим подробнее алгоритмы, построенные на сложных математических преобразованиях и комбинированные методы, как наиболее часто используемые для защиты данных в современных информационных системах.

Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях

Алгоритм RSA

Алгоритм RSA (по первым буквам фамилий его создателей Rivest - Shamir - Adleman) основан на свойствах простых чисел (причем очень больших). Простыми называются такие числа, которые не имеют делителей, кроме самих себя и единицы. А взаимно простыми называются числа, не имеющие общих делителей, кроме 1.

Для начала необходимо выбрать два очень больших простых числа (большие исходные числа нужны для построения больших криптостойких ключей. Например, Unix-программа ssh-keygen по умолчанию генерирует ключи длиной 1024 бита). Как результат перемножения р и q определяется параметр n. Затем выбирается случайное число е, причем оно должно быть взаимно простым с числом (n) = (р - 1)*(q - 1). Отыскивается такое число d, для которого верно соотношение

(e*d) mod (n) = 1.

Mod - остаток от деления, т. е. если e, умноженное на d, поделить (n), то в остатке должно получиться 1. Другими словами, числа (e*d - 1) и (n) должны делиться нацело.

Открытым ключом является пара чисел e и n, а закрытым - d и n. При шифровании исходный текст рассматривается как числовой ряд, и над каждым его числом, которое должно быть меньше n, совершается операция

C(i) = (M(i) e) mod n. (1)

В результате получается последовательность C(i), которая и составит криптотекст. Декодирование информации происходит по формуле

M(i) = (C(i) d) mod n. (2)

Как видно, расшифровка предполагает знание секретного ключа.

Рассмотрим пример на маленьких числах. Пусть р = 3, q = 7. Тогда n = = р*q = 21. Выберем е = 5. Из формулы (d*5) mod 12 = 1 вычисляем d = 17. Следовательно, открытый ключ 17, 21, секретный - 5, 21.

Зашифруем последовательность «2345»:

C 1 = 2 17 mod 21 = 11;

C 2 = 3 17 mod 21 = 12;

C 3 = 4 17 mod 21 = 16;

C 4 = 5 17 mod 21 = 17.

Криптотекст - 11 12 16 17. Проверим расшифровкой:

M 1 = 11 5 mod 21 = 2;

M 2 = 12 5 mod 21 = 3;

M 3 = 16 5 mod 21 = 4;

M 4 = 17 5 mod 21 = 5;

Как видно, результат совпал с изначальным открытым текстом.

Криптосистема RSA широко применяется в Интернете. Когда пользователи подсоединяются к защищенному серверу по протоколу SSL SSL (Secure Socket Layer), протокол защищенных сокетов - протокол, гарантирующий безопасную передачу данных по сети; комбинирует криптографическую систему с открытым ключом и блочное шифрование данных., устанавливает на свой ПК сертификат WebMoney либо подключается к удаленному серверу с помощью Oрen SSH или SecureShell, большинство даже не подозревает, что все эти программы применяют шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA.

Действительно ли эта система так надежна?

С момента своего создания RSA постоянно подвергалась атакам типа brute-force attack (атака методом грубой силы Brute force («грубая сила») - атака, осуществляемая простым перебором всех возможных либо наиболее часто встречающихся ключей (паролей). Во втором случае brute force достаточно часто называют "атакой по словарю".). В 1978 г. авторы алгоритма опубликовали статью, где привели строку, зашифрованную только что изобретенным ими методом. Первому, кто расшифрует сообщение, было назначено вознаграждение в размере 100 долларов, но для этого требовалось разложить на два сомножителя 129-значное число. Это был первый конкурс на взлом RSA. Задачу решили только через 17 лет после публикации статьи.

Криптостойкость RSA основывается на том предположении, что исключительно трудно, если вообще реально, определить закрытый ключ из открытого. Для этого требовалось решить задачу о существовании делителей огромного целого числа. До сих пор ее аналитическими методами никто не решил, и алгоритм RSA можно взломать лишь путем полного перебора. Строго говоря, утверждение, что задача разложения на множители сложна и что взлом системы RSA труден, также не доказано.

Компания RSA (httр://www.rsa.ru) регулярно проводит конкурсы на взлом собственных (и не только собственных) шифров. Предыдущие конкурсы выиграла организация Distributed.net (httр://www.distributed.net), являющаяся Интернет-сообществом добровольцев.

Участники Distributed.net загружают к себе на ПК небольшую программу-клиент, которая подсоединяется к центральному серверу и получает кусочек данных для вычислений. Затем все данные загружаются на центральный сервер, и клиент получает следующий блок исходной информации. И так происходит до тех пор, пока все комбинации не будут перебраны. Пользователи, участники системы, объединяются в команды, а на сайте ведется рейтинг как команд, так и стран. Например, участвующей в конкурсе по взлому RC5-64 (блочный шифр компании RSA, использующий ключ длиной 64 бита) организации Distributed.net удалось осуществить взлом через пять лет (1757 дней) работы. За это время в проекте участвовали 327 856 пользователей и было перебрано более 15,268*10 18 вариантов ключа. Выяснилось, что была (не без юмора) зашифрована фраза «some things are better left unread» («некоторые вещи лучше оставлять непрочтенными»). Общие рекомендации по шифру RC5-64 таковы: алгоритм достаточно стоек для повседневных нужд, но шифровать им данные, остающиеся секретными на протяжении более пяти лет, не рекомендуется».

Вероятностное шифрование

Одной из разновидностей криптосистем с открытым ключом является вероятностное шифрование, разработанное Шафи Гольвассером и Сильвио Минелли. Его суть состоит в том, чтобы алгоритм шифрования Е подчинить вероятностным моделям. В чем же преимущества такого подхода? Для примера, в системе RSA не «маскируются» 0 и 1. Эту проблему успешно решают вероятностные алгоритмы, поскольку они ставят в соответствие открытому тексту М не просто криптотекст С, а некоторый элемент из множества криптотекстов СМ. При этом каждый элемент этого множества выбирается с некоторой вероятностью. Другими словами, для любого открытого текста М результат работы алгоритма Е будет случайной величиной. Может показаться, что в этом случае дешифровать информацию будет невозможно, но это совсем не так. Для того чтобы сделать возможной дешифровку, нужно, чтобы для разных открытых текстов М 1 и М 2 множества СМ 1 и СМ 2 не пересекались. Также хочется сказать, что вероятностные алгоритмы шифрования являются более надежными, нежели детерминированные. В этой области наиболее распространены вероятностное шифрование на основе RSA-функций и криптосистема Эль-Гамала.

Комбинированные методы шифрования

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системе шифрования, является ее высокая криптостойкость. Однако ее повышение для любого метода шифрования приводит, как правило, к существенному усложнению самого процесса шифрования и увеличению затрат ресурсов (времени, аппаратных средств, уменьшению пропускной способности и т.п.), и как следствие - времени работы криптографических систем.

Достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования является комбинированное использование нескольких различных способов шифрования, т.е. последовательное шифрование исходного текста с помощью двух или более методов.

Как показали исследования, стойкость комбинированного шифрования не ниже произведения стойкостей используемых способов.

Строго говоря, комбинировать можно любые методы шифрования и в любом количестве, однако на практике наибольшее распространение получили следующие комбинации:

подстановка + гаммирование;

перестановка + гаммирование;

гаммирование + гаммирование;

подстановка + перестановка;

Типичным примером комбинированного шифра является национальный стандарт США криптографического закрытия данных (DES).

Криптографический стандарт DES

В 1973 г. Национальное бюро стандартов США начало разработку программы по созданию стандарта шифрования данных на ЭВМ. Был объявлен конкурс среди фирм-разработчиков, который выиграла фирма IBM, представившая в 1974 году алгоритм шифрования, известный под названием DES (Data Encryption Standart).

В этом алгоритме входные 64-битовые векторы, называемые блоками открытого текста, преобразуются в выходные 64-битовые векторы, называемые блоками шифротекста, с помощью двоичного 56-битового ключа К. Число различных ключей DES-алгоритма равно 2 56 .

Алгоритм реализуется в течение 16 аналогичных циклов шифрования, где на i-ом цикле используется цикловой ключ K i , представляющий собой алгоритмически вырабатываемую выборку 48 из 56 битов ключа K i , i = 1,2,…,16.

Алгоритм обеспечивает высокую стойкость, однако недавние результаты показали, что современная технология позволяет создать вычислительное устройство стоимостью около 1 млн. долларов США, способное вскрыть секретный ключ с помощью полного перебора в среднем за 3,5 часа.

Из-за небольшого размера ключа было принято решение использовать DES-алгоритм для закрытия коммерческой информации. Практическая реализация перебора всех ключей в данных условиях экономически не целесообразна, так как затраты на реализацию перебора не соответствуют ценности информации, закрываемой шифром.

DES-алгоритм явился первым примером широкого производства и внедрения технических средств в области защиты информации. Национальное бюро стандартов США проводит проверку аппаратных реализаций DES-алгоритма, предложенных фирмами-разработчиками, на специальном тестирующем стенде. Только после положительных результатов проверки производитель получает от Национального бюро стандартов сертификат на право реализации своего продукта. К настоящему времени аттестовано несколько десятков изделий, выполненных на различной элементной базе.

Достигнута высокая скорость шифрования. Она составляет в лучших изделиях 45 Мбит/с. Цена некоторых аппаратных изделий не превышает 100 долларов США.

Основные области применения DES-алгоритма:

хранение данных на компьютерах (шифрование файлов, паролей);

аутентификация сообщений (имея сообщение и контрольную группу, несложно убедиться в подлинности сообщения;

электронная система платежей (при операциях с широкой клиентурой и между банками);

Электронный обмен коммерческой информацией (обмен данными между покупателями, продавцом и банкиром защищен от изменений и перехвата.

Позднее появилась модификация DES - Triple DЕS («тройной DES» - так как трижды шифрует информацию «обычным» алгоритмом DES), свободная от основного недостатка прежнего варианта - короткого ключа; он здесь в два раза длиннее. Но, как оказалось, Triple DES унаследовал другие слабые стороны своего предшественника: отсутствие возможности для параллельных вычислений при шифровании и низкую скорость.

ГОСТ 28147-89

В 1989 году в СССР был разработан блочный шифр для использования в качестве государственного стандарта шифрования данных . Разработка была принята и зарегистрирована как ГОСТ 28147-89. Алгоритм был введен в действие в 1990 году. И хотя масштабы применения этого алгоритма шифрования до сих пор уточняются, начало его внедрения, в частности в банковской системе, уже положено. Алгоритм несколько медлителен, но обладает весьма высокой криптостойкостью.

В общих чертах ГОСТ 28147-89 аналогичен DES. Блок-схема алгоритма ГОСТ отличается от блок-схемыDES-алгоритма лишь отсутствием начальной перестановки и числом циклов шифрования (32 в ГОСТ против 16 в DES-алгоритме).

Ключ алгоритма ГОСТ - это массив, состоящий из 32-мерных векторов X 1 , X 2 ,…X 8 . Цикловой ключ i-го цикла K i равен Xs,где ряду значенийi от 1 до 32 соответствует следующий ряд значений s:

1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,8,7,6,5,4,3,2,1.

В шифре ГОСТ используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства составляет 2 256 . Ни на одной из существующих в настоящее время или предполагаемых к реализации в недалеком будущемкомпьютерных систем общего применения нельзя подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт проектировался с большим запасом, по стойкости он на много порядков превосходит американский стандарт DES с его реальным размером ключа в 56 бит и объемом ключевого пространства всего 2 56 , чего явно недостаточно. Ключ криптоалгоритма ГОСТ длиной 32 байта (256 бит) вчетверо больше ключа DES. Необходимое же на перебор всех ключей время при этом возрастает не в четыре раза, а в 256 32-8 = 256 24 , что выливается уже в астрономические цифры). В этой связи DES может представлять скорее исследовательский или научный, чем практический интерес.

Выводы об использовании современных алгоритмов шифрования

В настоящее время наиболее часто применяются три основных стандарта шифрования:

• - DES;
• - ГОСТ 28147-89 - отечественный метод, отличающийся высокой криптостойкостью;
• - RSA - система, в которой шифрование и расшифровка осуществляется с помощью разных ключей.

Недостатком RSA является довольно низкая скорость шифрования, зато она обеспечивает персональную электронную подпись, основанную на уникальном для каждого пользователя секретном ключе. Характеристики наиболее популярных методов шифрования приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики наиболее распространенных методов шифрования

Государственным стандартом шифрования в России является алгоритм, зарегистрированный как ГОСТ 28147-89. Он является блочным шифром, то есть шифрует не отдельные символы, а 64-битные блоки. В алгоритме предусмотрено 32 цикла преобразования данных с 256-битным ключом, за счет этого он очень надежен (обладает высокой криптостойкостью). На современных компьютерах раскрытие этого шифра путем перебора ключей (“методом грубой силы”) займет не менее сотен лет, что делает такую атаку бес­смысленной. В США используется аналогичный блочный шифр AES .

В Интернете популярен алгоритм RSA, названный так по начальным буквам фамилий его авторов - Р.Райвеста (R.Rivest), А.Шамира (A.Shamir) и ЛАдлемана (L.Adleman). Это алгоритм с открытым ключом, стойкость которого основана на использовании свойств простых чисел. Для его взлома нужно разложить очень большое число на простые сомножители. Эту задачу сейчас умеют решать только перебором вариантов. Поскольку количество вариантов огромно, для раскрытия шифра требуется много лет работы со­временных компьютеров.

Для применения алгоритма RSA требуется построить открытый и секретный ключи следующим образом.

1. Выбрать два больших простых числа, р и q.
2. Найти их произведение n = p * q и значение f = (р - 1) (q - 1)
3. Выбрать число e (1 < e < k), которое не имеет общих делителей с f.
4. Найти число d, которое удовлетворяет условию d e = k f + 1 для некоторого целого k
5. Пара значений (e, n) - это открытый ключ RSA (его можно свободно публиковать), а пара (d, n) - это секретный ключ .

Передаваемое сообщение нужно сначала представить в виде последовательности чисел в интервале от 0 до n - 1. Для шифрования используют формулу y = х e mod n, где х - число исходного сообщения, (e, n) - открытый ключ, y - число закодированного сообщения, а запись х e mod n обозначает остаток от деления х на n. Расшифровка сообщения выполняется по формуле х = y d mod n.
Это значит, что зашифровать сообщение может каждый (открытый ключ общеизвестен), а прочитать его - только тот, кто знает секретный показатель степени d.
Для лучшего понимания мы покажем работу алгоритма RSA на простом примере. ПРИМЕР: Возьмем р = 3 и q = 7, тогда находим n = р q = 21 и f = (р - 1) (q - 1) = 12. Выберем e = 5, тогда равенство d e = к f + 1 выполняется, например, при d = 17 (и к = 7). Таким образом, мы получили открытый ключ (5, 21) и секретный ключ (17, 21).

Зашифруем сообщение “123” с помощью открытого ключа (5,21). Получаем

1 → 1 5 mod 21 = 1 ,
2 → 2 5 mod 21 = 11 ,

3 → 3 5 mod 21 = 12,
то есть зашифрованное сообщение состоит из чисел 1 ,11и 12. Зная секретный ключ (17, 21), можно его расшифровать:

1 → 1 17 mod 21 = 1 ,

11 → 11 17 mod 21 = 2 ,
12 → 12 17 mod 21 = 3 .

Мы получили исходное сообщение.

Конечно, вы заметили, что при шифровании и расшифровке приходится вычислять остаток от деления очень больших чисел (например, 12 17) на n. Оказывается, само число 12 17 в этом случае находить не нужно. Достаточно записать в обычную целочисленную пере­менную, например х, единицу, а потом 17 раз выпол­нить преобразование х = 12*х mod 21. После этого в переменной х будет значение 12 17 mod 21 = 3. Попро­буйте доказать правильность этого алгоритма.
Для того чтобы расшифровать сообщение, нужно знать секретный показатель степени d. А для этого, в свою очередь, нужно найти сомножители р и q, такие что n = р q. Если n велико, это очень сложная задача, ее решение перебором вариантов на современном ком­пьютере займет сотни лет. В 2009 году группа ученых из разных стран в результате многомесячных расчетов на сотнях компьютеров смогла расшифровать сообще­ние, зашифрованное алгоритмом RSA с 768-битным ключом. Поэтому сейчас надежными считаются ключи с длиной 1024 бита и более. Если будет построен рабо­тающий квантовый компьютер, взлом алгоритма RSA будет возможен за очень небольшое время.
При использовании симметричных шифров всегда возникает проблема: как передать ключ, если канал связи ненадежный? Ведь, получив ключ, противник сможет расшифровать все дальнейшие сообщения. Для алгоритма RSA этой проблемы нет, сторонам достаточно обменяться открытыми ключами, которые можно показывать всем желающим.
У алгоритма RSA есть еще одно достоинство: его можно использовать для цифровой подписи сообщений. Она служит для доказательства авторства документов, защиты сообщений от подделки и умышленных изменений.

Цифровая подпись - это набор символов, который получен в результате шифрования сообщения с помощью личного секретного кода отправителя.

Отправитель может передать вместе с исходным сообщением такое же сообщение, зашифрованное с помощью своего секретного ключа (это и есть цифровая подпись). Получатель расшифровывает цифровую подпись с помощью открытого ключа. Если она совпа­ла с незашифрованным сообщением, можно быть уве­ренным, что его отправил тот человек, который знает секретный код. Если сообщение было изменено при передаче, оно не совпадет с расшифрованной цифровой подписью. Так как сообщение может быть очень длинным, для сокращения объема передаваемых дан­ных чаще всего шифруется не все сообщение, а только его хэш-код.
Во многих современных программах есть возможность шифровать данные с паролем. Например, офисные пакеты OpenOffice.org и Microsoft Office позволяют шифровать все создаваемые документы (для их просмотра и/или изменения нужно ввести пароль). При создании архива (например, в архиваторах 7Zip,WinRAR, WinZip ) также можно установить пароль, без которого извлечь файлы невозможно.
В простейших задачах для шифрования файлов можно использовать бесплатную программу Шифро­вальщик (http://www.familytree.ru/ru/cipher.htm), версии которой существуют для Linux и Windows . Програм­мы TnieCrypt (http://www.truecrypt.org/), BestCrypt (www. jetico.com) и FreeOTFE (freeotfe.org) создают логические диски-контейнеры, информация на которых шифруется. Свободно распространяемая программа DiskCrypto r (diskcryptor.net) позволяет шифровать разделы жестких дисков и даже создавать шифрованные флэш-диски и CD/DVD-диски.
Программа GnuPG (gnupg.org) также относится к свободному программному обеспечению. В ней под­держиваются симметричные и несимметричные шиф­ры, а также различные алгоритмы электронной циф­ровой подписи.

Стеганография

Видео YouTube

При передаче сообщений можно не только применять шифрование, но и скрывать сам факт передачи сообщения.

Стеганография - это наука о скрытой передаче информации путем скрытия самого факта передачи информации.

Древнегреческий историк Геродот описывал, например, такой метод: на бритую голову раба записывалось сообщение, а когда его волосы отрастали, он отправлялся к получателю, который брил его голову и читал сообщение.
Классический метод стеганографии - симпатические (невидимые) чернила, которые проявляются только при определенных условиях (нагрев, освещение, хиический проявитель). Например, текст, написанный молоком, можно прочитать при нагреве.
Сейчас стеганография занимается скрытием информации в текстовых, графических, звуковых и видеофайлах с помощью программного “внедрения” в них нужных сообщений.
Простейший способ - заменять младшие биты файла, в котором закодировано изображение. Причем это нужно сделать так, чтобы разница между исходным и полученным рисунками была неощутима для человека. Например, если в черно-белом рисунке (256 оттенков серого) яркость каждого пикселя кодируется 8 битами. Если поменять 1-2 младших бита этого кода, ““встроив” туда текстовое сообщение, фотография, в которой нет четких границ, почти не изменится. При замене 1 бита каждый байт исходного текстового сообщения хранится в млад­ших битах кодов 8 пикселей. Например, пусть первые 8 пикселей рисунка имеют такие коды:

10101101	10010100	00101010	01010010
10101010	10101010	10101011	10101111

Чтобы закодировать в них код буквы “И” (110010002), нужно изменить младшие биты кодов:

1010110 1	1001010 1	0010101 0	0101001 0
1010101 1	1010101 0	1010101 0	1010111 0

Получателю нужно взять эти младшие биты и “собрать” их вместе в один байт.
Для звуков используются другие методы стеганографии, основанные на добавлении в запись коротких условных сигналов, которые обозначают 1 и 0 и не воспри нимаются

человеком на слух. Возможна также за­мена одного фрагмента звука на другой.
Для подтверждения авторства и охраны авторских прав на изображения, видео и звуковые файлы приме­няют цифровые водяные знаки - внедренную в файл информацию об авторе. Они получили свое название от старых водяных знаков на деньгах и документах. Для того чтобы установить авторство фотографии, достаточно расшифровать скрытую информацию, за­писанную с помощью водяного знака.
Иногда цифровые водяные знаки делают видимыми (текст или логотип компании на фотографии или на каждом кадре видеофильма). На многих сайтах, занимающихся продажей цифровых фотографий, видимые водяные знаки размещены на фотографиях, предназначенных для предварительного просмотра.

Контрольные вопросы:

1. Какой алгоритм шифрования принят в России в качестве государственного стандарта?
2. Что такое блочный алгоритм шифрования?
3. К какому типу относится алгоритм RSA? На чем основана его криптостойкость?
4. Что такое цифровая подпись?
5. Как можно использовать алгоритм RSA для цифровой подписи?
6. Что такое стеганография?
7. Какие методы стеганографии существовали до изобретения компьютеров?
8. Как можно добавить текст в закодированное изображение?
9. На чем основаны методы стеганографии для звуковых и видеоданных?
10. Что такое цифровые водяные знаки? Зачем они используются?

Задание:

1.Просмотреть материал лекции и ответить на контрольные вопросы.
2. Пройдитесь по ссылкам и познакомьтесь с программами для шифрования файлов.
3. Зашифруйте любой документ в любом из офисных пакетов OpenOffice.org или Microsoft Office и пришлите мне.

Алгоритм шифрования данных DES (Data Encryption Standard) был опубликован в 1977 г. и остается пока распространенным блочным симметричным алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации.

Алгоритм DES построен в соответствии с методологией сети Фейстеля и состоит из чередующейся последовательности перестановок и подстановок. Алгоритм DES осуществляет шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 64-битового ключа, в котором значащими являются 56 бит (остальные 8 - проверочные биты для контроля на четность).

Процесс шифрования заключается в начальной перестановке битов 64-битового блока, 16 циклах (раундах) шифрования и, наконец, в конечной перестановке битов (рис. 6.2).

Рис. 6.2.

Расшифровывание в DES является операцией, обратной шифрованию, и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности.

Основные достоинства алгоритма DES:

• используется только один ключ длиной 56 бит;
• относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки;
• зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий алгоритму DES;
• криптостойкость алгоритма вполне достаточна для обеспечения информационной безопасности большинства коммерческих приложений.

Современная микропроцессорная техника позволяет за достаточно приемлемое время взламывать симметричные блочные шифры с длиной ключа 40 бит. Для такого взламывания используется метод полного перебора - тотального опробования всех возможных значений ключа (метод «грубой силы»). До недавнего времени DES считался относительно безопасным алгоритмом шифрования.

Существует много способов комбинирования блочных алгоритмов для получения новых более стойких алгоритмов. Одним из таких способов является многократное шифрование - использование блочного алгоритма несколько раз с разными ключами для шифрования одного и того же блока открытого текста. При трехкратном шифровании можно применить три различных ключа.

Алгоритм 3-DES (Triple DES - тройной DES) используется в ситуациях, когда надежность алгоритма DES считается недостаточной.

Сегодня все шире используются два современных криптостойких алгоритма шифрования: отечественный стандарт шифрования ГОСТ 28147-89 и новый криптостандарт США - AES (Advanced Encryption Standard).

Стандарт шифрования ГОСТ 28147-89 предназначен для аппаратной и программной реализации, удовлетворяет криптографическим требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации. Алгоритм шифрования данных, определяемый ГОСТ 28147-89, представляет собой 64-битовый блочный алгоритм с 256-битовым ключом.

Данные, подлежащие зашифрованию, разбивают на 64-раз-рядные блоки. Эти блоки разбиваются на два субблока N x и N 2 по 32 бит (рис. 6.3). Субблок /V, обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N 2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - «исключающее или»), а затем

Рис. 6.3.

субблоки меняются местами. Данное преобразование выполняется определенное число раз («раундов») - 16 или 32, в зависимости от режима работы алгоритма.

В каждом раунде выполняются две операции.

Первая операция - наложение ключа. Содержимое субблока /V, складывается по модулю 2 32 с 32-битовой частью ключа К х. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-битовых подключей: К 0 , К { , К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К 6 , К 7 . В процессе шифрования используется один из этих подключей - в зависимости от номера раунда и режима работы алгоритма.

Вторая операция - табличная замена. После наложения ключа субблок N { разбивается на 8 частей по 4 бит, значение каждой из которых заменяется в соответствии с таблицей замены для данной части субблока. Затем выполняется побитовый циклический сдвиг субблока влево на 11 бит.

Табличные замены. Блок подстановки 5-box (Substitution box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция.

Блок подстановки 5-Ьох состоит из восьми узлов замены (5-блоков замены) 5, S 2 , ..., 5 8 с памятью 64 бит каждый. Поступающий на блок подстановки S 32-битовый вектор разбивают на 8 последовательно идущих 4-битовых векторов, каждый из которых преобразуется в 4-битовый вектор соответствующим узлом замены. Каждый узел замены можно представить в виде таблицы-перестановки 16 4-битовых двоичных чисел в диапазоне 0000... 1111. Входной вектор указывает адрес строки в таблице, а число в этой строке является выходным вектором. Затем 4-битовые выходные векторы последовательно объединяют в 32-би-товый вектор. Узлы замены (таблицы-перестановки) представляют собой ключевые элементы, которые являются общими для сети ЭВМ и редко изменяются. Эти узлы замены должны сохраняться в секрете.

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммиро-вания с обратной связью и генерации имитоприставок. В них используется одно и то же описанное выше шифрующее преобразование, но, поскольку назначение режимов различно, осуществляется это преобразование в каждом из них по-разному.

В режиме простой замены для зашифровывания каждого 64-битового блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-битовые подключи используются в следующей последовательности:

К 0 , К { , К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К 6 , К 7 , К 0 , /Г, и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

К 7 , К ь, К 5 , К 4 , К 3 , К 2 , К х, К 0 - в раундах с 25-го по 32-й.

Расшифровывание в данном режиме проводится точно так же, но с несколько другой последовательностью применения подключей:

К 0 , АГ, К 2 , К 3 , К 4 , К 5 , К ь, К 7 - в раундах с 1-го по 8-й;

К 7 , К 6 , К 5 , К 4 , К 3 , К 2 , К { , К 0 , К 7 , К ь и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифровывания каждого блока зависит только от его содержимого (соответствующего блока исходного текста). При наличии нескольких одинаковых блоков исходного (открытого) текста соответствующие им блоки шифртекста тоже будут одинаковы, что дает дополнительную полезную информацию для пытающегося вскрыть шифр криптоаналитика. Поэтому данный режим применяется в основном для шифрования самих ключей шифрования (очень часто реализуются многоключевые схемы, в которых по ряду соображений ключи шифруются друг на друге). Для шифрования собственно информации предназначены два других режима работы - гаммирования и гаммирования с обратной связью.

В режиме гаммирования каждый блок открытого текста побитно складывается по модулю 2 с блоком гаммы шифра размером 64 бит. Гамма шифра - это специальная последовательность, которая получается в результате определенных операций с регистрами N 1 и Ы 2 (рис. 6.9):

• 1. В регистры N^ и 1У 2 записывается их начальное заполнение - 64-битовая величина, называемая синхропосылкой.
• 2. Выполняется зашифровывание содержимого регистров N 1 и М 2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.
• 3. Содержимое регистра N^ складывается по модулю (2 32 - 1) с константой С, = 2 24 + 2 16 + 2 8 + 2 4 , а результат сложения записывается в регистр N 1 .
• 4. Содержимое регистра УУ 2 складывается по модулю 232 с константой С 2 = 2 24 + 2 16 + 2 8 + 1, а результат сложения записывается в регистр УУ 2 .
• 5. Содержимое регистров N , и Ы 2 подается на выход в качестве 64-битового блока гаммы шифра (в данном случае N^ и УУ 2 образуют первый блок гаммы).

Если необходим следующий блок гаммы (т. е. необходимо продолжить зашифровывание или расшифровывание), выполняется возврат к операции 2.

Для расшифровывания гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция Х(Ж. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Зашифровывание и расшифровывание в режиме гаммирования

Для выработки нужной для расшифровки гаммы шифра у пользователя, расшифровывающего криптограмму, должен быть тот же ключ и то же значение синхропосылки, которые применялись при зашифровывании информации. В противном случае получить исходный текст из зашифрованного не удастся.

В большинстве реализаций алгоритма ГОСТ 28147-89 синхропосылка не секретна, однако есть системы, где синхропосылка такой же секретный элемент, как и ключ шифрования. Для таких систем эффективная длина ключа алгоритма (256 бит) увеличивается еще на 64 бит секретной синхропосылки, которую также можно рассматривать как ключевой элемент.

В режиме гаммирования с обратной связью для заполнения регистров Л", и ІУ 2 , начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 6.4). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рассматривая режим генерации имитоприставок, следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с исполь-

Рис. 6.4.

зованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-битовый блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры ^ и А^ 2 и зашифровывается в сокращенном режиме простой замены (выполняются первые 16 раундов из 32). Полученный результат суммируется по модулю 2 со следующим блоком информации с сохранением результата в Л", и Ы 2 .

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-битовое содержимое регистров Л^, и А^ 2 или его часть и называется имитопри-ставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки г бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2~ г.

Чаще всего используется 32-битовая имитоприставка, т. е. половина содержимого регистров. Этого достаточно, поскольку, как любая контрольная сумма, имитоприставка предназначена прежде всего для защиты от случайных искажений информации. Для защиты же от преднамеренной модификации данных применяются другие криптографические методы - в первую очередь электронная цифровая подпись.

При обмене информацией имитоприставка служит своего рода дополнительным средством контроля. Она вычисляется для открытого текста при зашифровывании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифровывания вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают, значит шифр-текст был искажен при передаче или при расшифровывании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифровывания ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 является очень стойким алгоритмом - в настоящее время для его раскрытия не предложено более эффективных методов, чем упомянутый выше метод «грубой силы». Его высокая стойкость достигается в первую очередь за счет большой длины ключа - 256 бит. При использовании секретной синхропосылки эффективная длина ключа увеличивается до 320 бит, а засекречивание таблицы замен прибавляет дополнительные биты. Кроме того, криптостойкость зависит от количества раундов преобразований, которых по ГОСТ 28147-89 должно быть 32 (полный эффект рассеивания входных данных достигается уже после 8 раундов).

Стандарт шифрования AES. В 1997 г. Американский институт стандартизации NIST (National Institute of Standards & Technology) объявил конкурс на новый стандарт симметричного криптоалгоритма, названного AES (Advanced Encryption Standard). К его разработке были подключены самые крупные центры криптологии всего мира. Победитель этого соревнования фактически становился мировым криптостандартом на ближайшие 10-20 лет.

К криптоалгоритмам - кандидатам на новый стандарт AES - были предъявлены следующие требования:

• алгоритм должен быть симметричным;
• алгоритм должен быть блочным шифром;
• алгоритм должен иметь длину блока 128 бит и поддерживать три длины ключа: 128, 192 и 256 бит.

Дополнительно разработчикам криптоалгоритмов рекомендовалось:

• использовать операции, легко реализуемые как аппаратно (в микрочипах), так и программно (на персональных компьютерах и серверах);
• ориентироваться на 32-разрядные процессоры;
• не усложнять без необходимости структуру шифра, для того чтобы все заинтересованные стороны были в состоянии самостоятельно провести независимый криптоанализ алгоритма и убедиться, что в нем не заложено каких-либо недокументированных возможностей.

Итоги конкурса были подведены в октябре 2000 г. - победителем был объявлен алгоритм Rijndael, разработанный двумя криптографами из Бельгии, Винсентом Риджменом (Vincent Rijmen) и Джоан Даймен (Joan Daemen). Алгоритм Rijndael стал новым стандартом шифрования данных AES .

Алгоритм AES не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название «сеть Фейстеля» и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм AES представляет каждый блок обрабатываемых данных в виде двухмерного байтового массива размером 4x4, 4x6 или 4 х 8 в зависимости от установленной длины блока (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Далее на соответствующих этапах производятся преобразования либо над независимыми столбцами, либо над независимыми строками, либо вообще над отдельными байтами.

Алгоритм AES состоит из определенного количества раундов (от 10 до 14 - это зависит от размера блока и длины ключа) и выполняет четыре преобразования:

BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 6.5);

SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 6.6). При этой операции первая строка остается без изменений, а остальные циклически побайтно сдвигаются влево на фиксированное число байт, зависящее от размера массива. Например, для массива размером 4x4 строки 2, 3 и 4 сдвигаются соответственно на 1, 2 и 3 байта;

МС (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 6.7), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу с(х);

АК (AddRoundKey) - добавление ключа. Каждый бит массива складывается по модулю 2 с соответствующим битом ключа раунда, который в свою очередь определенным образом вычисляется из ключа шифрования (рис. 6.8).

Рис. 6.5.

для обработки каждого байта массива State

Рис. 6.6. Преобразование SR (ShiftRow) циклически сдвигает три последних

строки в массиве State

		d 2 j

			к оз
			к зз

Рис. 6.8. Преобразование АК (AddRoundKey) производит сложение XOR каждого

столбца массива State со словом из ключевого набора

Эти преобразования воздействуют на массив State, который адресуется с помощью указателя "state". Преобразование AddRoundKey использует дополнительный указатель для адресации ключа раунда Round Key.

Преобразование BS (ByteSub) является нелинейной байтовой подстановкой, которая воздействует независимо на каждый байт массива State, используя таблицу замен (подстановок) iS-box.

В каждом раунде (с некоторыми исключениями) над шифруемыми данными поочередно выполняются перечисленные

преобразования (рис. 6.9). Исключения касаются первого и последнего раундов: перед первым раундом дополнительно выполняется операция А К, а в последнем раунде отсутствует МС.

Рис. 6.9.

В результате последовательность операций при зашифровы-вании выглядит так:

AK, {BS, SR, MC, АК} (повторяется R - 1 раз), BS, SR, АК.

Количество раундов шифрования R в алгоритме AES переменное (10, 12 или 14 раундов) и зависит от размеров блока и ключа шифрования (для ключа также предусмотрено несколько фиксированных размеров).

Расшифровывание выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровывании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для МС - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию с(х) d{x ) = 1. Добавление ключа АК является обратным самому себе, поскольку в нем используется только операция XOR. Эти обратные операции применяются при расшифровании в последовательности, обратной той, что использовалась при зашифровании.

Все преобразования в шифре AES имеют строгое математическое обоснование. Сама структура и последовательность операций позволяют выполнять данный алгоритм эффективно как на 8-битных так и на 32-битных процессорах. В структуре алгоритма заложена возможность параллельного исполнения некоторых операций, что может поднять скорость шифрования на многопроцессорных рабочих станциях в 4 раза.

Алгоритм AES стал новым стандартом шифрования данных благодаря ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

Недостатком алгоритма AES можно считать лишь его нетрадиционную схему. Дело в том, что свойства алгоритмов, основанных на «сети Фейстеля», хорошо исследованы, a AES, в отличие от них, может содержать скрытые уязвимости, которые могут обнаружиться только по прошествии какого-то времени с момента начала его широкого распространения.

Для шифрования данных применяются и другие симметричные блочные криптоалгоритмы.

Основные режимы работы блочного симметричного

алгоритма

Большинство блочных симметричных криптоалгоритмов непосредственно преобразуют 64-битовый входной открытый текст в 64-битовый выходной шифрованный текст, однако данные редко ограничиваются 64 разрядами.

Чтобы воспользоваться блочным симметричным алгоритмом для решения разнообразных криптографических задач, разработаны четыре рабочих режима:

• электронная кодовая книга ЕС В (Electronic Code Book);
• сцепление блоков шифра СВС (Cipher Block Chaining);
• обратная связь по шифртексту CFB (Cipher Feed Back);
• обратная связь по выходу OFB (Output Feed Back).

Эти рабочие режимы первоначально были разработаны для блочного алгоритма DES, но в любом из этих режимов могут работать и другие блочные криптоалгоритмы.

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 шифрования AES256, 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 (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.

09.07.2003

Что такое шифрование?

Шифрование используется человечеством с того самого момента, как появилась первая секретная информация, т. е. такая, доступ к которой должен быть ограничен. Это было очень давно - так, один из самых известных методов шифрования носит имя Цезаря, который если и не сам его изобрел, то активно им пользовался (см. врезку ).

Криптография обеспечивает сокрытие смысла сообщения и раскрытие его расшифровкой с помощью специальных алгоритмов и ключей. Ключ понимается нами как конкретное секретное состояние параметров алгоритмов шифрования и дешифрования. Знание ключа дает возможность прочтения секретного сообщения. Впрочем, как вы увидите ниже, далеко не всегда незнание ключа гарантирует то, что сообщение не сможет прочесть посторонний человек.

Процесс вскрытия шифра без знания ключа называется криптоанализом. Время, необходимое для взлома шифра, определяется его криптостойкостью. Чем оно больше, тем «сильнее» алгоритм шифрования. Еще лучше, если изначально вообще нельзя выяснить, достижим ли результат взлома.

Основные современные методы шифрования

Среди разнообразнейших способов шифровании можно выделить следующие основные методы:

• Алгоритмы замены или подстановки - символы исходного текста заменяются на символы другого (или того же) алфавита в соответствии с заранее определенной схемой, которая и будет ключом данного шифра. Отдельно этот метод в современных криптосистемах практически не используется из-за чрезвычайно низкой криптостойкости.
• Алгоритмы перестановки - символы оригинального текста меняются местами по определенному принципу, являющемуся секретным ключом. Алгоритм перестановки сам по себе обладает низкой криптостойкостью, но входит в качестве элемента в очень многие современные криптосистемы.
• Алгоритмы гаммирования - символы исходного текста складываются с символами некой случайной последовательности. Самым распространенным примером считается шифрование файлов "имя пользователя.pwl", в которых операционная система Microsoft Windows 95 хранит пароли к сетевым ресурсам данного пользователя (пароли на вход в NT-серверы, пароли для DialUp-доступа в Интернет и т.д.).

Когда пользователь вводит свой пароль при входе в Windows 95, из него по алгоритму шифрования RC4 генерируется гамма (всегда одна и та же), применяемая для шифрования сетевых паролей. Простота подбора пароля обусловливается в данном случае тем, что Windows всегда предпочитает одну и ту же гамму.

• Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях исходного текста по некоторой формуле. Многие из них используют нерешенные математические задачи. Например, широко используемый в Интернете алгоритм шифрования RSA основан на свойствах простых чисел.

Симметричные и асимметричные криптосистемы

Прежде чем перейти к отдельным алгоритмам, рассмотрим вкратце концепцию симметричных и асимметричных криптосистем. Сгенерировать секретный ключ и зашифровать им сообщение - это еще полдела. А вот как переслать такой ключ тому, кто должен с его помощью расшифровать исходное сообщение? Передача шифрующего ключа считается одной из основных проблем криптографии.

Оставаясь в рамках симметричной системы (так она названа оттого, что для шифрования и дешифрования подходит один и тот же ключ), необходимо иметь надежный канал связи для передачи секретного ключа. Но такой канал не всегда бывает доступен, и потому американские математики Диффи, Хеллман и Меркле разработали в 1976 г. концепцию открытого ключа и асимметричного шифрования. В таких криптосистемах общедоступным является только ключ для процесса шифрования, а процедура дешифрования известна лишь обладателю секретного ключа.

Например, когда я хочу, чтобы мне выслали сообщение, то генерирую открытый и секретный ключи. Открытый посылаю вам, вы шифруете им сообщение и отправляете мне. Дешифровать сообщение могу только я, так как секретный ключ я никому не передавал. Конечно, оба ключа связаны особым образом (в каждой криптосистеме по-разному), и распространение открытого ключа не разрушает криптостойкость системы.

В асимметричных системах должно удовлетворяться следующее требование: нет такого алгоритма (или он пока неизвестен), который бы из криптотекста и открытого ключа выводил исходный текст. Пример такой системы - широко известная криптосистема RSA.

Алгоритм RSA

Алгоритм RSA (по первым буквам фамилий его создателей Rivest-Shamir-Adleman) основан на свойствах простых чисел (причем очень больших). Простыми называются такие числа, которые не имеют делителей, кроме самих себя и единицы. А взаимно простыми называются числа, не имеющие общих делителей, кроме 1.

Для начала выберем два очень больших простых числа (большие исходные числа нужны для построения больших криптостойких ключей. Например, Unix-программа ssh-keygen по умолчанию генерирует ключи длиной 1024 бита).

Определим параметр n как результат перемножения p и q . Выберем большое случайное число и назовем его d , причем оно должно быть взаимно простым с результатом умножения (p -1)*(q -1) .

Отыщем такое число e, для которого верно соотношение

(e*d) mod ((p -1)*(q -1)) = 1

(mod - остаток от деления, т. е. если e, умноженное на d, поделить на ((p -1)*(q -1)) , то в остатке получим 1).

Открытым ключом является пара чисел e и n , а закрытым - d и n .

При шифровании исходный текст рассматривается как числовой ряд, и над каждым его числом мы совершаем операцию

C(i)= (M(i) e) mod n.

В результате получается последовательность C(i) , которая и составит криптотекст. Декодирование информации происходит по формуле

M(i) = (C(i) d) mod n.

Как видите, расшифровка предполагает знание секретного ключа.

Давайте попробуем на маленьких числах.

Установим p=3, q=7 . Тогда n=p*q=21. Выбираем d как 5. Из формулы (e*5) mod 12=1 вычисляем e=17 . Открытый ключ 17, 21 , секретный - 5, 21 .

Зашифруем последовательность «12345»:

C(1)= 1 17 mod 21= 1

C(2)= 2 17 mod 21 =11

C(3)= 3 17 mod 21= 12

C(4)= 4 17 mod 21= 16

C(5)= 5 17 mod 21= 17

Криптотекст - 1 11 12 16 17.

Проверим расшифровкой:

M(1)= 1 5 mod 21= 1

M(2)= 11 5 mod 21= 2

M(3)= 12 5 mod 21= 3

M(4)= 16 5 mod 21= 4

M(5)= 17 5 mod 21= 5

Как видим, результат совпал.

Криптосистема RSA широко применяется в Интернете. Когда вы подсоединяетесь к защищенному серверу по протоколу SSL, устанавливаете на свой ПК сертификат WebMoney либо подключаетесь к удаленному серверу с помощью Open SSH или SecureShell, то все эти программы применяют шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA. Действительно ли эта система так надежна?

Конкурсы по взлому RSA

С момента своего создания RSA постоянно подвергалась атакам типа Brute-force attack (атака методом грубой силы, т. е. перебором). В 1978 г. авторы алгоритма опубликовали статью, где привели строку, зашифрованную только что изобретенным ими методом. Первому, кто расшифрует сообщение, было назначено вознаграждение в размере 100 долл., но для этого требовалось разложить на два сомножителя 129-значное число. Это был первый конкурс на взлом RSA. Задачу решили только через 17 лет после публикации статьи.

Криптостойкость RSA основывается на том предположении, что исключительно трудно, если вообще реально, определить закрытый ключ из открытого. Для этого требовалось решить задачу о существовании делителей огромного целого числа. До сих пор ее аналитическими методами никто не решил, и алгоритм RSA можно взломать лишь путем полного перебора. Строго говоря, утверждение, что задача разложения на множители сложна и что взлом системы RSA труден, также не доказано.

Полученное в результате обработки хэш-функцией текста сообщения число шифруется по RSA-алгоритму на закрытом ключе пользователя и посылается адресату вместе с письмом и экземпляром открытого ключа. Адресат с помощью открытого ключа отправителя выполняет ту же хэш-функцию над пришедшим сообщением. Если оба числа равны, это означает, что сообщение подлинное, а если был изменен хотя бы один символ, то числа не совпадут.

Один из самых распространенных в России почтовых клиентов, программа The Bat!, обладает встроенными возможностями добавлять цифровые подписи к письмам (обратите внимание на пункт меню Privacy при редактировании письма). Подробнее об этой методике читайте в статье (см. «Мир ПК», № 3/02).

Рис. 3

Криптография

Криптография - наука о принципах, средствах и методах преобразования информации для защиты ее от несанкционированного доступа и искажения. В последнее время она развивается очень и очень бурно. Это бесконечная увлекательная гонка, требующая много времени и сил: криптоаналитики взламывают алгоритмы, которые еще недавно были стандартами и повсеместно использовались. Кстати, недавно математики Дэн Голдстон (США) и Кем Илдирим (Турция) доказали первую закономерность в распределении простых чисел (до сих пор таких закономерностей не замечали). Простые числа располагаются на числовой оси некоторыми скоплениями, что несколько облегчает их поиск.

Математические исследования, ведущиеся во всем мире, постоянно приводят все к новым и новым открытиям. Как знать, может быть, мы стоим на пороге взлома алгоритма RSA или других криптосистем, основанных на нерешенных математических задачах.

Олег Бунин - специалист по разработке ПО для крупных Интернет-проектов, сотрудник компании «Рамблер», [email protected] .

Литература

1. Лукашов И. В. Криптография? Железно! // Мир ПК. 2003. № 3 (
2. Носов В. А. Краткий исторический очерк развития криптографии // Материалы конференции "Московский университет и развитие криптографии в России", МГУ, 17-18 октября 2002 г.
3. Саломаа А. Криптография с открытым ключом. М., 1996 .
4. Циммерман Ф. PGP - кодирование с открытым ключом для всех.

Система шифрования Цезаря

Пример алгоритма замены - система шифрования Цезаря. Этот метод основан на замене каждой буквы сообщения на другую путем смещения от исходной на фиксированное количество символов. Попробуйте расшифровать четверостишие Омара Хайяма (время выполнения - 10 минут).

РЛЗЬ ЁМЭЙЗ АВБЖУ ИЙЗАВЛУ, БЖЩЛУ ЖЩЭЗЬЖЗ ЖЮЁЩЕЗ, ЭЫЩ ЫЩАЖФО ИЙЩЫВЕЩ БЩИЗЁЖВ ЭЕШ ЖЩРЩЕЩ: ЛФ ЕМРСЮ ЪЗЕЗЭЩГ, РЮЁ РЛЗ ИЗИЩЕЗ ЮКЛУ, В ЕМРСЮ ЬМЭУ ЗЭВЖ, РЮЁ ЫЁЮКЛЮ К ДЮЁ ИЗИЩЕЗ.

Успели? Привожу «отгадку»:

Чтоб мудро жизнь прожить, знать надобно немало,

Два важных правила запомни для начала:

Ты лучше голодай, чем что попало есть,

И лучше будь один, чем вместе с кем попало.

Ключ для расшифровки: сдвигаем на семь символов (берем седьмой) влево по алфавиту. Алфавит закольцован. Регистр символов не учитывается.

Windows и пароли

Как Windows шифрует пароли?

Система берет пароль, преобразует его в верхний регистр, обрезает до 14 символов, затем делит их на две половины по 7, шифрует каждую по отдельности и так сохраняет, что несколько упрощает взлом. Кстати, когда будете придумывать пароль, имейте в виду, что комбинация длиннее 14 символов имеет мало смысла.

Конкурс AES (Advanced Encryption Standard)

В 80-х гг. в США приняли стандарт симметричного шифрования для внутреннего применения - DES ((Data Encryption Standard, подобный стандарт есть и в России). Но в 1997 г., когда стало понятно, что 56-битового ключа DES недостаточно для надежной криптосистемы, Американский институт стандартизации объявил конкурс на новый стандартный алгоритм. Из 15 вариантов был выбран лучший: бельгийский алгоритм Rijndael (его название составлено из фамилий авторов - Rijmen и Daemen, читается как «Рэйндал». Этот алгоритм уже встроен в различные криптографические средства, поставляемые на рынок). Другими финалистами конкурса стали MARS, RC6, Serpent, TwoFish. Все эти алгоритмы были признаны достаточно стойкими и успешно противостоящими всем широко известным методам криптоанализа.

Криптографические хэш-функции

Криптографические хэш-функции преобразуют входные данные любого размера в строку фиксированного размера. Для них чрезвычайно сложно найти:

• два разных набора данных с одинаковым результатом преобразования (стойкость к коллизиям); например, количество арифметических операций, необходимых для того, чтобы найти блок данных, также имеющий краткое сообщение для хэш-функции MD5, составляет приблизительно 2 64;
• входное значение по известному результату хэширования (необратимость); для MD5 предполагаемое количество операций, необходимых для вычисления исходного сообщения, равно 2 128.

Занимательное шифрование