Рис. 9.6.1 Причины ненадежности криптосистем.
9.7 Невозможность применения стойких криптоалгоритмов
Эта группа причин является наиболее распространенной из-за следующих факторов.
9.7.1 Малая скорость стойких криптоалгоритмов
Это основной фактор, затрудняющий применение хороших алгоритмов в, например, системах "тотального" шифрования или шифрования "на лету". В частности, программа Norton DiskReet, хотя и имеет реализацию DES, при смене пользователем ключа может не перешифровывать весь диск, т.к. это займет слишком много времени. Аналогично, программа компрессии "на лету" Stacker фирмы Stac Electronics имеет опцию закрытия паролем компрессируемых данных. Однако она не имеет физической возможности зашифровать этим паролем свой файл, обычно имеющий размеры в несколько сот мегабайт, поэтому она ограничивается очень слабым алгоритмом и хранит хэш-функцию от пароля вместе с защищаемыми данными. Величина криптостойкости этой функции была исследована и оказалась равной 28, т.е. пароль может быть вскрыт тривиально.
9.7.2 Экспортные ограничения
Это причина, связанная с экспортом криптоалгоритмов или с необходимостью приобретать патент или права на них. В частности, из США запрещен экспорт криптоалгоритмов с длиной ключа более 40 бит. Очевидно, что такая криптостойкость не может считаться надежной при современных вычислительных мощностях и даже на персональном компьютере, положив скорость перебора в 50 000 паролей/сек, получим время перебора в среднем порядка 4 месяцев.
Известные примеры программ, подверженных экспортным ограничениям - это последние версии броузеров (browser) Интернета, в частности Netscape Navigator фирмы Netscape Communications и Internet Explorer фирмы Microsoft. Они предоставляют шифрование со 128-битным ключом для пользователей внутри США и с 40-битным ключом для всех остальных.
Также в эту группу попадает последняя версия архиватора ARJ 2.60, известного своим слабым алгоритмом шифрования архивов. Теперь пользователи внутри США могут использовать криптостойкий алгоритм ГОСТ. Комизм ситуации в том, что хотя этот алгоритм является российским, даже россияне по законам США все равно не могут воспользоваться им в программе ARJ.
9.7.3 Использование собственных криптоалгоритмов
Незнание или нежелание использовать известные алгоритмы - такая ситуация, как ни парадоксально, также имеет место быть, особенно в программах типа Freeware и Shareware, например, архиваторах.
Как уже говорилось, архиватор ARJ (до версии 2.60 включительно) использует (по умолчанию) очень слабый алгоритм шифрования - простое гаммирование. Казалось бы, что в данном случае использование его допустимо, т.к. архивированный текст должен быть совершенно неизбыточен и статистические методы криптоанализа здесь не подходят. Однако, после более детального изучения оказалось, что в архивированном тексте присутствует (и это оказывается справедливым для любых архиваторов) некоторая неслучайная информация - например, таблица Хаффмана и некоторая другая служебная информация. Поэтому, точно зная или предсказав с некоторой вероятностью значение этих служебных переменных, можно с той же вероятностью определить и соответствующие символы пароля.
Далее, использование слабых алгоритмов часто приводит к успеху атаки по открытому тексту. В случае архиватора ARJ, если злоумышленнику известен хотя бы один файл из зашифрованного архива, он с легкостью определит пароль архива и извлечет оттуда все остальные файлы (криптостойкость ARJ при наличии открытого текста - 20 !). Даже если ни одного файла в незашифрованном виде нет, то все равно простое гаммирование позволяет достичь скорости перебора в 350000 паролей/сек. на машине класса Pentium.
Аналогичная ситуация имеет место и в случае с популярными программами из Microsoft Office - для определения пароля там необходимо знать всего 16 байт файла .doc или .xls, после чего достаточно перебрать всего 24 вариантов. В Microsoft Office 97 сделаны значительные улучшения алгоритмов шифрования, в результате чего осталась возможность только полного перебора, но... не везде - MS Access 97 использует примитивнейший алгоритм, причем шифруются не данные, а сам пароль операцией XOR с фиксированной константой!
В сетевой ОС Novell Netware фирмы Novell (версии 3.х и 4.х) также применяется собственный алгоритм хэширования. На входе хэш-функция получает 32-байтовое значение, полученное из оригинального пароля пользователя путем либо сжатия пароля длиной более 32 символов с помощью операции XOR, либо размножением пароля длиной менее 32 символов; а на выходе - 16-байтовое хэш-значение (Hash16). Именно оно (для Novell Netware 3.х) хранится в базе данных связок (bindery) в виде свойства "PASSWORD".
Одним из основных свойств криптостойкой хэш-функции должно быть то, что она не должна допускать легкого построения коллизий (таковой, например, является функция crypt(), используемая в UNIX, которая основана на DES). Именно это свойство нарушено в хэш-функции, применяемой в Novell Netware.
Была построена процедура, которая из данного хэш-значения путем небольшого перебора (несколько секунд на машине класса 80486DX2-66) получает 32-байтовую последовательность, которая, конечно, не является истинным паролем, но тем не менее воспринимается Novell Netware как таковой, т.к. применение к ней хэш-алгоритма, выдает в точности имеющееся хэш-значение. Рассмотренный хэш-алгоритм остался и в 4 версии Novell Netware.
В свою очередь, фирма Microsoft также имеет серьезнейшие недостатки в своем основном хэш-алгоритме, применяемом во всех своих ОС, начиная с Windows 3.11, при аутентификации в локальных (протокол NetBIOS) и глобальных (протоколы CIFS и http) сетях, называемым LM (Lan Manager)-хэш. (Впрочем, Microsoft ссылается на то, что он остался еще со времен OS/2 и что его разрабатывала IBM).
Он вычисляется следующим образом:
Пароль превращается в 14-символьную строку путем либо отсечки болеет длинных паролей, либо дополнения коротких паролей нулевыми элементами.
Все символы нижнего регистра заменяются на символы верхнего регистра. Цифры и специальные символы остаются без изменений.
14-байтовая строка разбивается на две семибайтовых половины.
Используя каждую половину строки в роли ключа DES, с ним шифруется фиксированная константа, получая на выходе две 8-байтовые строки.
Эти строки сливаются для создания 16-разрядного значения хэш-функции.
Очевидно, что атаки на LM-хэш легко достигают успеха по следующим причинам:
Преобразование всех символов в верхний регистр ограничивает и без того небольшое число возможных комбинаций для каждого (26+10+32=68).
Две семибайтовых "половины" пароля хэшируются независимо друг от друга. Таким образом, две половины могут подбираться перебором независимо друг от друга, и пароли, длина которых превышает семь символов, не сильнее, чем пароли с длиной семь символов. Таким образом, для гарантированного нахождения пароля необходимо перебрать вместо 940+941+... 9414
4╥1027 всего лишь 2╥(680+681+...+687)
1╥1013 (т.е. почти в 1014 раз меньше) комбинаций. Кроме того, те пароли, длина которых не превышает семь символов, очень просто распознать, поскольку вторая половина хэша будет одним и тем же значением AAD3B435B51404EE, получаемой при шифровании фиксированной константы с помощью ключа из семи нулей.
Нет элемента случайности (salt), как это сделано в crypt() - два пользователя с одинаковыми паролями всегда будут иметь одинаковые значения хэш-функции. Таким образом, можно заранее составить словарь хэшированных паролей и осуществлять поиск неизвестного пароля в нем.
9.8 Неправильная реализация криптоалгоритмов
Несмотря на то, что в этом случае применяются криптостойкие или сертифицированные алгоритмы, эта группа причин приводит к нарушениям безопасности криптосистем из-за их неправильной реализации.
9.9.1 Уменьшение криптостойкости при генерации ключа
Эта причина с весьма многочисленными примерами, когда криптосистема либо обрезает пароль пользователя, либо генерирует из него данные, имеющие меньшее количество бит, чем сам пароль. Примеры:
Во многих (старых) версиях UNIX пароль пользователя обрезается до 8 байт перед хэшированием. Любопытно, что, например, Linux 2.0, требуя от пользователей ввода паролей, содержащих обязательно буквы и цифры, не проверяет, чтобы 8-символьное начало пароля также состояло из букв и цифр. Поэтому пользователь, задав, например, достаточно надежный пароль passwordIsgood19, будет весьма удивлен, узнав, что хакер вошел в систему под его именем с помощью элементарного пароля password.
Novell Netware позволяет пользователям иметь пароли до 128 байт, что дает (считая латинские буквы без учета регистра, цифры и спецсимволы) 68128
2779 комбинаций. Но при этом, во-первых, хэш-функция получает на входе всего лишь 32-байтовое значение, что ограничивает эффективную длину пароля этой же величиной. Более того, во-вторых, на выходе хэш-значение имеет длину всего 128 бит, что соответствует 2128 комбинаций. Это дополнительно снижает эффективную длину до  =21 символа, т.е. в 6 раз по сравнению с первоначальной.
Полностью аналогичная ситуация происходит с архиватором RAR версий 1.5x - выбор пароля больше 10 символов не приводит к росту времени, необходимого на его вскрытие.
Если длина пароля "сверху" в этом случае определяется реализацией криптоалгоритмов, то ограничение на длину "снизу" уже связано с понятием единицы информации или энтропии. В рассмотренном примере с Novell Netware для создания хэш-значения с энтропией 128 бит длина пароля должна быть не менее  =69 бит или не менее 22 символов. То, что многие криптосистемы не ограничивают минимальную длину пароля, как раз и приводит к успеху атак перебором не ключей, а паролей.
9.9.2 Отсутствие проверки на слабые ключи
Некоторые криптоалгоритмы (в частности, DES, IDEA) при шифровании со специфическими ключами не могут обеспечить должный уровень криптостойкости. Такие ключи называют слабыми (weak). Для DES известно 4 слабых и 12 полуслабых (semi-weak) ключей. И хотя вероятность попасть в них равняется 
2p10-16, для серьезных криптографических систем пренебрегать ей нельзя.
Мощность множества слабых ключей IDEA составляет не много - не мало - 251 (впрочем, из-за того, что всего ключей 2128, вероятность попасть в него в 3p107 раз меньше, чем у DES).
9.9.3 Недостаточная защищенность от РПС
РПС (разрушающие программные средства) - это компьютерные вирусы, троянских кони, программные закладки и т.п. программы, способные перехватить секретный ключ или сами нешифрованные данные, а также просто подменить алгоритм на некриптостойкий. В случае, если программист не предусмотрел достаточных способов защиты от РПС, они легко способны нарушить безопасность криптосистемы. Особенно это актуально для операционных систем, не имеющих встроенных средств защиты или средств разграничения доступа - типа MS DOS или Windows 95:
Перехват пароля. Как пример можно привести самый старый способ похищения пароля, известный еще со времен больших ЭВМ, когда программа-"фантом" эмулирует приглашение ОС, предлагая ввести имя пользователя и пароль, запоминает его в некотором файле и прекращает работу с сообщением "Invalid password". Для MS DOS и Windows существует множество закладок для чтения и сохранения паролей, набираемых на клавиатуре (через перехват соответствующего прерывания), например, при работе утилиты Diskreet v. 6.0.
Подмена криптоалгоритма. Примером реализации этого случая является закладка, маскируемая под прикладную программу-"ускоритель" типа Turbo Krypton. Эта закладка заменяет алгоритм шифрования ГОСТ 28147-89, реализуемой платой "Krypton-3" (демонстрационный вариант), другим, простым и легко дешифруемым алгоритмом.
Троянский конь в электронной почте. Последним примером служит имевшие место в июне 1998 года попытки проникновения троянского коня через электронную почту. В письмо были вложены порнографическая картинка и EXE-файл FREECD.EXE, который за то время, пока пользователь развлекался с письмом, расшифровывал пароли на соединение с провайдером (Dial-Up) и отправлял их на адрес ispp@usa.net.
9.9.4 Наличие зависимости во времени обработки ключей
Это сравнительно новый аспект недостаточно корректной реализации криптоалгоритмов. Было показано, что многие криптосистемы неодинаково быстро обрабатывают разные входные данные. Это происходит как из-за аппаратных (разное количество тактов на операцию, попадание в процессорный кэш и т.п.), так и программных причин (особенно при оптимизации программы по времени). Время может зависеть как от ключа шифрования, так и (рас) шифруемых данных.
Поэтому злоумышленник, обладая детальной информацией о реализации криптоалгоритма, имея зашифрованные данные, и будучи способным каким-то образом измерять время обработки этих данных (например, анализируя время отправки пакетов с данными), может попытаться подобрать секретный ключ. Были изданы работы, в которых подробно описывается тактика атак на системы, реализующие алгоритмы RSA, Диффи-Хеллмана и DSS, причем ключ можно получать, уточняя бит за битом, а количество необходимых измерений времени прямо пропорционально длине ключа.
И хотя пока не удалось довести эти исследования до конкретного результата (вычислить секретный ключ), примеры показывают, что программирование систем критического назначения (в т.ч. и криптосистем) должно быть особенно тщательным и, возможно, для этого необходимо применять особые защитные методы программирования и специализированные средства разработки (особенно компиляторы).
9.9.5 Ошибки в программной реализации
Ясно, что пока программы будут писаться людьми, этот фактор всегда будет иметь место. Хороший пример - ОС Novell Netware 3.12, где, несмотря на достаточно продуманную систему аутентификации, при которой, по заявлениям фирмы Novell, "нешифрованный пароль никогда не передается по сети", удалось найти ошибку в программе SYSCON v. 3.76, при которой пароль именно в открытом виде попадает в один из сетевых пакетов. Этого не наблюдается ни с более ранними, ни с более поздними версиями этой программы, что позволяет говорить именно о чисто программистской ошибке. Этот ошибка проявляется только если супервизор меняет пароль кому-либо (в том числе и себе). Видимо, каким-то образом в сетевой пакет попадает клавиатурный буфер.
9.9.6 Наличие люков
Причины наличия люков в криптосистемах очевидны: разработчик хочет иметь контроль над обрабатываемой в его системе информацией и оставляет для себя возможность расшифровывать ее, не зная ключа пользователя. Возможно также, что они используются для отладки и по какой-то причине не убираются из конечного продукта. Естественно, что это рано или поздно становится известным достаточно большому кругу лиц и ценность такой криптосистемы становится почти нулевой. Самыми известными примерами здесь являются AWARD BIOS (до версии 4.51PG) с его универсальным паролем "AWARD_SW" и СУБД Paradox фирмы Borland International, также имеющая "суперпароли" "jIGGAe" и "nx66ppx".
Вплотную к наличию люков в реализации (очевидно, что в этом случае они используют явно нестойкие алгоритмы или хранят ключ вместе с данными), примыкают алгоритмы, дающие возможность третьему лицу читать зашифрованное сообщение, как это сделано в нашумевшем проекте CLIPPER, где третьим лицом выступает государство, всегда любящее совать нос в тайны своих граждан.
9.9.7 Недостатки датчика случайных чисел (ДСЧ)
Хороший, математически проверенный и корректно реализованный ДСЧ также важен для криптосистемы, как и хороший, математически стойкий и корректный криптоалгоритм, иначе его недостатки могут повлиять на общую криптостойкость системы. При этом для моделирования ДСЧ на ЭВМ обычно применяют датчики псевдослучайных чисел (ПСЧ), характеризующиеся периодом, разбросом, а также необходимостью его инициализации (seed). Применение ПСЧ для криптосистем вообще нельзя признать удачным решением, поэтому хорошие криптосистемы применяют для этих целей физический ДСЧ (специальную плату), или, по крайней мере, вырабатывают число для инициализации ПСЧ с помощью физических величин (например, времени нажатия на клавиши пользователем).
Малый период и плохой разброс относятся к математическим недостаткам ДСЧ и появляются в том случае, если по каким-то причинам выбирается собственный ДСЧ. Иначе говоря, выбор собственного ДСЧ так же опасен, как и выбор собственного криптоалгоритма.
В случае малого периода (когда псевдослучайных значений, вырабатываемых датчиком, меньше, чем возможных значений ключа) злоумышленник может сократить время поиска ключа, перебирая не сами ключи, а псевдослучайные значения и генерируя из них ключи.
При плохом разбросе датчика злоумышленник также может уменьшить среднее время поиска, если начнет перебор с самых вероятных значений псевдослучайных чисел.
Самой распространенной ошибкой, проявляющейся и в случае хорошего ПСЧ, является его неправильная инициализация. В этом случае число, используемое для инициализации, имеет либо меньшее число бит информации, чем сам датчик, либо вычисляется из неслучайных чисел и может быть предсказано стой или иной степенью вероятности.
Такая ситуация имела место в программе Netscape Navigator версии 1.1. Она инициализировала ПСЧ, используя текущее время в секундах (sec) и микросекундах (usec), а также идентификаторы процесса (pid и ppid). Как выяснили исследователи Я. Голдберг и Д. Вагнер, при такой схеме как максимум получалось 47 значащих бит информации (при том, что этот датчик использовался для получения 40- или 128 (!)-битных ключей). Но, если у злоумышленника:
была возможность перехватить пакеты, передаваемые по сети; и
был доступ (account) на компьютер, где запущена программа,
то для него не составляло труда с большой степенью вероятности узнать sec, pid и ppid. Если условие (2) не удовлетворялось, то злоумышленник все равно мог попытаться установить время через сетевые демоны time, pid мог бы быть получен через демон SMTP (обычно он входит в поле Message-ID), а ppid либо не сильно отличается от pid, либо вообще равен 1.
Исследователи написали программу unssl, которая, перебирая микросекунды, находила секретный 40-битный ключ в среднем за минуту.
9.9 Неправильное применение криптоалгоритмов
Эта группа причин приводит к тому, что оказывается ненадежными криптостойкие и корректно реализованные алгоритмы.
9.9.1 Малая длина ключа
Это самая очевидная причина. Возникает вопрос: как стойкие криптоалгоритмы могут иметь малую длину ключа? Видимо, вследствие двух факторов:
некоторые алгоритмы могут работать с переменной длиной ключа, обеспечивая разную криптостойкость - и именно задача разработчика выбрать необходимую длину, исходя из желаемой криптостойкости и эффективности. Иногда на это желание накладываются и иные обстоятельства - такие, как экспортные ограничения.
некоторые алгоритмы разрабатывались весьма давно, когда длина используемого в них ключа считалась более чем достаточной для соблюдения нужного уровня защиты.
С резким скачком производительности вычислительной техники сначала столкнулся алгоритм RSA, для вскрытия которого необходимо решать задачу факторизации. В марте 1994 была закончена длившаяся в течение 8 месяцев факторизация числа из 129 цифр (428 бит). Для этого было задействовано 600 добровольцев и 1600 машин, связанных посредством электронной почты. Затраченное машинное время было эквивалентно примерно 5000 MIPS-лет.
Прогресс в решении проблемы факторизации во многом связан не только с ростом вычислительных мощностей, но и с появлением в последнее время новых эффективных алгоритмов. (На факторизацию следующего числа из 130 цифр ушло всего 500 MIPS-лет). На сегодняшний день в принципе реально факторизовать 512-битные числа. Если вспомнить, что такие числа еще недавно использовались в программе PGP, то можно утверждать, что это самая быстро развивающаяся область криптографии и теории чисел.
29 января 1997 фирмой RSA Labs был объявлен конкурс на вскрытие симметричного алгоритма RC5. 40-битный ключ был вскрыт через 3.5 часа после начала конкурса! (Для этого даже не потребовалась связывать компьютеры через Интернет - хватило локальной сети из 250 машин в Берклевском университете). Через 313 часов был вскрыт и 48-битный ключ. Таким образом, всем стало очевидно, что длина ключа, удовлетворяющая экспортным ограничениям, не может обеспечить даже минимальной надежности.
Параллельно со вскрытием RC5 был дан вызов и столпу американской криптографии - алгоритму DES, имеющему ключ в 56 бит. И он пал 17 июня 1997 года, через 140 дней после начала конкурса (при этом было протестировано около 25% всех возможных ключей и затрачено примерно 450 MIPS-лет). Это было безусловно выдающееся достижение, которое означало фактическую смерть DES как стандарта шифрования. И действительно, когда в начала 1998 года следующее соревнование по нахождению ключа DES привело к успеху всего за 39 дней, национальный институт стандартов США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard). AES должен быть полностью открытым симметричным алгоритмом с ключом размером 128, 192, 256 бит и блоком шифрования размером 128 бит.
9.9.2 Ошибочный выбор класса алгоритма
Это также весьма распространенная причина, при которой разработчик выбирает пусть и хороший, но совершенно неподходящий к его задаче алгоритм. Чаще всего это выбор шифрования вместо хэширования или выбор симметричного алгоритма вместо алгоритма с открытыми ключами.
Примеров здесь масса - это почти все программы, ограничивающие доступ к компьютеру паролем при его включении или загрузке, например, AMI BIOS, хранящий вместо хэша пароля его зашифрованный вариант, который, естественно, легко дешифруется.
Во всех сетевых процедурах аутентификации естественно применять ассиметричную криптографию, которая не позволит подобрать ключ даже при полном перехвате трафика. Однако такие алгоритмы (из сетевых OC) пока реализует только Novell Netware 4.x, остальные же довольствуются (в лучшем случае!) стандартной схемой "запрос-отклик", при которой можно вести достаточно быстрый перебор по перехваченным значениям "запроса" и "отклика".
9.9.3 Повторное наложение гаммы шифра
Уже классическим примером стала уязвимость в Windows 3.x и первых версиях Windows 95, связанная с шифрованием. В этом случае программисты фирмы Microsoft, хорошо известные своими знаниями в области безопасности, применяли алгоритм RC4 (представляющем собой ни что иное, как шифрование гаммированием), не меняя гаммы, несколько раз к разным данным - сетевым ресурсам, хранящимся в файлах типа .pwl.
Оказалось, что один из наборов данных файла .pwl представлял из себя более чем специфичный текст - 20-символьное имя пользователя (в верхнем регистре) и набор указателей на ресурсы (см. рис. 3). Таким образом, угадав им пользователя (которое в большинстве случаев к тому же совпадает с именем файла) можно вычислить по крайней мере 20 байт гаммы. Т.к. гамма не меняется при шифровании других ресурсов (в этом состоит основная ошибка применения RC4 в этом случае), могут быть вычислены первые 20 байт всех ресурсов, в которые входит длина каждого из них. Вычислив длину, можно найти значения указателей и тем самым прибавить еще несколько десятков байт к угаданной гамме. Этот алгоритм реализован в известной программе glide.
|
Скачать 280.5 Kb.