Реализация криптографических методов

Про­бле­ма реа­ли­за­ции ме­то­дов за­щи­ты ин­фор­ма­ции име­ет два ас­пек­та:

* раз­ра­бот­ку средств, реа­ли­зую­щих крип­то­гра­фи­че­ские ал­го­рит­мы,

* ме­то­ди­ку использования этих средств.

Ка­ж­дый из рас­смот­рен­ных крип­то­гра­фи­че­ских ме­то­дов могут быть реализованы ли­бо про­грамм­ным, ли­бо ап­па­рат­ным спо­со­бом.

Воз­мож­ность про­грамм­ной реа­ли­за­ции обу­слав­ли­ва­ет­ся тем, что все ме­то­ды крип­то­гра­фи­че­ско­го преобразования фор­маль­ны и мо­гут быть пред­став­ле­ны в виде ко­неч­ной алгоритмической про­це­ду­ры.

При ап­па­рат­ной реа­ли­за­ции все про­це­ду­ры шиф­ро­ва­ния и де­шиф­ро­ва­ния вы­пол­ня­ют­ся спе­ци­аль­ны­ми элек­трон­ны­ми схе­ма­ми. Наи­боль­шее распространение по­лу­чи­ли мо­ду­ли, реа­ли­зую­щие ком­би­ни­ро­ван­ные ме­то­ды.

При этом не­пре­мен­ным ком­по­нен­тов всех ап­па­рат­но реализуемых ме­то­дов яв­ля­ет­ся гам­ми­ро­ва­ние. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что ме­тод гам­ми­ро­ва­ния удач­но со­че­та­ет в се­бе вы­со­кую криптостойкость и про­сто­ту реа­ли­за­ции.

Наи­бо­лее час­то в ка­че­ст­ве ге­не­ра­то­ра ис­поль­зу­ет­ся ши­ро­ко известный ре­гистр сдви­га с об­рат­ны­ми свя­зя­ми (ли­ней­ны­ми или не­ли­ней­ны­ми). Ми­ни­маль­ный пе­ри­од по­ро­ж­дае­мой по­сле­до­ва­тель­но­сти ра­вен 2^N-1 бит. Для по­вы­ше­ния ка­че­ст­ва ге­не­ри­руе­мой по­сле­до­ва­тель­но­сти мож­но пре­ду­смот­реть спе­ци­аль­ный блок управ­ле­ния ра­бо­той ре­ги­ст­ра сдви­га. Та­кое управ­ле­ние мо­жет за­клю­чать­ся, на­при­мер, в том, что по­сле шифрования оп­ре­де­лен­но­го объ­е­ма ин­фор­ма­ции со­дер­жи­мое ре­ги­ст­ра сдви­га цик­ли­че­ски из­ме­ня­ет­ся.

Другая воз­мож­ность улуч­ше­ния ка­че­ст­ва гам­ми­ро­ва­ния за­клю­ча­ет­ся в использовании не­ли­ней­ных об­рат­ных свя­зей. При этом улуч­ше­ние дос­ти­га­ет­ся не за счет уве­ли­че­ния дли­ны гам­мы, а за счет ус­лож­не­ния закона ее фор­ми­ро­ва­ния, что су­ще­ст­вен­но ус­лож­ня­ет крип­тоа­на­лиз.

Боль­шин­ст­во за­ру­беж­ных се­рий­ных средств шиф­ро­ва­ния ос­но­ва­но на аме­ри­кан­ском стан­дар­те DES. Оте­че­ст­вен­ные же раз­ра­бот­ки, та­кие как, на­при­мер, уст­рой­ст­во КРИП­ТОН, ис­поль­зу­ет оте­че­ст­вен­ный стан­дарт шиф­ро­ва­ния.

Ос­нов­ным дос­то­ин­ст­вом про­грамм­ных ме­то­дов реа­ли­за­ции за­щи­ты яв­ля­ет­ся их гиб­кость, т.е. воз­мож­ность бы­ст­ро­го из­ме­не­ния ал­го­рит­мов шиф­ро­ва­ния.

Ос­нов­ным же не­дос­тат­ком про­грамм­ной реа­ли­за­ции яв­ля­ет­ся су­ще­ст­вен­но мень­шее бы­ст­ро­дей­ст­вие по срав­не­нию с ап­па­рат­ны­ми сред­ст­ва­ми (при­мер­но в 10 раз).

В по­след­нее вре­мя ста­ли по­яв­лять­ся ком­би­ни­ро­ван­ные сред­ст­ва шифрования, так на­зы­вае­мые про­грамм­но-ап­па­рат­ные сред­ст­ва. В этом слу­чае в ком­пь­ю­те­ре ис­поль­зу­ет­ся свое­об­раз­ный “крип­то­гра­фи­че­ский со­про­цес­сор”[22] - вы­чис­ли­тель­ное уст­рой­ст­во, ори­ен­ти­ро­ван­ное на вы­пол­не­ние крип­то­гра­фи­че­ских опе­ра­ций (сло­же­ние по мо­ду­лю, сдвиг и т.д.). Ме­няя про­грамм­ное обес­пе­че­ния для та­ко­го уст­рой­ст­ва, мож­но вы­би­рать тот или иной ме­тод шиф­ро­ва­ния. Та­кой ме­тод объ­е­ди­ня­ет в се­бе дос­то­ин­ст­ва про­грамм­ных и ап­па­рат­ных ме­то­дов.

Та­ким об­ра­зом, вы­бор ти­па реа­ли­за­ции крип­то­за­щи­ты для кон­крет­ной ИС в су­ще­ст­вен­ной ме­ре за­ви­сит от ее осо­бен­но­стей и дол­жен опи­рать­ся на все­сто­рон­ний ана­лиз тре­бо­ва­ний, предъ­яв­ляе­мых к сис­те­ме за­щи­ты ин­фор­ма­ции.

За­клю­че­ние

В книге сде­лан об­зор наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ных в на­стоя­щее вре­мя ме­то­дов крип­то­гра­фи­че­ской за­щи­ты ин­фор­ма­ции.

Выбор для кон­крет­ных ИС дол­жен быть ос­но­ван на глу­бо­ком ана­ли­зе сла­бых и силь­ных сто­рон тех или иных ме­то­дов за­щи­ты. Обос­но­ван­ный вы­бор той или иной сис­те­мы за­щи­ты в об­щем-то дол­жен опи­рать­ся на ка­кие-то кри­те­рии эф­фек­тив­но­сти. К со­жа­ле­нию, до сих пор не раз­ра­бо­та­ны под­хо­дя­щие ме­то­ди­ки оцен­ки эф­фек­тив­но­сти крип­то­гра­фи­че­ских сис­тем.

Наи­бо­лее про­стой кри­те­рий та­кой эф­фек­тив­но­сти - ве­ро­ят­ность рас­кры­тия клю­ча или мощ­ность мно­же­ст­ва клю­чей (М). По сути это то же самое, что и криптостойкость. Для ее численной оценки можно использовать также и сложность раскрытия шифра путем перебора всех ключей.

Од­на­ко, этот кри­те­рий не учи­ты­ва­ет других важных требований к криптосистемам:

* невоз­мож­ность рас­кры­тия или ос­мыс­лен­ной мо­ди­фи­ка­ции ин­фор­ма­ции на ос­но­ве ана­ли­за ее струк­ту­ры,

* со­вер­шен­ст­во ис­поль­зуе­мых про­то­ко­лов за­щи­ты,

* минимальный объ­ем ис­поль­зуе­мой клю­че­вой ин­фор­ма­ции,

* минимальная слож­ность реа­ли­за­ции (в ко­ли­че­ст­ве ма­шин­ных опе­ра­ций), ее стои­мость,

* высокая опе­ра­тив­ность.

Же­ла­тель­но ко­неч­но ис­поль­зо­ва­ние не­ко­то­рых ин­те­граль­ных по­ка­за­те­лей, учи­ты­ваю­щих ука­зан­ные фак­то­ры.

Для уче­та стои­мо­сти, тру­до­ем­ко­сти и объ­е­ма клю­че­вой ин­фор­ма­ции мож­но ис­поль­зо­вать удель­ные по­ка­за­те­ли - от­но­ше­ние ука­зан­ных па­ра­мет­ров к мощ­но­сти мно­же­ст­ва клю­чей шиф­ра.

Час­то бо­лее эф­фек­тив­ным при вы­бо­ре и оцен­ке крип­то­гра­фи­че­ской сис­те­мы яв­ля­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние экс­перт­ных оце­нок и ими­та­ци­он­ное мо­де­ли­ро­ва­ние.

В лю­бом слу­чае вы­бран­ный ком­плекс крип­то­гра­фи­че­ских ме­то­дов дол­жен со­че­тать как удоб­ст­во, гиб­кость и опе­ра­тив­ность ис­поль­зо­ва­ния, так и на­деж­ную за­щи­ту от зло­умыш­лен­ни­ков цир­ку­ли­рую­щей в ИС ин­фор­ма­ции.

Содержание

От автора____

Введение____

Терминология_________

Требования к криптосистемам____________________________________________________________

Симметричные криптосистемы_________________________________________________

Перестановки__________

Системы подстановок___________________________________________________________________

Гаммирование________

Датчики ПСЧ_________

Стандарт шифрования данных ГОСТ 28147-89_____________________________________________

Системы с открытым ключом_________________________________________________

Алгоритм RSA________

Криптосистема Эль-Гамаля_____________________________________________________________

Криптосистемы на основе эллиптических уравнений_________________________________________

Электронная подпись________________________________________________________

Электронная подпись на основе алгоритма RSA_____________________________________________

Цифровая сигнатура___________________________________________________________________

Управление ключами_________________________________________________________

Генерация ключей_____

Накопление ключей____

Распределение ключей_________________________________________________________________

Проблемы и перспективы криптографических систем____________________________

Шифрование больших сообщений и потоков данных_________________________________________

Использование “блуждающих ключей”____________________________________________________

Шифрование, кодирование и сжатие информации____________________________________________

Реализация криптографических методов___________________________________________________

Заключение_________________________________________________________________

[1] IMHO

[2] Здесь и далее m - объем используемого алфавита.

[3] n-граммой называется последовательность из n символов алфавита.

[4] К вопросу о том, существует ил не существует абсолютно надежная криптосистема.

[5] Материал предоставлен Ю. Г. Писаревым

[6] ГОСТ 28147-89 закрыт грифом ДСП поэтому дальнейшее изложение сделано по изданию Спесивцев А.В. и др. «Защита информации в персональных ЭВМ», М., Радио и связь, 1992.

[7] В настоящее время он возглавляет компанию RSA Data Security

[8] Например, в нашумевшей программе PGP

[9] В браузерах Интернет от Microsoft и Netscape

[10] В теории чисел показано, что вероятность того, что число порядка n будет простым составляет 1/ln n

[11] Данные оценки сделаны с учетом развития вычислительной техники вплоть до 2004 года.

[12] Однако общего мнения по поводу предпочтительности того или иного метода нет.

[13] В РФ принятые стандарты цифровой подписи Р38 и Р39, также как и ГОСТ 28147-89 имеют гриф ДСП

[14] При этом разделяют слабую и сильную однозначность. При слабой однозначности для заданного значения T практически невозможно отыскать другой текст Т’, для которого H(k, T) = H(k, T’). При сильной однозначности для любого текста T невозможно найти другой подходящий текст, имеющий то же значение хэш-функции.

[15] Факт теории вероятностей: в группе из 23 человек с вероятностью больше 0.5 два и более человека родились в одно и то же число.

[16] В отличие от хэш-функции - этот класс преобразований предполагает вычисление для аргументов фиксированной длины также фиксированных по длине значений.

[17] Государственная программа США, предполагающая централизованное хранение всех ключей, используемых организациями а частными лицами.

[18] Отчасти это метод похож на гаммирование и информацию о способах генерации ПСП можно почерпнуть из соответствующей главы. Но важным отличием потокового шифрования является то, что шифрованию подвергаются не символы сообщения, а отдельные биты.

[19] Данный алгоритм является собственностью RSA Data Security, и на его экспорт правительством США наложены серьезные ограничения.

[20] Принципиально важно с точки зрения криптостойкости, чтобы сначала осуществлялось сжатие информации а потом шифрование, но не наоборот.

[21] Так, в криптографическом пакете PGP перед шифрованием информации происходит ее сжатие по алгоритму, лицензированному у PKWARE.

[22] А то и просто специализированный шифровальный микропроцессор как, например, Clipper/