Лекция2.1 | Information Security

Тема 2.1 Введение в криптографию.

Основные понятия и определения. Виды криптосистем

Криптография — наука о шифрах — долгое время была засекречена, так как применялась, в основном, для защиты государственных и военных секретов. В настоящее время методы и средства криптографии используются для обеспечения информационной безопасности не толь- ко государства, но и частных лиц, и организаций

Основные понятия криптографии

Как передать нужную информацию нужному адресату в тайне от других?

Выбрав подходящее решение, он, скорее всего, повторил изобретение одного из способов скрытой передачи информации, которым уже не одна тысяча лет. Размышляя над задачей ТП, нетрудно прийти к выводу, что есть три возможности.

1. Создать абсолютно надежный, недоступный для других канал связи между абонентами. 2. Использовать общедоступный канал связи, но скрыть сам факт передачи информации. 3. Использовать общедоступный канал связи, но передавать по нему нужную информацию в так преобразованном виде, чтобы восстановить ее мог только адресат. Прокомментируем эти три возможности.

1. При современном уровне развития науки и техники сделать такой канал связи между удаленными абонентами для неоднократной передачи больших объемов информации практически нереально.

2. Разработкой средств и методов скрытия факта передачи сообщения занимается стеганография.

Стеганография – совокупность методов, предназначенных для сокрытия факта существования сообщения. Первые следы стеганографических методов теряются в глубокой древности. Например, известен такой способ скрытия письменного сообщения: голову раба брили, на коже головы писали сообщение и после отрастания волос раба отправляли к адресату. Из детективных произведений хорошо известны различные способы тайнописи между строк обычного, незащищаемого текста: от молока до сложных химических реактивов с последующей обработкой. Также из детективов известен метод «микроточки»: сообщение записывается с помощью современной техники на очень маленький носитель

Например:

1. Расстановка слов или букв открытого текста так, чтобы он нес в себе скрытое сообщение.

2. Пометка символов.

3. Невидимые чернила.

4. Прокалывание бумаги.

5. Печать между строк с использованием корректирующей ленты.

Сами по себе подобные методы выглядят архаично, но у них есть современные эквиваленты. Например, сокрытие сообщений с помощью использования незначащих бит в видеокадрах компакт-дисков.

В настоящее время разработано множество программных пакетов, позволяющих осуществлять подобные операции. Преимущество стеганографии состоит в том, что она может скрывать сам факт передачи сообщений, а не только их содержимое. Ведь само шифрование вызывает подозрение – значит есть что скрывать.

В настоящее время в связи с широким распространением компьютеров известно много тонких методов «запрятывания» защищаемой информации внутри больших объемов информации, хранящейся в компьютере.

Конечно, с помощью стеганографии можно прятать и предварительно зашифрованные тексты, но, вообще говоря, стеганография и криптография — принципиально различные направления в теории и практике защиты информации.)

3. Разработкой методов преобразования (шифрования) информации с целью ее защиты от незаконных пользователей занимается криптография. Такие методы и способы преобразования информации называются шифрами. Шифрование (зашифрование) — процесс применения шифра к защищаемой информации, т. е. преобразование защищаемой информации (открытого текста) в шифрованное сообщение (шифртекст, криптограмму) с помощью определенных правил, содержащихся в шифре. Дешифрование — процесс, обратный шифрованию, т. е. преобразование шифрованного сообщения в открытый текст с помощью определенных правил, содержащихся в шифре. Криптография — прикладная наука, она использует самые последние достижения фундаментальных наук и, в первую очередь, математики. С другой стороны, все конкретные задачи криптографии существенно зависят от уровня развития техники и технологии, от применяемых средств связи и способов передачи информации

Классификация криптографических систем:

1. По области применения шифров различают криптосистемы ограниченного и общего использования.

Стойкость криптосистемы ограниченного использования основывается на сохранении в секрете алгоритма криптографического преобразования в силу его уязвимости, малого количества ключей или отсутствия таковых (секретные кодовые системы).
Стойкость криптосистемы общего использования основывается на секретности ключа и сложности его подбора потенциальным противником.

2. По особенностям алгоритма шифрования криптосистемы общего использования можно разделить на следующие виды.

Рис. Классификация криптографических алгоритмов

В одноключевых системах для шифрования и дешифрования используется один и тот же ключ.

Каждой паре пользователей, для защищенного с помощью симметричной криптографии обмена данными, требуется два экземпляра одного и того же ключа. Например, если Дену и Ирине нужно обмениваться данными, им обоим нужно получить копию одного ключа. Если Ден хочет также с использованием симметричной криптографии взаимодействовать с Нормом и Дейвом, ему нужно иметь три отдельных ключа – по одному на каждого друга. Это не является большой проблемой, пока Дену не потребуется взаимодействовать с сотней других людей за несколько месяцев и сохранять историю переписки. Ведь это потребует использования соответствующего ключа для переписки с каждым конкретным получателем. В таком случае это может стать сложнейшей задачей. Если десяти людям необходимо безопасно обмениваться данными друг с другом с использованием симметричной криптографии, им потребуется 45 ключей. Если же взаимодействовать нужно ста людям, им потребуется 4950 ключей.

Формула для расчета необходимого количества симметричных ключей выглядит следующим образом:

Число ключей = N(N – 1)/2, где N – число абонентов

При использовании симметричных алгоритмов отправитель и получатель используют один и тот же ключ для процессов зашифрования и расшифрования информации. Безопасность таких алгоритмов полностью зависит от того, насколько хорошо пользователи защищают ключи. В таком случае безопасность полностью зависит от персонала, который должен хранить свои ключи в секрете. Если ключ скомпрометирован, все сообщения, зашифрованные на этом ключе, могут быть расшифрованы и прочитаны злоумышленником. В действительности, это еще больше усложняется, поскольку ключи необходимо безопасно распространять и обновлять их при необходимости. Если Дену нужно взаимодействовать с Нормом впервые, Ден должен решить, каким образом безопасно передать Норму ключ. Если он сделает это небезопасно, например, просто отправив ключ по электронной почте, этот ключ может быть легко перехвачен и использован злоумышленником. Поэтому Ден должен передать ключ Норму нестандартным способом. К примеру, Ден может записать ключ на флеш-накопитель и положить его на стол Норму или отправить его Норму с доверенным курьером. Процесс распространения симметричных ключей может стать очень сложной и громоздкой задачей.
Поскольку оба пользователя используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования сообщений, симметричные криптосистемы могут обеспечить конфиденциальность, но не аутентификацию или неотказуемость. Такой криптографический алгоритм не позволит доказать, кто реально отправил сообщение, т.к. оба пользователя используют один и тот же ключ.
Но если симметричные криптосистемы имеют столько недостатков и проблем, почему они используются почти повсеместно? Потому что они обеспечивают очень высокую скорость обработки данных и их очень трудно взломать. Симметричные алгоритмы гораздо быстрее асимметричных. Они могут сравнительно быстро зашифровывать и расшифровывать большие объемы данных. Кроме того, данные, зашифрованные симметричным алгоритмом с использованием длинного ключа, очень сложно вскрыть.
Следующий список описывает сильные и слабые стороны криптосистем с симметричными ключами:

В шифрах замены позиции букв в шифровке остаются теми же, что и у открытого текста, но символы открытого текста заменяются символами другого алфавита.
В шифрах перестановки все буквы открытого текста остаются в зашифрованном сообщении, но меняют свои позиции.
В аддитивных шифрах буквы алфавита заменяются числами, к которым затем добавляются числа секретной случайной (псевдослучайной) числовой последовательности (гаммы). Состав гаммы меняется в зависимости от используемого ключа. Обычно для шифрования используется логическая операция «Исключающее ИЛИ» (XOR). При дешифровании та же гамма накладывается на зашифрованные данные. Гаммирование широко используется в военных криптографических системах.

В двухключевых системах для шифрования и дешифрования используется два совершено разных ключа.
При использовании детерминированного алгоритма шифрование и расшифрование посредством соответствующей пары ключей возможно только единственным способом.
Вероятностный алгоритм при шифровании одного и того же исходного сообщения с одним и тем же ключом может давать разные шифртексты, которые при расшифровке дают один и тот же результат.
Квантовая криптография вносит в процесс шифрования естественную неопределенность квантового мира. Процесс отправки и приёма информации выполняется посредством объектов квантовой механики, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Самым ценным свойством этого вида шифрования является то, что при посылке сообщения отправляющая и принимающая сторона с достаточно большой вероятностью (99.99…%) могут установить факт перехвата зашифрованного сообщения.
Комбинированные (составные) методы предполагают использование для шифрования сообщения сразу нескольких методов (например, сначала замена символов, а затем их перестановка).
Все шифры по алгоритму преобразования также делят на потоковые и блочные. В потоковых шифрах преобразование выполняется отдельно над каждым символом исходного сообщения. Для блочных шифров информация разбивается на блоки фиксированной длины, каждый из которых шифруется и расшифровывается отдельно.

3. По количеству символов сообщения (или его кодовой замены), шифруемых или расшифровываемых по однотипной процедуре преобразования:

- потоковые – процедура преобразование применяется к отдельному символу сообщения;
- блочные – процедура преобразование применяется к набору (блоку) символов сообщения;
Отличить потоковый шифр от блочного можно по следующему признаку - если в результате разбиения исходного сообщения на отдельные символы и применения к ним однотипной процедуры преобразования получаемая шифрограмма эквивалентна той, которая получается при применении преобразования ко всему исходному сообщению, то шифр потоковый, иначе блочный.

4. По стойкости шифра криптосистемы делятся на три группы:

совершенные (абсолютно стойкие, теоретически стойкие) – шифры, заведомо неподдающиеся вскрытию (при правильном использовании). Дешифрование секретного сообщения приводит к нескольким осмысленным равновероятным открытым сообщениям;
практически (вычислительно, достаточно) стойкие – шифры, вскрытие которых за приемлемое время невозможно на современном или перспективном уровне вычислительной техники. Практическая стойкость таких систем базируется на теории сложности и оценивается исключительно на какой-то определенный момент времени с двух позиций:

- вычислительная сложность полного перебора;

- известные на данный момент слабости (уязвимости) и их влияние на вычислительную сложность;

нестойкие шифры.

Основные требования, предъявляемые к криптосистемам

Для современных криптографических систем можно сформулировать следующие требования:

сложность и трудоёмкость процедур шифрования и дешифрования должны определяться в зависимости от требуемого уровня защиты информации (необходимо обеспечить надежную защиту информации);
временные и стоимостные затраты на защиту информации должны быть приемлемыми при заданном уровне ее секретности (затраты на защиту не должны быть чрезмерными);
процедуры шифрования и дешифрования не должны зависеть от длины сообщения;
количество всех возможных ключей шифра должно быть таковым, чтобы их полный перебор с помощью современных информационных технологий (в т.ч. и распределенных вычислений) был невозможен за приемлемое для противника время;
любой ключ из множества возможных должен обеспечивать надежную защиту информации;
незначительное изменение ключа должно приводить к существенному изменению вида зашифрованного сообщения;
избыточность сообщений, вносимая в процессе шифрования, должна быть как можно меньшей (хорошим считается результат, когда длина шифрограммы не превышает длину исходного текста);
зашифрованное сообщение должно поддаваться чтению только при наличии ключа.