Симметричные криптосистемы шифрования

В симметричной криптосистеме шифрования используется один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования информации. Это означает, что любой, кто имеет доступ к ключу шифрования, может расшифровать сообщение. С целью предотвращения несанкционированного раскрытия зашифрованной информации все ключи шифрования в симметричных криптосистемах должны держаться в секрете. Именно поэтому симметричные криптосистемы называют криптосистемами с секретным ключом – ключ шифрования должен быть доступен только тем, кому предназначено сообщение. Симметричные криптосистемы называют еще одноключевыми криптографическими системами. Схема симметричной криптосистемы шифрования показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Система симметричной криптосистемы шифрования

Данные криптосистемы характеризуются наиболее высокой скоростью шифрования, и с их помощью обеспечивается как конфиденциальность и подлинность, так и целостность передаваемой информации.

Конфиденциальность передачи информации с помощью симметричной криптосистемы зависит от надежности шифра и обеспечения конфиденциальности ключа шифрования. Обычно ключ шифрования представляет собой файл или массив данных и хранится на персональном ключевом носителе, например дискете или смарт-карте; обязательно принятие мер, обеспечивающих недоступность персонального ключевого носителя кому-либо, кроме его владельца.

Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.

Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитоприставки), вырабатываемого по секретному ключу. Имитоприставка является разновидностью контрольной суммы, то есть некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитоприставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитоприставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитоприставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.

Симметричное шифрование идеально подходит для шифрования информации «для себя», например с целью предотвратить несанкционированный доступ к ней в отсутствие владельца. Это может быть как архивное шифрование выбранных файлов, так и прозрачное (автоматическое) шифрование целых логических или физических дисков.

Обладая высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации. Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.

Перед началом обмена зашифрованными данными необходимо обменяться секретными ключами со всеми адресатами. Передача секретного ключа симметричной криптосистемы не может быть осуществлена по общедоступным каналам связи, секретный ключ надо передавать отправителю и получателю по защищенному каналу.

Существуют реализации алгоритмов симметричного шифрования для абонентского шифрования данных – то есть для отправки шифрованной информации абоненту, например, через Интернет. Использование одного ключа для всех абонентов подобной криптографической сети недопустимо по соображениям безопасности. Действительно, в случае компрометации (утери, хищения) ключа под угрозой будет находиться документооборот всех абонентов. В этом случае может быть использована матрица ключей (рис. 4.4).

Матрица ключей представляет собой таблицу, содержащую ключи парной связи абонентов. Каждый элемент таблицы предназначен для связи абонентов i и j и доступен только двум данным абонентам. Соответственно, для всех элементов матрицы ключей соблюдается равенство

. (4.3)

Рис.4.4. Матрица ключей

Каждая i-я строка матрицы представляет собой набор ключей конкретного абонента i для связи с остальными N - 1 абонентами. Наборы ключей (сетевые наборы) распределяются между всеми абонентами криптографической сети. Аналогично сказанному выше, сетевые наборы должны распределяться по защищенным каналам связи или из рук в руки.

Характерной особенностью симметричных криптоалгоритмов является то, что в ходе своей работы они производят преобразование блока входной информации фиксированной длины и получают результирующий блок того же объема, но недоступный для прочтения сторонним лицам, не владеющим ключом. Схему работы симметричного блочного шифра можно описать функциями

(4.4)

где М – исходный (открытый) блок данных; С – зашифрованный блок данных.

Ключ К является параметром симметричного блочного криптоалгоритма и представляет собой блок двоичной информации фиксированного размера. Исходный М и зашифрованный С блоки данных также имеют фиксированную разрядность, равную между собой, но необязательно равную длине ключа К.

Блочные шифры являются той основой, на которой реализованы практически все симметричные криптосистемы. Симметричные криптосистемы позволяют кодировать и декодировать файлы произвольной длины. Практически все алгоритмы используют для преобразований определенный набор обратимых математических преобразований.

Методика создания цепочек из зашифрованных блочными алгоритмами байтов позволяет шифровать ими пакеты информации неограниченной длины. Отсутствие статистической корреляции между битами выходного потока блочного шифра используется для вычисления контрольных сумм пакетов данных и в хэшировании паролей.

Криптоалгоритм считается идеально стойким, если для прочтения зашифрованного блока данных необходим перебор всех возможных ключей до тех пор, пока расшифрованное сообщение не окажется осмысленным. В общем случае стойкость блочного шифра зависит только от длины ключа и возрастает экспоненциально с ее ростом.

Для получения стойких блочных шифров использовать два общих принципа:

¨ рассеивание – собой распространение влияния одного знака откры­того текста на много знаков шифртекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста.

¨ перемешивание – использование таких шифрующих преобразований, которые усложняют восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текстов.

Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость зашифрования и расшифрования при известном пользователю секретном ключе.

Распространенным способом достижения эффектов рассеивания и перемешивания является использование составного шифра, то есть такого, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит свой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание.

В составных шифрах в качестве простых шифров чаще всего используются простые перестановки и подстановки. При перестановке просто перемешивают символы открытого текста, причем конкретный вид перемешивания определяется секретным ключом. При подстановке каждый символ открытого текста заменяют другим символом из того же алфавита, а конкретный вид подстановки также определяется секретным ключом. Следует заметить, что в современном блочном шифре блоки открытого текста и шифртекста представляют собой двоичные последовательности обычно длиной 64 или 128 бит. При длине 64 бит каждый блок может принимать 2⁶⁴ значений. Поэтому подстановки выполняются в очень большом алфавите, содержащем до 2⁶⁴ ~ 10¹⁹ «символов».

При многократном чередовании простых перестановок и подстановок, управляемых достаточно длинным секретным ключом, можно получить стойкий шифр с хорошим рассеиванием и перемешиванием.

Все действия, производимые блочным криптоалгоритмом над данными, основаны на том факте, что преобразуемый блок может быть представлен в виде целого неотрицательного числа из диапазона, соответствующего его разрядности. Например, 32-битный блок данных можно интерпретировать как число из диапазона 0...4294 967 295. Кроме того, блок, разрядность которого представляет собой «степень двойки», можно трактовать как сцепление нескольких независимых неотрицательных чисел из меньшего диапазона (указанный выше 32-битный блок можно также представить в виде сцепления двух независимых 16-битных чисел из диапазона 0...65 535 или в виде сцепления четырех независимых 8-битных чисел из диапазона 0...255).

Над этими числами блочный криптоалгоритм производит по определенной схеме действия, перечисленные в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Действия, выполняемые криптоалгоритмами над числами

Действие	Функция
Математические функции
Сложение	X' = X + V
Исключающее ИЛИ	X' = X XOR V
Умножение по модулю (2N + 1 )	Х' = (Х* V)mod(2N+l)
Умножение по модулю 2N	X' = (X * V) mod(2N)
Битные сдвиги
Арифметический сдвиг влево	X' =X SHL V
Арифметический сдвиг вправо	X' = X SHR V
Циклический сдвиг влево	X' = X ROL V
Циклический сдвиг вправо	X' = X ROR V
Табличные подстановки
S-box (substitute)	X' = Table [X, V]

В качестве параметра V для любого из этих преобразований может использоваться:

¨ фиксированное число (например, X'= X + 125);

¨ число, получаемое из ключа (например, X'= X + F(K));

¨ число, получаемое из независимой части блока (например, Х2' = Х2 + F(Х1)).

Последовательность выполняемых над блоком операций, комбинации перечисленных выше вариантов V и сами функции F и составляют отличительные особенности конкретного симметричного блочного криптоалгоритма.

Характерным признаком блочных алгоритмов является многократное и косвенное использование материала ключа. Это определяется в первую очередь требованием невозможности обратного декодирования в отношении ключа при известных исходном и зашифрованном текстах. Для решения этой задачи в приведенных выше преобразованиях чаще всего используется не само значение ключа или его части, а некоторая, иногда необратимая, функция от материала ключа. Более того, в подобных преобразованиях один и тот же блок или элемент ключа используется многократно. Это позволяет при выполнении условия обратимости функции относительно величины X сделать функцию необратимой относительно ключа К.