Информационная безопасность Криптографические средства защиты данных

Шифрование Шифрование – использование криптографических сервисов безопасности. Процедура шифрования – преобразование открытого текста сообщения в закрытый. Современные средства шифрования используют известные алгоритмы шифрования. Для обеспечения конфиденциальности преобразованного сообщения используются специальные параметры преобразования – ключи.

Шифрование Криптографические преобразования используются при реализации следующих сервисов безопасности: Собственно шифрование (обеспечение конфиденциальности данных); Контроль целостности; Аутентификация.

Системы криптографической защиты информации Задача средств криптографической защиты информации преобразование информационных объектов с помощью некоторого обратимого математического алгоритма. Процесс шифрования использует в качестве входных параметров объект – открытый текст и объект – ключ, а результат преобразования объект – зашифрованный текст. При дешифровании выполняется обратный процесс. Криптографическому методу в ИС соответствует некоторый специальный алгоритм. При выполнении данного алгоритма используется уникальное числовое значение – ключ. Знание ключа позволяет выполнить обратное преобразование и получить открытое сообщения. Стойкость криптографической системы определяется используемыми алгоритмами и степенью секретности ключа.

Криптографические средства защиты данных Для обеспечения защиты информации в распределенных информационных системах активно применяются криптографические средства защиты информации. Сущность криптографических методов заключается в следующем: Открытое сообщение Ключ Зашифрованное сообщение Ключ Открытое сообщение Отправитель Получатель

Использование средств криптографической защиты для предотвращения угроз ИБ Обеспечение конфиденциальности данных. Использование криптографических алгоритмов позволяет предотвратить утечку информации. Отсутствие ключа у «злоумышленника» не позволяет раскрыть зашифрованную информацию; Обеспечение целостности данных. Использование алгоритмов несимметричного шифрования и хэширования делает возможным создание способа контроля целостности информации. Электронная цифровая подпись. Позволяет решить задачу отказа от информации. Обеспечение аутентификации. Криптографические методы используются в различных схемах аутентификации в распределенных системах (Kerberos, S/Key и др.).

Требования к системам криптографической защиты Криптографические требования Эффективность применения злоумышленником определяется средней долей дешифрованной информации, являющейся средним значением отношения количества дешифрованной информации к общему количеству шифрованной информации, подлежащей дешифрованию, и трудоемкостью дешифрования единицы информации, измеряемой Q числом элементарных опробований. Под элементарными опробованиями понимается операция над двумя n- разрядными двоичными числами. При реализации алгоритма дешифрования может быть использован гипотетический вычислитель, объем памяти которого не превышает M двоичных разрядов. За одно обращение к памяти может быть записано по некоторому адресу или извлечено не более n бит информации. Обращение к памяти по трудоемкости приравнивается к элементарному опробованию. За единицу информации принимается общий объем информации обработанной на одном средстве криптографической защиты в течении единицы времени. Атака злоумышленника является успешной, если объем полученной открытой информации больше некоторого заданного объема V.

Требования к системам криптографической защиты Требования надежности. Средства защиты должны обеспечивать заданный уровень надежности применяемых криптографических преобразований информации, определяемый значением допустимой вероятности неисправностей или сбоев, приводящих к получению злоумышленником дополнительной информации о криптографических преобразованиях. Регламентные работы (ремонт и сервисное обслуживание) средств криптографической защиты не должно приводить к ухудшению свойств средств в части параметров надежности.

Требования к системам криптографической защиты Требование по защите от несанкционированного доступа для средств криптографической информации в составе информационных систем. В автоматизированных информационных системах, для которых реализованы программные или аппаратные средства криптографических защиты информации, при хранении и обработке информации должны быть предусмотрены следующие основные механизмы защиты: идентификация и аутентификация пользователей и субъектов доступа; управление доступом; обеспечения целостности; регистрация и учет.

Требования к системам криптографической защиты Требования к средствам разработки, изготовления и функционирования средств криптографической защиты информации. Аппаратные и программные средства, на которых ведется разработка систем криптографической защиты информации, не должны содержать явных или скрытых функциональных возможностей, позволяющих: модифицировать или изменять алгоритм работы средств защиты информации в процессе их разработки, изготовления и эксплуатации; модифицировать или изменять информационные или управляющие потоки, связанные с функционированием средств; осуществлять доступ посторонних лиц к ключам идентификационной и аутентификационной информации; получать доступ к конфиденциальной информации средств криптографической защиты информации.

Способы шифрования Различают два основных способа шифрования: Симметричное шифрование, иначе шифрование с закрытым ключом; Ассиметричное шифрование, иначе шифрование с открытым ключом;

Шифрование с секретным ключом При симметричном шифровании процесс зашифровывания и расшифровывания использует некоторый секретный ключ. При симметричном шифровании реализуются два типа алгоритмов: Поточное шифрование (побитовое) Блочное шифрование (при шифровании текст предварительно разбивается на блоки, как правило не менее 64 бит)

Шифрование с секретным ключом Выделяют следующие общие принципы построения шифров: электронная кодовая книга (режим простой замены); сцепление блоков шифра (режим гаммирования с обратной связью); обратная связь по шифротексту; обратная связь по выходу (режим гаммирования).

Шифрование с секретным ключом Стандарт шифрования DES. Алгоритм шифрования представляет собой блочный шифр, использующий подстановки, перестановки и сложения по модулю 2, с длиной блока 64 бита и длиной ключа 56 бит. Подстановки и перестановки, используемые в DES фиксированы.

Алгоритм шифрования DES Основные этапы алгоритма шифрования К блоку входного текста применяется фиксированная перестановка IP Для каждого цикла (всего 16) выполняется операция зашифровывания: 64 битный блок разбивается на две половины (левую x и правую x) по 32 бита Правая половина x разбивается на 8 тетрад по 4 бита. Каждая тетрада по циклическому закону дополняется крайними битами из соседних тетрад до 6-битного слова Полученный 48-битный блок суммируется по модулю 2 с 48 битами подключа, биты которого выбираются на каждом цикле специальным образом из 56 бит, а затем разбиваются на 8 блоков по 6 бит

Алгоритм шифрования DES (продолжение) Каждый из полученных на предыдущем шаге блоков поступает на вход функции фиксированного S-блока, которая выполняет нелинейную замену наборов 6-битных блоков тетрадами Полученные 32 бита подвергаются фиксированной перестановке, результатом которой является полублок F i (x) Компоненты правого зашифрованного полублока F i (x) суммируется по модулю 2 с компонентами левого полублока x и меняются местами, т.е. блок (x, F i (x)) преобразуется в блок (x+F i (x),x) К блоку текста, полученному после всех 16 циклов, применяется обратная перестановка IP -1 Результатом является выходной зашифрованный текст

Симметричное шифрование В процессе шифрования и дешифрования используется один и тот же параметр – секретный ключ, известный обеим сторонам Примеры симметричного шифрования: ГОСТ DES Blow Fish IDEA Достоинство симметричного шифрования Скорость выполнения преобразований Недостаток симметричного шифрования Известен получателю и отправителю, что создает проблемы при распространении ключей и доказательстве подлинности сообщения

Симметричное шифрование АлгоритмРазмер ключа Длина блока Число цикловОсновные операции DES566416Перестановка, подстановка, FEAL64, 12864

Несимметричное шифрование В несимметричных алгоритмах шифрования ключи зашифровывания и расшифровывания всегда разные (хотя и связанные между собой). Ключ зашифровывания является несекретным (открытым), ключ расшифровывания – секретным.

Несимметричное шифрование Алгоритм шифрования RSA (предложен Р.Ривестом, Э.Шамиром и Л.Адлманом) включает в себя: Пусть заданы два простых числа p и q и пусть n=pq, (n)=(p-1)(q-1). Пусть число e, такое что числа e и (n) взаимно простые, а d – мультипликативно обратное к нему, то есть ed mod (n). Числа e и d называются открытым и закрытым показателями соответственно. Открытым ключом является пара (n,e) секретным ключом – d. Множители p и q должны сохраняться в секрете. Таким образом безопасность системы RSA основана на трудности задачи разложения на простые множители.

Несимметричное шифрование Кроме алгоритма RSA часто используемыми алгоритмами несимметричного шифрования являются: Алгоритм Эль-Гамаля (использует простое число p, образующую группы g и экспоненту y=g x (mod p) ) Алгоритм шифрования Месси-Омуры (использует простое число p, такое что p-1 имеет большой простой делитель в качестве открытого ключа, секретный ключ определяется в процессе диалога между приемником и источником)

Ассиметричное шифрование В криптографических преобразованиях используется два ключа. Один из них несекретный (открытый) ключ используется для шифрования. Второй, секретный ключ для расшифровывания. Примеры несимметричного шифрования: RSA Алгоритм Эль-Гамаля Недостаток асимметричного шифрования низкое быстродействие алгоритмов (из-за длины ключа и сложности преобразований) Достоинства: Применение асимметричных алгоритмов для решения задачи проверки подлинности сообщений, целостности и т.п.

Сравнение симметричных и несимметричных алгоритмов шифрования Преимущества симметричных алгоритмов: Скорость выполнения криптографических преобразований Относительная легкость внесения изменений в алгоритм шифрования Преимущества несимметричных алгоритмов Секретный ключ известен только получателю информации и первоначальный обмен не требует передачи секретного ключа Применение в системах аутентификации (электронная цифровая подпись)

Проверка подлинности Криптографические методы позволяют контролировать целостность сообщений, определять подлинность источников данных, гарантировать невозможность отказа от совершенных действий В основе криптографического контроля целостности лежат два понятия: Хэш-функция; Электронная цифровая подпись.

Проверка целостности сообщений Контроль целостности потока сообщений помогает обнаружить их повтор, задержку, переупорядочивание или утрату. Для контроля целостности сообщений можно использовать хэш-функцию. Хэш-функция – преобразование преобразующее строку произвольной длины в строку фиксированной длины и удовлетворяющее следующим свойствам: Для каждого значения H(M) невозможно найти аргумент M – стойкость в смысле обращения; Для данного аргумента M невозможно найти аргумент M,что H(M) = H(M) – стойкость в смысле возникновения коллизий. Хэш-функция используется: Для создания сжатого образа сообщения, применяемого в ЭЦП; Для защиты пароля; Для построения кода аутентификации сообщений.

Контроль подлинности Электронная цифровая подпись выполняет роль обычной подписи в электронных документах для подтверждения подлинности сообщений – данные присоединяются к передаваемому сообщению, подтверждая подлинность отправителя сообщения. При разработке механизма цифровой подписи возникает три задачи: создание подписи таким образом, чтобы ее невозможно было подделать; возможность проверки того, что подпись действительно принадлежит указанному владельцу. предотвращение отказа от подписи.

Алгоритм формирования электронной цифровой подписи При формировании цифровой подписи по классической схеме отправитель: Применяет к исходному тексту хэш-функцию; Дополняет хэш-образ до длины, требуемой в алгоритме создания ЭЦП; Вычисляет ЭЦП по хэш-образу с использованием секретного ключа создания подписи. Получатель, получив подписанное сообщение, отделяет цифровую подпись от основного текста и выполняет проверку: Применяет к тексту полученного сообщения хэш- функцию; Дополняет хэш-образ до требуемой длины; Проверяет соответствие хэш-образа сообщения полученной цифровой подписи с использованием открытого ключа проверки подписи.

Примеры алгоритмов формирования хэш-функции и ЭЦП В качестве распространенных алгоритмов хэширования можно указать: MD5; SHA; ГОСТ Р ; Алгоритмы формирования электронной цифровой подписи: RSA; DSA; ГОСТ Р

Выбор алгоритмов аутентификации При выборе протоколов аутентификации, необходимо определить, какой тип аутентификации требуется – односторонняя или двусторонняя, наличие доверенной стороны и т.д. Параметры протокола аутентификации: Тип алгоритма (симметричный, несимметричный); Конкретный вид алгоритма; Режим работы; Процедура управления ключами; Совместимость используемых алгоритмов.