Симметричные системы защиты информации

По мнению К.Шеннона, в практических шифрах необходимо использовать два общих принципа: рассеивание и перемешивание.

Рассеивание представляет собой распространение влияния одного знака открытого текста на много знаков шифротекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста.

Перемешивание предполагает использование таких шифрующих преобразований, которые усложняют восстановление взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текстов. Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость шифрования и расшифровывания при известном пользователю секретном ключе.

Распространенным способом достижения эффектов рассеивания и перемешивания является использование составного шифра, т.е. такого шифра, который может быть реализован в виде некоторой последовательности простых шифров, каждый из которых вносит свой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание.

В составных шифрах в качестве простых шифров чаще всего используются простые перестановки и подстановки. При перестановке просто перемешивают символы открытого текста, причем конкретный вид перемешивания определяется секретным ключом. При подстановке каждый символ открытого текста заменяют другим символом из того же алфавита, а конкретный вид подстановки также определяется секретным ключом. Следует заметить, что в современном блочном шифре блоки открытого текста и шифротекста представляют собой двоичные последовательности обычно длиной 64 бита. В принципе каждый блок может принимать 2⁶⁴ значений. Поэтому подстановки выполняются в очень большом алфавите, содержащем до 2⁶⁴ = 10¹⁹ «символов».

При многократном чередовании простых перестановок и подстановок, управляемых достаточно длинным секретным ключом, можно получить очень стойкий шифр с хорошим рассеиванием и перемешиванием. Рассмотренные ниже криптосистемы DES и отечественный стандарт шифрования данных ГОСТ 28147-89 построены в полном соответствии с указанной методологией.

Американский стандарт шифрования данных DES. Стандарт шифрования данных DES (Data Encryption Standard) опубликован в 1977 г. Национальным бюро стандартов США. Стандарт DES предназначен для защиты от несанкционированного доступа к важной, но несекретной информации в государственных и коммерческих организациях США. Алгоритм, положенный в основу стандарта, распространялся достаточно быстро, и уже в 1980 г. был одобрен Национальным институтом стандартов и технологий США (НИСТ). С этого момента DES превращается в стандарт не только по названию (Data Encryption Standard), но и фактически. Появляются программное обеспечение и специализированные микро-ЭВМ, предназначенные для шифрования и расшифровывания информации в сетях передачи данных. К настоящему времени DES является наиболее распространенным криптографическим алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации. Более того, реализация алгоритма DES в таких системах становится признаком хорошего тона.

Основные достоинства алгоритма DES:

– используется только один ключ длиной 56 бит;

– зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий стандарту DES;

– относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки;

– достаточно высокая стойкость алгоритма.

Первоначально метод, лежащий в основе стандарта DES, был разработан фирмой IBM для своих целей и реализован в виде системы “Люцифер”. Система “Люцифер” основана на комбинировании методов подстановки и перестановки и состоит из чередующейся последовательности блоков перестановки и подстановки. В ней использовался ключ длиной 128 бит, управлявший состояниями блоков перестановки и подстановки. Система “Люцифер” оказалась весьма сложной для практической реализации из-за относительно малой скорости шифрования (2190 байт/с – программная реализация, 96970 байт/с – аппаратная реализация).

Алгоритм DES также использует комбинацию подстановок и перестановок. DES осуществляет шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 64-битового ключа, в котором значащими являются 56 бит (остальные 8 бит – проверочные биты для контроля на четность). Расшифровывание в DES является операцией, обратной шифрованию, и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности. Обобщенная схема процесса шифрования в алгоритме DES показана на рис. 2.26. Процесс шифрования заключается в начальной перестановке битов 64-битового блока, шестнадцати циклах шифрования и, наконец, в конечной перестановке битов.

Алгоритм DES вполне подходит как для шифрования, так и для аутентификации данных. Он позволяет непосредственно преобразовывать 64-битовый входной открытый текст в 64-битовый выходной шифрованный текст, однако данные редко ограничиваются 64 разрядами. Чтобы воспользоваться алгоритмом DES для решения разнообразных криптографических задач, разработаны четыре рабочих режима:

• электронная кодовая книга ECB (Electronic Code Book);

• сцепление блоков шифра CBC (Cipher Block Chaining);

• обратная связь по шифротексту CFB (Cipher Feed Back);

• обратная связь по выходу OFB (Output Feed Back).

Каждому из рассмотренных режимов (ECB, СВС, CFB, OFB) свойственны свои достоинства и недостатки, что обусловливает области их применения.

 

Рис. 2.26. Обобщенная схема шифрования в алгоритме DЕS

Режим ЕСВ хорошо подходит для шифрования ключей; режим CFB, как правило, предназначается для шифрования отдельных символов, а режим OFB нередко применяется для шифрования в спутниковых системах связи.

Режимы СВС и CFB пригодны для аутентификации данных. Эти режимы позволяют использовать алгоритм DES:

– для интерактивного шифрования при обмене данными между терминалом и главной ЭВМ;

– шифрования криптографического ключа в практике автоматизированного распространения ключей;

– шифрования файлов, почтовых отправлений, данных спутников и других практических задач.

Одним из наиболее важных применений алгоритма DES является защита сообщений электронной системы платежей (ЭСП) при операциях с широкой клиентурой и между банками.

Алгоритм DES реализуется в банковских автоматах, терминалах, в торговых точках, автоматизированных рабочих местах и главных ЭВМ. Диапазон защищаемых им данных весьма широк – от оплат $50 до переводов на многие миллионы долларов. Гибкость основного алгоритма DES позволяет использовать его в самых разнообразных областях применения электронной системы платежей.

Отечественный стандарт шифрования данных. В нашей стране установлен единый алгоритм криптографического преобразования данных для систем обработки информации в сетях ЭВМ, отдельных вычислительных тельных комплексах и ЭВМ, который определяется ГОСТ 28147-89. Частичная модификация этого алгоритма опубликована в стандарте ГОСТ Р 34.12-2015.

Стандарт обязателен для организаций, предприятий и учреждений, применяющих криптографическую защиту данных, хранимых и передаваемых в сетях ЭВМ, в отдельных вычислительных комплексах и ЭВМ.

Этот алгоритм криптографического преобразования данных предназначен для аппаратной и программной реализации, удовлетворяет криптографическим требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемой информации. Алгоритм шифрования данных представляет собой 64-битовый блочный алгоритм с 256-битовым ключом. Алгоритм предусматривает четыре режима работы:

– шифрование данных в режиме простой замены;

– шифрование данных в режиме гаммирования;

– шифрование данных в режиме гаммирования с обратной связью;

– выработка имитовставки.

Следует иметь в виду, что режим простой замены допустимо использовать для шифрования данных только в ограниченных случаях – при выработке ключа и шифровании его с обеспечением имитозащиты для передачи по каналам связи или для хранения в памяти ЭВМ.

Режим гаммирования реализуется в данной криптосистеме как блочное шифрование, в котором сообщение обрабатывается в виде блоков определенной длины. Это основной режим рассматриваемой системы.

Режим гаммирования с обратной связью превращает блочный шифр в самосинхронизирующийся поточный шифр, в котором преобразуется всё сообщение сразу.

Режим выработки имитовставки обеспечивает защиту системы шифрованной связи от навязывания ложных данных. Имитовставка – это блок из Р бит, который вырабатывают по определенному правилу из открытых данных с использованием ключа и затем добавляют к зашифрованным данным для обеспечения их имитозащиты.

В стандартах ГОСТ 28147-89 и ГОСТ Р 34.12-2015 определяется процесс выработки имитовставки, который единообразен для любого из режимов шифрования/расшифровывания данных. Имитовставка Ир вырабатывается из блоков открытых данных либо перед шифрованием всего сообщения, либо параллельно с шифрованием по блокам. Первые блоки открытых данных, которые участвуют в выработке имитовставки, могут содержать служебную информацию (например, адресную часть, время, синхропосылку) и не зашифровываются.

Значение параметра Р (число двоичных разрядов в имитовставке) определяется криптографическими требованиями с учетом того, что вероятность навязывания ложных помех равна 1/2p.

Алгоритм выработки имитовставок обеспечивает сравнение имитовставок, полученных при шифровании, с имитовставками, полученными при расшифровывании. В случае несовпадения имитовставок полученные в результате расшифровки блоки открытых данных считают ложными. Алгоритм формирования имитовставок может использовать функцию хеширования (см. ниже подраздел 2.5.12).