Защита персональных данных. Защита персональных данных с помощью алгоритмов шифрования. Защита персональных данных с помощью алгоритмов шифрования Оглавление

• Название: Защита персональных данных с помощью алгоритмов шифрования Оглавление
• Анкор: Защита персональных данных
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 202.58 Kb.
• Имя файла: Защита персональных данных с помощью алгоритмов шифрования.docx
• Тип: Литература; #729147
• страница: 2 из 3

2.2 Асимметричные алгоритмы шифрования

В асимметричных алгоритмах шифрования (или криптографии с открытым ключом) для зашифровывания информации используют один ключ (открытый), а для расшифровывания - другой (секретный). Эти ключи различны и не могут быть получены один из другого.

Схема обмена информацией такова:

получатель вычисляет открытый и секретный ключи, секретный ключ хранит в тайне, открытый же делает доступным (сообщает отправителю, группе пользователей сети, публикует);

отправитель, используя открытый ключ получателя, зашифровывает сообщение, которое пересылается получателю;

получатель получает сообщение и расшифровывает его, используя свой секретный ключ.

2.2.1 Алгоритм Диффи-Хелмана

Алгоритм Диффи-Хелмана (Whitfield Diffie и Martin Hellman, 1976 год) использует функцию дискретного возведения в степень и похож на метод Эль-Гамаля.

Сначала генерируются два больших простых числа n и q. Эти два числа не обязательно хранить в секрете. Далее один из партнеров P1 генерирует случайное число x и посылает другому участнику будущих обменов P2 значение A = qx mod n

По получении А партнер P2 генерирует случайное число у и посылает P2 вычисленное значение B = qy mod n

Партнер P1, получив В, вычисляет Kx = Bx mod n, а партнер P2 вычисляет Ky = Ay mod n. Алгоритм гарантирует, что числа Ky и Kx равны и могут быть использованы в качестве секретного ключа для шифрования. Ведь даже перехватив числа А и В, трудно вычислить Kx или Ky.

Алгоритм Диффи-Хелмана, обеспечивая конфиденциальность передачи ключа, не может гарантировать того, что он прислан именно тем партнером, который предполагается. Для решения этой проблемы был предложен протокол STS (station-to-station). Этот протокол для идентификации отправителя использует технику электронной подписи. Подпись шифруется общим секретным ключом, после того как он сформирован. Подпись включает в себя идентификаторы как P1, так и P2.

2.2.2 RSA

Защищен патентом США N 4405829. Разработан в 1977 году в Массачусетском технологическом институте (США). Получил название по первым буквам фамилий авторов (Rivest, Shamir, Adleman). Криптостойкость основана на вычислительной сложности задачи разложения большого числа на простые множители.

Алгоритм RSA предполагает, что посланное закодированное сообщение может быть прочитано адресатом и только им. В этом алгоритме используется два ключа - открытый и секретный. Данный алгоритм привлекателен также в случае, когда большое число субъектов (N) должно общаться по схеме все-со-всеми. В случае симметричной схемы шифрования каждый из субъектов каким-то образом должен доставить свои ключи всем остальным участникам обмена, при этом суммарное число используемых ключей будет достаточно велико при большом значении N. Применение асимметричного алгоритма требует лишь рассылки открытых ключей всеми участниками, суммарное число ключей равно N.

Сообщение представляется в виде числа M. Шифрование осуществляется с помощью общедоступной функции f(M), и только адресату известно, как выполнить операцию f-1. Адресат выбирает два больших простых (prime) числа p и q, которые делает секретными. Он объявляет n=pq и число d, c (d,p-1)=(d,q-1)=1 (один из возможных способов выполнить это условие, выбрать d больше чем p/2 и q/2). Шифрование производится по формуле:

f(M) ≡ Md mod n,

где M и f(M) оба ≤ n-1. Как было показано, может быть вычислено за разумное время, даже если M, d и n содержит весьма большое число знаков. Адресат вычисляет M на основе Md, используя свое знание p и q. В соответствие со следствием , если

dc ≡ (p-1)1, тогда (Md)e ≡ p1.

Исходный текст M получается адресатом из зашифрованного F(M) путем преобразования: M = (F(M))e (mod pq). Здесь как исходный текст, так и зашифрованный рассматриваются как длинные двоичные числа.

Аналогично (Md)e ≡ qM, если dc ≡ (q-1)1. e удовлетворяет этим двум условиям, если cd ≡ (p-1) (q-1)1. Теорема 1 гласит, что мы можем позволить e=x, когда x является решением уравнения dx + (p-1)(q-1)y = 1.

Так как (Md)e - M делимо на p и q, оно делимо и на pq, следовательно, мы можем определить M, зная Md, вычислив его значение в степени e и определив остаток от деления на pq. Для соблюдения секретности важно, чтобы, зная n, было нельзя вычислить p и q. Если n содержит 100 цифр, подбор шифра связан с перебором 1050 комбинаций. Данная проблема изучается уже около 100 лет. RSA-алгоритм запатентован (20 сентября 1983, действует до 2000 года).

Теоретически можно предположить, что возможно выполнение операции f-1, не вычисляя p и q. Но в любом случае задача эта не проста и разработчики считают ее трудно факторизуемой.

Предположим, что мы имеем зашифрованный текст f(M) и исходный текст M, и мы хотим найти значения p и q. Нетрудно показать, что таких исходных данных для решения задачи недостаточно - надо знать все возможные значения Mi.

Проясним использование алгоритма RSA на конкретном примере. Выбираем два простые числа p=7; q=17 (на практике эти числа во много раз длиннее). В этом случае n = p*q будет равно 119. Теперь необходимо выбрать e, выбираем e=5. Следующий шаг связан с формированием числа d так, чтобы d*e=1 mod [(p-1)(q-1)]. d=77 (использован расширенный алгоритм Эвклида). d - секретный ключ, а e и n характеризуют открытый ключ. Пусть текст, который нам нужно зашифровать представляется M=19. С = Memod n. Получаем зашифрованный текст C=66. Этот “текст” может быть послан соответствующему адресату. Получатель дешифрует полученное сообщение, используя М= Cdmod n и C=66. В результате получается M=19.

На практике общедоступные ключи могут помещаться в специальную базу данных. При необходимости послать партнеру зашифрованное сообщение можно сделать сначала запрос его открытого ключа. Получив его, можно запустить программу шифрации, а результат ее работы послать адресату. На использовании общедоступных ключей базируется и так называемая электронная подпись, которая позволяет однозначно идентифицировать отправителя. Сходные средства могут применяться для предотвращения внесения каких-либо корректив в сообщение на пути от отправителя к получателю. Быстродействующие аппаратные 512-битовые модули могут обеспечить скорость шифрования на уровне 64 кбит в сек. Готовятся ИС, способные выполнять такие операции со скоростью 1 Мбайт/сек. Разумный выбор параметра e позволяет заметно ускорить реализацию алгоритма.

2.2.3 ElGamal

Разработан в 1985 году. Назван по фамилии автора - Эль-Гамаль. Алгоритм Эль-Гамаля может использоваться для формирования электронной подписи или для шифрования данных. Он базируется на трудности вычисления дискретного логарифма. Для генерации пары ключей сначала берется простое число p и два случайных числа g и x, каждое из которых меньше p. Затем вычисляется:

y = gx mod p

Общедоступными ключами являются y, g и p, а секретным ключом является х. Для подписи сообщения M выбирается случайное число k, которое является простым по отношению к p-1. После этого вычисляется a = gk modp. Далее из уравнения M = (xa + kb) mod (p-1) находим b. Электронной подписью для сообщения M будет служить пара a и b. Случайное число k следует хранить в секрете. Для верификации подписи необходимо проверить равенство:

yaab mod p = gM mod p.

Пара a и b представляют собой зашифрованный текст. Следует заметить, что зашифрованный текст имеет размер в два раза больше исходного. Для дешифрования производится вычисление:

M = b/ax mod p

2.3 Сравнение cимметричных и аcимметричных алгоритмов шифрования

В асимметричных системах необходимо применять длинные ключи (512 битов и больше). Длинный ключ резко увеличивает время шифрования. Кроме того, генерация ключей весьма длительна. Зато распределять ключи можно по незащищенным каналам.

В симметричных алгоритмах используют более короткие ключи, т. е. шифрование происходит быстрее. Но в таких системах сложно распределение ключей.

Поэтому при проектировании защищенной системы часто применяют и cимметричные, и аcимметричные алгоритмы. Так как система с открытыми ключами позволяет распределять ключи и в симметричных системах, можно объединить в системе передачи защищенной информации асимметричный и симметричный алгоритмы шифрования. С помощью первого рассылать ключи, вторым же - собственно шифровать передаваемую информацию

Обмен информацией можно осуществлять следующим образом:

получатель вычисляет открытый и секретный ключи, секретный ключ хранит в тайне, открытый же делает доступным;

отправитель, используя открытый ключ получателя, зашифровывает сеансовый ключ, который пересылается получателю по незащищенному каналу;

получатель получает сеансовый ключ и расшифровывает его, используя свой секретный ключ;

отправитель зашифровывает сообщение сеансовым ключом и пересылает получателю;

получатель получает сообщение и расшифровывает его.

Надо заметить, что в правительственных и военных системах связи используют лишь симметричные алгоритмы, так как нет строго математического обоснования стойкости систем с открытыми ключами, как, впрочем, не доказано и обратное.

2.4 Использование инструментов криптографии в Delphi-приложениях

2.4.1 CryptoAPI

Криптографические функции являются частью операционной системы Windows, и обратится к ним можно посредством интерфейса CryptoAPI. Основные возможности доступны еще с Windows 95, но со временем они расширялись. Описание функций CryptoAPI можно найти в MSDN, или в справочном файле к Delphi. Функции содержаться в библиотеках advapi32.dll и crypt32.dll.

2.4.2 Подключение к криптопровайдеру. Контейнеры ключей

Первая функция, которую мы рассмотрим, будет



В большинстве случаев, работа с криптографическими возможностями Windows начинается с вызова именно этой функции, которая выполняет подключение к криптопровайдеру и возвращает его дескриптор в параметре phProv. Криптопровайдер представляет собой dll, независимый программный модуль, который фактически исполняет криптографические алгоритмы. Криптопровайдеры бывают различные и отличаются составом функций (например, некоторые криптопровайдеры ограничиваются лишь цифровыми подписями), используемыми алгоритмами (некоторые шифруют алгоритмом RC2, другие - DES) и другими возможностями. В каждой операционной системе свой состав криптопровайдеров, однако в каждой присутствует Microsoft Base Cryptographic Provider v1.0. При вызове функции CryptAcquireContext, необходимо указать имя провайдера и его тип (соответственно в параметрах pszProvider и dwProvType). Тип провайдера определяет состав функций и поддерживаемые криптоалгоритмы, например:

Тип PROV_RSA_FULL

Обмен ключами - алгоритм RSA

Цифровая подпись - алгоритм RSA

Шифрование - алгоритм RC2 и RC4

Хэширование - алгоритмы MD5 и SHA

Тип PROV_RSA_SIG

Обмен ключами - не поддерживается

Цифровая подпись - алгоритм RSA

Шифрование - не поддерживается

Хэширование - алгоритмы MD5 и SHA

Microsoft Base Cryptographic Provider v1.0 относится к типу PROV_RSA_FULL и для этого типа используется по умолчанию (если в параметре pszProvider указать nil). В параметре pszContainer необходимо указать имя контейнера ключей, который мы собираемся использовать. Дело в том, что каждый криптопровайдер содержит базу данных, в которой хранятся ключи пользователей. Эти ключи группируются в контейнерах. Сохраняются только ключевые пары для асимметричных алгоритмов, сеансовые ключи не сохраняются, так как их не рекомендуют использовать повторно. Таким образом, каждый контейнер имеет имя и содержит по одному ключу (точнее паре открытый-закрытый ключ) для цифровой подписи и обмена ключами. В зависимости от криптопровайдера, база данных может храниться в файлах, реестре или в каких-либо аппаратных средствах, но это не влияет на работу программиста с контейнерами ключей. Если в качестве параметра pszContainer указать nil, то будет использоваться контейнер ключей, название которого совпадает именем пользователя, под которым был осуществлен вход в систему. Но так делать не рекомендуется: дело в том, что если два приложения использует один и тот же контейнер, одно из них может изменить или уничтожить ключи, необходимые для корректной работы другого приложения. Поэтому рекомендуют использовать контейнеры, имена которых совпадает с именем приложения.

Параметр dwFlags может быть нулевым или принимать одно из следующих значений:

CRYPT_VERIFYCONTEXT - этот флаг предназначен для приложений, которые не должны иметь доступ к закрытым ключам контейнера. Такие приложения могут обращаться только к функциям хеширования, проверки цифровой подписи или симметричного шифрования. В этом случае параметр pszContainer должен быть равен nil.

CRYPT_NEWKEYSET - создает новый контейнер ключей, но сами ключи не создаются.

CRYPT_DELETEKEYSET - удаляет контейнер вместе с хранящимися там

ключами. Если задан этот флаг, то подключение к криптопровайдеру не происходит и параметр phProv неопределен.

CRYPT_MACHINE_KEYSET - по умолчанию контейнеры ключей сохраняются как пользовательские. Для основных криптопровайдеров это означает, что контейнеры ключей сохраняются в пользовательских профилях. Этот флаг можно устанавливать в комбинации с другими, чтобы указать, что контейнер является машинным, то есть хранится в профиле All Users.

В случае успеха, функция возвращает true, в противном случае - false. GetLastError вернет код ошибки.



Освобождает контекст криптопровайдера и контейнера ключей. hProv - дескриптор криптопровайдера, полученный при вызове CryptAcquireContext. dwFlags - зарезервирован и должен равняться нулю.

В случае успеха, функция возвращает true, в противном случае - false. GetLastError вернет код ошибки.

Приведем пример работы с этими функциями:



2.4.3 Шифрование на основе пользовательских данных или пароля

Для шифрования в CryptoAPI используются симметричные алгоритмы, ключ для которых может быть получен двумя путями: случайным образом или на основе каких-либо пользовательских данных, например пароля. Причем к последнему варианту генерации ключа есть одно важное требование: при использовании одних и тех же паролей должны получаться идентичные ключи. Такая возможность предусмотрена в CryptoAPI.



В параметре hProv нужно указать дескриптор провайдера, полученный с помощью CryptAcquireContext. Algid - идентификатор алгоритма, для которого генерируется ключ. Для Microsoft Base Cryptographic Provider может принимать следующие значения: CALG_RC2 и CALG_RC4. Пользовательские данные (пароль) предварительно хэшируются и дескриптор хэш-объекта передается в функцию в качестве параметра hBaseData. Старшие 16 бит параметра dwFlags могут содержать размер ключа в битах или быть нулевыми (в этом случае будет создан ключ с размером по умолчанию). Младшие 16 бит могут быть нулевыми или принимать следующие значения или их комбинации: CRYPT_EXPORTABLE, CRYPT_CREATE_SALT, CRYPT_USER_PROTECTED, CRYPT_UPDATE_KEY. К первым двум мы еще вернемся, а со смыслом остальных вы можете ознакомиться самостоятельно. В параметре phKey возвращается дескриптор созданного ключа.

В случае успеха, функция возвращает true, в противном случае - false. GetLastError вернет код ошибки.

Когда ключ есть, можно приступать непосредственно к шифрованию. Для этого нам понадобятся функции CryptEncrypt и CryptDecrypt.



В параметре hKey передается дескриптор ключа, необходимый для шифрования. Этот ключ также определяет алгоритм шифрования. Параметр hHash используется, если данные одновременно шифруются и хэшируются (шифроваться и хэшироваться будут исходные данные). В этом случае в параметре hHash передается дескриптор заранее созданного хэш-объекта. Эту возможность удобно использовать, если необходимо одновременно зашифровать и подписать сообщение. Иначе этот параметр следует установить в ноль. Параметр Final следует установить в true, если переданный в функцию блок данных является единственным или последним. В этом случае он будет дополнен до необходимого размера. Параметр dwFlags не используется в Microsoft Base Cryptographic Provider и на его месте следует указать ноль. pbData - указатель на буфер, в котором содержаться данные для зашифрования. Зашифрованыые данные помещаются в тот же буфер. pdwDataLen - размер данных, которые будут зашифрованы. dwBufLen - размер выходного буфера, для блочных шифров может быть больше, чем pdwDataLen. Узнать необходимый размер, можно передав в параметре pbData nil, в параметре pdwDataLen - размер данных, которые необходимо зашифровать, а в параметре dwBufLen - что угодно, например ноль. После такого вызова, необходимый размер буфера будет содержаться в параметре pdwDataLen (именно pdwDataLen, а не dwBufLen, немного нелогично, ну да ладно). Чтобы не было путаницы, приведем пример:



Теперь, рассмотрим функцию, которая позволяет расшифровать сообщение.



В параметр pdwDataLen нужно передать число байт шифротекста, а после вызова в него будет помещена длина открытого сообщения. Если используется параметр hHash, то данные после расшифровки хэшируются. Это удобно использовать, если нужно одновременно расшифровать сообщение и проверить подпись.

После того, как работа с ключом закончена, необходимо освободить дескриптор:



Если hKey относится к сеансовому ключу или импортированному открытому ключу (об этом ниже), то дескриптор освобождается, а ключ уничтожается. Если hKey относится к паре открытый/закрытый ключ, то дескриптор освобождается, а ключевая пара сохраняется в контейнере ключей.

Только что мы рассмотрели случай, когда для зашифровки и расшифровки сообщения отправитель и получатель использовали пароль, известный только им. Сейчас рассмотрим другой: отправитель генерирует ключ случайно и передает его получателю в зашифрованном виде вместе с сообщением. При этом для шифрования сеансового ключа используется открытый ключ получателя. А где отправитель его возьмет?

Как уже было сказано, при создании ключевого контейнера с помощью функции CryptAcquireContext, ключи в контейнере не создаются, их нужно сгенерировать отдельно. Рассмотрим функцию:



Функция предназначена для генерации случайных сеансовых ключей и ключевых пар. Параметры этой функции аналогичны одноименным параметрам функции CryptDeriveKey, за исключением того, что Algid может также принимать значения AT_KEYEXCHANGE и AT_SIGNATURE. В этом случае будут сгенерированы ключевые пары соответственно для обмена ключами и цифровой подписи. Создание нового ключевого контейнера должно выглядеть примерно так:



Созданные таким образом ключевые пары, впоследствии можно извлечь из контейнера, воспользовавшись функцией



Параметр dwKeySpec может принимать два значения: AT_KEYEXCHANGE и AT_SIGNATURE, значения которых очевидны. Дескриптор ключа возвращается в параметре phUserKey.

Теперь ответим на вопрос, как отправитель сможет передать получателю свою открытую часть ключа.



Функция позволяет экспортировать ключ в двоичный буфер, который впоследствии можно будет сохранить в файл и передать кому-либо. В параметре hKey должен содержаться дескриптор экспортируемого ключа. Экспортировать можно не только открытые ключи, а также ключевые пары целиком и сеансовые ключи. В последних двух случаях, ключи и ключевые пары должны быть созданы функциями CryptGenKey или CryptDeriveKey с параметрами dwFlags равными CRYPT_EXPORTABLE. Открытые же ключи всегда экспортируемы. Сеансовые ключи и ключевые пары экспортируются только в зашифрованном виде. Параметр hExpKey определяет ключ, которым они будут зашифрованы. Если экспортируется открытая часть ключа, то этот параметр следует установить в ноль, если экспортируется ключевая пара целиком, то здесь обычно передают дескриптор сеансового ключа (обычно полученный с помощью CryptDeriveKey), которым пара будет зашифрована, если экспортируется сеансовый ключ, то обычно он шифруется открытым ключом получателя (обычно используется ключ обмена, но никто не запрещает использовать ключ подписи). Параметр dwBlobType определяет тип экспортируемого ключа и может принимать следующие значения: SIMPLEBLOB - сеансовый ключ, PUBLICKEYBLOB - открытый ключ, PRIVATEKEYBLOB - ключевая пара целиком. Существуют и другие значения, но они не поддерживаются стандартным криптопровайдером. Параметр dwFlags для Microsoft Base Cryptographic Provider должен быть равен нулю. pbData - буфер, куда будут скопированы данные, pdwDataLen - размер этого буфера. Если он заранее не известен, то можно указать в качестве параметра pbData nil, и в pdwDataLen будет получен необходимый размер.

Вот пример экспорта открытого ключа:



Импорт ключа осуществляется с помощью функции



В параметре hPubKey необходимо передать дескриптор ключа, которым будет расшифрован импортированный ключ. Если импортируется ключевая пара целиком, то параметр dwFlags можно установить в CRYPT_EXPORTABLE, тогда импортированная пара может быть впоследствии также экспортирована. В параметре phKey вернется дескриптор полученного ключа. Если это ключевая пара, то она будет сохранена в контейнере.

Вот пример импорта открытого ключа:



Теперь, воспользовавшись этой информацией, мы без труда сможем восстановить пропущенные фрагменты в функции проверки цифровой подписи, описанной ранее.

Итак, как же передать собеседнику зашифрованное сообщение:

Получатель экспортирует свой открытый ключ обмена в файл и передает его отправителю сообщения.

Отправитель генерирует случайный сеансовый ключ и шифрует им сообщение.

Отправитель импортирует открытый ключ обмена получателя, экспортирует сеансовый ключ, шифруя его полученным ключом обмена (ключ обмена в параметре hExpKey).

Зашифрованное сообщение передается вместе с зашифрованным сеансовым ключом - так называемый цифровой конверт.

Получатель импортирует сеансовый ключ, расшифровывая его своим закрытым ключом обмена (его можно получить, вызвав CryptGetUserKey) и с помощью сеансового ключа расшифровывает сообщение.

Говоря о сеансовых ключах, используемых в Microsoft Base Cryptographic Provider нужно упомянуть об одной неприятности: до начала 2000 года действовал запрет на экспорт программного обеспечения, использующего средства "сильной криптографии" за пределами США и Канады. По этой причине в базовом криптопровайдере не поддерживаются ключи для симметричных алгоритмов длиной более 40 бит. Ключи длиной 56 бит разрешалось использовать только заграничным отделениям американских компаний. Для алгоритмов RC2 и RC4 рекомендуемая длина ключа должна составлять 128 бит, поэтому недостающее количество бит заполняется нулями либо случайными значениями, которые должны передаваться открыто. Надежность защиты из-за этого, разумеется, сильно страдает. В состав Windows XP входит Microsoft Enhanced Cryptographic Provider, в котором этой проблемы нет, но при использовании базового криптопровайдера, необходимо дополнять ключ до нужной длины, используя т.н. солт-значения (salt-values). Сгенерировать salt-value и внести его в ключ можно несколькими способами, но самый простой и очевидный - при вызове CryptGenKey или CryptDeriveKey передать в параметре dwFlags значение CRYPT_CREATE_SALT, примерно так:



При экспорте ключа солт-значение не сохраняется, о нем должен позаботиться сам программист.



Сохраненное таким образом солт-значение необходимо передать вместе с сеансовым ключом, а на приемной стороне "вживить" его туда снова.