Современные технологии шифрования электронных данных. Назначение и структура алгоритмов шифрования

Сергей Панасенко ,
начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «Анкад»,
[email protected]

Основные понятия

Процесс преобразования открытых данных в зашифрованные и наоборот принято называть шифрованием, причем две составляющие этого процесса называют соответственно зашифрованием и расшифрованием. Математически данное преобразование представляется следующими зависимостями, описывающими действия с исходной информацией:

С = Ek1(M)

M" = Dk2(C),

где M (message) - открытая информация (в литературе по защите информации часто носит название "исходный текст");
C (cipher text) - полученный в результате зашифрования шифртекст (или криптограмма);
E (encryption) - функция зашифрования, выполняющая криптографические преобразования над исходным текстом;
k1 (key) - параметр функции E, называемый ключом зашифрования;
M" - информация, полученная в результате расшифрования;
D (decryption) - функция расшифрования, выполняющая обратные зашифрованию криптографические преобразования над шифртекстом;
k2 - ключ, с помощью которого выполняется расшифрование информации.

Понятие "ключ" в стандарте ГОСТ 28147-89 (алгоритм симметричного шифрования) определено следующим образом: "конкретное секретное состояние некоторых параметров алгоритма криптографического преобразования, обеспечивающее выбор одного преобразования из совокупности всевозможных для данного алгоритма преобразований". Иными словами, ключ представляет собой уникальный элемент, с помощью которого можно изменять результаты работы алгоритма шифрования: один и тот же исходный текст при использовании различных ключей будет зашифрован по-разному.

Для того, чтобы результат расшифрования совпал с исходным сообщением (т. е. чтобы M" = M), необходимо одновременное выполнение двух условий. Во-первых, функция расшифрования D должна соответствовать функции зашифрования E. Во-вторых, ключ расшифрования k2 должен соответствовать ключу зашифрования k1.

Если для зашифрования использовался криптостойкий алгоритм шифрования, то при отсутствии правильного ключа k2 получить M" = M невозможно. Криптостойкость - основная характеристика алгоритмов шифрования и указывает прежде всего на степень сложности получения исходного текста из зашифрованного без ключа k2.

Алгоритмы шифрования можно разделить на две категории: симметричного и асимметричного шифрования. Для первых соотношение ключей зашифрования и расшифрования определяется как k1 = k2 = k (т. е. функции E и D используют один и тот же ключ шифрования). При асимметричном шифровании ключ зашифрования k1 вычисляется по ключу k2 таким образом, что обратное преобразование невозможно, например, по формуле k1 = ak2 mod p (a и p - параметры используемого алгоритма).

Симметричное шифрование

Свою историю алгоритмы симметричного шифрования ведут с древности: именно этим способом сокрытия информации пользовался римский император Гай Юлий Цезарь в I веке до н. э., а изобретенный им алгоритм известен как "криптосистема Цезаря".

В настоящее время наиболее известен алгоритм симметричного шифрования DES (Data Encryption Standard), разработанный в 1977 г. До недавнего времени он был "стандартом США", поскольку правительство этой страны рекомендовало применять его для реализации различных систем шифрования данных. Несмотря на то, что изначально DES планировалось использовать не более 10-15 лет, попытки его замены начались только в 1997 г.

Мы не будем рассматривать DES подробно (почти во всех книгах из списка дополнительных материалов есть его подробнейшее описание), а обратимся к более современным алгоритмам шифрования. Стоит только отметить, что основная причина изменения стандарта шифрования - его относительно слабая криптостойкость, причина которой в том, что длина ключа DES составляет всего 56 значащих бит. Известно, что любой криптостойкий алгоритм можно взломать, перебрав все возможные варианты ключей шифрования (так называемый метод грубой силы - brute force attack). Легко подсчитать, что кластер из 1 млн процессоров, каждый из которых вычисляет 1 млн ключей в секунду, проверит 256 вариантов ключей DES почти за 20 ч. А поскольку по нынешним меркам такие вычислительные мощности вполне реальны, ясно, что 56-бит ключ слишком короток и алгоритм DES необходимо заменить на более "сильный".

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

Стандарт ГОСТ 28147-89

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89 (рис. 1), имеет длину ключа шифрования 256 бит. Он шифрует информацию блоками по 64 бит (такие алгоритмы называются блочными), которые затем разбиваются на два субблока по 32 бит (N1 и N2). Субблок N1 обрабатывается определенным образом, после чего его значение складывается со значением субблока N2 (сложение выполняется по модулю 2, т. е. применяется логическая операция XOR - "исключающее или"), а затем 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 - наложение ключа. Содержимое субблока N1 складывается по модулю 2 с 32-бит частью ключа Kx. Полный ключ шифрования представляется в виде конкатенации 32-бит подключей: K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7. 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 N1 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 (Substitution box - S-box) часто используются в современных алгоритмах шифрования, поэтому стоит пояснить, как организуется подобная операция. В таблицу записываются выходные значения блоков. Блок данных определенной размерности (в нашем случае - 4-бит) имеет свое числовое представление, которое определяет номер выходного значения. Например, если S-box имеет вид 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 и на вход пришел 4-бит блок "0100" (значение 4), то, согласно таблице, выходное значение будет равно 15, т. е. "1111" (0 а 4, 1 а 11, 2 а 2 ...).

Алгоритм, определяемый ГОСТ 28147-89, предусматривает четыре режима работы: простой замены, гаммирования, гаммирования 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 зашифрования каждого 64-бит блока информации выполняются 32 описанных выше раунда. При этом 32-бит подключи используются в следующей последовательности:

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K0, K1 и т. д. - в раундах с 1-го по 24-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0 - в раундах с 25-го по 32-й.

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

K0, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7 - в раундах с 1-го по 8-й;

K7, K6, K5, K4, K3, K2, K1, K0, K7, K6 и т. д. - в раундах с 9-го по 32-й.

Все блоки шифруются независимо друг от друга, т. е. результат зашифрования 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 N1 и N2 (см. рис. 1).

1. В регистры N1 и N2 записывается их начальное заполнение - 64-бит величина, называемая синхропосылкой.

2. Выполняется зашифрование содержимого регистров N1 и N2 (в данном случае - синхропосылки) в режиме простой замены.

3. Содержимое регистра N1 складывается по модулю (232 - 1) с константой C1 = 224 + 216 + 28 + 24, а результат сложения записывается в регистр N1.

4. Содержимое регистра N2 складывается по модулю 232 с константой C2 = 224 + 216 + 28 + 1, а результат сложения записывается в регистр N2.

5. Содержимое регистров N1 и N2 подается на выход в качестве 64-бит блока гаммы шифра (в данном случае N1 и N2 образуют первый блок гаммы).

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

Для расшифрования гамма вырабатывается аналогичным образом, а затем к битам зашифрованного текста и гаммы снова применяется операция XOR. Поскольку эта операция обратима, в случае правильно выработанной гаммы получается исходный текст (таблица).

Зашифрование и расшифрование 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 зашифровании 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 N1 и N2, начиная со 2-го блока, используется не предыдущий блок гаммы, а результат зашифрования предыдущего блока открытого текста (рис. 2). Первый же блок в данном режиме генерируется полностью аналогично предыдущему.

Рис. 2. Выработка гаммы шифра в режиме гаммирования с обратной связью.

Рассматривая режим генерации имитоприставок , следует определить понятие предмета генерации. Имитоприставка - это криптографическая контрольная сумма, вычисляемая с использованием ключа шифрования и предназначенная для проверки целостности сообщений. При генерации имитоприставки выполняются следующие операции: первый 64-бит блок массива информации, для которого вычисляется имитоприставка, записывается в регистры N1 и N2 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 N1 и N2.

Цикл повторяется до последнего блока информации. Получившееся в результате этих преобразований 64-бит содержимое регистров N1 и N2 или его часть и называется имитоприставкой. Размер имитоприставки выбирается, исходя из требуемой достоверности сообщений: при длине имитоприставки r бит вероятность, что изменение сообщения останется незамеченным, равна 2-r.Чаще всего используется 32-бит 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 зашифровании какой-либо информации и посылается вместе с шифртекстом. После расшифрования вычисляется новое значение имитоприставки, которое сравнивается с присланной. Если значения не совпадают - значит, шифртекст был искажен при передаче или при расшифровании использовались неверные ключи. Особенно полезна имитоприставка для проверки правильности расшифрования ключевой информации при использовании многоключевых схем.

Алгоритм ГОСТ 28147-89 считается очень сильным 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 AES

В отличие от алгоритма ГОСТ 28147-89, который долгое время оставался секретным, американский стандарт шифрования AES, призванный заменить DES, выбирался на открытом конкурсе, где все заинтересованные организации и частные лица могли изучать и комментировать алгоритмы-претенденты.

Конкурс на замену DES был объявлен в 1997 г. Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST - National Institute of Standards and Technology). На конкурс было представлено 15 алгоритмов-претендентов, разработанных как известными в области криптографии организациями (RSA Security, Counterpane и т. д.), так и частными лицами. 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 не похож на большинство известных алгоритмов симметричного шифрования, структура которых носит название "сеть Фейстеля" и аналогична российскому ГОСТ 28147-89. Особенность сети Фейстеля состоит в том, что входное значение разбивается на два и более субблоков, часть из которых в каждом раунде обрабатывается по определенному закону, после чего накладывается на необрабатываемые субблоки (см. рис. 1).

В отличие от отечественного стандарта шифрования, алгоритм Rijndael представляет блок данных в виде двухмерного байтового массива размером 4X4, 4X6 или 4X8 (допускается использование нескольких фиксированных размеров шифруемого блока информации). Все операции выполняются с отдельными байтами массива, а также с независимыми столбцами и строками.

Алгоритм Rijndael выполняет четыре преобразования: BS (ByteSub) - табличная замена каждого байта массива (рис. 3); SR (ShiftRow) - сдвиг строк массива (рис. 4). 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. Далее идет MC (MixColumn) - операция над независимыми столбцами массива (рис. 5), когда каждый столбец по определенному правилу умножается на фиксированную матрицу c(x). И, наконец, AK (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).

Рис. 3. Операция BS.

Рис. 4. Операция SR.

Рис. 5. Операция MC.

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

Расшифрование выполняется с помощью следующих обратных операций. Выполняется обращение таблицы и табличная замена на инверсной таблице (относительно применяемой при зашифровании). Обратная операция к SR - это циклический сдвиг строк вправо, а не влево. Обратная операция для MC - умножение по тем же правилам на другую матрицу d(x), удовлетворяющую условию: c(x) * d(x) = 1. Добавление ключа AK 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.

Rijndael стал новым стандартом шифрования данных благодаря целому ряду преимуществ перед другими алгоритмами. Прежде всего он обеспечивает высокую скорость шифрования на всех платформах: как при программной, так и при аппаратной реализации. Его отличают несравнимо лучшие возможности распараллеливания вычислений по сравнению с другими алгоритмами, представленными на конкурс. Кроме того, требования к ресурсам для его работы минимальны, что важно при его использовании в устройствах, обладающих ограниченными вычислительными возможностями.

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

Асимметричное шифрование

Алгоритмы асимметричного шифрования, как уже отмечалось, используют два ключа: k1 - ключ зашифрования, или открытый, и k2 - ключ расшифрования, или секретный. Открытый ключ вычисляется из секретного: k1 = f(k2).

Асимметричные алгоритмы шифрования основаны на применении однонаправленных функций. Согласно определению, функция y = f(x) является однонаправленной, если: ее легко вычислить для всех возможных вариантов x и для большинства возможных значений y достаточно сложно вычислить такое значение x, при котором y = f(x).

Примером однонаправленной функции может служить умножение двух больших чисел: N = P*Q. Само по себе такое умножение - простая операция. Однако обратная функция (разложение N на два больших множителя), называемая факторизацией, по современным временным оценкам представляет собой достаточно сложную математическую задачу. Например, разложение на множители N размерностью 664 бит при P ? Q потребует выполнения примерно 1023 операций, а для обратного вычисления х для модульной экспоненты y = ax mod p при известных a, p и y (при такой же размерности a и p) нужно выполнить примерно 1026 операций. Последний из приведенных примеров носит название - "Проблема дискретного логарифма" (DLP - Discrete Logarithm Problem), и такого рода функции часто используются в алгоритмах асимметричного шифрования, а также в алгоритмах, используемых для создания электронной цифровой подписи.

Еще один важный класс функций, используемых в асимметричном шифровании, - однонаправленные функции с потайным ходом. Их определение гласит, что функция является однонаправленной с потайным ходом, если она является однонаправленной и существует возможность эффективного вычисления обратной функции x = f-1(y), т. е. если известен "потайной ход" (некое секретное число, в применении к алгоритмам асимметричного шифрования - значение секретного ключа).

Однонаправленные функции с потайным ходом используются в широко распространенном алгоритме асимметричного шифрования RSA.

Алгоритм RSA

Разработанный в 1978 г. тремя авторами (Rivest, Shamir, Adleman), он получил свое название по первым буквам фамилий разработчиков. Надежность алгоритма основывается на сложности факторизации больших чисел и вычисления дискретных логарифмов. Основной параметр алгоритма RSA - модуль системы N, по которому проводятся все вычисления в системе, а N = P*Q (P и Q - секретные случайные простые большие числа, обычно одинаковой размерности).

Секретный ключ k2 выбирается случайным образом и должен соответствовать следующим условиям:

1

где НОД - наибольший общий делитель, т. е. k1 должен быть взаимно простым со значением функции Эйлера F(N), причем последнее равно количеству положительных целых чисел в диапазоне от 1 до N, взаимно простых с N, и вычисляется как F(N) = (P - 1)*(Q - 1) .

Открытый ключ k1 вычисляется из соотношения (k2*k1) = 1 mod F(N) , и для этого используется обобщенный алгоритм Евклида (алгоритм вычисления наибольшего общего делителя). Зашифрование блока данных M по алгоритму RSA выполняется следующим образом: C = M[в степени k1] mod N . Заметим, что, поскольку в реальной криптосистеме с использованием RSA число k1 весьма велико (в настоящее время его размерность может доходить до 2048 бит), прямое вычисление M[в степени k1] нереально. Для его получения применяется комбинация многократного возведения M в квадрат с перемножением результатов.

Обращение данной функции при больших размерностях неосуществимо; иными словами, невозможно найти M по известным C, N и k1. Однако, имея секретный ключ k2, при помощи несложных преобразований можно вычислить M = Ck2 mod N. Очевидно, что, помимо собственно секретного ключа, необходимо обеспечивать секретность параметров P и Q. Если злоумышленник добудет их значения, то сможет вычислить и секретный ключ k2.

Какое шифрование лучше?

Основной недостаток симметричного шифрования - необходимость передачи ключей "из рук в руки". Недостаток этот весьма серьезен, поскольку делает невозможным использование симметричного шифрования в системах с неограниченным числом участников. Однако в остальном симметричное шифрование имеет одни достоинства, которые хорошо видны на фоне серьезных недостатков шифрования асимметричного.

Первый из них - низкая скорость выполнения операций зашифрования и расшифрования, обусловленная наличием ресурсоемких операций. Другой недостаток "теоретический" - математически криптостойкость алгоритмов асимметричного шифрования не доказана. Это связано прежде всего с задачей дискретного логарифма - пока не удалось доказать, что ее решение за приемлемое время невозможно. Излишние трудности создает и необходимость защиты открытых ключей от подмены - подменив открытый ключ легального пользователя, злоумышленник сможет обеспечить зашифрование важного сообщения на своем открытом ключе и впоследствии легко расшифровать его своим секретным ключом.

Тем не менее эти недостатки не препятствуют широкому применению алгоритмов асимметричного шифрования. Сегодня существуют криптосистемы, поддерживающие сертификацию открытых ключей, а также сочетающие алгоритмы симметричного и асимметричного шифрования. Но это уже тема для отдельной статьи.

Дополнительные источники информации Тем читателям, которые непраздно интересуются шифрованием, автор рекомендует расширить свой кругозор с помощью следующих книг. Брассар Ж. "Современная криптология". Петров А. А. "Компьютерная безопасность: криптографические методы защиты". Романец Ю. В., Тимофеев П. А., Шаньгин В. Ф. "Защита информации в современных компьютерных системах". Соколов А. В., Шаньгин В. Ф. "Защита информации в распределенных корпоративных сетях и системах". Полное описание алгоритмов шифрования можно найти в следующих документах: ГОСТ 28147-89. Система обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. - М.: Госстандарт СССР, 1989. Алгоритм AES: http://www.nist.gov/ae . Алгоритм RSA: http://www.rsasecurity.com/rsalabs/pkcs/pkcs-1 .

В связи с тем, что основной функцией нашего программного обеспечения является шифрование данных, нам часто задают вопросы, касающиеся тех или иных аспектов криптографии. Мы решили собрать наиболее часто задаваемые вопросы, в один документ и постарались дать на них максимально подробные, но, в то же время, не перегруженные лишней информацией ответы.

1. Что такое криптография?

Криптография — это теоретическая научная дисциплина, раздел математики, изучающая вопросы преобразования информации с целью ее защиты от разумных действий противника.

2. Что такое алгоритм шифрования?

Алгоритм шифрования — это набор логических правил, определяющих процесс преобразования информации из открытого состояния в зашифрованное (зашифровывание) и, наоборот, из зашифрованного состояния в открытое (расшифровывание).

Алгоритмы шифрования появляются в результате теоретических исследований, как отдельных ученых, так и научных коллективов.

3. Как с помощью шифрования защищаются данные?

Основной принцип защиты данных с помощью шифрования — это зашифровывание данных. Зашифрованные данные для постороннего выглядят как «информационный мусор» — бессмысленный набор символов. Таким образом, если информация в зашифрованном виде попадет к злоумышленнику, он просто не сможет ей воспользоваться.

4. Какой алгоритм шифрования самый стойкий?

В принципе, любой алгоритм шифрования, предложенный каким-либо известным специалистом в области криптографии, считается стойким до тех пор, пока не будет доказано обратное.

Как правило, все вновь появляющиеся алгоритмы шифрования публикуются для всеобщего ознакомления, и всесторонне изучаются в специализированных криптографических научных центрах. Результаты таких изучений также публикуются для всеобщего ознакомления.

5. Что такое ключ шифрования?

Ключ шифрования — это случайная, псевдослучайная или специальным образом сформированная последовательность бит, являющаяся переменным параметром алгоритма шифрования.

Иными словами, если зашифровать одну и ту же информацию одним и тем же алгоритмом, но разными ключами, результаты получится также разные.

Ключ шифрования имеет одну существенную характеристику — длину, которая, как правило, измеряется в битах.

6. Какие бывают алгоритмы шифрования?

Алгоритмы шифрования делятся на два больших класса — симметричные и асимметричные (или несимметричные).

Симметричные алгоритмы шифрования используют один и тот же ключ для зашифровывания информации и для ее расшифровывания. При этом ключ шифрования должен быть секретным.

Симметричные алгоритмы шифрования, как правило, просты в реализации и не требуют для своей работы много вычислительных ресурсов. Однако неудобство таких алгоритмов проявляется в случаях, когда, например, двум пользователям надо обменяться ключами. В этом случае пользователям надо или непосредственно встретиться друг с другом, или иметь какой-то надежный, защищенный от перехвата канал для пересылки ключа, что не всегда возможно.

Примеры симметричных алгоритмов шифрования — DES, RC4, RC5, AES, CAST.

Асимметричные алгоритмы шифрования используют два ключа — один для зашифровывания, другой для расшифровывания. В таком случае говорят о паре ключей. Один ключ из пары может быть открытым (доступным для всех), другой — секретным.

Асимметричные алгоритмы шифрования более сложны в реализации и более требовательны к вычислительным ресурсам, чем симметричные, однако, проблема обмена ключами между двумя пользователями решается проще.

Каждый пользователь может создать собственную пару ключей, и послать открытый ключ своему абоненту. Этим ключом можно только зашифровать данные, для расшифровывания нужен секретный ключ, который хранится только у его владельца. Таким образом, получение злоумышленником открытого ключа ничего ему не даст, поскольку расшифровать им зашифрованные данные невозможно.

Примеры асимметричных алгоритмов шифрования — RSA, El-Gamal.

7. Как взламывают алгоритмы шифрования?

В криптографической науке есть подраздел — криптоанализ, который изучает вопросы взлома алгоритмов шифрования, то есть получения открытой информации из зашифрованной без ключа шифрования.

Существует много различных способов и методов криптоанализа, большинство из которых слишком сложно и объемно для воспроизведения здесь.

Единственный метод, который уместно упомянуть — метод прямого перебора всех возможных значений ключа шифрования (также называемый методом «грубой силы», или brute force). Суть данного метода состоит в переборе всех возможных значений ключа шифрования до тех пор, пока не будет подобран нужный ключ.

8. Какова должна быть длина ключа шифрования?

На сегодняшний день для симметричных алгоритмов шифрования достаточной длиной ключа шифрования считается 128 бит (16 байт). Для полного перебора всех возможных ключей длиной 128 бит (атака brute force) за один год необходимо наличие 4,2х1022 процессоров производительностью 256 миллионов операций шифрования в секунду. Стоимость такого количества процессоров составляет 3,5х1024 долларов США (по данным Bruce Schneier, Applied Cryptography).

Существует международный проект distributed.net , целью которого является объединение пользователей Интернет для создания виртуального распределенного суперкомпьютера, занимающегося перебором ключей шифрования. Последний проект по взлому ключа 64 бит был завершен в течение 1757 дней, в нем приняло участие более трехсот тысяч пользователей, а вычислительная мощность всех компьютеров проекта была эквивалентна почти 50.000 процессорам AMD Athlon XP с тактовой частотой 2 ГГц.

При этом следует учитывать, что увеличение длины ключа шифрования на один бит увеличивает количество значений ключа, а, следовательно, и время перебора, в два раза. То есть, исходя из вышеприведенных цифр, за время 1757 * 2 дней можно взломать не 128-битный ключ, как может показаться на первый взгляд, а всего лишь 65-битный.

9. Я слышал о ключах шифрования 1024 и даже 2048 бит, а вы говорите, что 128 бит вполне достаточно. Что это значит?

Все правильно, ключи шифрования 512, 1024 и 2048 бит, а иногда и длиннее используются в асимметричных алгоритмах шифрования. В них используются принципы, совершенно отличные от симметричных алгоритмов, поэтому масштабы ключей шифрования также разные.

Ответ на этот вопрос — самая охраняемая тайна спецслужб любого государства. С теоретической точки зрения прочитать данные, зашифрованные с помощью известного алгоритма ключом достаточной длины невозможно (см. предыдущие вопросы), однако, кто знает, что скрывается за завесой государственной тайны? Вполне может оказаться, что существуют какие-то технологии инопланетян, известные правительству, с помощью которых можно взломать любой шифр 🙂

Единственное, что можно утверждать с уверенностью — ни одно государство, ни одна спецслужба не раскроет этого секрета, и даже в случае наличия возможности как-то расшифровывать данные, никогда и никак этого не проявит.

Для иллюстрации этого утверждения можно привести исторический пример. Во время второй мировой войны британскому премьер-министру Уинстону Черчиллю в результате перехвата и дешифровки немецких сообщений стало известно о предстоящей бомбардировке города Ковентри. Несмотря на это, он не принял никаких мер, чтобы противник не узнал о том, что британская разведка может дешифровать их сообщения. В результате, в ночь с 14 на 15 ноября 1940 года Ковентри был разрушен немецкой авиацией, погибло большое количество мирных жителей. Таким образом, для Черчилля цена разглашения информации о том, что он может дешифровать немецкие сообщения, оказалась выше цены нескольких тысяч человеческих жизней.

Очевидно, что для современных политиков цена подобной информации еще выше, поэтому о возможностях современных спецслужб мы ничего не узнаем, ни в явном виде, ни в косвенном. Так что если даже ответ на этот вопрос утвердительный, эта возможность, скорее всего, никак не проявится.

Источник: SecurIT

^ вернуться в начало ^

Обычно, новые алгоритмы шифрования публикуются для всеобщего ознакомления и изучаются в специализированных научных центрах. Результаты таких изучений тоже публикуются для всеобщего ознакомления.

Симметричные алгоритмы
Алгоритмы шифрования делятся на два больших класса: симметричные (AES, ГОСТ, Blowfish, CAST, DES) и асимметричные (RSA, El-Gamal). Симметричные алгоритмы шифрования используют один и тот же ключ для зашифровывания информации и для ее расшифровывания, а асимметричные алгоритмы используют два ключа — один для зашифровывания, другой для расшифровывания.

Если зашифрованную информацию необходимо передавать в другое место, то в этом надо передавать и ключ для расшифрования. Слабое место здесь — это канал передачи данных — если он не защищенный или его прослушивают, то ключ для расшифрования может попасть к злоумышленику. Системы на ассиметричных алгоритмах лишены этого недостатка. Поскольку каждый участник такой системы обладает парой ключей: Открытым и Секретным Ключом.

Ключ шифрования
Это случайная или специальным образом созданная по паролю последовательность бит, являющаяся переменным параметром алгоритма шифрования.
Если зашифровать одни и те же данные одним алгоритмом, но разными ключами, результаты получатся тоже разные.

Обычно в Программах для шифрования (WinRAR, Rohos и т.д.) ключ создается из пароля, который задает пользователь.

Ключ шифрования бывает разной длины, которая, как правило, измеряется в битах. С увеличением длины ключа повышается теоритическая стойкость шифра. На практике это не всегда верно.

В криптографии считается, что механизм шифрования — это несекретная величина, и злоумышленник может иметь полный исходный код алгоритма шифрования, а также зашифрованный текст (правило Керкхоффа). Еще одно допущение, которое может иметь место — злоумышленник может знать часть незашифрованного (открытого) текста.

Стойкость алгоритма шифрования.
Алгоритм шифрования считается стойким до тех пор, пока не будет доказано обратное. Таким образом, если алгоритм шифрования опубликован, существует более 5 лет, и для него не найдено серьезных уязвимостей, можно считать, что его стойкость подходит для задач защиты секретной информации.

Теоретическая и практическая стойкость.
В 1949 г. К.Э. Шеннон опубликовал статью «Теория связи в секретных системах». Шеннон рассматривал стойкость криптографических систем как Практическую и Теоритическую. Вывод по теоритической стойкости до сих пор остается пессимистическим: длина ключа должна быть равна длине открытого текста.
Поэтому Шеннон также рассмотрел вопрос и по практической стойкости криптографических систем. Надежна ли система, если злоумышленник обладает ограниченным временем и вычислительными ресурсами для анализа перехваченных сообщений?

Обычно уязвимости находят в программах, которые шифруют данные по какому-либо алгоритму. В этом случае, программисты допускают ошибку в логике программы или в криптографическом протоколе, благодaря чему, изучив, как работает программа (на низком уровне), можно в итоге получить доступ к секретной информации.

Взлом алгоритма шифрования
Считается, что криптосистема раскрыта, если злоумышленник сможет вычислить секретный ключ, а также выполнить алгоритм преобразования, эквивалентный исходному криптоалгоритму. И чтобы этот алгоритм был выполним за реальное время.

В криптологии есть подраздел — криптоанализ, который изучает вопросы взлома или подделывания зашифрованных сообщений. Существует много способов и методов криптоанализа. Самый популярный — это метод прямого перебора всех возможных значений ключа шифрования (так называемым методом «грубой силы» или brute force). Суть данного метода состоит в переборе всех возможных значений ключа шифрования до тех пор, пока не будет подобран нужный ключ.

На практике это означает, что злоумышленник должен:

• Иметь в распоряжении криптосистему (т.е. программу) и примеры зашифрованных сообщений.
• Разобраться в криптографическом протоколе. Иначе говоря, как программа шифрует данные.
• Разработать и реализовать алгоритм перебора Ключей для этой криптосистемы.

Как определить, что ключ верный или нет?
Все зависит от конкретной программы и реализации протокола шифрования. Обычно, если после расшифрования получился ‘мусор’, то это неверный Ключ. А если более менее осмысленный текст (это можно проверить), то значит, Ключ верный.

Алгоритмы шифрования
AES (Rijndael) . В настоящее время является федеральным стандартом шифрования США.

Какой алгоритм шифровки выбрать для защиты информации?

Утвержден министерством торговли в качестве стандарта 4 декабря 2001 года. Решение вступило в силу с момента опубликования в федеральном реестре (06.12.01). В качестве стандарта принят вариант шифра только с размером блока 128 бит.

ГОСТ 28147-8. Стандарт Российской Федерации на шифрование и имитозащиту данных. Первоначально имел гриф (ОВ или СС — точно не известно), затем гриф последовательно снижался, и к моменту официального проведения алгоритма через Госстандарт СССР в 1989 году был снят. Алгоритм остался ДСП (как известно, ДСП не считается грифом). В 1989 году стал официальным стандартом СССР, а позже, после распада СССР, федеральным стандартом Российской Федерации.

Blowfish Сложная схема выработки ключевых элементов существенно затрудняет атаку на алгоритм методом перебора, однако делает его непригодным для использования в системах, где ключ часто меняется, и на каждом ключе шифруется небольшие по объему данные.

Алгоритм лучше всего подходит для систем, в которых на одном и том же ключе шифруются большие массивы данных.

DES Федеральный стандарт шифрования США в 1977-2001 годах. В качестве федерального стандарта США принят в 1977 году. В декабре 2001 года утратил свой статус в связи с введением в действие нового стандарта.

CAST В некотором смысле аналог DES.

www.codenet.ru/progr/alg/enc
Алгоритмы шифрования, Обзор, информация, сравнение.

http://www.enlight.ru/crypto
Материалы по асимметричному шифрованию, цифровой подписи и другим «современным» криптографическим системам.

Александр Великанов,
Ольга Чебан,
Tesline-Service SRL.

Бывший банкир из Абу-Даби Мохаммад Гейт бин Махах Аль Мазруи разработал шифр, который, как он заявляет, невозможно взломать. Шифр под названием «Код Абу-Даби» создан на основе группы символов, придуманных самим Аль Мазруи. В его коде каждая буква заменена специально изобретенным символом, и эти символы не принадлежат ни одному из известных в мире языков.

Какие алгоритмы шифрования данных более безопасны

Для работы над шифром, который Аль Мазруи называет «абсолютно новым», разработчику понадобилось полтора года.

По словам энтузиаста, создать свой собственный код под силу каждому, а сложность шифра определяет длина его ключа. Считается, что в принципе при наличии желания, определенных навыков и соответствующего программного обеспечения практически каждый, даже самый сложный шифр может быть взломан.

Однако Аль Мазруи уверяет, что его творение не поддается взлому и является на сегодня самым надежным шифром. «Расшифровать документ, закодированный «Кодом Абу-Даби», практически невозможно», — уверен Аль Мазруи.

Чтобы доказать свою правоту, банкир бросил вызов всем незаурядным шифровальщикам, хакерам и криптографам, призывая их попробовать взломать его шифр.

3. Криптос — скульптура, которую американский ваятель Джеймс Сэнборн установил на территории штаб-квартиры ЦРУ в Лэнгли, штат Вирджиния, в 1990 году. Зашифрованное послание, нанесенное на нее, до сих пор не могут разгадать.

4. Шифр, нанесенный на китайский золотой слиток . Семь золотых слитков были в 1933 году предположительно выданы генералу Ваню в Шанхае. На них нанесены картинки, китайские письмена и какие-то зашифрованные сообщения, в том числе латинскими буквами. Они, возможно, содержат свидетельства подлинности металла, выданные одним из банков США.

Какой алгоритм шифрования выбрать в TrueCrypt

5. Криптограммы Бейла — три зашифрованных сообщения, которые, как предполагается, содержат сведения о местонахождении клада из двух фургонов золота, серебра и драгоценных камней, зарытого в 1820-х годах под Линчбергом, что в округе Бедфорд, штат Виргиния, партией золотоискателей под предводительством Томаса Джефферсона Бейла. Цена не найденного доныне клада в пересчете на современные деньги должна составлять около 30 млн долларов. Загадка криптограмм не раскрыта до сих пор, в частности, спорным остается вопрос о реальном существовании клада. Одно из сообщений расшифровано — в нем описан сам клад и даны общие указания на его местоположение. В оставшихся нераскрытыми письменах, возможно, содержатся точное место закладки и список владельцев клада. (подробная информация)

6. Рукопись Войнича , которую часто называют самой таинственной в мире книгой. В рукописи использован уникальный алфавит, в ней около 250 страниц и рисунки, изображающие неведомые цветы, обнаженных нимф и астрологические символы. Впервые она появилась в конце XVI века, когда император Священной Римской империи Рудольф II купил ее в Праге у неизвестного торговца за 600 дукатов (около 3,5 кг золота, сегодня более 50 тысяч долларов). От Рудольфа II книга перешла к дворянам и ученым, а в конце XVII века исчезла. Манускрипт вновь появился примерно в 1912 году, когда его купил американский книготорговец Вилфрид Войнич. После его смерти рукопись была передана в дар Йельскому университету. Британский ученый Гордон Рагг считает, что книга — искусная мистификация. В тексте есть особенности, не свойственные ни одному из языков. С другой стороны, некоторые черты, например, длина слов, способы соединения букв и слогов, похожи на существующие в настоящих языках. «Многие считают, что все это слишком сложно для мистификации, чтобы выстроить такую систему, какому-нибудь безумному алхимику потребовались бы годы», — говорит Рагг. Однако Рагг показывает, что добиться такой сложности можно было легко, используя шифровальное устройство, придуманное примерно в 1550 году и названное сеткой Кардана. В этой таблице символов слова создаются передвижением карточки с прорезанными в ней отверстиями. Благодаря пробелам, оставленным в таблице, слова получаются разной длины. Накладывая такие решетки на таблицу слогов манускрипта, Рагг создал язык, которому присущи многие, если не все, особенности языка рукописи. По его словам, на создание всей книги хватило бы трех месяцев. (подробная информация, википедия)

7. Шифр Дорабелла , составленный в 1897 году британским композитором сэром Эдвардом Уильямом Эльгаром. В зашифрованном виде он отправил письмо в город Вульвергемптон своей подруге Доре Пенни, 22-летней дочери Альфреда Пенни, настоятеля собора святого Петра. Этот шифр остается неразгаданным.

8. До недавнего времени в списке присутствовал и чаошифр , который не смогли раскрыть при жизни его создателя. Шифр изобрел Джон Ф. Байрн в 1918 году, и в течение почти 40 лет безуспешно пытался заинтересовать им власти США. Изобретатель предложил денежную награду тому, кто сможет раскрыть его шифр, но в результате никто за ней не обратился.

Но в мае 2010 года члены семьи Байрна передали все оставшиеся от него документы в Национальный музей криптографии в Мэрилэнде, что привело к раскрытию алгоритма.

9. Шифр Д’Агапейеффа . В 1939 году британский картограф русского происхождения Александер Д’Агапейефф опубликовал книгу по основам криптографии Codes and Ciphers, в первом издании которой привел шифр собственного изобретения. В последующие издания этот шифр включен не был. Впоследствии Д`Агапейефф признался, что забыл алгоритм раскрытия этого шифра. Подозревают, что неудачи, постигшие всех, кто пытался расшифровать его работу, вызваны тем, что при зашифровке текста автор допускал ошибки.

Но в наше время появилась надежда, что шифр удастся раскрыть с использованием современных методов — например, генетического алгоритма.

10. Таман Шуд . 1 декабря 1948 года на побережье Австралии в Сомертоне, что под Аделаидой, было найдено мертвое тело мужчины, одетого в свитер и пальто, несмотря на характерно жаркий для австралийского климата день. Документов при нем не обнаружили. Попытки сравнить отпечатки его зубов и пальцев с имеющимися данными на живых людей также ни к чему не привели. Патологоанатомическое освидетельствование выявило противоестественный прилив крови, которой была наполнена, в частности, его брюшная полость, а также увеличение внутренних органов, но никаких инородных веществ в его организме при этом найдено не было. На железнодорожной станции одновременно нашли чемодан, который мог принадлежать погибшему. В чемодане лежали брюки с секретным карманом, в котором нашли вырванный из книги кусок бумаги с напечатанными на нем словами Taman Shud . Следствие установило, что клочок бумаги был вырван из очень редкого экземпляра сборника «Рубаи» великого персидского поэта Омара Хайяма. Сама книга была обнаружена на заднем сидении автомобиля, брошенного незапертым. На задней обложке книги были небрежно набросаны пять строк заглавными буквами — смысл этого послания разгадать так и не удалось. По сей день эта история остается одной из самых таинственных загадок Австралии.

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

Практически все применяемые криптографические методы связаны с разбиением сообщения на большое число частей (или знаков) фиксированного размера, каждая из которых шифруется отдельно, если не независимо. Это существенно упрощает задачу шифрования, так как сообщения обычно имеют различную длину.

Можно выделить три основных метода шифрования : поточный, блочный и с применением обратной связи.

Выделяются следующие четыре характерных признака криптографических методов.

Операции с отдельными битами или блоками.

Зависимость или не зависимость функции шифрования от результатов шифрования предыдущих частей сообщения.

3. Зависимость или независимость шифрования отдельных знаков сообщения от их положения в тексте. Например, при поточном шифровании, различные знаки сообщения шифруются с учетом их положения в сообщении. Это свойство называется позиционной зависимостью или независимостью шифра.

4. Симметрия или асимметрия функции шифрования. Это важное свойство определяет существенное различие между обычными симметричными (одноключевыми) криптосистемами и асимметричными двухключевыми (криптосистемами с открытым ключом). Основное различие между ними состоит в том, что в асимметричной криптосистеме знание ключа шифрования (или расшифрования) недостаточно для раскрытия соответствующего ключа расшифрования (или шифрования).

Основные характеристики криптосистем

криптосистем	Операции с битами или блоками	Зависимость/ независимость от знаков сообщения	Позиционная зависимость/ независимость	Симметрия/ асимметрия
Поточного шифрования		не зависит		симметричная
Блочного шифрования		не зависит	не зависит	симметричная или несимметричная
С обратной связью от шифртекста	биты или блоки		не зависит	симметричная

В криптосистеме, обладающей свойством зависимости функции шифрования от знаков сообщения, может иметь место размножение ошибок. Если, например, при передаче будет искажен бит шифртекста, то после расшифрования открытый текст может содержать большее количество искаженных битов. Ошибки типа "вставка" и "выпадение" могут также привести к катастрофическому размножению ошибок при дешифровании.

Поточные шифры. Поточное шифрование состоит в том, что биты открытого текста складываются по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности.

К преимуществам поточных шифров относятся отсутствие размножения ошибок, простая реализация и высокая скорость шифрования.

Недостатком является необходимость передачи информации синхронизации перед заголовком сообщения, которая должна быть принята до расшифрования любого сообщения. Это связано с тем, что если два различных сообщения шифруются на одном и том же ключе, то для расшифрования этих сообщений должна использоваться одна и та же псевдослучайная последовательность. Такое положение может создать опасную угрозу криптостойкости системы и поэтому часто используется дополнительный, случайно выбираемый ключ сообщения, который передается в начале сообщения и используется для модификации ключа шифрования. В результате разные сообщения будут шифроваться с использованием различных последовательностей.

Поточные шифры широко применяются в военных системах и других системах, близких к ним по назначению, для шифрования данных и преобразованных в цифровую форму речевых сигналов. До недавнего времени такие применения были преобладающими для данного метода шифрования. Это объясняется, в частности, относительной простотой конструирования и реализации генераторов хороших шифрующих последовательностей. Но главным фактором, конечно, остается отсутствие размножения ошибок в поточном шифре.

Так как для передачи данных и речевых сообщений в тактических сетях связи используются каналы сравнительно невысокого качества, любая криптографическая система, увеличивающая и без того высокую частоту ошибок, неприменима. В таких случаях обязательно применение криптосистемы, не размножающей ошибки.

Однако размножение ошибок может быть и положительным явлением. Пусть, например, зашифрованные данные должны передаваться по каналу с очень низкой вероятностью ошибки (например, 10 5) и весьма важно, чтобы данные принимались совершенно точно. Это типичная ситуация для вычислительных сетей, где ошибка в единственном бите может привести к катастрофическим последствиям, и поэтому канал связи должен быть очень надежным. В такой ситуации одна ошибка настолько же опасна, как 100 или 1000 ошибок. Но 100 или 1000 ошибок могут быть обнаружены легче, чем одна ошибка. Следовательно, в данном случае размножение ошибок уже не является недостатком шифра.

Стандартным методом генерирования последовательностей для поточного шифрования является метод, применяемый в стандарте шифрования данных DES в режиме обратной связи от выхода.

Блочные шифры. Для блочного шифрования открытый текст сначала разбивается на равные по длине блоки, затем применяется зависящая от ключа функция шифрования для преобразования блока открытого текста длиной т бит в блок шифртекста такой же длины. Важное свойство блочного шифрования состоит в том, что каждый бит блока шифртекста является функцией всех (или почти всех) битов соответствующего блока открытого текста, и никакие два блока открытого текста не могут быть представлены одним и тем же блоком шифртекста. Алгоритм блочного шифрования может использоваться в различных вариантах. Четыре режима шифрования в стандарте DES фактически применимы к любому блочному шифру.

Эти режимы получили следующие названия:

режим прямого шифрования, или шифрования с использованием электронной книги кодов ЕСВ (Electronic code book),

шифрование со сцеплением блоков шифртекста СВС (Cipher block chaining),

шифрование с обратной связью от шифртекста CFB (Cipher feedback),

шифрование с обратной связью от выхода OFB (Output feedback).

Основное преимущество прямого блочного шифрования (electronic code book) состоит в том, что в хорошо сконструированной системе блочного шифрования небольшие изменения в шифртексте вызовут большие и непредсказуемые изменения в соответствующем открытом тексте и наоборот.

Вместе с тем, применение блочного шифра в этом режиме связано с серьезными недостатками. Первый из них состоит в том, что вследствие фиксированного характера шифрования даже при сравнительно большой длине блока, например 50-100 бит, возможен криптоанализ "со словарем" в ограниченной форме.

Ясно, что блок такого размера может повториться в сообщении вследствие большой избыточности в типичном тексте на естественном языке. Это может привести к тому, что идентичные блоки открытого текста длиной т бит в сообщении будут представлены идентичными блоками шифртекста, что дает криптоаналитику некоторую информацию о содержании сообщения.

Другой потенциальный недостаток этого шифра связан с размножением ошибок (это одна из проблем для всех видов шифров, за исключением поточных). Результатом изменения только одного бита в принятом блоке шифртекста будет неправильное расшифрование всего блока. Это, в свою очередь, приведет к появлению от 1 до т искаженных бит в восстановленном исходном тексте.

Вследствие отмеченных недостатков, блочные шифры редко применяются в указанном режиме для шифрования длинных сообщений. Однако, в финансовых учреждениях, где сообщения часто состоят из одного или двух блоков, блочные шифры (в частности, алгоритм DES) широко применяются в этом простом варианте. Поскольку такое применение связано с возможностью частой смены ключа шифрования, вероятность шифрования двух идентичных блоков открытого текста на одном и том же ключе очень мала. Наиболее часто блочные шифры применяются в системах шифрования с обратной связью от шифртекста.

Возможно также образование смешанных (гибридных) систем поточного и блочного шифрования с использованием лучших свойств каждого из этих шифров. В таких системах поточное шифрование комбинируется с псевдослучайными перестановками. Открытый текст сначала шифруется как при обычном поточном шифровании, затем полученный шифртекст разбивается на блоки фиксированного размера. В каждом блоке производится псевдослучайная перестановка под управлением ключа (предпочтительны различные перестановки для отдельных блоков).

Порядок следования этих двух операций может быть изменен на обратный без влияния на основные свойства системы. В результате получается шифр, не размножающий ошибки, но обладающий дополнительным свойством, которого нет у поточного шифра. Это свойство заключается в том, что перехватчик не знает, какому биту открытого текста соответствует бит шифртекста. Благодаря этому зашифрованное сообщение становится более сложным и трудным для раскрытия. Но следует отметить, что это уже не подлинный блочный шифр, в котором каждый бит шифртекста является функцией только одного, а не всех битов открытого текста.

Криптосистема с открытым ключом должна быть системой блочного шифрования, оперирующей с блоками довольно большой длины. Это обусловлено тем, что криптоаналитик, знающий открытый ключ шифрования, мог бы предварительно вычислить и составить таблицу соответствия блоков открытого текста и шифртекста. Если длина блоков мала (например, 30 бит), то число возможных блоков будет не слишком большим (при длине 30 бит это 2 30 -10 9) и может быть составлена полная таблица, дающая возможность моментального дешифрования любого зашифрованного сообщения с использованием известного открытого ключа.

Было предложено много различных криптосистем с открытым ключом, наиболее известной из которых является система RSA (Rivest, Shamir, Adleman). Криптостойкость этой системы основана на трудности разложения больших чисел на простые сомножители и выборе для ключей шифрования и расшифрования двух больших простых чисел.

Известно, что алгоритм RSA не может быть применен для шифрования с большой скоростью. Наиболее оптимизированная программная реализация этого алгоритма оказывается низкоскоростной, а несколько аппаратных реализации обеспечивают скорость шифрования от 10 до 100 Кбит/с (при использовании простых чисел порядка 2 7 ,что представляется минимальной длиной для обеспечения требуемой криптостойкости). Это значит, что применение системы RSA для блочного шифрования ограничено, хотя применение ее для распределения ключей, аутентификации и формирования цифровой подписи представляет интересные возможности. Некоторые известные в настоящее время криптоалгоритмы с открытым ключом допускают более высокую скорость шифрования, чем алгоритм RSA. Однако они пока не являются настолько популярными.

Системы шифрования с обратной связью. Системы шифрования с обратной связью встречаются в различных практических версиях. Как и в системах блочного шифрования, сообщения разбиваются в них на ряд блоков, состоящих из т бит, и для преобразования этих блоков в блоки шифртекста, которые также состоят из т бит, используются специальные функции. Однако, если в блочном шифре такая функция зависит только от ключа, то в шифрах с обратной связью она зависит как от ключа, так и от одного или более предшествующих блоков шифртекста. Такое общее определение шифрования с обратной связью включает в себя как частные случаи большое количество различных типов практически применяемых систем.

Применение криптосистем блочного шифрования с обратной связью дает ряд важных преимуществ . Первое и самое значительное - возможность использования их для обнаружения манипуляций с сообщениями, производимых активными перехватчиками. При этом используется факт размножения ошибок, а также способность таких систем легко генерировать код аутентификации сообщений MAC (message aithentication code). Второе преимущество состоит в том, что шифры СТАК, применяемые вместо блочных шифров, не требуют начальной синхронизации. Это значит, что если начало сообщения пропущено при приеме, то оставшаяся часть его может быть успешно расшифрована (после успешного приема следующих один за другим t бит шифртекста. Отметим также, что системы шифрования с обратной связью используются не только для шифрования сообщений, но также и для их аутентификации.

Криптосистемам блочного шифрования с обратной связью свойственны определенные недостатки . Основной из них - размножение ошибок, т.е. один ошибочный бит при передаче может вызвать от 1 до sm + i ошибок в расшифрованном тексте. Таким образом, требование увеличения t для повышения криптостойкости противоречит системным требованиям, связанным с размножением ошибок. Другой недостаток состоит в том, что разработка и реализация систем шифрования с обратной связью часто оказываются более трудными, чем для систем поточного шифрования. Хотя системы шифрования с обратной связью различных типов находят широкое применение уже в течение многих лет, специальных алгоритмов для таких систем очень мало. В большинстве случаев опубликованные алгоритмы получены из алгоритмов блочного шифрования, преобразованных для специальных применений.

Первый вывод, который можно сделать из проведенного анализа, состоит в том, что в большинстве практических криптосистем применяются алгоритмы или поточного шифрования, или шифрования с обратной связью. Большинство криптосистем поточного шифрования использует алгоритмы для коммерческого сектора (в том числе, алгоритмы, являющиеся собственностью фирм или отдельных пользователей) или секретные правительственные алгоритмы. Такое положение, видимо, сохранится еще в ближайшие годы.

Возможно также, что большинство систем шифрования с обратной связью будет основано на применении алгоритмов блочного шифрования в специальном варианте, в частности, наиболее известного алгоритма блочного шифрования DES. О других методах шифрования можно сказать, что, несмотря на быстрый рост публикаций по криптосистемам с открытым ключом, только одна из них, - система RSA, выдержала испытание временем.

Но алгоритм этой системы связан с серьезными ограничениями в реализации и поэтому не подходит для некоторых криптографических применений. Конечно, можно определенно утверждать, что криптосистемы с открытым ключом оказали значительное влияние на технику шифрования данных. Они находят все возрастающее применение, в основном, для формирования цифровых подписей или для управления ключами в обычных криптосистемах (таких, как ключ шифрования ключей).

Потенциальным пользователям криптографии представляется возможность выбирать между системами поточного шифрования и системами шифрования с обратной связью (возможно, основанными на применении алгоритмов блочного шифрования). Однако имеются определенные области применения, например, финансовые операции, где возможно использование методов прямого блочного шифрования ("electronic codebook"). Выбор криптоалгоритма в значительной мере зависит от его назначения. Некоторые данные, которыми можно руководствоваться при выборе типа шифрования, приведены в таблице.

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.