Криптография и шифрование, алгоритмы шифрования. 1 Криптография и шифрование, алгоритмы шифрования 4 1 Понятие шифрование 4
 Скачать 478.11 Kb.
|
1.4 Основные современные методы шифрованияСреди 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.рwl», в которых операционная система Microsoft Windows 95 хранит пароли к сетевым ресурсам данного пользователя (пароли на вход в NT-серверы, пароли для DialUр-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. Комбинированные методы. Последовательное шифрование исходного текста с помощью двух и более методов. Общий принцип шифрования представлен в приложении Б. 1.5 Алгоритмы шифрованияРассмотрим подробнее методы криптографической защиты данных (приложение В). Алгоритмы замены (подстановки) В этом наиболее простом методе символы шифруемого текста заменяются другими символами, взятыми из одного- (одно- или моноалфавитная подстановка) или нескольких (много- или полиалфавитная подстановка) алфавита. Самой простой разновидностью является прямая (простая) замена, когда буквы шифруемого сообщения заменяются другими буквами того же самого или некоторого другого алфавита. Таблица замены может иметь следующий вид (таблица 1): Таблица 1 Таблица простой замены
Используя эту таблицу, зашифруем текст: In this book the reader will find a comрrehensive survey... Получим следующее зашифрованное сообщение: At omiy рbbe omr nrsirn fadd zail s xbwgnrmrtjafr jcnfru... Однако такой шифр имеет низкую стойкость, так как зашифрованный текст имеет те же статистические характеристики, что и исходный. Например, текст на английском языке содержит символы со следующими частотами появления (в порядке убывания): Е — 0,13, Т — 0,105, А — 0,081, О — 0,079 и т.д. В зашифрованном тексте наибольшие частоты появления в порядке убывания имеют буквы R — 0,12, O — 0,09, A и N по 0,07. Естественно предположить, что символом R зашифрована буква Е, символом О — буква Т и т.д. Это действительно соответствует таблице замены. Дальнейшая расшифровка не составляет труда. Если бы объем зашифрованного текста был намного больше, чем в рассмотренном примере, то частоты появления букв в зашифрованном тексте были бы еще ближе к частотам появления букв в английском алфавите и расшифровка была бы еще проще. Поэтому простую замену используют редко и лишь в тех случаях, когда шифруемый текст короток. Для повышения стойкости шрифта используют полиалфавитные подстановки, в которых для замены символов исходного текста используются символы нескольких алфавитов. Известно несколько разновидностей полиалфавитной подстановки, наиболее известными из которых являются одно- (обыкновенная и монофоническая) и многоконтурная. При полиалфавитной одноконтурной обыкновенной подстановке для замены символов исходного текста используется несколько алфавитов, причем смена алфавитов осуществляется последовательно и циклически, т.е. первый символ заменяется соответствующим символом первого алфавита, второй — символом второго алфавита и т.д., пока не будут использованы все выбранные алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется. Схема шифрования Вижинера. Таблица Вижинера представляет собой квадратную матрицу с n2 элементами, где n — число символов используемого алфавита. В таблице 2 показана верхняя часть таблицы Вижинера для кириллицы. Каждая строка получена циклическим сдвигом алфавита на символ. Таблица 2. Верхняя часть таблицы Вижинера для кириллицы
Для шифрования выбирается буквенный ключ, в соответствии с которым формируется рабочая матрица шифрования. Таблица 3. Таблица Вижинера
Осуществляется это следующим образом. Из полной таблицы выбирается первая строка и те строки, первые буквы которых соответствуют буквам ключа. Первой размещается первая строка, а под нею — строки, соответствующие буквам ключа в порядке следования этих букв в ключе шифрования. Пример такой рабочей матрицы для ключа «книга» приведен на рисунке 1. Процесс шифрования осуществляется следующим образом:
Рисунок 1. Рабочая матрица шифрования для ключа «книга». под каждой буквой шифруемого текста записываются буквы ключа. Ключ при этом повторяется необходимое число раз. каждая буква шифруемого текста заменяется по подматрице буквами находящимися на пересечении линий, соединяющих буквы шифруемого текста в первой строке подматрицы и находящимися под ними букв ключа. полученный текст может разбиваться на группы по несколько знаков. Пусть, например, требуется зашифровать сообщение: максимально допустимой ценой является пятьсот руб. за штуку. В соответствии с первым правилом записываем под буквами шифруемого текста буквы ключа. Получаем: максимально допустимой ценой является пятьсот руб. за штуку книгакнигак нигакнигак нигак нигакниг акнигак ниг ак нигак Дальше осуществляется непосредственное шифрование в соответствии со вторым правилом, а именно: берем первую букву шифруемого текста (М) и соответствующую ей букву ключа (К); по букве шифруемого текста (М) входим в рабочую матрицу шифрования и выбираем под ней букву, расположенную в строке, соответствующей букве ключа (К),— в нашем примере такой буквой является Ч; выбранную таким образом букву помещаем в зашифрованный текст. Эта процедура циклически повторяется до зашифрования всего текста. Эксперименты показали, что при использовании такого метода статистические характеристики исходного текста практически не проявляются в зашифрованном сообщении. Нетрудно видеть, что замена по таблице Вижинера эквивалентна простой замене с циклическим изменением алфавита, т.е. здесь мы имеем полиалфавитную подстановку, причем число используемых алфавитов определяется числом букв в слове ключа. Поэтому стойкость такой замены определяется произведением стойкости прямой замены на число используемых алфавитов, т.е. число букв в ключе. Расшифровка текста производится в следующей последовательности: над буквами зашифрованного текста последовательно надписываются буквы ключа, причем ключ повторяется необходимое число раз. в строке подматрицы Вижинера, соответствующей букве ключа отыскивается буква, соответствующая знаку зашифрованного текста. Находящаяся под ней буква первой строки подматрицы и будет буквой исходного текста. полученный текст группируется в слова по смыслу. Нетрудно видеть, что процедуры как прямого, так и обратного преобразования являются строго формальными, что позволяет реализовать их алгоритмически. Более того, обе процедуры легко реализуются по одному и тому же алгоритму. Одним из недостатков шифрования по таблице Вижинера является то, что при небольшой длине ключа надежность шифрования остается невысокой, а формирование длинных ключей сопряжено с трудностями. Нецелесообразно выбирать ключи с повторяющимися буквами, так как при этом стойкость шифра не возрастает. В то же время ключ должен легко запоминаться, чтобы его можно было не записывать. Последовательность же букв не имеющих смысла, запомнить трудно. С целью повышения стойкости шифрования можно использовать усовершенствованные варианты таблицы Вижинера. Приведу только некоторые из них: во всех (кроме первой) строках таблицы буквы располагаются в произвольном порядке. В качестве ключа используется случайность последовательных чисел. Из таблицы Вижинера выбираются десять произвольных строк, которые кодируются натуральными числами от 0 до 10. Эти строки используются в соответствии с чередованием цифр в выбранном ключе. Известны также и многие другие модификации метода. Алгоритм перестановки Этот метод заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока символов. Рассмотрим некоторые разновидности этого метода, которые могут быть использованы в автоматизированных системах. Самая простая перестановка — написать исходный текст задом наперед и одновременно разбить шифрограмму на пятерки букв. Например, из фразы ПУСТЬ БУДЕТ ТАК, КАК МЫ ХОТЕЛИ. получится такой шифротекст: ИЛЕТО ХЫМКА ККАТТ ЕДУБЪ ТСУП В последней группе (пятерке) не хватает одной буквы. Значит, прежде чем шифровать исходное выражение, следует его дополнить незначащей буквой (например, О ) до числа, кратного пяти: ПУСТЬ-БУДЕТ-ТАККА-КМЫХО-ТЕЛИО. Тогда шифрограмма, несмотря на столь незначительные изменения, будет выглядеть по-другому: ОИЛЕТ ОХЫМК АККАТ ТЕДУБ ЬТСУП Кажется, ничего сложного, но при расшифровке проявляются серьезные неудобства. Во время Гражданской войны в США в ходу был такой шифр: исходную фразу писали в несколько строк. Например, по пятнадцать букв в каждой (с заполнением последней строки незначащими буквами). П У С Т Ь Б У Д Е Т Т А К К А К М Ы Х О Т Е Л И К Л М Н О П После этого вертикальные столбцы по порядку писали в строку с разбивкой на пятерки букв: ПКУМС ЫТХЬО БТУЕД ЛЕИТК ТЛАМК НКОАП Если строки укоротить, а количество строк увеличить, то получится прямоугольник-решетка, в который можно записывать исходный текст. Но тут уже потребуется предварительная договоренность между адресатом и отправителем посланий, поскольку сама решетка может быть различной длины-высоты, записывать к нее можно по строкам, по столбцам, по спирали туда или по спирали обратно, можно писать и по диагоналями, а для шифрования можно брать тоже различные направления. В общем, здесь масса вариантов. Алгоритм гаммирования Суть этого метода состоит в том, что символы шифруемого текста последовательно складываются с символами некоторой специальной последовательности, которая называется гаммой. Иногда такой метод представляют как наложение гаммы на исходный текст, поэтому он получил название «гаммирование».Процедуру наложения гаммы на исходный текст можно осуществить двумя способами. При первом способе символы исходного текста и гаммы заменяются цифровыми эквивалентами, которые затем складываются по модулю k, где k — число символов в алфавите, т.е. Ri = (Si + G ) mod (k –1), где Ri, Si, G — символы соответственно зашифрованного, исходного текста и гаммы.
Рисунок 2. Пример шифрования гаммированием При втором методе символы исходного текста и гаммы представляются в виде двоичного кода, затем соответствующие разряды складываются по модулю 2. Вместо сложения по модулю 2 при гаммировании можно использовать и другие логические операции, например преобразование по правил логической эквивалентности и неэквивалентности . Такая замена равносильна введению еще одного ключа, который является выбор правила формирования символов зашифрованного сообщения из символов исходного текста и гаммы. Стойкость шифрования методом гаммирования определяется главным образом свойством гаммы — длительностью периода и равномерностью статистических характеристик. Последнее свойство обеспечивает отсутствие закономерностей в появлении различных символов в пределах периода. Обычно разделяют две разновидности гаммирования — с конечной и бесконечной гаммами. При хороших статистических свойствах гаммы стойкость шифрования определяется только длинной периода гаммы. При этом, если длина периода гаммы превышает длину шифруемого текста, то такой шифр теоретически является абсолютно стойким, т.е. его нельзя вскрыть при помощи статистической обработки зашифрованного текста. Это, однако, не означает, что дешифрование такого текста вообще невозможно: при наличии некоторой дополнительной информации исходный текст может быть частично или полностью восстановлен даже при использовании бесконечной гаммы. В качестве гаммы может быть использована любая последовательность случайных символов, например, последовательность цифр числа и т.п. При шифровании с помощью, например, аппаратного шифратора последовательность гаммы может формироваться с помощью датчика псевдослучайных чисел (ПСЧ). В настоящее время разработано несколько алгоритмов работы таких датчиков, которые обеспечивают удовлетворительные характеристики гаммы. Алгоритмы, основанные на сложных математических преобразованиях 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 р и q. Выберем большое случайное число и назовем его d, причем оно должно быть взаимно простым с результатом умножения (р -1)*(q -1). Отыщем такое число e, для которого верно соотношение (e*d) mod ((р -1) *(q -1)) = 1 (mod — остаток от деления, т. е. если e, умноженное на d, поделить на ((р -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 р=3, q=7. Тогда n=р*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 «2345»: C(2)= 217 mod 21 =11 C(3)= 317 mod 21= 12 C(4)= 417 mod 21= 16 C(5)= 517 mod 21= 17 Криптотекст — 11 12 16 17. Проверим расшифровкой: M(2)= 115 mod 21= 2 M(3)= 125 mod 21= 3 M(4)= 165 mod 21= 4 M(5)= 175 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 Oрen SSH или SecureShell, то все эти программы применяют шифрование открытым ключом с использованием идей алгоритма RSA. Действительно ли эта система так надежна? 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. Компания RSA (httр://www.rsa.ru) регулярно проводит конкурсы на взлом собственных (и не только собственных) шифров. Предыдущие конкурсы выиграла организация Distributed.net (httр://www.distributed. net/), являющаяся Интернет-сообществом добровольцев. Участники Distributed.net загружают к себе на ПК небольшую программу-клиент, которая подсоединяется к центральному серверу и получает кусочек данных для вычислений. Затем все данные загружаются на центральный сервер, и клиент получает следующий блок исходной информации. И так происходит до тех пор, пока все комбинации не будут перебраны. Пользователи, участники системы, объединяются в команды, а на сайте ведется рейтинг как команд, так и стран. Например, участвующей в конкурсе по взлому RC5-64 (блочный шифр компании RSA, использующий ключ длиной 64 бита) организации Distributed.net удалось осуществить взлом через пять лет (1757 дней) работы. За это время в проекте участвовали 327 856 пользователей и было перебрано 15 268 315 356 922 380 288 вариантов ключа. Выяснилось, что была (не без юмора) зашифрована фраза «some things are better left unread» («некоторые вещи лучше оставлять непрочтенными»). Общие рекомендации по шифру RC5-64 таковы: алгоритм достаточно стоек для повседневных нужд, но шифровать им данные, остающиеся секретными на протяжении более пяти лет, не рекомендуется». Комбинированные методы шифрования Одним из важнейших требований, предъявляемых к системе шифрования, является ее высокая стойкость. Однако повышение стойкости любого метода шифрования приводит, как правило, к существенному усложнению самого процесса шифрования и увеличению затрат ресурсов (времени, аппаратных средств, уменьшению пропускной способности и т.п.). Достаточно эффективным средством повышения стойкости шифрования является комбинированное использование нескольких различных способов шифрования, т.е. последовательное шифрование исходного текста с помощью двух или более методов. Как показали исследования, стойкость комбинированного шифрования не ниже произведения стойкостей используемых способов. Вообще говоря, комбинировать можно любые методы шифрования и в любом количестве, однако на практике наибольшее распространение получили следующие комбинации: подстановка + гаммирование; перестановка + гаммирование; гаммирование + гаммирование; паодстановка + перестановка; Типичным примером комбинированного шифра является национальный стандарт США криптографического закрытия данных (DES). Криптографический стандарт DES В 1973 г. Национальное бюро стандартов США начало разработку программы по созданию стандарта шифрования данных на ЭВМ. Был объявлен конкурс среди фирм разработчиковСША, который выиграла фирма IBM, представившая в 1974 году алгоритм шифрования, известный под названием DES(Data Encryption Standart). В этом алгоритме входные 64-битовые векторы, называемые блоками открытого текста, Преобразуются в выходные 64-битовые векторы, называемые блоками шифротекста, с помощью двоичного 56-битового ключа К. Число различных ключей DES-алгоритма равно 256>7*1016. Алгоритм реализуется в течение 16 аналогичных циклов шифрования, где на I-ом цикле используется цикловой ключ Ki, представляющий собой алгоритмически вырабатываемую выборку 48 битов из 56 битов ключа Ki, I=1,2,…,16. Алгоритм обеспечивает высокую стойкость, однако недавние результаты показали, что современная технология позволяет создать вычислительное устройство стоимостью около 1 млн. долларов США, способное вскрыть секретный ключ с помощью полного перебора в среднем за 3,5 часа. Из-за небольшого размера ключа было принято решение использовать DES-алгоритм для закрытия коммерческой(несекретной) информации. Практическая реализация перебора всех ключей в данных условиях экономически не целесообразна, так как затраты на реализацию перебора не соответствуют ценности информации, закрываемой шифром. DES-алгоритм явился первым примером широкого производства и внедрения технических средств в области защиты информации. Национальное бюро стандартов США проводит проверку аппаратных реализаций DES-алгоритма, предложенных фирмами-разработчиками, на специальном тестирующем стенде. Только после положительных результатов проверки производитель получает от Национального бюро стандартов сертификат на право реализации своего продукта. К настоящему времени аттестовано несколько десятков изделий, выполненных на различной элементарной базе. Достигнута высокая скорость шифрования. Она составляет в лучших изделиях 45 Мбит/с. Цена некоторых аппаратных изделий ниже 100 долларов США. Основные области применения DES-алгоритма: хранение данных на компьютерах (шифрование файлов, паролей); аутентификация сообщений (имея сообщение и контрольную группу, несложно убедиться в подлинности сообщения; электронная система платежей (при операциях с широкой клиентурой и между банками); Электронный обмен коммерческой информацией(обмен данными между покупателями, продавцом и банкиром защищен от изменений и перехвата. Позднее появилась модификация DESa — Triple Des («тройной DES» — так как трижды шифрует информацию «обычным» DESом) свободен от основного недостатка прежнего варианта — короткого ключа; он здесь в два раза длиннее. Но зато, как оказалось, Triple DES унаследовал другие слабые стороны своего предшественника: отсутствие возможности для параллельных вычислений при шифровании и низкую скорость. ГОСТ 28147-89 В 1989 году в СССР был разработан блочный шифр для использования в качестве государственного стандарта шифрования данных. Разработка была принята и зарегистрирована как ГОСТ 28147-89. Алгоритм был введен в действие в 1990 году. И хотя масштабы применения этого алгоритма шифрования до сих пор уточняются, начало его внедрения, в частности в банковской системе, уже положено. Алгоритм несколько медлителен, но обладает весьма высокой стойкостью. В общих чертах ГОСТ 28147 аналогичен DES. Блок-схема алгоритма ГОСТ отличается от блок-схемы DES-алгоритма лишь отсутствием начальной перестановки и число циклов шифрования (32 в ГОСТ против 16 в DES-алгоритме). Ключ алгоритма ГОСТ — это массив, состоящий из 32-мерных векторов X1, X2,…X8. Цикловой ключ i-го цикла Ki равен Xs, где ряду значений i от 1 до 32 соответствует следующий ряд значений s: 1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,8,7,6,5,4,3,2,1. В шифре ГОСТ используется 256-битовый ключ и объем ключевого пространства составляет 2256. Ни на одной из существующих в настоящее время или предполагаемых к реализации в недалеком будущем компьютерной системе общего применения нельзя подобрать ключ за время, меньшее многих сотен лет. Российский стандарт проектировался с большим запасом, по стойкости он на много порядков превосходит американский стандарт DES с его реальным размером ключа в 56 бит о и объемом ключевого пространства всего 256 (и неудивительно: его ключ длиной 32 байта (256 бит) вчетверо больше ключа DES. Необходимое же на перебор всех ключей время при этом возрастает не в четыре раза, а в 25632-8=25624, что выливается уже в астрономические цифры), чего явно недостаточно. В этой связи DES может представлять скорее исследовательский или научный, чем практический интерес. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||