Современные криптосистемы для защиты компьютерной информации. Основные термины и определения. Классификация шифров. Основные современные методы шифрования
По характеру использования ключа известные криптосистемы можно разделить на два типа: симметричные (одноключевые, с секретным ключом) и несимметричные (с открытым ключом).
В первом случае в шифраторе отправителя и дешифраторе получателя используется один и тот же ключ . Шифратор образует шифртекст, который
является функцией открытого текста, конкретный вид, функции шифрования определяется секретным ключом. Дешифратор получателя сообщения выполняет обратное преобразования аналогичным образом. Секретный ключ хранится в тайне и передается отправителем сообщения получателя по каналу, исключающему перехват ключа криптоаналитиком противника. Обычно предполагается правило Кирхгофа: стойкость шифра определяется только секретностью ключа, т.е. криптоаналитику известны все детали процесса шифрования и дешифрования, кроме секретного ключа.
Открытый текст обычно имеет произвольную длину если его размер велик и он не может быть обработан вычислительным устройством шифратора целиком, то он разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок шифруется в отдельности, не зависимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования.
Используют два общих принципа шифрования :
Ø рассеивание;
Ø перемешивание.
Рассеивание заключается в распространении влияния одного символа открытого текста на много символов шифр текста: это позволяет скрыть статистические свойства открытого текста. Развитием этого принципа является распространение влияния одного символа ключа на много символов шифрограммы, что позволяет исключить восстановление ключа по частям.
Перемешивание состоит в использовании таких шифрующих преобразований, которые исключают восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текста. Распространенный способ достижения хорошего рассеивания состоит в использовании составного шифра, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит небольшой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание. В качестве простых шифров чаще всего используют простые подстановки и перестановки.
Одним из наилучших примеров криптоалгоритма, разработанного в соответствии с принципами рассеивания и перемешивания, может служить принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США стандарт шифрования данных DES . DES - исключительно хороший шифр. В июле 1991 года введен в действие подобный отечественный криптоалгоритм ГОСТ 28147-89.
В то же время блочные шифры обладают существенным недостатком - они размножают ошибки, возникающие в процессе передачи сообщения по каналу связи. Одиночная ошибка в шифртексте вызывает искажение примерно половины открытого текста при дешифровании. Это требует применения мощных кодов, исправляющих ошибки.
В блочном шифре из двух одинаковых блоков открытого текста получаются одинаковые блоки шифрованного текста. Избежать этого позволяют потоковые шифры, которые, в отличие от блочных, осуществляют поэлементное шифрование потока данных без задержки в криптосистемы. В общем случае каждый символ открытого текста шифруется, передается и дешифруется независимо от других символов. Иначе, шифрующее преобразование элемента открытого текста меняется от одного элемента к другому, в то время как для блочных шифров шифрующее преобразование каждого блока остается неизменным. Иногда символ открытого текста может шифроваться с учетом ограниченного числа предшествующих ему символов.
Потоковые шифры основываются на псевдослучайных ключевых последовательностях - сгенерированных определенным образом последовательностях символов с заданными свойствами непредсказуемости (случайности) появления очередного символа.
Генераторы ключевых последовательностей обычно базируются на комбинациях регистров сдвига и нелинейных булевых функциях. В качестве нелинейной булевой функции может использоваться криптоалгоритм DES, что соответствует применению DES в режиме обратной связи по выходу (OFB) лил обратной связи по шифртексту (CFB). Наибольший интерес представляет режим CFB , поскольку в ряде случаев режим OFB не обеспечивает требуемой секретности.
Системы потокового шифрования близки к криптосистемам с одноразовым ключом, в которых размер ключа равен размеру шифруемого текста. При криптоанализе на основе известного открытого текста стойкость системы определяется нелинейными булевыми функциями, что позволяет оценить криптостойкость системы на основе анализа вида используемых функций. Следовательно, потоковые шифры в отличие от других криптосистем обладают значительно большой анализируемой секретностью. Кроме того, в системах потокового шифрования не происходит размножения ошибок или оно ограничено. По этим причинам, а также ввиду высокой скорости обработки системы потокового шифрования вызывают большое доверие многих потребителей и специалистов.
В криптосистемах с открытым ключом в алгоритмах шифрования и дешифрования используются разные ключи, каждый из которых не может быть получен из другого (с приемлемыми затратами). Один ключ используется для шифрования, другой - для дешифрования. Основной принцип систем с открытым ключом основывается на применении односторонних или необратимых функций и односторонних функций с лазейкой (потайным ходом).
Вычисление ключей осуществляется получателем сообщений, который оставляет у себя тот ключ, который он будет потом использовать (то есть секретный ключ). Другой ключ он высылает отправителю сообщений открытый ключ не опасаясь его огласки. Пользуясь этим открытым ключом, любой абонент может зашифровать текст и послать его получателю, который сгенерировал данный открытый ключ. Все используемые алгоритмы общедоступны. Важно то, что функции шифрования и дешифрования обратимы лишь тогда, когда они обеспечиваются строго взаимосвязанной парой ключей (открытого и секретного), а открытый ключ должен представлять собой необратимую функцию от секретного ключа. Подобным образом шифртекст должен представлять собой необратимую функцию открытого текста, что в корне отличается от шифрования в системах с секретным ключом.
В системах с открытым ключом, так же как и в блочных шифрах , необходим большой размер шифруемого блока, хотя, возможно, и не больший, чем в алгоритме DES, что препятствует, наряду с низкой скоростью шифрования, использованию алгоритмов с открытым ключом в потоковых шифрах. На сегодняшний день высокоэффективные системы с открытым ключом пока не найдены. Почти повсеместно принято ограничение использования криптосистем с открытым ключом - только для управления ключами и для цифровой подписи.
В качестве основного критерия классификации криптографических алгоритмов будем использовать тип выполняемого над исходным текстом преобразования. Классификация по этому критерию представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Общая классификация криптографических алгоритмов
Тайнопись предполагает, что отправитель и получатель производят над сообщением преобразования, известные только им двоим. Сторонним лицам неизвестны выполняемые алгоритмом изменения над открытым текстом, что и является гарантией нераскрываемости данных на этапе анализа.
В противовес тайнописи, криптоалгоритмы с ключом построены на том принципе, что алгоритм воздействия на передаваемые данные известен всем сторонним лицам, но он зависит от некоторого параметра, который держится в секрете – «ключа», который известен только двум лицам, участвующим в обмене информацией. Основу такого подхода к шифрованию заложил в конце XIX века голландец Огюст Керкхофф, который предложил, что стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа, т.е. криптоаналитику могут быть известны все детали процесса (алгоритма) шифрования и дешифрования, но неизвестно, какой ключ использован для шифрования данного текста. В настоящее время криптография занимается исключительно алгоритмами с ключами. Это обусловлено тем, что защищенность системы не должна зависеть от секретности чего-либо, что невозможно быстро изменить в случае утечки секретной информации, а изменить ключ шифрования на практике гораздо проще, чем весь используемый в системе алгоритм.
Криптосистемы с ключом делятся на симметричные и асимметричные системы шифрования. Модель симметричной системы шифрования представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Обобщенная модель симметричной системы шифрования
Отличительной чертой симметричных алгоритмов шифрования является наличие одного ключа шифрования (k на рис.2.2), который должен быть известен только отправителю и получателю сообщения. Отправитель на ключе k шифрует сообщение, получатель дешифрует полученный шифротекст ключом k. Криптоаналитик может перехватить шифротекст Y, передаваемый по открытым каналам связи, но, так как он не знает ключа, задача вскрытия шифротекста является очень трудоемкой. Принципиальным моментом является необходимость наличия секретного канала связи между получателем и отправителем для передачи ключа шифрования без возможности его перехвата криптоаналитиком.
Асимметричная система шифрования работает по схеме, представленной на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Обобщенная модель асимметричной системы шифрования
Отличительной особенностью асимметричных алгоритмов является наличие пары ключей шифрования: открытого k от, который передается второй стороне по незащищенному каналу связи и поэтому может быть известен криптоаналитику,а также закрытого k зак, который известен лишь одному человеку (получателю сообщения) и держится в секрете. Пара ключей обладает тем свойством, что сообщение, зашифрованное на одном из ключей, может быть расшифровано только на другом ключе. Фактически это означает, что секретным каналом передачи информации на схеме рис. 2.3 является направление «отправитель-получатель», поскольку сообщение, зашифрованное на открытом ключе отправителем, может дешифровать своим закрытым ключом только получатель.
В зависимости от размера блока шифруемой информации криптоалгоритмы делятся на блочные и поточные шифры. Единицей кодирования в потоковых шифрах является один бит. Результат кодирования не зависит от прошедшего ранее входного потока. Схема применяется в системах передачи потоков информации, то есть в тех случаях, когда передача информации начинается и заканчивается в произвольные моменты времени и может случайно прерываться. Для блочных шифров единицей кодирования является блок из нескольких байтов. Результат кодирования зависит от всех исходных байтов этого блока. Схема применяется при пакетной передаче информации и кодировании файлов.
Еще одним критерием классификации криптоалгоритмов является тип выполняемых преобразований над блоками открытого текста. По этому критерию криптоалгоритмы разделяют на подстановочные иперестановочные. В перестановочных шифрах блоки информации не изменяются сами по себе, но изменяется их порядок следования, что делает информацию недоступной стороннему наблюдателю. Подстановочные шифры изменяют сами блоки информации по определенным законам.
Деление криптоалгоритмов на моноалфавитные и многоалфавитные характерно для подстановочных шифров. Моноалфавитные криптоалгоритмы заменяют блок входного текста (символ входного алфавита) на один и тот же блок шифротекта (символ выходного алфавита). В многоалфавитных шифрах одному и тому же блоку входного текста могут соответствовать разные блоки шифротекста, что существенно затрудняет криптоанализ.
По степени секретности криптоалгоритмы делятся на абсолютно стойкие и практически стойкие. Абсолютно стойкие шифры невозможно вскрыть. На практике этого можно добиться, только если размер используемого ключа шифрования превышает размер кодируемого сообщения и при этом ключ используется однократно. Практически стойким называется шифр, для которого не существует более эффективного способа взлома, кроме как полным перебором всех возможных ключей шифрования.
Говоря об атаках на шифры, можно выделить следующие виды атак: атака на основе шифротекста, атака на основе известного открытого текста, атака на основе выборочного открытого текста.
При атаке на основе шифротекста криптоаналитику известен только закодированный текст и на его основе он должен узнать секретный ключ шифрования.
Атака на основе открытого текста предполагает, что криптоаналитику известны одна или несколько пар «открытый текст/шифротекст», зашифрованных на одном ключе, и на основе этой информации он проводит свой анализ.
Выполняя атаку на основе выборочного открытого текста , злоумышленник имеет возможность подать на вход шифрующего устройства произвольный открытый текст и получить соответствующий ему шифротект. Для того, чтобы называться практически стойким, криптоалгоритм должен успешно противостоять любому из перечисленных типов атак.
Криптология (от греч. cryptos – тайный и logos – слово) – наука, занимающаяся шифрованием и дешифрованием. Криптология состоит из двух частей – криптографии и криптоанализа. Криптография – наука о построении криптографических систем, используемых с целью защиты информации.
Криптоанализ – наука о методах анализа криптографических систем, цель анализа – разработка методов раскрытия информации, защищаемой криптосистемой . На протяжении всей истории человечества основным фактором развития криптологии было противоборство методов защиты информации и методов её раскрытия.
Contents |
Оновные задачи криптографии
В настоящее время криптогарфические функции применяются для решения следующих задач защиты информации:
1. Обеспечение конфиденциальности информации .
2. Обеспечение целостности информации .
3. Аутентификация информации .
4. Удостоверение авторства по отношению к сообщению или документу.
5. Обеспечение неотслеживаемости информации .
Основные понятия криптографии.
Криптография
– самостоятельная наука с особым предметом исследований и специфическими методами исследования, и, несомненно, эта наука имеет математическую природу. Наиболее отчётливо многообразие связей криптологии с математикой проявилось в двадцатом веке. Большое влияние на это имел выход в свет фундаментальный труд К. Шеннона «Теория связи в секретных системах». Впрочем и до этого события история криптологии была отмечена замечателльными научными трудами и практическим вкладом в криптоаналитические разработки многих математиков, таких, как Л. Б. Альберти(XVв.), Б. Виженер, Ф. Виета(XVI-XVII вв.), Л. Эйлер(XVIII в.) и др.
Современная криптология
Современная криптология базируется на многих математических дисциплинах: линейная алгебра, теория групп, полугрупп, теория автоматов, математический анализ, теория дискретных функций, теория чисел, комбинаторный анализ, теория вероятностей и математическая статистика, теория кодирования, теория информации, теория сложности вычислений… Для полноты описания научных основ криптологии следует упомянуть физические и инженерные науки, такие, как теория связи, теория электромагнитного поля, квантовая физика, компьютерные науки и др. Методы исследования в криптографии и криптоанализе во многом схожи, но задачи этих разделов криптологии различаются существенно.
Криптографическая система
Криптографическая система применяется для решения различных задач защиты информации соответствующими действующими лицами или сторонами, при этом устанавливается определённый порядок взаимодействия сторон, называемый криптографическим протоколом . Семейство криптографических функций в совокупности с используемыми криптографическими протоколами образуют криптосистему (криптографическую систему). Функции криптосистемы зависят от параметра k, называемого ключом криптосистемы. Ключ криптосистемы принадлежит конечному множеству допустимых значений ключа, которое именуется ключевым множеством криптосистемы. Выбранный ключ k однозначно определяет криптографическую функцию криптосистемы.
Ключ криптосистемы
Практическое использование ключа криптосистемы подразумевает реализацию так называемого жизненного цикла ключа, т.е. выполнение таких действий с ключом, как генерация, распределение (рассылка) между пользователями, хранение, установка (с целью реализации при данном ключе криптографической функции для защиты информации), смена и уничтожение ключей. Протоколы, управляющие жизненным циклом ключей, называются ключевыми протоколами. Ключевое множество и ключевые протоколы образуют ключевую подсистему криптографической системы. В зависимости от задач защиты информации различают и выполняющие эти задачи криптографические системы. Для обеспечения конфиденциальности информации используется система шифрования, реализующая семейство E биективных функций множества сообщений, называемое шифром: E = {}, kK.
Аутентификация сторон
Для аутентификации сторон протокола используется система идентификации, для аутентификации сообщений – система имитозащиты, для обеспечения неотказуемости от авторства – система электронной цифровой подписи (ЭЦП).
Сообщение, к которому применяется криптографическая функция шифра, называют открытым текстом, а само применение функции шифра к открытому тексту называется шифрованием или зашифрованием. Результат шифрования открытого текста называется шифрованным текстом или криптограммой.
Шифр E
можно рассматривать как семейство отображений 
, биективных по первой переменной, где X*
и Y*
- соответственно множество открытых и шифрованных текстов. Биективность функций шифра обеспечивает возможность восстановления открытого текста по шифрованному тексту. Применение к криптограмме обратного отображения с использованием известного ключа называется расшифрованием.
Раскрытие криптоаналитиком информации, защищаемой шифром, называют дешифрованием (ключ расшифрования криптоаналитику неизвестен, т.е. неизвестно, какое именно отображение из семейства E использовано для шифрования). Разработанный криптоаналитиком метод раскрытия шифра или информации , защищаемой шифром, называют криптоаналитической атакой.
Стойкость
Способность криптосистемы противостоять атакам криптоаналитика называется её криптографической стойкостью . Как правило, криптографическая стойкость системы измеряется вычислительными и временными затратами, достаточными для её вскрытия, в некоторых случаях – объёмом материальных затрат.
По величине стойкости криптографические системы классифицируются на системы временной стойкости и гарантированной стойкости. Последние обеспечивают защиту информации в течение длительного времени, несмотря на усилия нарушителя, располагающего значительными материальными, интеллектуальными и вычислительными ресурсами. Следовательно, криптосистема гарантированной стойкости должна быть способна реализовать большое число различных функций, иначе секретная информация может быть раскрыта с помощью тотального перебора функций расшифрования. Более того, устройство системы гарантированной стойкости должно связывать любую попытку её взлома с неизбежным решением трудоёмкой задачи, а именно, задачи нерешаемой с использованием самых передовых современных технологий в течение практически приемлемого временного периода.
Классификация криптосистем .
По принципам использования ключей криптосистемы разделены на системы с секретным и открытым ключом.
Симметричные криптосистемы
Системы с секретным ключом (основная статья "Симметричная криптосистема") используются на протяжении нескольких тысячелетий до настоящего времени и основаны на классическом принципе обеспечения конфиденциальности и информации: а именно, на секретности используемого ключа для всех, кроме лиц, допущенных к информации. Такие криптосистемы называют также симметричными в связи с тем, что ключи, используемые в них для реализации прямых и обратных криптографических функций, обладают определённой симметрией (часто они совпадают). Защита информации с помощью симметричных криптосистем обеспечивается секретностью ключа.
В настоящее время симметричные шифры - это:
Блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами. Результатом повторения раундов является лавинный эффект - нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.
Поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования. Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.
Большинство симметричных шифров используют сложную комбинацию большого количества подстановок и перестановок. Многие такие шифры исполняются в несколько (иногда до 80) проходов, используя на каждом проходе «ключ прохода». Множество «ключей прохода» для всех проходов называется «расписанием ключей» (key schedule). Как правило, оно создается из ключа выполнением над ним неких операций, в том числе перестановок и подстановок.
Типичным способом построения алгоритмов симметричного шифрования является сеть Фейстеля. Алгоритм строит схему шифрования на основе функции F(D, K) , где D - порция данных, размером вдвое меньше блока шифрования, а K - «ключ прохода» для данного прохода. От функции не требуется обратимость - обратная ей функция может быть неизвестна. Достоинства сети Фейстеля - почти полное совпадение дешифровки с шифрованием (единственное отличие - обратный порядок «ключей прохода» в расписании), что сильно облегчает аппаратную реализацию. Операция перестановки перемешивает биты сообщения по некоему закону. В аппаратных реализациях она тривиально реализуется как перепутывание проводников. Именно операции перестановки дают возможность достижения «эффекта лавины».
Операция перестановки линейна -
f(a) xor f(b) == f(a xor b)Операции подстановки выполняются как замена значения некоей части сообщения (часто в 4, 6 или 8 бит) на стандартное, жестко встроенное в алгоритм иное число путем обращения к константному массиву. Операция подстановки привносит в алгоритм нелинейность.
Зачастую стойкость алгоритма, особенно к дифференциальному криптоанализу, зависит от выбора значений в таблицах подстановки (S -блоках). Как минимум считается нежелательным наличие неподвижных элементов S(x) = x , а также отсутствие влияния какого-то бита входного байта на какой-то бит результата - то есть случаи, когда бит результата одинаков для всех пар входных слов, отличающихся только в данном бите.
Криптосистема с открытым ключом
Системы с открытым ключом (основная статья "Асимметричная криптосистема") были предложены американскими криптографами Диффи и Хеллманом в 1975году, в настоящее время они активно применяются для защиты информации. Другое их название – асимметричные системы , так как в них ключи шифрования и расшифрования не связаны явным отношением симметрии или равенства. Ключ шифрования может быть открытым, известным для всех, но расшифровать сообщение может только пользователь, обладающий секретным ключом расшифрования, который, во избежание путаницы с ключом симметричной системы, обычно называют закрытым ключом. Вычисление ключа расшифрования по ключу шифрования, т.е. раскрытие шифра, увязано с решением математических задач, характеризуемых высокой сложностью решения. К таким задачам относятся, например, задача поиска делителей большого натурального числа и задача логарифмирования в конечных полях большого порядка. Идея криптографии с открытым ключом очень тесно связана с идеей односторонних функций, то есть таких функций f(x) , что по известному x довольно просто найти значение f(x) , тогда как определение x из f(x) невозможно за разумный срок.
Пусть K - пространство ключей, а e и d - ключи шифрования и расшифрования соответственно. E - функция шифрования для произвольного ключа eϵK , такая что:
E(m)=cЗдесь cϵC , где C - пространство шифротекстов, а mϵM , где M - пространство сообщений. D - функция расшифрования, с помощью которой можно найти исходное сообщение m , зная шифротекст c:
D(c)=m{E: eϵK} - набор шифрования, а {D: dϵK} - соответствующий набор для расшифрования. Каждая пара (E, D) имеет свойство: зная E , невозможно решить уравнение E(m)=c , то есть для данного произвольного шифротекста cϵC , невозможно найти сообщение mϵM . Это значит, что по данному e невозможно определить соответствующий ключ расшифрования d . E является односторонней функцией, а d - лазейкой. Ниже показана схема передачи информации лицом А лицу В. Они могут быть как физическими лицами, так и организациями и так далее. Но для более лёгкого восприятия принято участников передачи отождествлять с людьми, чаще всего именуемыми Алиса и Боб. Участника, который стремится перехватить и расшифровать сообщения Алисы и Боба, чаще всего называют Евой.
По величине стойкости криптографические системы классифицируются на системы временной стойкости и гарантированной стойкости. Последние обеспечивают защиту информации в течение длительного времени в условиях значительных материальных, интеллектуальных и вычислительных ресурсов нарушителя. Криптосистема гарантированной стойкости способна реализовать много различных функций, иначе секретная информация может быть раскрыта с помощью тотального перебора функций расшифрования. Сложность задачи дешифрования должна базироваться на обосновании сложности решения трудной математической задачи с использованием передовых современных технологий.
Криптографические системы классифицируются также по решаемым задачам. Для обеспечения конфиденциальности информации используются системы шифрования, для аутентификации данных, сторон протокола и других параметров - системы идентификации , для аутентификации сообщений - системы имитозащиты , для аутентификации авторства сообщений (документов) - системы электронной подписи (ЭП).
Различные классы используемых криптографических функций обусловливают разделение криптосистем на системы с секретным и с открытым ключом.
Системы шифрования с секретным ключом к используются издавна и до настоящего времени и основаны на классическом принципе использования единственного ключа &, секретного для всех, кроме допущенных пользователей. Алгоритмы зашифрования и расшифрования реализуют при ключе к взаимно обратные функции Е к и Е к х > т.е. Е к (х) - у и Е к у) = х. Такие криптосистемы называют симметричными в связи с тем, что ключи для зашифрования и для расшифрования или совпадают, или обладают определенной симметрией. Защита информации с помощью симметричных систем обеспечивается секретностью ключа к.
Появление в 1975 г. систем с открытым ключом (авторы - американские криптографы У. Диффи и М. Хеллман) стимулировалось потребностью развивающихся компьютерных сетей в новых ключевых протоколах. Другое их название - асимметричные системы , в них ключ шифрования е и ключ расшифрования (1 не связаны явным отношением симметрии или равенства. Алгоритмы зашифрования и расшифрования также реализуют взаимно обратные функции: Е е (х) = у и Е (1 (у) = х. Ключ шифрования е может быть открытым , доступным для всех, но расшифровать сообщение можно, только зная секретный ключ (1 расшифрования. Ключ с1 часто называют закрытым ключом во избежание путаницы с ключом симметричной системы.
Вычисление закрытого ключа (1 по ключу е> т.е. раскрытие шифра, увязано с решением сложных математических задач. К таким задачам относятся, например, поиск делителей большого натурального числа и логарифмирование в группе большого порядка.
Преимущество симметричных систем заключается в высокой скорости шифрования, в меньших размерах используемого ключа, обеспечивающего стойкость, и в более высокой степени научной обоснованности криптографической стойкости. Однако асимметричные криптосистемы позволяют реализовать протоколы, заметно расширяющие область применения криптографии (например, распределение без посредника ключей между пользователями). Гибридные криптосистемы сочетают преимущества симметричных и асимметричных систем.
Методы анализа криптографических систем можно разделить в соответствии с математической природой на три класса: методы опробования , или алгоритмические методы, алгебраические , или аналитические методы ; статистические методы , или частотный анализ.
Методы опробования заключаются в последовательном переборе значений ключа, или части ключа, или значений некоторых функций, зависящих от ключа. Цель опробования - распознавание истинности ключа или сведение исходной задачи к нескольким более простым задачам.
Алгебраические методы заключаются в составлении и решении систем уравнений над определенными алгебраическими структурами, связывающих неизвестные элементы ключа (возможно, открытого сообщения) с известными знаками шифрованного и открытого текстов.
Статистические методы нацелены на отбраковку ложных значений элементов ключа с помощью статистического анализа данных. Задача криптоаналитика - построить зависящую от шифрматериала (от известных данных) статистику для различения статистических гипотез об истинности и ложности элемента ключа. По сравнению с алгебраическими методами эффективная реализация статистических методов требует большего количества шифрматериала.
Методы криптографического анализа (к.а.) классифицируют по области их применения: методы к.а. поточных шифрсистем, блочных шифрсистем, методы анализа хеш-функций и т.д.
Универсальными называются методы к.а., принципиально применимые к любой криптосистеме или к весьма широкому классу криптосистем. Возможность применения универсального метода на практике нередко ограничивается такими условиями, как чересчур низкая надежность, необходимость для реализации нереально большой памяти и др. Методы к.а. конкретной системы или частного класса криптосистем называются специальными.
Нередко методы к.а. классифицируются по характеристикам самих методов: по вычислительной сложности, по надежности, по характеристикам вычислительных систем, которые требуются для реализации методов. К таким характеристикам относятся допустимая степень распараллеливания вычислений, необходимый объем памяти вычислительной системы, в том числе объем «быстрой» памяти и др. Метод к.а., надежность которого меньше единицы, называется вероятностным методом.
Имеется также классификация методов к.а. по их конструктивным особенностям. Реализация некоторых методов разделяется на два этапа - предварительный и оперативный. На предварительном этапе вычисляются некоторые характеристики криптосистемы, не зависящие от шифрматериала. Результаты вычислений представляются в заранее определенном виде (в виде матриц, упорядоченных множеств и др.) и хранятся в памяти вычислительной системы с целью многократного использования на оперативных этапах вычислений. На оперативном этапе вычисляются ключевые элементы криптосистемы с использованием шифрматериала и информации, занесенной в память вычислителя на предварительном этапе.
Цель двухэтапной конструкции - распределить трудоемкость вычисления ключа таким образом, чтобы ее меньшая часть пришлась на оперативный этан. Дело в том, что сложность вычисления ключа определяется в основном трудоемкостью оперативного этапа, а предварительный этап метода реализуется однократно и «заранее», т.е. до поступления на анализ шифрматериала.
Шифрование - способ преобразования открытой информации в закрытую и обратно. Применяется для хранения важной информации в ненадёжных источниках или передачи её по незащищённым каналам связи. Согласно ГОСТ 28147-89, шифрование подразделяется на процесс зашифровывания и расшифровывания.
В зависимости от алгоритма преобразования данных, методы шифрования подразделяются на гарантированной или временной криптостойкости.
Если безопасность алгоритма основана на сохранении самого алгоритма в тайне, это ограниченный алгоритм. Ограниченные алгоритмы представляют только исторический интерес, но они не соответствуют сегодняшним требованиям стойкости. Большая или изменяющаяся группа пользователей не может использовать такие алгоритмы, так как всякий раз, когда пользователь покидает группу, ее члены должны переходить на другой алгоритм. Алгоритм должен быть заменен и, если кто-нибудь извне случайно узнает секрет .
Также, ограниченные алгоритмы не допускают качественного контроля или стандартизации. У каждой группы пользователей должен быть свой уникальный алгоритм. Несмотря на эти основные недостатки, ограниченные алгоритмы необычайно популярны для приложений с низким уровнем безопасности. Пользователи либо не понимают проблем, связанных с безопасностью своих систем, либо не заботятся о них.
Современная криптография решает эти проблемы с помощью ключа К (рисунок 2.3). Такой ключ может быть любым значением, выбранным из большого множества. Множество возможных ключей называют пространством ключей.
Рисунок 2.3 - Принцип работы систем шифрования с ключом
В настоящее время можно выделить следующие методы шифрования в зависимости от структуры используемых ключей .
1. Симметричное шифрование - посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, но неизвестна некоторая секретная информация - ключ, одинаковый для отправителя и получателя сообщения.
2. Асимметричное шифрование - посторонним лицам может быть известен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неизвестен закрытый ключ, известный только получателю.
Для данных методов можно выделить следующие криптографические примитивы.
Бесключевые:
Хеш-функции - преобразование входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются функциями свёртки, а их результаты называют хешем, хеш-кодом или дайджестом сообщения;
Односторонние перестановки - примитивные подстановки других символов, входящих в алфавит либо из специально созданного другого алфавита, основанные на заранее определенном секретном алгоритме замены символов.
Симметричные схемы:
Шифры (блочные, потоковые) - способ шифрования, в котором для зашифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Алгоритм шифрования выбирается сторонами до начала обмена сообщениями;
Хеш-функции - аналогичные бесключевым, но на основании заранее определенного ключа;
Генераторы псевдослучайных чисел - алгоритм, генерирующий последовательность чисел, элементы которой почти независимы друг от друга и подчиняются заданному распределению (обычно равномерному). Распределение определяется на основании заранее заданного ключа;
Примитивы идентификации - любой идентификатор, например текст, изображение, радиосигнал и т. д., которые преобразуются в соответствии с определенным ключом и сравниваются с эталоном или требованиями к идентификатору, на предмет их допустимости.
Асимметричные схемы:
Шифры - система шифрования, при которой открытый ключ передаётся по открытому (то есть незащищённому, доступному для наблюдения) каналу и используется для шифрования сообщения. Для расшифрования сообщения используется секретный ключ;
ЭЦП - реквизит электронного документа, позволяющий установить отсутствие искажения информации в электронном документе с момента формирования ЭЦП и проверить принадлежность подписи владельцу сертификата ключа ЭЦП. Значение реквизита получается в результате криптографического преобразования информации с использованием закрытого ключа ЭЦП;
Примитивы идентификации.